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KR102127359B1 - Underwater magnetic field mapping system and method using autonomous surface vehicle - Google Patents

Underwater magnetic field mapping system and method using autonomous surface vehicle Download PDF

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KR102127359B1
KR102127359B1 KR1020180097997A KR20180097997A KR102127359B1 KR 102127359 B1 KR102127359 B1 KR 102127359B1 KR 1020180097997 A KR1020180097997 A KR 1020180097997A KR 20180097997 A KR20180097997 A KR 20180097997A KR 102127359 B1 KR102127359 B1 KR 102127359B1
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magnetic field
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underwater
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정종대
박정홍
최진우
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한국해양과학기술원
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Abstract

본 발명은 자율수상선을 이용한 수중 자기장 지도 작성 시스템 및 방법에 관한 것으로, 특히 자율수상선에 장착된 GPS 수신기, 자력계 및 자세센서 각각으로부터 획득된 위치 정보, 3차원 자기장 벡터 및 자세 정보[롤(Roll), 피치(Pitch) 및 요(Yaw)]를 육상 제어실 측에 전송하고 자력값 보정부에서 3차원 자기장 벡터를 자세 정보를 이용하여 3차원 보정값을 획득하고 이 3차원 보정값을 고정 좌표계에서 참조 좌표계로 변환하여 지자기 표현법인 F(전체 강도), D(편각), I(경사)로 나타내고 위치 정보에 F, D, I를 매핑한 후 회귀법을 이용하여 미탐색 영역을 보간함으로써 고해상도의 수중 자기장 지도를 획득할 수 있는, 자율수상선을 이용한 수중 자기장 지도 작성 시스템 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an underwater magnetic field mapping system and method using an autonomous watercraft, in particular, position information obtained from each of a GPS receiver, magnetometer, and attitude sensor mounted on the autonomous watercraft, 3D magnetic field vector and attitude information [Roll] , Pitch and Yaw] are transmitted to the land control room side, and the magnetic force value correction unit obtains a 3D correction value using the 3D magnetic field vector using the posture information and refers to the 3D correction value from the fixed coordinate system. Converted to a coordinate system, represented by F (total intensity), D (declination), and I (inclination), which are geomagnetic expression methods, and mapped F, D, and I to location information, and then interpolated unexplored areas using regression to obtain a high-resolution underwater magnetic field. An underwater magnetic field mapping system and method using an autonomous watercraft capable of obtaining a map.

Description

자율수상선을 이용한 수중 자기장 지도 작성 시스템 및 방법{UNDERWATER MAGNETIC FIELD MAPPING SYSTEM AND METHOD USING AUTONOMOUS SURFACE VEHICLE}Underwater magnetic field mapping system and method using autonomous watercraft {UNDERWATER MAGNETIC FIELD MAPPING SYSTEM AND METHOD USING AUTONOMOUS SURFACE VEHICLE}

본 발명은 자율수상선을 이용한 수중 자기장 지도 작성 시스템 및 방법에 관한 것으로, 특히 자율수상선에 장착된 GPS 수신기, 자력계 및 자세센서 각각으로부터 획득된 위치 정보, 3차원 자기장 벡터 및 자세 정보[롤(Roll), 피치(Pitch) 및 요(Yaw)]를 육상 제어실 측에 전송하고 자력값 보정부에서 3차원 자기장 벡터를 자세 정보를 이용하여 3차원 보정값을 획득하고 이 3차원 보정값을 고정 좌표계에서 참조 좌표계로 변환하여 지자기 표현법인 F(전체 강도), D(편각), I(경사)로 나타내고 위치 정보에 F, D, I를 매핑한 후 회귀법을 이용하여 미탐색 영역을 보간함으로써 고해상도의 수중 자기장 지도를 획득할 수 있는, 자율수상선을 이용한 수중 자기장 지도 작성 시스템 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an underwater magnetic field mapping system and method using an autonomous watercraft, in particular, position information obtained from each of a GPS receiver, a magnetometer and a posture sensor mounted on the autonomous watercraft, a three-dimensional magnetic field vector and posture information (Roll) , Pitch and Yaw] are transmitted to the land control room side, and the magnetic force value correction unit acquires a 3D correction value using posture information from the 3D magnetic field vector and refers to the 3D correction value in a fixed coordinate system. Converted to a coordinate system, represented by F (total intensity), D (declination), and I (inclination), which are geomagnetic expression methods, and mapped F, D, and I to location information, and then interpolated unexplored areas using a regression method to obtain a high-resolution underwater magnetic field. An underwater magnetic field mapping system and method using an autonomous watercraft capable of obtaining a map.

일반적으로 지구자기장 또는 지자기는 지구 외핵의 회전 동역학적 운동(geodynamo)에 의해 발생하는 지구 물리 신호로서 태양풍으로부터 지구를 보호하는 중요한 역할을 하고 있다. 이러한 지구자기장은 수중에서도 유용하게 사용될 수 있는데, 수중이동체의 관성항법, 해저의 UXO(unexploded ordnance) 검출, 판의 이동 분석과 같은 것들이 그 예이다. 지자기 지도는 온라인상에 공시되기도 하는데 NGDC(National Geophysical Data Center), IAGA(International Association of Geomagnetism and Aeronomy)와 같은 기관에서는 WMM(World Magnetic Model), IGRF(International Geomagnetic Reference Field)와 같은 모델들을 주기적으로 제공하고 있다. 하지만 이러한 공시 모델들은 해상도가 매우 낮으며 고해상도의 HDGM(High Definition Geomagnetic Model)과 같은 모델은 추가적인 비용이 필요하고 이 또한 정확도 및 업데이트 주기에는 한계가 있다. In general, a geomagnetic field or a geomagnetic field is a geophysical signal generated by the rotational dynamic motion (geodynamo) of the outer core of the earth, and plays an important role in protecting the earth from the solar wind. Such a magnetic field may be useful even underwater, such as inertial navigation of underwater bodies, detection of unexploded ordnance (UXO) at the seabed, and analysis of plate movement. Geomagnetic maps are also published online. Institutions such as the National Geophysical Data Center (NGDC) and the International Association of Geomagnetism and Aeronomy (IAGA) regularly model models such as the World Magnetic Model (WMM) and International Geomagnetic Reference Field (IGRF). Is provided. However, these published models have very low resolution, and models such as high-definition HDGM (High Definition Geomagnetic Model) require additional cost, which also limits the accuracy and update cycle.

한국 특허 공개 2015-0102212호에는 샘플 영역에서의 지구자기장 값을 수집하여 추가적인 인프라 설치 없이 측위에 이용할 수 있고, 데이터베이스를 미리 구축하지 않고도 핑거프린트 방식을 적용할 수 있는 지구자기장 세기 기반의 맵 생성 및 실내 측위 방법이 개시되어 있다. In Korean Patent Publication No. 2015-0102212, a geomagnetic field strength-based map can be generated that can collect geomagnetic field values in a sample area and use them for positioning without installing additional infrastructure, and apply a fingerprint method without constructing a database in advance. An indoor positioning method is disclosed.

이와 같은 종래의 기술은 샘플 영역의 지구자기장 값을 수집하여 지구자기장 특성에 따른 샘플링 간격을 결정하여 샘플링 간격에 따라 지구자기장 값을 수집하여 지구자기장 맵을 생성하는 방식이므로, 지구 자기장을 측정하는 센싱 환경에 있어서의 왜곡 현상에 대한 보정이 전혀 고려되지 않았으며, 더욱이 외란이 심하고 조류에 따라 운동되는 수중환경에서의 자기장 지도 작성에는 적합하지 않다는 문제점이 있었다.Since such a conventional technique is a method of collecting a geomagnetic field value of a sample area, determining a sampling interval according to the characteristics of the geomagnetic field, and collecting a geomagnetic field value according to the sampling interval to generate a geomagnetic field map, so sensing to measure the earth magnetic field Correction of the distortion phenomenon in the environment was not considered at all, and further, there was a problem that it was not suitable for generating a magnetic field map in an underwater environment in which the disturbance was severe and the algae moved.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 관심 해역에 대한 고해상도의 수중 자기장 지도를 작성할 수 있고 전체적인 시스템이 단순화되어 있으며 지도 작성의 효율성을 높일 수 있는, 자율수상선을 이용한 수중 자기장 지도 작성 시스템 및 방법을 제공하는 데에 있다.Therefore, the present invention has been made to solve the problems as described above, and the object of the present invention is to create a high-resolution underwater magnetic field map for a sea area of interest, and the overall system is simplified and can increase the efficiency of mapping, an autonomous watercraft. It is to provide an underwater magnetic field mapping system and method using.

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시형태에 의한 자율수상선을 이용한 수중 자기장 지도 작성 시스템은 자율수상선에 장착되어 GPS 위성으로부터 마이크로파를 수신하여 위치정보를 생성하는 GPS 수신부(100); 상기 자율수상선 본체 하부에 설치되어 3차원 자기장 벡터(m)를 획득하는 자력계(110); 상기 자율수상선에 장착되어 자세 정보(즉, 롤, 피치 및 요)를 획득하는 자세센서(120); 상기 자율수상선에 장착되어 상기 위치정보, 3차원 자기장 벡터(m) 및 자세 정보를 육상 제어실측으로 무선으로 전송하는 무선 통신부(130); 육상 제어실측에 설치되어 상기 무선 통신부(130)로부터 무선 신호를 입력받아 복조하는 무선 통신부(200); 상기 육상 제어실측에 설치되어 상기 무선 통신부(200)로부터 위치정보, 3차원 자기장 벡터(m) 및 자세 정보를 입력받는 데이터 입력부(210); 상기 육상 제어실측에 설치되어 상기 3차원 자기장 벡터(m)를 자세 정보를 이용하여 3차원 보정값(m3d)을 획득하고 이 3차원 보정값을 고정 좌표계에서 참조 좌표계로 변환하여 지자기 표현법인 F(전체 강도), D(편각) 및 I(경사)로 나타내는 자력값 보정부(220); 상기 육상 제어실측에 설치되어 상기 위치정보에 상기 F(전체 강도), D(편각) 및 I(경사)를 매핑하는 매핑부(230); 및 상기 육상 제어실측에 설치되어 상기 위치정보, F(전체 강도), D(편각) 및 I(경사)를 회귀법을 이용하여 미탐색 영역을 보간하는 미탐색 영역 보간부(240)를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, an underwater magnetic field mapping system using an autonomous watercraft according to an embodiment of the present invention includes a GPS receiver 100 mounted on an autonomous watercraft to receive microwaves from GPS satellites and generate location information; A magnetometer 110 installed under the body of the autonomous vessel to obtain a three-dimensional magnetic field vector (m); A posture sensor 120 mounted on the autonomous vessel to acquire posture information (ie, roll, pitch, and yaw); A wireless communication unit 130 mounted on the autonomous vessel and wirelessly transmitting the location information, a three-dimensional magnetic field vector (m) and posture information to the land control room side; A wireless communication unit 200 installed on the land control room side to receive and demodulate a wireless signal from the wireless communication unit 130; A data input unit 210 installed on the land control room side to receive location information, a three-dimensional magnetic field vector (m) and posture information from the wireless communication unit 200; Installed on the land control room side, the 3D magnetic field vector (m) acquires a 3D correction value (m 3d ) using attitude information, and converts the 3D correction value from a fixed coordinate system to a reference coordinate system, which is a geomagnetic expression method F (Total intensity), magnetic force value correction unit 220 represented by D (declination) and I (inclination); A mapping unit 230 installed on the land control room side to map the F (total strength), D (declination) and I (inclination) to the location information; And an unexplored area interpolation unit 240 installed on the land control room side to interpolate the unexplored area by using the regression method for the position information, F (total intensity), D (declination), and I (inclination). It is characterized by.

상기 실시형태에 의한 자율수상선을 이용한 수중 자기장 지도 작성 시스템에 있어서, 상기 자력계(110)는 플럭스게이트(fluxgate) 타입 벡터센서일 수 있다.In the underwater magnetic field mapping system using the autonomous watercraft according to the above embodiment, the magnetometer 110 may be a fluxgate type vector sensor.

상기 실시형태에 의한 자율수상선을 이용한 수중 자기장 지도 작성 시스템에 있어서, 상기 자세센서(120)는 광섬유 자이로스코프일 수 있다.In the underwater magnetic field mapping system using the autonomous watercraft according to the above embodiment, the posture sensor 120 may be an optical fiber gyroscope.

상기 실시형태에 의한 자율수상선을 이용한 수중 자기장 지도 작성 시스템에 있어서, 상기 회귀법은 비매개변수 회귀법 중 하나인 가우시안 프로세스 회귀법일 수 있다.In the underwater magnetic field mapping system using autonomous watercraft according to the above embodiment, the regression method may be a Gaussian process regression method, which is one of the nonparametric regression methods.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 다른 실시형태에 의한 자율수상선을 이용한 수중 자기장 지도 작성 방법은 GPS 수신부(100)에 의해 GPS 위성으로부터 마이크로파를 수신하여 위치정보를 생성하는 단계; 자력계(110)에 의해 3차원 자기장 벡터(m)를 획득하는 단계; 자세센서(120)에 의해 자세 정보(즉, 롤, 피치 및 요)를 획득하는 단계; 무선 통신부(130, 200)를 통해 데이터 입력부(210)에 상기 위치정보, 3차원 자기장 벡터(m) 및 자세 정보가 입력되는 단계; 자력값 보정부(220)에서 상기 3차원 자기장 벡터(m)를 상기 자세 정보를 이용하여 3차원 보정값(m3d)을 획득하는 단계; 상기 자력값 보정부(220)에 의해 상기 3차원 보정값(m3d)을 고정 좌표계에서 참조 좌표계(MUTM)로 변환하는 단계; 상기 자력값 보정부(220)에 의해 상기 참조 좌표계(MUTM)를 지자기 표현법인 F(전체 강도), D(편각) 및 I(경사)로 나타내는 단계; 매핑부(230)에 의해 상기 위치정보에 상기 F(전체 강도), D(편각) 및 I(경사)를 매핑하는 단계; 및 미탐색 영역 보간부(240)가 상기 위치정보, F(전체 강도), D(편각) 및 I(경사)를 회귀법을 이용하여 미탐색 영역을 보간하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, a method of generating an underwater magnetic field map using an autonomous watercraft according to another embodiment of the present invention includes: receiving a microwave from a GPS satellite by the GPS receiver 100 to generate location information; Obtaining a three-dimensional magnetic field vector (m) by the magnetometer 110; Obtaining posture information (ie, roll, pitch, and yaw) by the posture sensor 120; Inputting the location information, a three-dimensional magnetic field vector (m) and posture information into the data input unit 210 through the wireless communication units 130 and 200; Obtaining a 3D correction value (m 3d ) from the magnetic force value correcting unit 220 using the 3D magnetic field vector (m) using the posture information; Converting the three-dimensional correction value (m 3d ) from a fixed coordinate system to a reference coordinate system (M UTM ) by the magnetic force value correcting unit 220; Representing the reference coordinate system (M UTM ) by the magnetic force value correcting unit 220 as F (total intensity), D (declination), and I (inclination), which are geomagnetic expression methods; Mapping the F (total intensity), D (declination) and I (inclination) to the location information by the mapping unit 230; And the unexplored region interpolation unit 240 interpolating the unexplored region using the location information, F (total intensity), D (declination), and I (inclination) using a regression method.

상기 다른 실시형태에 의한 자율수상선을 이용한 수중 자기장 지도 작성 방법에 있어서, 상기 3차원 보정값(m3d)을 획득하는 단계는, WMM(World Magnetic Model), IGRF(International Geomagnetic Reference Field) 및 EMM(Enhanced Magnetic Model) 중 어느 하나에서 제공되는 지자기 벡터(

Figure 112018083231011-pat00001
)를 상기 자세 정보로부터 계산되는 로테이션 메트릭스(
Figure 112018083231011-pat00002
)를 이용하여 [수학식 1]과 같이 참조 지자기 벡터(
Figure 112018083231011-pat00003
)를 획득하는 단계; 상기 3차원 자기장 벡터(m)에 대해 PCA를 수행하여 얻은 m'를 기준으로 단위원(C2)화 과정을 거쳐 [수학식 2]와 같이 자기장 벡터(
Figure 112018083231011-pat00004
)를 획득하는 단계; 상기 자기장 벡터(
Figure 112018083231011-pat00005
)에 스케일 인자(
Figure 112018083231011-pat00006
)를 곱하여 [수학식 3]과 같이
Figure 112018083231011-pat00007
를 획득하는 단계; 및 상기
Figure 112018083231011-pat00008
와 참조 지자기 벡터(
Figure 112018083231011-pat00009
) 사이의 3차원 변환을 [수학식 6] 및 [수학식 7]과 같이 하여 3차원 보정값(
Figure 112018083231011-pat00010
)을 획득하는 단계를 포함할 수 있다.In the method of generating an underwater magnetic field map using an autonomous watercraft according to the other embodiment, the obtaining of the 3D correction value (m 3d ) includes: WMM (World Magnetic Model), IGRF (International Geomagnetic Reference Field), and EMM ( Enhanced Magnetic Model) provided by any one of the geomagnetic vectors (
Figure 112018083231011-pat00001
) Is a rotation matrix calculated from the posture information (
Figure 112018083231011-pat00002
) As shown in [Equation 1].
Figure 112018083231011-pat00003
); Based on m'obtained by performing PCA on the 3D magnetic field vector (m), a process of forming a unit circle (C 2 ) and then using a magnetic field vector (Equation 2)
Figure 112018083231011-pat00004
); The magnetic field vector (
Figure 112018083231011-pat00005
) To scale factor (
Figure 112018083231011-pat00006
Multiply) as [Equation 3]
Figure 112018083231011-pat00007
Obtaining a; And above
Figure 112018083231011-pat00008
With reference geomagnetic vector(
Figure 112018083231011-pat00009
3D transformation values between () and [Equation 6] as 3D correction values (
Figure 112018083231011-pat00010
).

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112018083231011-pat00011
Figure 112018083231011-pat00011

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112018083231011-pat00012
Figure 112018083231011-pat00012

[여기서,

Figure 112018083231011-pat00013
는 z축 방향 회전행렬이고,
Figure 112018083231011-pat00014
,
Figure 112018083231011-pat00015
Figure 112018083231011-pat00016
는 각각 PCA 타원의 기울기, 장축 길이 및 단축 길이임][here,
Figure 112018083231011-pat00013
Is a rotation matrix in the z-axis direction,
Figure 112018083231011-pat00014
,
Figure 112018083231011-pat00015
And
Figure 112018083231011-pat00016
Are respectively the slope of the PCA ellipse, the long axis length and the short axis length]

[수학식 3][Equation 3]

Figure 112018083231011-pat00017
Figure 112018083231011-pat00017

[여기서

Figure 112018083231011-pat00018
는 다음의 수학식 4 및 수학식 5에 의해 계산될 수 있음][here
Figure 112018083231011-pat00018
Can be calculated by the following equation 4 and equation 5]

[수학식 4][Equation 4]

Figure 112018083231011-pat00019
Figure 112018083231011-pat00019

[여기서,

Figure 112018083231011-pat00020
는 참조 지자기의 세기 값임][here,
Figure 112018083231011-pat00020
Is the intensity value of the reference geomagnetism]

[수학식 5][Equation 5]

Figure 112018083231011-pat00021
Figure 112018083231011-pat00021

[여기서,

Figure 112018083231011-pat00022
는 i번째 참조 지자기 관측값이고,
Figure 112018083231011-pat00023
는 원(
Figure 112018083231011-pat00024
)의 법선 벡터이며, N은 관측값의 개수임][here,
Figure 112018083231011-pat00022
Is the i-th reference geomagnetic observation,
Figure 112018083231011-pat00023
Is won(
Figure 112018083231011-pat00024
) Is the normal vector, where N is the number of observations]

[수학식 6][Equation 6]

Figure 112018083231011-pat00025
Figure 112018083231011-pat00025

[여기서, R은 로테이션 값이며, t는 트랜스레이션 선형변위이며, Kabsch는 3차원 변환을 위해 사용된 최소근평균자승법인 알고리즘임][Where R is the rotation value, t is the translation linear displacement, and Kabsch is the least root mean square algorithm used for 3D transformation]

[수학식 7][Equation 7]

Figure 112018083231011-pat00026
Figure 112018083231011-pat00026

상기 다른 실시형태에 의한 자율수상선을 이용한 수중 자기장 지도 작성 방법에 있어서, 상기 참조 좌표계(

Figure 112018083231011-pat00027
)는 다음의 [수학식 8]에 의해 획득될 수 있다.In the underwater magnetic field map creation method using the autonomous watercraft according to the other embodiment, the reference coordinate system (
Figure 112018083231011-pat00027
) Can be obtained by the following [Equation 8].

[수학식 8][Equation 8]

Figure 112018083231011-pat00028
Figure 112018083231011-pat00028

[여기서,

Figure 112018083231011-pat00029
Figure 112018083231011-pat00030
의 x성분이고,
Figure 112018083231011-pat00031
Figure 112018083231011-pat00032
의 y성분이며,
Figure 112018083231011-pat00033
Figure 112018083231011-pat00034
의 z성분임][here,
Figure 112018083231011-pat00029
The
Figure 112018083231011-pat00030
Is the x component of
Figure 112018083231011-pat00031
The
Figure 112018083231011-pat00032
Is the y component of
Figure 112018083231011-pat00033
The
Figure 112018083231011-pat00034
Component of z]

상기 다른 실시형태에 의한 자율수상선을 이용한 수중 자기장 지도 작성 방법에 있어서, 상기 F(전체 강도)는 다음의 [수학식 9]에 의해 획득될 수 있다.In the method of mapping an underwater magnetic field using an autonomous watercraft according to the other embodiment, the F (total intensity) can be obtained by the following [Equation 9].

[수학식 9][Equation 9]

Figure 112018083231011-pat00035
Figure 112018083231011-pat00035

상기 다른 실시형태에 의한 자율수상선을 이용한 수중 자기장 지도 작성 방법에 있어서, 상기 D(편각)은 다음의 [수학식 10]에 의해 획득될 수 있다.In the method of generating an underwater magnetic field map using an autonomous watercraft according to the other embodiment, the D (declination) may be obtained by the following [Equation 10].

[수학식 10][Equation 10]

Figure 112018083231011-pat00036
Figure 112018083231011-pat00036

상기 다른 실시형태에 의한 자율수상선을 이용한 수중 자기장 지도 작성 방법에 있어서, 상기 I(경사)는 다음의 [수학식 11]에 의해 획득될 수 있다.In the method for generating an underwater magnetic field map using an autonomous watercraft according to another embodiment, the I (slope) may be obtained by the following [Equation 11].

[수학식 11][Equation 11]

Figure 112018083231011-pat00037
Figure 112018083231011-pat00037

본 발명의 실시형태에 의한 자율수상선을 이용한 수중 자기장 지도 작성 시스템 및 방법에 의하면, GPS 수신부가 자율수상선에 장착되어 GPS 위성으로부터 마이크로파를 수신하여 위치정보를 생성하고, 자력계가 상기 자율수상선 본체 하부에 설치되어 3차원 자기장 벡터를 획득하며, 자세센서가 상기 자율수상선에 장착되어 자세 정보(즉, 롤, 피치 및 요)를 획득하며, 데이터 입력부가 육상 제어실측에 설치되어 상기 위치정보, 3차원 자기장 벡터 및 자세 정보를 입력받고, 자력값 보정부가 상기 육상 제어실측에 설치되어 상기 3차원 자기장 벡터를 자세 정보를 이용하여 3차원 보정값을 획득하고 이 3차원 보정값을 고정 좌표계에서 참조 좌표계로 변환하여 지자기 표현법인 F(전체 강도), D(편각) 및 I(경사)로 나타내며, 매핑부가 상기 육상 제어실측에 설치되어 상기 위치정보에 상기 F(전체 강도), D(편각) 및 I(경사)를 매핑하며, 미탐색 영역 보간부가 상기 육상 제어실측에 설치되어 상기 위치정보, F(전체 강도), D(편각) 및 I(경사)를 회귀법을 이용하여 미탐색 영역을 보간하도록 구성됨으로써, 관심 해역에 대한 고해상도의 수중 자기장 지도를 작성할 수 있고 전체적인 시스템이 단순화되어 있으며 지도 작성의 효율성을 높일 수 있다는 뛰어난 효과가 있다.According to an underwater magnetic field mapping system and method using an autonomous watercraft according to an embodiment of the present invention, a GPS receiver is mounted on an autonomous watercraft to receive microwaves from a GPS satellite to generate location information, and a magnetometer is located below the body of the autonomous watercraft. It is installed to obtain a 3D magnetic field vector, and a posture sensor is mounted on the autonomous watercraft to acquire posture information (i.e. roll, pitch and yaw), and a data input section is installed on the land control room side to provide the position information and the 3D magnetic field. A vector and attitude information is input, and a magnetic force value correction unit is installed at the land control room side to obtain a 3D correction value using the 3D magnetic field vector using attitude information and converts the 3D correction value from a fixed coordinate system to a reference coordinate system. It is represented by F (total intensity), D (declination), and I (inclination), which are geomagnetic expression methods, and a mapping unit is installed on the land control room side to indicate the F (total intensity), D (declination) and I (inclination) ), and an unexplored region interpolation unit is installed at the land control room side to be configured to interpolate the unexplored region using a regression method for the location information, F (total intensity), D (declination), and I (inclination). It has the outstanding effect of being able to map a high-resolution underwater magnetic field for the waters of interest, simplifying the overall system, and increasing the efficiency of mapping.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한, 자율수상선을 이용한 수중 자기장 지도 작성 시스템의 블록 구성도이다.
도 2는 자율수상선에 GPS 수신부(100), 자력계(110) 및 자세센서(120)가 설치된 것을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한, 자율수상선을 이용한 수중 자기장 지도 작성 시스템을 이용한 수중 자기장 지도 작성 방법을 설명하기 위한 플로우챠트이다.
도 4는 도 3의 3차원 보정값을 획득하는 스텝(S50)에 대한 상세 플로우챠트이다.
도 5는 3차원 자기장 벡터를 3차원 보정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 NED(North east dowm) 플레임에 F(전체 강도), D(편각) 및 I(경사)를 매핑한 결과를 나타낸 도면으로서, (a)는 보정하지 않은 자력계의 관측값인 로 데이터(raw data)를 매핑한 결과를 나타내고, (b)는 3차원 보정된 데이터를 매핑한 결과를 나타낸 도면이다.
도 7은 자율수상선의 5회 주행을 통해 획득된 F(전체 강도)를 중첩하여 나타낸 도면이다.
도 8은 도 7의 결과에 미탐색 영역 보간을 수행했을 경우의 결과를 나타낸 도면이다.
1 is a block diagram of an underwater magnetic field mapping system using autonomous watercraft according to an embodiment of the present invention.
2 is a view showing that the GPS receiver 100, magnetometer 110 and posture sensor 120 are installed on the autonomous vessel.
3 is a flowchart for explaining an underwater magnetic field mapping method using an underwater magnetic field mapping system using an autonomous watercraft according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a detailed flowchart of step S50 of obtaining the 3D correction value of FIG. 3.
5 is a diagram for explaining a method of three-dimensionally correcting a three-dimensional magnetic field vector.
6 is a diagram showing the results of mapping F (total intensity), D (declination), and I (inclination) to a NED (North east dowm) frame, wherein (a) is the raw data of the uncorrected magnetometer ( raw data), and (b) is a diagram showing the result of mapping 3D corrected data.
7 is a view showing superimposed F (overall intensity) obtained through five driving of the autonomous watercraft.
FIG. 8 is a diagram showing the results when the unexplored area interpolation is performed on the results of FIG.

이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한, 자율수상선을 이용한 수중 자기장 지도 작성 시스템의 블록 구성도이고, 도 2는 자율수상선에 GPS 수신부(100), 자력계(110) 및 자세센서(120)가 설치된 것을 나타낸 도면이다.1 is a block diagram of an underwater magnetic field mapping system using an autonomous watercraft according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a GPS receiver 100, a magnetometer 110, and a posture sensor 120 installed on the autonomous watercraft It is a drawing showing that.

본 발명의 실시예에 의한 자율수상선을 이용한 수중 자기장 지도 작성 시스템은, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, GPS 수신부(100), 자력계(110), 자세센서(120), 무선 통신부(130), 무선 통신부(200), 데이터 입력부(210), 자력값 보정부(220), 매핑부(230) 및 미탐색 영역 보간부(240)를 포함한다.Underwater magnetic field mapping system using autonomous watercraft according to an embodiment of the present invention, as shown in Figures 1 and 2, GPS receiver 100, magnetometer 110, posture sensor 120, wireless communication unit 130 ), a wireless communication unit 200, a data input unit 210, a magnetic force value correction unit 220, a mapping unit 230, and an unexplored area interpolation unit 240.

GPS 수신부(100)는 자율수상선(ASV: Autonomous surface vehicle)의 본체 상부에 장착되어 GPS 위성으로부터 마이크로파를 수신하여서 위치정보를 생성하는 역할을 한다.The GPS receiver 100 is mounted on the body of an autonomous surface vehicle (ASV) and receives microwaves from GPS satellites to generate location information.

자력계(110)는 자율수상선의 본체 하부에 일정 간격 떨어지도록 설치되어 3차원 자기장 벡터

Figure 112018083231011-pat00038
를 획득하는 벡터 센서이다. 자력계(110)는 예컨대, 플럭스게이트(fluxgate) 타입 벡터센서를 사용할 수 있다. 한편, 획득되는 3차원 자기장 벡터(m)는 고정좌표계에서 측정된 자기장 값이다.The magnetometer 110 is installed at a predetermined distance below the body of the autonomous watercraft to provide a three-dimensional magnetic field vector.
Figure 112018083231011-pat00038
It is a vector sensor to acquire. The magnetometer 110 may use, for example, a fluxgate type vector sensor. Meanwhile, the obtained 3D magnetic field vector (m) is a magnetic field value measured in a fixed coordinate system.

자세 센서(120)는 자율수상선 본체 상부에 장착되어 자세 정보(즉, 롤, 피치 및 요)를 획득하는 역할을 한다. 자세 센서(120)는 예컨대, 광섬유 자이로스코프(BFF: Body-fixed frame)를 사용할 수 있다. 자세 정보는 이후 3차원 보정을 위해 사용된다.The posture sensor 120 is mounted on the body of the autonomous watercraft and serves to acquire posture information (ie, roll, pitch, and yaw). The posture sensor 120 may use, for example, an optical fiber gyroscope (BFF). Posture information is then used for 3D correction.

무선통신부(130)는 자율수상선에 장착되어 GPS 수신부(100), 자력계(110) 및 자세 센서(120)로부터 각각 위치정보, 3차원 자기장 벡터(m) 및 자세 정보를 육상 제어실측으로 무선으로 전송하는 역할을 한다.The wireless communication unit 130 is mounted on an autonomous vessel and wirelessly transmits location information, three-dimensional magnetic field vector (m) and attitude information from the GPS receiver 100, magnetometer 110, and attitude sensor 120 to the land control room. Plays a role.

무선통신부(200)는 육상 제어실측에 설치되어 무선 통신부(130)로부터 무선 신호를 입력받아 복조하는 역할을 한다.The wireless communication unit 200 is installed on the land control room side and serves to receive and demodulate a wireless signal from the wireless communication unit 130.

무선통신부(130, 200)의 통신 방식은 자율수상선과 육상 제어실간에 무선통신을 가능하게 하는 방식이면 어떠한 방식을 사용해도 되며 자유롭게 선택될 수 있다.The communication method of the wireless communication units 130 and 200 can be freely selected as long as it is a method that enables wireless communication between the autonomous vessel and the land control room.

데이터 입력부(210)는 육상 제어실측에 설치되어 무선 통신부(200)로부터 복조된 위치정보, 3차원 자기장 벡터(m) 및 자세 정보를 입력받는 역할을 한다.The data input unit 210 is installed on the land control room side and serves to receive demodulated position information, a 3D magnetic field vector (m), and attitude information from the wireless communication unit 200.

자력값 보정부(220)는 육상 제어실측에 설치되어 3차원 자기장 벡터(m)를 자세 정보를 이용하여 3차원 보정하여서 3차원 보정값(m3d)을 획득하고, 3차원 보정값(m3d)을 고정 좌표계에서 참조 좌표계로 변환하여 지자기 표현법인 F(전체 강도), D(편각) 및 I(경사)로 나타내는 역할을 한다. 3차원 보정에 관해서는 아래에 설명된 3차원 보정값 획득 스텝(S50)을 참조하면 된다. Self-value correction section 220 hayeoseo 3D corrected using the three-dimensional magnetic field vector (m) position information is provided to the terrestrial control measured obtain a three-dimensional correction value (m 3d), and the three-dimensional correction value (m 3d ) Is converted from a fixed coordinate system to a reference coordinate system, and is represented by F (total intensity), D (declination) and I (inclination), which are geomagnetic expression methods. For 3D correction, refer to the 3D correction value acquisition step (S50) described below.

일반적으로 자력계의 경우 주변의 자성체 또는 전자장으로 인해 왜곡된 관측을 하게 되는데, 이를 적절히 보정하지 않으면 실제 자기장 값을 얻을 수 없다. 본 발명에서는 자력계(110)가 자율수상선과 일정 간격 떨어지도록 부착되었지만 여전히 자율수상선의 전장부와 추진기에 의해 영향을 받기 때문에 3차원 보정이 필요하다.In general, in the case of a magnetometer, a distorted observation is made due to a magnetic material or an electromagnetic field around it, but without correcting it properly, an actual magnetic field value cannot be obtained. In the present invention, the magnetometer 110 is attached to be spaced apart from the autonomous watercraft by a certain distance, but is still affected by the electric field and the propulsion of the autonomous watercraft, so 3D correction is necessary.

매핑부(230)는 육상 제어실측에 설치되어 GPS 수신부(100)에서 생성된 위치정보에 자력값 보정부(220)에서 획득된 F(전체 강도), D(편각) 및 I(경사)를 매핑하는 역할을 한다.The mapping unit 230 is installed on the land control room side and maps F (total intensity), D (deflection), and I (inclination) obtained from the magnetic force value correction unit 220 to the location information generated by the GPS receiver 100. Plays a role.

미탐색 영역 보간부(240)는 육상 제어실측에 설치되어 GPS 수신부(100)에서 생성된 위치정보와 자력값 보정부(220)에서 획득된 F(전체 강도), D(편각) 및 I(경사)를 회귀법을 이용하여 미탐색 영역을 보간하는 역할을 한다. 회귀법은 비매개변수 회귀법 중 하나인 가우시안 프로세스 회귀법을 사용할 수 있다.The unexplored area interpolation unit 240 is installed on the land control room side and the F (total intensity), D (deflection), and I (inclination) obtained from the position information generated by the GPS receiver 100 and the magnetic force value correction unit 220 ) To interpolate unexplored areas using regression. As the regression method, a Gaussian process regression method, which is one of the nonparametric regression methods, may be used.

미탐색 영역을 보간하는 이유는 자율수상선의 주행으로 초기에 생성된 듬성한(sparse) 수중 자기장 지도를 조밀하게 하여 고해상도의 지도를 얻기 위한 것이다.The reason for interpolating the unexplored area is to obtain a high-resolution map by compacting a sparse underwater magnetic field map initially generated by driving the autonomous watercraft.

이하, 상기한 바와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 의한 자율수상선을 이용한 수중 자기장 지도 작성 시스템을 이용한 수중 자기장 지도 작성 방법을 설명하기로 한다.Hereinafter, an underwater magnetic field mapping method using an underwater magnetic field mapping system using an autonomous watercraft according to an embodiment of the present invention configured as described above will be described.

도 3은 본 발명의 실시예에 의한, 자율수상선을 이용한 수중 자기장 지도 작성 시스템을 이용한 수중 자기장 지도 작성 방법을 설명하기 위한 플로우챠트이며, 도 4는 도 3의 3차원 보정값을 획득하는 스텝(S50)에 대한 상세 플로우챠트로서, 여기서 S는 스텝(step)을 나타낸다.3 is a flowchart for explaining an underwater magnetic field mapping method using an underwater magnetic field mapping system using an autonomous watercraft according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a step of obtaining a 3D correction value of FIG. 3 ( S50) as a detailed flowchart, where S represents a step.

먼저, GPS 수신부(100)에서 GPS 위성으로부터 마이크로파를 수신하여 위치정보를 생성한다(S10).First, the GPS receiving unit 100 receives microwaves from a GPS satellite to generate location information (S10).

이때, 자력계(110)에서 3차원 자기장 벡터(

Figure 112018083231011-pat00039
)를 획득하며(S20), 자세센서(120)에 의해 자세 정보(즉, 롤, 피치 및 요)를 획득한다(S30).At this time, the three-dimensional magnetic field vector in the magnetometer 110 (
Figure 112018083231011-pat00039
) (S20), and posture information (ie, roll, pitch, and yaw) is acquired by the posture sensor 120 (S30).

이어서, 무선 통신부(130, 200)를 통해 데이터 입력부(210)에 위치정보, 3차원 자기장 벡터(m) 및 자세 정보가 입력된다(S40).Subsequently, location information, a 3D magnetic field vector (m), and attitude information are input to the data input unit 210 through the wireless communication units 130 and 200 (S40 ).

그리고 자력값 보정부(220)는 데이터 입력부(210)에서 위치정보, 3차원 자기장 벡터(m) 및 자세 정보를 입력받고, 3차원 자기장 벡터(m)를 자세 정보를 이용하여 3차원 보정하여 3차원 보정값(m3d)을 획득한다(S50).Then, the magnetic force value correcting unit 220 receives position information, a 3D magnetic field vector (m), and attitude information from the data input unit 210, and 3D corrects the 3D magnetic field vector (m) using attitude information. The dimensional correction value m 3d is obtained (S50 ).

본 스텝(S50)에 대해 도 4를 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.This step S50 will be described in detail with reference to FIG. 4.

먼저, 스텝(S51)에서는 자력값 보정부(220)가 WMM(World Magnetic Model), IGRF(International Geomagnetic Reference Field) 및 EMM(Enhanced Magnetic Model) 중 어느 하나에서 제공되는 지자기 벡터(

Figure 112018083231011-pat00040
)를 자세 정보(롤, 피치 및 요)로부터 계산되는 로테이션 메트릭스(
Figure 112018083231011-pat00041
)를 이용하여 [수학식 1]과 같이 참조 지자기 벡터(
Figure 112018083231011-pat00042
)를 획득한다.First, in step S51, the magnetic force value correcting unit 220 is a geomagnetic vector (WMM) provided from any one of the World Magnetic Model (IGM), International Geomagnetic Reference Field (IGRF), and Enhanced Magnetic Model (EMM) (
Figure 112018083231011-pat00040
) Is a rotation matrix calculated from attitude information (roll, pitch, and yaw)
Figure 112018083231011-pat00041
) As shown in [Equation 1].
Figure 112018083231011-pat00042
).

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112018083231011-pat00043
Figure 112018083231011-pat00043

스텝(S52)에서는 자력값 보정부(220)가 3차원 자기장 벡터(m)에 대해 PCA(Principal Component Analysis)를 수행하여 m'를 얻고, 이 m'를 기준으로 단위원(C2)화 과정을 거쳐 [수학식 2]와 같이 자기장 벡터(

Figure 112018083231011-pat00044
)를 획득한다(도 5 참조),In step S52, the magnetic force value correcting unit 220 obtains m'by performing a Principal Component Analysis (PCA) on the 3D magnetic field vector m, and based on this m', the unit circle C 2 is formed. And then the magnetic field vector (Equation 2)
Figure 112018083231011-pat00044
) (See Fig. 5),

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112018083231011-pat00045
Figure 112018083231011-pat00045

[여기서,

Figure 112018083231011-pat00046
는 z축 방향 회전행렬이고,
Figure 112018083231011-pat00047
,
Figure 112018083231011-pat00048
Figure 112018083231011-pat00049
는 각각 PCA 타원의 기울기, 장축 길이 및 단축 길이임][here,
Figure 112018083231011-pat00046
Is a rotation matrix in the z-axis direction,
Figure 112018083231011-pat00047
,
Figure 112018083231011-pat00048
And
Figure 112018083231011-pat00049
Are respectively the slope of the PCA ellipse, the long axis length and the short axis length]

스텝(S53)에서는 스텝(S52)에서 획득한 자기장 벡터(

Figure 112018083231011-pat00050
)에 스케일 인자(
Figure 112018083231011-pat00051
)를 곱하여 [수학식 3]과 같이
Figure 112018083231011-pat00052
를 획득한다.In step S53, the magnetic field vector obtained in step S52 (
Figure 112018083231011-pat00050
) To scale factor (
Figure 112018083231011-pat00051
Multiply) as [Equation 3]
Figure 112018083231011-pat00052
To acquire.

[수학식 3][Equation 3]

Figure 112018083231011-pat00053
Figure 112018083231011-pat00053

[여기서,

Figure 112018083231011-pat00054
는 다음의 수학식 4 및 수학식 5에 의해 계산될 수 있음][here,
Figure 112018083231011-pat00054
Can be calculated by the following equation 4 and equation 5]

[수학식 4][Equation 4]

Figure 112018083231011-pat00055
Figure 112018083231011-pat00055

[여기서,

Figure 112018083231011-pat00056
는 참조 지자기의 세기 값임][here,
Figure 112018083231011-pat00056
Is the intensity value of the reference geomagnetism]

[수학식 5][Equation 5]

Figure 112018083231011-pat00057
Figure 112018083231011-pat00057

[여기서,

Figure 112018083231011-pat00058
는 i번째 참조 지자기 관측값이고,
Figure 112018083231011-pat00059
는 원(
Figure 112018083231011-pat00060
)의 법선 벡터이며, N은 관측값의 개수임][here,
Figure 112018083231011-pat00058
Is the i-th reference geomagnetic observation,
Figure 112018083231011-pat00059
Is won(
Figure 112018083231011-pat00060
) Is the normal vector, where N is the number of observations]

스텝(S54)에서는 스텝(S53)에서 획득한

Figure 112018083231011-pat00061
와 참조 지자기 벡터(
Figure 112018083231011-pat00062
) 사이의 3차원 변환을 [수학식 6] 및 [수학식 7]과 같이 하여 3차원 보정값(
Figure 112018083231011-pat00063
)을 획득한다.In step S54, obtained in step S53
Figure 112018083231011-pat00061
With reference geomagnetic vector(
Figure 112018083231011-pat00062
3D transformation values between () and [Equation 6] as 3D correction values (
Figure 112018083231011-pat00063
).

[수학식 6][Equation 6]

Figure 112018083231011-pat00064
Figure 112018083231011-pat00064

[여기서, R은 로테이션 값이며, t는 트랜스레이션 선형변위이며, Kabsch는 3차원 변환을 위해 사용된 최소근평균자승법인 알고리즘이다.][Here, R is the rotation value, t is the translation linear displacement, and Kabsch is the least root mean square algorithm used for 3D transformation.]

[수학식 7][Equation 7]

Figure 112018083231011-pat00065
Figure 112018083231011-pat00065

이어서, 자력값 보정부(220)는 스텝(S50)에서 획득한 3차원 보정값(m3d)을 고정 좌표계에서 참조 좌표계(MUTM)로 변환한다(S60).Subsequently, the magnetic force value correcting unit 220 converts the three-dimensional correction value m 3d obtained in step S50 from the fixed coordinate system to the reference coordinate system M UTM (S60 ).

참조 좌표계(

Figure 112018083231011-pat00066
)는 다음의 [수학식 8]에 의해 획득된다.Reference coordinate system (
Figure 112018083231011-pat00066
) Is obtained by the following [Equation 8].

[수학식 8][Equation 8]

Figure 112018083231011-pat00067
Figure 112018083231011-pat00067

[여기서,

Figure 112018083231011-pat00068
Figure 112018083231011-pat00069
의 x성분이고,
Figure 112018083231011-pat00070
Figure 112018083231011-pat00071
의 y성분이며,
Figure 112018083231011-pat00072
Figure 112018083231011-pat00073
의 z성분임][here,
Figure 112018083231011-pat00068
The
Figure 112018083231011-pat00069
Is the x component of
Figure 112018083231011-pat00070
The
Figure 112018083231011-pat00071
Is the y component of
Figure 112018083231011-pat00072
The
Figure 112018083231011-pat00073
Component of z]

이어서, 자력값 보정부(220)는 스텝(S60)에서 획득한 참조 좌표계(MUTM)를 지자기 표현법인 F(전체 강도), D(편각) 및 I(경사)로 나타낸다(S70).Subsequently, the magnetic force value correcting unit 220 represents the reference coordinate system M UTM obtained in step S60 as F (total intensity), D (declination), and I (inclination), which are geomagnetic expression methods (S70).

F(전체 강도)는 다음의 [수학식 9]에 의해 획득된다.F (total strength) is obtained by the following [Equation 9].

[수학식 9][Equation 9]

Figure 112018083231011-pat00074
Figure 112018083231011-pat00074

D(편각)은 다음의 [수학식 10]에 의해 획득된다.D (declination) is obtained by the following [Equation 10].

[수학식 10][Equation 10]

Figure 112018083231011-pat00075
Figure 112018083231011-pat00075

I(경사)는 다음의 [수학식 11]에 의해 획득된다.I (slope) is obtained by the following [Equation 11].

[수학식 11][Equation 11]

Figure 112018083231011-pat00076
Figure 112018083231011-pat00076

이어서, 매핑부(230)는 GPS 수신부(100)에서 생성한 위치정보에 스텝(S70)에서 획득한 F(전체 강도), D(편각) 및 I(경사)를 매핑한다(S80).Subsequently, the mapping unit 230 maps the F (total intensity), D (declination), and I (inclination) obtained in step S70 to the location information generated by the GPS receiver 100 (S80).

이후, 미탐색 영역 보간부(240)가 위치정보, F(전체 강도), D(편각) 및 I(경사)를 회귀법을 이용하여 미탐색 영역을 보간하여서(S90) 자율수상선의 주행으로 초기 생성된 듬성한(sparse) 지도를 조밀화함으로써 고화질의 지도를 획득할 수 있다.Thereafter, the unexplored area interpolation unit 240 interpolates the unexplored area using the regression method of position information, F (total intensity), D (declination), and I (inclination) (S90), and is initially generated by driving the autonomous watercraft. A high-quality map can be obtained by densifying the old sparse map.

도 6은 NED(North east dowm) 플레임에 F(전체 강도), D(편각) 및 I(경사)를 매핑한 결과를 나타낸 도면으로서, (a)는 보정하지 않은 자력계의 관측값인 로 데이터(raw data)를 매핑한 결과를 나타내고, (b)는 3차원 보정된 데이터를 매핑한 결과를 나타낸 도면이다.6 is a diagram showing the results of mapping F (total intensity), D (declination), and I (inclination) to a NED (North east dowm) frame, wherein (a) is raw data (observation of an uncorrected magnetometer) raw data), and (b) is a diagram showing the result of mapping 3D corrected data.

보정하지 않은 관측값의 경우 센서 왜곡으로 인해 기울어진 타원 형태로 나타나며 참조 지자기 관측값은 자율수성선 및 자력계(110) 및 자세 센서(120)의 수평 부정합으로 인해 기울어진 원 형태로 나타난다[도 6의 (a) 참조].In the case of uncorrected observations, it appears in an inclined ellipse shape due to sensor distortion, and the reference geomagnetic observations appear in an inclined circle shape due to horizontal mismatch of the autonomous aqueous line and magnetometer 110 and the posture sensor 120 [Fig. 6]. (A)].

반면에 본 발명에 의해 수행된 3차원 보정의 경우 참조 지자기 값을 기준으로 3차원 상에서 변환을 수행함으로 수평 부정합까지 반영할 수 있었다[도 6의 (b) 참조].On the other hand, in the case of the 3D correction performed by the present invention, horizontal misalignment can be reflected by performing transformation in 3D based on the reference geomagnetic value (see FIG. 6(b)).

도 7은 자율수상선의 5회 주행을 통해 획득된 F(전체 강도)를 중첩하여 나타낸 도면이며, 도 8은 도 7의 결과에 미탐색 영역 보간을 수행했을 경우의 결과를 나타낸 도면이다.FIG. 7 is a diagram showing superimposed F (overall intensity) obtained through 5 travels of the autonomous watercraft, and FIG. 8 is a diagram showing results when unexplored region interpolation is performed on the results of FIG. 7.

탐색 영역의 가운데 부분에서 상대적으로 높은 자기장 값을 관찰할 수 있는데 이는 호수 아래 지각 성분의 지구물리적 특성에 의한 것으로 추정된다. 공시된 지자기 데이터 중 해상도가 높은 EMAG2-v3만 해도 격자 단위가 2 arcminute (약 3 km)인 것을 감안했을 때, 작성된 지자기 지도는 매우 높은 해상도를 가짐을 알 수 있다.Relatively high magnetic field values can be observed in the middle of the search region, presumably due to the geophysical properties of the crust component below the lake. Given that only the high-resolution EMAG2-v3 among the published geomagnetic data has a grid unit of 2 arcminute (about 3 km), it can be seen that the prepared geomagnetic map has a very high resolution.

본 발명의 실시예에 의한 자율수상선을 이용한 수중 자기장 지도 작성 시스템 및 방법에 의하면, GPS 수신부가 자율수상선에 장착되어 GPS 위성으로부터 마이크로파를 수신하여 위치정보를 생성하고, 자력계가 상기 자율수상선 본체 하부에 설치되어 3차원 자기장 벡터를 획득하며, 자세센서가 상기 자율수상선에 장착되어 자세 정보(즉, 롤, 피치 및 요)를 획득하며, 데이터 입력부가 육상 제어실측에 설치되어 상기 위치정보, 3차원 자기장 벡터 및 자세 정보를 입력받고, 자력값 보정부가 상기 육상 제어실측에 설치되어 상기 3차원 자기장 벡터를 자세 정보를 이용하여 3차원 보정값을 획득하고 이 3차원 보정값을 고정 좌표계에서 참조 좌표계로 변환하여 지자기 표현법인 F(전체 강도), D(편각) 및 I(경사)로 나타내며, 매핑부가 상기 육상 제어실측에 설치되어 상기 위치정보에 상기 F(전체 강도), D(편각) 및 I(경사)를 매핑하며, 미탐색 영역 보간부가 상기 육상 제어실측에 설치되어 상기 위치정보, F(전체 강도), D(편각) 및 I(경사)를 회귀법을 이용하여 미탐색 영역을 보간하도록 구성됨으로써, 관심 해역에 대한 고해상도의 수중 자기장 지도를 작성할 수 있고 전체적인 시스템이 단순화되어 있으며 지도 작성의 효율성을 높일 수 있다.According to an underwater magnetic field mapping system and method using an autonomous watercraft according to an embodiment of the present invention, a GPS receiver is mounted on an autonomous watercraft to receive microwaves from a GPS satellite to generate location information, and a magnetometer is located at the bottom of the autonomous watercraft body It is installed to obtain a 3D magnetic field vector, and a posture sensor is mounted on the autonomous watercraft to acquire posture information (i.e. roll, pitch and yaw), and a data input section is installed on the land control room side to provide the position information and the 3D magnetic field. A vector and attitude information is input, and a magnetic force value correction unit is installed at the land control room side to obtain a 3D correction value using the 3D magnetic field vector using attitude information and converts the 3D correction value from a fixed coordinate system to a reference coordinate system. It is represented by F (total intensity), D (declination), and I (inclination), which are geomagnetic expression methods, and a mapping unit is installed on the land control room side to indicate the F (total intensity), D (declination) and I (inclination) ), and an unexplored region interpolation unit is installed at the land control room side to be configured to interpolate the unexplored region using a regression method for the location information, F (total intensity), D (declination), and I (inclination). High-resolution underwater magnetic field maps for the waters of interest can be created, the overall system is simplified, and the efficiency of mapping is improved.

도면과 명세서에는 최적의 실시예가 개시되었으며, 특정한 용어들이 사용되었으나 이는 단지 본 발명의 실시형태를 설명하기 위한 목적으로 사용된 것이지 의미를 한정하거나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.In the drawings and the specification, an optimal embodiment has been disclosed, and specific terms have been used, but this is only for the purpose of describing the embodiments of the present invention, and is used to limit the meaning or to limit the scope of the present invention described in the claims. It is not done. Therefore, those skilled in the art will appreciate that various modifications and other equivalent embodiments are possible. Therefore, the true technical protection scope of the present invention should be determined by the technical spirit of the appended claims.

100: GPS 수신부
110: 자력계
120: 자세 센서
130: 무선통신부
200: 무선통신부
210: 데이터 입력부
220: 자력값 보정부
230: 매핑부
240: 미탐색 영역 보간부
100: GPS receiver
110: magnetometer
120: posture sensor
130: wireless communication unit
200: wireless communication unit
210: data input unit
220: magnetic force correction unit
230: mapping unit
240: unexplored area interpolation part

Claims (10)

자율수상선에 장착되어 GPS 위성으로부터 마이크로파를 수신하여 위치정보를 생성하는 GPS 수신부(100);
상기 자율수상선 본체 하부에 설치되어 3차원 자기장 벡터(m)를 획득하는 자력계(110);
상기 자율수상선에 장착되어 자세 정보(즉, 롤, 피치 및 요)를 획득하는 자세센서(120);
상기 자율수상선에 장착되어 상기 위치정보, 3차원 자기장 벡터(m) 및 자세 정보를 육상 제어실측으로 무선으로 전송하는 무선 통신부(130);
육상 제어실측에 설치되어 상기 무선 통신부(130)로부터 무선 신호를 입력받아 복조하는 무선 통신부(200); 및
상기 육상 제어실측에 설치되어 상기 무선 통신부(200)로부터 위치정보, 3차원 자기장 벡터(m) 및 자세 정보를 입력받는 데이터 입력부(210);
상기 육상 제어실측에 설치되어 상기 3차원 자기장 벡터(m)를 자세 정보를 이용하여 3차원 보정값(m3d)을 획득하고 이 3차원 보정값을 고정 좌표계에서 참조 좌표계로 변환하여 지자기 표현법인 F(전체 강도), D(편각) 및 I(경사)로 나타내는 자력값 보정부(220);
상기 육상 제어실측에 설치되어 상기 위치정보에 상기 F(전체 강도), D(편각) 및 I(경사)를 매핑하는 매핑부(230); 및
상기 육상 제어실측에 설치되어 상기 위치정보, F(전체 강도), D(편각) 및 I(경사)를 회귀법을 이용하여 미탐색 영역을 보간하는 미탐색 영역 보간부(240);를 포함하고,
상기 3차원 보정값(m3d)은,
WMM(World Magnetic Model), IGRF(International Geomagnetic Reference Field) 및 EMM(Enhanced Magnetic Model) 중 어느 하나에서 제공되는 지자기 벡터(
Figure 112020005699285-pat00122
)를 상기 자세 정보로부터 계산되는 로테이션 메트릭스(
Figure 112020005699285-pat00123
)를 이용하여 [수학식 1]과 같이 참조 지자기 벡터(
Figure 112020005699285-pat00124
)를 획득하는 단계;
상기 3차원 자기장 벡터(m)에 대해 PCA를 수행하여 얻은 m'를 기준으로 단위원(C2)화 과정을 거쳐 [수학식 2]와 같이 자기장 벡터(
Figure 112020005699285-pat00125
)를 획득하는 단계;
상기 자기장 벡터(
Figure 112020005699285-pat00126
)에 스케일 인자(
Figure 112020005699285-pat00127
)를 곱하여 [수학식 3]과 같이
Figure 112020005699285-pat00128
를 획득하는 단계; 및
상기
Figure 112020005699285-pat00129
와 참조 지자기 벡터(
Figure 112020005699285-pat00130
) 사이의 3차원 변환을 [수학식 6] 및 [수학식 7]과 같이 하여 3차원 보정값(
Figure 112020005699285-pat00131
)을 획득하는 단계;를 수행하여 획득되는, 자율수상선을 이용한 수중 자기장 지도 작성 시스템.

[수학식 1]
Figure 112020005699285-pat00132


[수학식 2]
Figure 112020005699285-pat00133


[여기서,
Figure 112020005699285-pat00134
는 z축 방향 회전행렬이고,
Figure 112020005699285-pat00135
,
Figure 112020005699285-pat00136
Figure 112020005699285-pat00137
는 각각 PCA 타원의 기울기, 장축 길이 및 단축 길이임]

[수학식 3]
Figure 112020005699285-pat00138


[여기서
Figure 112020005699285-pat00139
는 다음의 수학식 4 및 수학식 5에 의해 계산될 수 있음]

[수학식 4]
Figure 112020005699285-pat00140


[여기서,
Figure 112020005699285-pat00141
는 참조 지자기의 세기 값임]

[수학식 5]
Figure 112020005699285-pat00142


[여기서,
Figure 112020005699285-pat00143
는 i번째 참조 지자기 관측값이고,
Figure 112020005699285-pat00144
는 원(
Figure 112020005699285-pat00145
)의 법선 벡터이며, N은 관측값의 개수임]

[수학식 6]
Figure 112020005699285-pat00146


[여기서, R은 로테이션 값이며, t는 트랜스레이션 선형변위이며, Kabsch는 3차원 변환을 위해 사용된 최소근평균자승법인 알고리즘임]

[수학식 7]
Figure 112020005699285-pat00147
A GPS receiver 100 mounted on an autonomous vessel and generating location information by receiving microwaves from a GPS satellite;
A magnetometer 110 installed under the body of the autonomous vessel to obtain a three-dimensional magnetic field vector (m);
A posture sensor 120 mounted on the autonomous vessel to acquire posture information (ie, roll, pitch, and yaw);
A wireless communication unit 130 mounted on the autonomous vessel and wirelessly transmitting the location information, a three-dimensional magnetic field vector (m) and posture information to the land control room side;
A wireless communication unit 200 installed on the land control room side to receive and demodulate a wireless signal from the wireless communication unit 130; And
A data input unit 210 installed on the land control room side to receive location information, a three-dimensional magnetic field vector (m) and posture information from the wireless communication unit 200;
Installed on the land control room side, the 3D magnetic field vector (m) acquires a 3D correction value (m 3d ) using attitude information, and converts the 3D correction value from a fixed coordinate system to a reference coordinate system, which is a geomagnetic expression method F (Total intensity), magnetic force value correction unit 220 represented by D (declination) and I (inclination);
A mapping unit 230 installed on the land control room side to map the F (total strength), D (declination) and I (inclination) to the location information; And
It includes a non-exploration area interpolation unit 240 installed on the land control room side to interpolate the unexplored area by using the location information, F (total intensity), D (declination) and I (inclination) regression method.
The three-dimensional correction value (m 3d ),
Geomagnetic vector provided by any one of WMM (World Magnetic Model), IGRF (International Geomagnetic Reference Field) and EMM (Enhanced Magnetic Model)
Figure 112020005699285-pat00122
) Is a rotation matrix calculated from the posture information (
Figure 112020005699285-pat00123
) As shown in [Equation 1].
Figure 112020005699285-pat00124
);
Based on m'obtained by performing PCA on the 3D magnetic field vector (m), a magnetic field vector (such as [Equation 2]) is obtained through the process of forming a unit circle (C 2 ).
Figure 112020005699285-pat00125
);
The magnetic field vector (
Figure 112020005699285-pat00126
) To scale factor (
Figure 112020005699285-pat00127
Multiply) as [Equation 3]
Figure 112020005699285-pat00128
Obtaining a; And
remind
Figure 112020005699285-pat00129
With reference geomagnetic vector(
Figure 112020005699285-pat00130
3D transformation value between () and [Equation 6] as 3D correction value (
Figure 112020005699285-pat00131
Acquiring); Acquired by performing, Underwater magnetic field mapping system using autonomous watercraft.

[Equation 1]
Figure 112020005699285-pat00132


[Equation 2]
Figure 112020005699285-pat00133


[here,
Figure 112020005699285-pat00134
Is a rotation matrix in the z-axis direction,
Figure 112020005699285-pat00135
,
Figure 112020005699285-pat00136
And
Figure 112020005699285-pat00137
Are respectively the slope of the PCA ellipse, the long axis length and the short axis length]

[Equation 3]
Figure 112020005699285-pat00138


[here
Figure 112020005699285-pat00139
Can be calculated by the following equation 4 and equation 5]

[Equation 4]
Figure 112020005699285-pat00140


[here,
Figure 112020005699285-pat00141
Is the intensity value of the reference geomagnetism]

[Equation 5]
Figure 112020005699285-pat00142


[here,
Figure 112020005699285-pat00143
Is the i-th reference geomagnetic observation,
Figure 112020005699285-pat00144
Is won(
Figure 112020005699285-pat00145
) Is the normal vector, N is the number of observations]

[Equation 6]
Figure 112020005699285-pat00146


[Where R is the rotation value, t is the translation linear displacement, and Kabsch is the least root mean square algorithm used for 3D transformation]

[Equation 7]
Figure 112020005699285-pat00147
제 1 항에 있어서,
상기 자력계(110)는 플럭스게이트(fluxgate) 타입 벡터센서인, 자율수상선을 이용한 수중 자기장 지도 작성 시스템.
According to claim 1,
The magnetometer 110 is a fluxgate type vector sensor, an underwater magnetic field mapping system using autonomous watercraft.
제 1 항에 있어서,
상기 자세센서(120)는 광섬유 자이로스코프인, 자율수상선을 이용한 수중 자기장 지도 작성 시스템.
According to claim 1,
The posture sensor 120 is a fiber optic gyroscope, an underwater magnetic field mapping system using autonomous watercraft.
제 1 항에 있어서,
상기 회귀법은 비매개변수 회귀법 중 하나인 가우시안 프로세스 회귀법인, 자율수상선을 이용한 수중 자기장 지도 작성 시스템.
According to claim 1,
The regression method is a Gaussian process regression method, which is one of the nonparametric regression methods, and an underwater magnetic field mapping system using an autonomous water line.
제 1 항에 기재된 자율수상선을 이용한 수중 자기장 지도 작성 시스템을 이용한 수중 자기장 지도 작성 방법으로서:
GPS 수신부(100)에 의해 GPS 위성으로부터 마이크로파를 수신하여 위치정보를 생성하는 단계;
자력계(110)에 의해 3차원 자기장 벡터(m)를 획득하는 단계;
자세센서(120)에 의해 자세 정보(즉, 롤, 피치 및 요)를 획득하는 단계;
무선 통신부(130, 200)를 통해 데이터 입력부(210)에 상기 위치정보, 3차원 자기장 벡터(m) 및 자세 정보가 입력되는 단계;
자력값 보정부(220)에서 상기 3차원 자기장 벡터(m)를 상기 자세 정보를 이용하여 3차원 보정값(m3d)을 획득하는 단계;
상기 자력값 보정부(220)에 의해 상기 3차원 보정값(m3d)을 고정 좌표계에서 참조 좌표계(MUTM)로 변환하는 단계;
상기 자력값 보정부(220)에 의해 상기 참조 좌표계(MUTM)를 지자기 표현법인 F(전체 강도), D(편각) 및 I(경사)로 나타내는 단계;
매핑부(230)에 의해 상기 위치정보에 상기 F(전체 강도), D(편각) 및 I(경사)를 매핑하는 단계; 및
미탐색 영역 보간부(240)가 상기 위치정보, F(전체 강도), D(편각) 및 I(경사)를 회귀법을 이용하여 미탐색 영역을 보간하는 단계를 포함하는, 자율수상선을 이용한 수중 자기장 지도 작성 방법.
As an underwater magnetic field mapping method using the underwater magnetic field mapping system using the autonomous watercraft described in claim 1:
Generating location information by receiving microwaves from a GPS satellite by the GPS receiver 100;
Obtaining a three-dimensional magnetic field vector (m) by the magnetometer 110;
Obtaining posture information (ie, roll, pitch, and yaw) by the posture sensor 120;
Inputting the location information, a three-dimensional magnetic field vector (m) and posture information into the data input unit 210 through the wireless communication units 130 and 200;
Obtaining a 3D correction value (m 3d ) from the magnetic force value correcting unit 220 using the 3D magnetic field vector (m) using the posture information;
Converting the three-dimensional correction value (m 3d ) from a fixed coordinate system to a reference coordinate system (M UTM ) by the magnetic force value correcting unit 220;
Representing the reference coordinate system (M UTM ) by the magnetic force value correcting unit 220 as F (total intensity), D (declination), and I (inclination), which are geomagnetic expression methods;
Mapping the F (total intensity), D (declination) and I (inclination) to the location information by the mapping unit 230; And
The unexplored region interpolation unit 240 includes interpolating the unexplored region using the regression method for the location information, F (total intensity), D (declination), and I (inclination). How to map.
제 5 항에 있어서,
상기 3차원 보정값(m3d)을 획득하는 단계는,
WMM(World Magnetic Model), IGRF(International Geomagnetic Reference Field) 및 EMM(Enhanced Magnetic Model) 중 어느 하나에서 제공되는 지자기 벡터(
Figure 112018083231011-pat00077
)를 상기 자세 정보로부터 계산되는 로테이션 메트릭스(
Figure 112018083231011-pat00078
)를 이용하여 [수학식 1]과 같이 참조 지자기 벡터(
Figure 112018083231011-pat00079
)를 획득하는 단계;
상기 3차원 자기장 벡터(m)에 대해 PCA를 수행하여 얻은 m'를 기준으로 단위원(C2)화 과정을 거쳐 [수학식 2]와 같이 자기장 벡터(
Figure 112018083231011-pat00080
)를 획득하는 단계;
상기 자기장 벡터(
Figure 112018083231011-pat00081
)에 스케일 인자(
Figure 112018083231011-pat00082
)를 곱하여 [수학식 3]과 같이
Figure 112018083231011-pat00083
를 획득하는 단계; 및
상기
Figure 112018083231011-pat00084
와 참조 지자기 벡터(
Figure 112018083231011-pat00085
) 사이의 3차원 변환을 [수학식 6] 및 [수학식 7]과 같이 하여 3차원 보정값(
Figure 112018083231011-pat00086
)을 획득하는 단계를 포함하는, 자율수상선을 이용한 수중 자기장 지도 작성 방법.

[수학식 1]
Figure 112018083231011-pat00087


[수학식 2]
Figure 112018083231011-pat00088


[여기서,
Figure 112018083231011-pat00089
는 z축 방향 회전행렬이고,
Figure 112018083231011-pat00090
,
Figure 112018083231011-pat00091
Figure 112018083231011-pat00092
는 각각 PCA 타원의 기울기, 장축 길이 및 단축 길이임]

[수학식 3]
Figure 112018083231011-pat00093


[여기서
Figure 112018083231011-pat00094
는 다음의 수학식 4 및 수학식 5에 의해 계산될 수 있음]

[수학식 4]
Figure 112018083231011-pat00095


[여기서,
Figure 112018083231011-pat00096
는 참조 지자기의 세기 값임]


[수학식 5]
Figure 112018083231011-pat00097


[여기서,
Figure 112018083231011-pat00098
는 i번째 참조 지자기 관측값이고,
Figure 112018083231011-pat00099
는 원(
Figure 112018083231011-pat00100
)의 법선 벡터이며, N은 관측값의 개수임]

[수학식 6]
Figure 112018083231011-pat00101


[여기서, R은 로테이션 값이며, t는 트랜스레이션 선형변위이며, Kabsch는 3차원 변환을 위해 사용된 최소근평균자승법인 알고리즘임]

[수학식 7]
Figure 112018083231011-pat00102
The method of claim 5,
The step of obtaining the 3D correction value (m 3d ) is
A geomagnetic vector provided by any one of WMM (World Magnetic Model), IGRF (International Geomagnetic Reference Field) and EMM (Enhanced Magnetic Model)
Figure 112018083231011-pat00077
) Is a rotation matrix calculated from the posture information (
Figure 112018083231011-pat00078
) As shown in [Equation 1].
Figure 112018083231011-pat00079
);
Based on m'obtained by performing PCA on the 3D magnetic field vector (m), a process of forming a unit circle (C 2 ) and then using a magnetic field vector (Equation 2)
Figure 112018083231011-pat00080
);
The magnetic field vector (
Figure 112018083231011-pat00081
) To scale factor (
Figure 112018083231011-pat00082
Multiply) as [Equation 3]
Figure 112018083231011-pat00083
Obtaining a; And
remind
Figure 112018083231011-pat00084
With reference geomagnetic vector(
Figure 112018083231011-pat00085
3D transformation values between () and [Equation 6] as 3D correction values (
Figure 112018083231011-pat00086
A method of mapping an underwater magnetic field using an autonomous watercraft, comprising the steps of obtaining ).

[Equation 1]
Figure 112018083231011-pat00087


[Equation 2]
Figure 112018083231011-pat00088


[here,
Figure 112018083231011-pat00089
Is a rotation matrix in the z-axis direction,
Figure 112018083231011-pat00090
,
Figure 112018083231011-pat00091
And
Figure 112018083231011-pat00092
Are respectively the slope of the PCA ellipse, the long axis length and the short axis length]

[Equation 3]
Figure 112018083231011-pat00093


[here
Figure 112018083231011-pat00094
Can be calculated by the following equation 4 and equation 5]

[Equation 4]
Figure 112018083231011-pat00095


[here,
Figure 112018083231011-pat00096
Is the intensity value of the reference geomagnetism]


[Equation 5]
Figure 112018083231011-pat00097


[here,
Figure 112018083231011-pat00098
Is the i-th reference geomagnetic observation,
Figure 112018083231011-pat00099
Is won(
Figure 112018083231011-pat00100
) Is the normal vector, where N is the number of observations]

[Equation 6]
Figure 112018083231011-pat00101


[Where R is the rotation value, t is the translation linear displacement, and Kabsch is the least root mean square algorithm used for 3D transformation]

[Equation 7]
Figure 112018083231011-pat00102
제 6 항에 있어서,
상기 참조 좌표계(
Figure 112018083231011-pat00103
)는 다음의 [수학식 8]에 의해 획득되는, 자율수상선을 이용한 수중 자기장 지도 작성 방법.

[수학식 8]
Figure 112018083231011-pat00104


[여기서,
Figure 112018083231011-pat00105
Figure 112018083231011-pat00106
의 x성분이고,
Figure 112018083231011-pat00107
Figure 112018083231011-pat00108
의 y성분이며,
Figure 112018083231011-pat00109
Figure 112018083231011-pat00110
의 z성분임]
The method of claim 6,
The reference coordinate system (
Figure 112018083231011-pat00103
) Is obtained by the following [Equation 8], underwater magnetic field mapping method using an autonomous watercraft.

[Equation 8]
Figure 112018083231011-pat00104


[here,
Figure 112018083231011-pat00105
The
Figure 112018083231011-pat00106
Is the x component of
Figure 112018083231011-pat00107
The
Figure 112018083231011-pat00108
Is the y component of
Figure 112018083231011-pat00109
The
Figure 112018083231011-pat00110
Component of z]
제 7 항에 있어서,
상기 F(전체 강도)는 다음의 [수학식 9]에 의해 획득되는, 자율수상선을 이용한 수중 자기장 지도 작성 방법.

[수학식 9]
Figure 112018083231011-pat00111
The method of claim 7,
The F (total intensity) is obtained by the following [Equation 9], underwater magnetic field mapping method using an autonomous watercraft.

[Equation 9]
Figure 112018083231011-pat00111
제 7 항에 있어서,
상기 D(편각)은 다음의 [수학식 10]에 의해 획득되는, 자율수상선을 이용한 수중 자기장 지도 작성 방법.

[수학식 10]
Figure 112018083231011-pat00112
The method of claim 7,
The D (declination) is obtained by the following [Equation 10], underwater magnetic field mapping method using an autonomous watercraft.

[Equation 10]
Figure 112018083231011-pat00112
제 7 항에 있어서,
상기 I(경사)는 다음의 [수학식 11]에 의해 획득되는, 자율수상선을 이용한 수중 자기장 지도 작성 방법.

[수학식 11]
Figure 112018083231011-pat00113
The method of claim 7,
The I (tilt) is obtained by the following [Equation 11], a method of mapping an underwater magnetic field using an autonomous watercraft.

[Equation 11]
Figure 112018083231011-pat00113
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