KR102118157B1 - 기상관측용 무인비행체의 센서탑재장치, 기상관측용 무인비행체 및 기상관측용 무인비행체를 이용한 기상관측 방법 - Google Patents

기상관측용 무인비행체의 센서탑재장치, 기상관측용 무인비행체 및 기상관측용 무인비행체를 이용한 기상관측 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기상관측용 무인비행체의 센서탑재장치, 기상관측용 무인비행체 및 기상관측용 무인비행체를 이용한 기상관측 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 기상관측용 무인비행체의 센서탑재장치는 풍향 및 풍속을 측정하는 센서부가 설치되며, 상기 센서부의 방위각을 제어하는 방위각 제어부; 상기 센서부로 전달되는 진동을 제거하는 진동 제어부; 및 상기 센서부의 수평을 제어하며, 댐퍼 고정부를 통해 무인비행체에 고정되는 수평 제어부;를 포함한다.

Description

기상관측용 무인비행체의 센서탑재장치, 기상관측용 무인비행체 및 기상관측용 무인비행체를 이용한 기상관측 방법{Sensor mounting device of unmanned aerial vehicle for meteorological observation, unmanned aerial vehicle for meteorological observation and meteorological observation method thereof and sensor mounting device of unmanned aerial vehicle for meteorological observation}
본 발명의 실시예는 기상관측용 무인비행체의 센서탑재장치, 기상관측용 무인비행체 및 기상관측용 무인비행체를 이용한 기상관측 방법에 관한 것이다.
풍향 및 풍속의 측정을 위해서는 기상 관측자가 종합기상타워 또는 산, 빌딩, 타워 등의 높은 곳에 설치된 시설로 이동해야 하므로 많은 시간이 소요되었다.
또한, 현재는 무인항공기를 이용한 풍향 및 풍속을 원격에서 정확히 측정할 수 있는 기술이 없는 상태로 연구수준에만 머물러 있고 정확한 검증도 되어 있지 않으며, 무인항공기에 탑재할 수 있는 풍향 및 풍속 측정 센서의 개발도 이루어져 있지 않다.
따라서, 무인항공기를 이용한 기상측정용 복합센서 개발 및 측정용 무인항공기 개발에 대한 연구가 다양하게 시도되고 있으나, 기상요인 및 정확한 기상측정 방식에 대한 요구사항이 반영되지 않으며 가장 기본인 풍향, 풍속의 정확한 센싱의 정확성이 검증되지 않은 상태에서는 연구 및 개발의 진전이 어려운 상황이다.
또한, 지상 고정물에 설치된 센서와 달리 무인비행체 탑재된 센서는 무인 비행체의 진동과 바람, 비행 등의 요소에 의해 흔들림이 존재하여 이를 제어해야만 정확한 측정이 가능하다.
한편, 무인비행체에 카메라를 장착하기 위하여 카메라 짐벌이라는 장치가 사용되나, 카메라 짐벌은 무인비행체의 하단에 장착해야 하며, 카메라에 적합한 형태로 개발되어 무게, 크기, 장착방식, 장착형태 또는 동작 등의 차이점이 있으므로 기상관측용 센서를 장착하기에는 적합하지 않다.
무인비행체를 이용한, 풍향, 풍속 등의 기상요소의 측정시에는 무인비행체의 비행 안정성을 확보하기 위하여 풍향과 풍속에 따라 무인비행체가 기울어질 수 밖에 없으며, 바람이 불규칙하므로 무인비행체에 탑재된 기상관측용 센서에 진동이 전달되어 오류가 발생한다.
따라서, 무인항공기를 이용해 정확한 풍향 및 풍속을 측정할 수 있도록 하기 위하여, 풍향 및 풍속 센서가 무인항공기의 비행에 따른 공기흐름에 영향을 받지 않고 풍향 및 풍속을 측정할 수 있으며, 무인항공기의 비행 시의 흔들림, 프로펠러의 영향, 방위각, 위치 등의 다양한 문제를 해결한 기상관측 방법이 필요한 실정이다.
본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명에 따르면, 기상관측용 무인비행체가 기상관측을 위한 비행 중에 바람 또는 진동으로 인한 떨림, 흔들림, 기울임 등이 발생하거나, 기상관측용 무인비행체의 이동 또는 기상관측을 위해 방향(방위각)이 변경되는 경우, 센서탑재장치가 기상을 관측하는 센서부의 방향(방위각)과 수평을 자동으로 제어하여, 기상관측용 무인비행체를 이용한 풍향 및 풍속 등의 기상관측 시에 매우 정확한 측정이 가능하도록 하고자 한다.
전술한 문제를 해결하기 위한 본 실시예에 따른 기상관측용 무인비행체의 센서탑재장치는 풍향 및 풍속을 측정하는 센서부가 설치되며, 상기 센서부의 방위각을 제어하는 방위각 제어부; 상기 센서부로 전달되는 진동을 제거하는 진동 제어부; 및 상기 센서부의 수평을 제어하며, 댐퍼 고정부를 통해 무인비행체에 고정되는 수평 제어부;를 포함하고, 상기 방위각 제어부는 상기 센서부의 방위각을 변경하기 위하여 제1 축을 중심으로의 회전을 제어하고, 상기 수평 제어부는 상기 센서부의 수평을 유지하기 위하여 제2 축을 중심으로의 회전을 제어할 수 있다.
본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 진동 제어부는 상기 센서부의 수평을 유지하기 위하여 제3 축을 중심으로의 회전을 제어하는 제2 수평 제어부;를 더 포함할 수 있다.
삭제
본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 방위각 제어부로부터 연장되어 상기 진동 제어부와 연결되는 연결 지지부;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 기상관측용 무인비행체는 방위각을 측정하는 방위각 센서 및 수평을 감지하는 수평감지 센서를 포함하는 무인비행체 몸체부; 및 상기 무인비행체 몸체부 상에 고정되고, 풍향 및 풍속을 측정하는 센서부가 설치되어 상기 측정된 방위각과 상기 감지된 수평에 따라 상기 센서부의 방위각과 수평을 제어하며, 상기 센서부로 전달되는 진동을 제거하는 센서탑재장치;를 포함하고, 상기 센서탑재장치는 상기 센서부가 설치되며, 상기 센서부의 방위각을 제어하는 방위각 제어부; 상기 센서부로 전달되는 진동을 제거하는 진동 제어부; 및 상기 센서부의 수평을 제어하며, 댐퍼 고정부를 통해 상기 무인비행체 몸체부에 고정되는 수평 제어부;를 포함하고, 상기 방위각 제어부는 상기 센서부의 방위각을 변경하기 위하여 제1 축을 중심으로의 회전을 제어하고, 상기 수평 제어부는 상기 센서부의 수평을 유지하기 위하여 제2 축을 중심으로의 회전을 제어할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 기상관측용 무인비행체를 이용한 기상관측 방법은 기상관측용 무인비행체가 비행하여 기상관측 위치에 도착하는 제1 단계; 상기 기상관측용 무인비행체가 자세를 제어하여 균형을 유지하는 제2 단계; 센서탑재장치를 제어하여 상기 기상관측용 무인비행체에 설치된 센서부의 방위각 및 수평을 조절하는 제3 단계; 상기 센서부가 풍향 및 풍속을 측정하여 수집하는 제4 단계; 상기 기상관측용 무인비행체가 상기 수집한 결과를 전송하는 제5 단계; 지상관제시스템(GCS: Ground Control System)이 상기 수집한 결과를 수신하여 저장하는 제6 단계; 및 상기 지상관제시스템이 상기 수집한 결과를 보정하여 최종 기상관측 자료를 생성하는 제7 단계;를 포함한다.
삭제
본 발명의 일실시예에 따르면, 기상관측용 무인비행체가 기상관측을 위한 비행 중에 바람 또는 진동으로 인한 떨림, 흔들림, 기울임 등이 발생하거나, 기상관측용 무인비행체의 이동 또는 기상관측을 위해 방향(방위각)이 변경되는 경우, 센서탑재장치가 기상을 관측하는 센서부의 방향(방위각)과 수평을 자동으로 제어하여, 기상관측용 무인비행체를 이용한 풍향 및 풍속 등의 기상관측 시에 매우 정확한 측정이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 기상관측용 무인비행체를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 기상관측용 무인비행체의 센서탑재장치 및 센서부를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 기상관측용 무인비행체의 센서탑재장치의 사시도이다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 기상관측용 무인비행체의 센서탑재장치의 동작 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 기상관측용 무인비행체의 동작 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 다른 일실시예에 따른 기상관측용 무인비행체의 센서탑재장치를 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 기상관측용 무인비행체를 이용한 기상관측 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 바람직한 본 발명의 일실시예에 대해서 상세히 설명한다. 다만, 실시형태를 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 기상관측용 무인비행체를 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 기상관측용 무인비행체의 센서탑재장치 및 센서부를 도시한 도면이다.
또한, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 기상관측용 무인비행체의 센서탑재장치의 사시도이고, 도 4 내지 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 기상관측용 무인비행체의 센서탑재장치의 동작 방법을 설명하기 위한 도면이다.
이후부터는 도 1 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 기상관측용 무인비행체 및 센서탑재장치의 구성을 설명하기로 한다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 기상관측용 무인비행체는 무인비행체(100), 센서부(110) 및 센서탑재장치(120)를 포함하여 구성된다.
본 발명의 일실시예에 따른 기상관측용 무인비행체(100)는 드론(drone) 형태의 무인비행체로 구성될 수 있으며, 비행이 가능하도록 다수의 프로펠러가 설치될 수 있다.
기상관측용 무인비행체(100)를 기상관측 위치에 해당하는 특정 고도까지 이동시키기 위해서는 수직위치 제어를 해야 하며, 이를 위해서는 웨이포인트(Waypoint) 방식을 도입해야 한다. 기상관측용 무인비행체(100)가 웨이포인트 비행을 하기 위해서는 자율비행을 수행해야 하며, 이는 기상관측용 무인비행체(100)가 스스로 안정적 자세유지와 안정적 비행을 수행해야 함을 의미한다. 기상관측용 무인비행체(100)가 안정적으로 이륙하여 비행자세를 수평으로 유지하면서 정해진 고도까지 상승하여 각 웨이포인트 위치에 정지해 기상측정 임무를 수행하기 위해서는 호버링을 해야 하며, 이때 방위각 센서와 수평감지 센서를 필요로 한다.
따라서, 기상관측용 무인비행체(100)는 방위각을 측정하는 방위각 센서와 수평을 감지하는 수평감지 센서를 포함하도록 구성되어, 상기 측정된 방위각에 의해 센서탑재장치(120)를 제어하여 센서부(110)의 방위각과 수평을 조절하여 균형을 유지할 수 있다.
도 2를 참조하면 센서탑재장치(120)는 기상관측용 무인비행체(100)에 센서부(110)를 고정하며, 상기 센서탑재장치(120)는 방위각 제어부(121), 진동 제어부(122), 제1 수평 제어부(124), 제2 수평 제어부(123), 연결 지지부(125), 댐퍼 고정부(126) 및 센서 고정부(127)를 포함하여 구성될 수 있다.
방위각 제어부(121)는 풍향 및 풍속을 측정하는 센서부(110)가 설치되어, 상기 센서부(110)의 방위각을 제어할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 방위각 제어부(121)는 센서부(110)가 얹어져 고정되는 센서 고정부(127)를 통해 상기 센서부(110)를 고정할 수 있다.
즉, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 방위각 제어부(121)가 상기 센서부(110)를 지면에 대하여 수직 방향인 제1 축을 중심으로 회전시켜 방위각을 조절하여 풍향 및 풍속을 측정하도록 할 수 있다.
보다 상세하게 설명하면, 기상관측용 무인비행체(100)가 비행 중에 바람 또는 진동으로 인해 기상관측용 무인비행체(100)의 방향(방위각)을 변경해야 하거나, 기상관측용 무인비행체(100)의 이동 또는 기상관측을 위해 방향(방위각)이 변경되는 경우, 센서탑재장치(120)의 방위각 제어부(121)가 제1 축을 중심으로 한 회전을 통해 센서부(110)의 방향(방위각)을 자동으로 제어할 수 있다.
또한, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 상기 센서탑재장치(120)의 방위각 제어부(121)는 상기 센서부(110)가 자북(0°) 방향을 향하도록 제어하여, 상기 센서부(110)가 풍향 및 풍속을 측정하도록 할 수 있다.
이와 같이 구성되는 방위각 제어부(121)에는 연결 지지부(125)가 연결될 수 있으며, 보다 구체적으로 상기 연결 지지부(125)는 상기 방위각 제어부(121)로부터 연장되어 상기 진동 제어부(122)와 연결되도록 구성될 수 있다.
또한, 도 3 및 도 5 에 도시된 바와 같이 수평 제어부(124)는 댐퍼 고정부(126)를 통해 무인비행체(100)에 고정되어, 상기 센서부(110)를 지면에 대하여 수평 방향인 제2 축을 중심으로 회전시킬 수 있으며, 도 3 및 도 6 에 도시된 바와 같이 상기 제2 수평 제어부(123)는 상기 센서부(110)를 지면에 대하여 수평 방향인 제3 축을 중심으로 회전시킴으로써, 상기 센서부(110)가 지면에 대하여 수평을 유지하도록 한 후, 풍향 및 풍속을 측정하도록 할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일실시예에 따르면, 기상관측용 무인비행체(100)가 비행 중에 바람 또는 진동으로 인한 떨림, 흔들림, 기울임 등이 발생하거나, 기상관측용 무인비행체(100)의 방향(방위각)을 변경해야 하거나, 기상관측용 무인비행체(100)의 이동 또는 기상관측을 위해 방향(방위각)이 변경되는 경우, 센서탑재장치(120)의 방위각 제어부(121)가 제1 축을 중심으로 한 회전을 통해 센서부(110)의 방향(방위각)과 수평을 자동으로 제어하여, 기상관측용 무인비행체를 이용한 풍향 및 풍속 등의 기상관측 시의 매우 정확한 측정이 가능하도록 한다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 기상관측용 무인비행체의 동작 방법을 설명하기 위한 도면이다.
이후부터는 도 7 및 도 8을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 기상관측용 무인비행체의 동작 방법을 설명하기로 한다.
도 7에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 기상관측용 무인비행체는 무인비행체 몸체부(100), 센서부(110) 및 센서탑재장치(120)를 포함하여 구성될 수 있다.
무인비행체 몸체부(100)는 방위각을 측정하는 방위각 센서 및 수평을 감지하는 수평감지 센서를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 센서탑재장치(120)는 상기 무인비행체 몸체부(120) 상에 고정되고, 풍향 및 풍속을 측정하는 센서부(110)가 설치되어 상기 측정된 방위각과 상기 감지된 수평에 따라 상기 센서부(110)의 방위각과 수평을 제어하여, 센서부(110)가 지면에 대하여 수평을 유지하도록 한 후, 풍향 및 풍속을 측정하도록 함으로써, 보다 정확한 풍향 및 풍속의 측정이 가능하다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 다른 일실시예에 따른 기상관측용 무인비행체의 센서탑재장치를 도시한 도면이다.
이후부터는 도 9 및 도 10을 참조하여, 본 발명의 다른 일실시예에 따른 기상관측용 무인비행체의 센서탑재장치를 설명하기로 한다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 본 발명의 다른 일실시예에 따른 기상관측용 무인비행체의 센서탑재장치(120)는, 도 1 내지 도 8의 일실시예에 따른 기상관측용 무인비행체의 센서탑재장치(120)와 마찬가지로, 방위각 제어부(121), 진동 제어부(122), 수평 제어부(124), 제2 수평 제어부(123), 연결 지지부(125), 댐퍼 고정부(126) 및 센서 고정부(127)를 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 상기 본 발명의 다른 일실시예에 따른 기상관측용 무인비행체의 센서탑재장치(120)는 연결 지지부(125)가 직각 구조로 형성될 수 있으며, 수평 제어부(124)는 댐퍼 고정부(126)의 일측에만 형성되도록 구성될 수 있다.
따라서, 도 9 및 도 10에 도시된 일실시예에 따른 기상관측용 무인비행체의 센서탑재장치(120)는 보다 단순하고 소형화된 콤팩트 구조를 통해 센서부의 방위각과 수평을 유지할 수 있도록 하여 정확한 풍향 및 풍속의 측정이 가능하다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 기상관측용 무인비행체를 이용한 기상관측 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
이후부터는 도 11을 참조하여, 본 발명의 일실시예에 따른 기상관측용 무인비행체를 이용한 기상관측 방법을 설명하기로 한다.
먼저, 기상관측용 무인비행체가 비행하여 기상관측 위치에 도착한다(S510).
이후, 상기 기상관측용 무인비행체가 기상관측 위치에서 방위각 및 수평을 조절하여 균형을 유지하고(S520), 센서탑재장치를 제어하여 상기 기상관측용 무인비행체에 설치된 센서부의 방위각 및 수평을 조절한다(S525).
이와 같은 센서부의 방위각 및 수평을 조절 이후에는, 상기 기상관측용 무인비행체의 센서부가 풍향 및 풍속을 측정하여 수집한다(S530)
또한, 상기 기상관측용 무인비행체가 상기 수집한 결과를 전송하여(S540), 지상관제시스템(GCS: Ground Control System)이 상기 수집한 결과를 수신하여 저장한다(S550).
그뿐만 아니라, 본 발명의 일실시예에 따르면 상기 지상관제시스템이 상기 수집한 결과를 보정하여 보다 정확한 최종 기상관측 자료를 생성할 수 있다.
한편, 이와 같은 기상관측용 무인비행체의 기상관측을 위하여, 지상관제시스템이 사전에 기상관측용 무인비행체의 비행 및 기상관측 프로세스를 입력하여 기상관측용 무인비행체와 동기화하도록 구성될 수 있다.
보다 구체적으로, 지상관제시스템이 상기 기상관측용 무인비행체의 이륙 및 착륙 지점을 입력 받고, 상기 지상관제시스템이 상기 기상관측용 무인비행체의 이동 지점을 입력 받는다.
또한, 상기 지상관제시스템이 상기 이동 지점에 해당하는 풍향 및 풍속의 측정 명령 또는 임무를 입력 받고, 상기 기상관측용 무인비행체의 이륙 및 착륙 지점, 이동 지점 그리고 측정 명령 또는 임무를 저장하며, 이후, 상기 지상관제시스템이 상기 저장된 상기 기상관측용 무인비행체의 이륙 및 착륙 지점, 이동 지점 그리고 측정 명령 또는 임무를 상기 기상관측용 무인비행체와 동기화한다.
전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 전술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 기상관측용 무인비행체
110: 센서부
120: 센서탑재장치
121: 방위각 제어부
122: 진동 제어부
123: 제2 수평 제어부
124: 제1 수평 제어부
125: 연결 지지부
126: 댐퍼 고정부
127: 센서 고정부

Claims (7)

  1. 풍향 및 풍속을 측정하는 센서부가 설치되며, 상기 센서부의 방위각을 제어하는 방위각 제어부;
    상기 센서부로 전달되는 진동을 제거하는 진동 제어부; 및
    상기 센서부의 수평을 제어하며, 댐퍼 고정부를 통해 무인비행체에 고정되는 수평 제어부;
    를 포함하고,
    상기 방위각 제어부는,
    상기 센서부의 방위각을 변경하기 위하여 제1 축을 중심으로의 회전을 제어하고,
    상기 수평 제어부는,
    상기 센서부의 수평을 유지하기 위하여 제2 축을 중심으로의 회전을 제어하는 기상관측용 무인비행체의 센서탑재장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 진동 제어부는,
    상기 센서부의 수평을 유지하기 위하여 제3 축을 중심으로의 회전을 제어하는 제2 수평 제어부;
    를 더 포함하는 기상관측용 무인비행체의 센서탑재장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 방위각 제어부로부터 연장되어 상기 진동 제어부와 연결되는 연결 지지부;
    를 더 포함하는 기상관측용 무인비행체의 센서탑재장치.
  5. 방위각을 측정하는 방위각 센서 및 수평을 감지하는 수평감지 센서를 포함하는 무인비행체 몸체부; 및
    상기 무인비행체 몸체부 상에 고정되고, 풍향 및 풍속을 측정하는 센서부가 설치되어 상기 측정된 방위각과 상기 감지된 수평에 따라 상기 센서부의 방위각과 수평을 제어하며, 상기 센서부로 전달되는 진동을 제거하는 센서탑재장치;
    를 포함하고,
    상기 센서탑재장치는,
    상기 센서부가 설치되며, 상기 센서부의 방위각을 제어하는 방위각 제어부;
    상기 센서부로 전달되는 진동을 제거하는 진동 제어부; 및
    상기 센서부의 수평을 제어하며, 댐퍼 고정부를 통해 상기 무인비행체 몸체부에 고정되는 수평 제어부;
    를 포함하고,
    상기 방위각 제어부는,
    상기 센서부의 방위각을 변경하기 위하여 제1 축을 중심으로의 회전을 제어하고,
    상기 수평 제어부는,
    상기 센서부의 수평을 유지하기 위하여 제2 축을 중심으로의 회전을 제어하는 기상관측용 무인비행체.
  6. 삭제
  7. 기상관측용 무인비행체가 비행하여 기상관측 위치에 도착하는 제1 단계;
    상기 기상관측용 무인비행체가 자세를 제어하여 균형을 유지하는 제2 단계;
    센서탑재장치를 제어하여 상기 기상관측용 무인비행체에 설치된 센서부의 방위각 및 수평을 조절하는 제3 단계;
    상기 센서부가 풍향 및 풍속을 측정하여 수집하는 제4 단계;
    상기 기상관측용 무인비행체가 상기 수집한 결과를 전송하는 제5 단계;
    지상관제시스템(GCS: Ground Control System)이 상기 수집한 결과를 수신하여 저장하는 제6 단계; 및
    상기 지상관제시스템이 상기 수집한 결과를 보정하여 최종 기상관측 자료를 생성하는 제7 단계;
    를 포함하는 기상관측용 무인비행체를 이용한 기상관측 방법.
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