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KR20240121540A - Location detecting system and method for underwater vhicle using underwater sound source - Google Patents

Location detecting system and method for underwater vhicle using underwater sound source Download PDF

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Publication number
KR20240121540A
KR20240121540A KR1020230014318A KR20230014318A KR20240121540A KR 20240121540 A KR20240121540 A KR 20240121540A KR 1020230014318 A KR1020230014318 A KR 1020230014318A KR 20230014318 A KR20230014318 A KR 20230014318A KR 20240121540 A KR20240121540 A KR 20240121540A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
underwater
sound source
information
source device
location
Prior art date
Application number
KR1020230014318A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
이범직
Original Assignee
엘아이지넥스원 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 엘아이지넥스원 주식회사 filed Critical 엘아이지넥스원 주식회사
Priority to KR1020230014318A priority Critical patent/KR20240121540A/en
Publication of KR20240121540A publication Critical patent/KR20240121540A/en

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Abstract

본 발명은 잠수함 또는 잠수정과 같은 수중 운동체의 위치 설정 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 명세서의 일실시예에 따른 수중위치 설정 시스템은 수중 운동체로부터 분리되어 소정의 해저 위치에 고정되어 위치정보, 음원방위정보, 및 음원송신시간을 포함한 음원정보를 주기적으로 송신하는 수중음원장치: 상기 수중음원장치로부터 송신되는 음원정보를 주기적으로 수신하는 음파탐지기; 및 상기 음파탐지기를 통해서 수신된 상기 수중음원장치의 음원정보를 기반으로 방위 및 거리를 산출하여 수중 운동체의 수중 위치를 산출하는 수중위치산출장치를 포함한다.The present invention relates to a system and method for setting a position of an underwater vehicle such as a submarine or a submersible. An underwater position setting system according to one embodiment of the present invention includes: an underwater sound source device which is separated from the underwater vehicle and fixed to a predetermined seabed location and periodically transmits sound source information including position information, sound source direction information, and sound source transmission time; an acoustic detector which periodically receives sound source information transmitted from the underwater sound source device; and an underwater position calculating device which calculates a direction and distance based on sound source information of the underwater sound source device received through the acoustic detector to calculate an underwater position of the underwater vehicle.

Description

수중음원장치를 이용한 수중 운동체의 위치 결정 시스템 및 위치 결정 방법{LOCATION DETECTING SYSTEM AND METHOD FOR UNDERWATER VHICLE USING UNDERWATER SOUND SOURCE}LOCATION DETECTING SYSTEM AND METHOD FOR UNDERWATER VHICLE USING UNDERWATER SOUND SOURCE

본 발명은 수중 운동체의 위치 결정 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 특히 수중음원장치를 이용한 위치 결정 시스템 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a system and method for determining the position of an underwater vehicle, and more particularly, to a system and method for determining the position using an underwater sound source device.

이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.The material described in this section merely provides background information for the present embodiment and does not constitute prior art.

수중에서 항해하는 잠수함 및 잠수정과 같은 수중 운동체는 자함의 위치를 산출하기 위해서 불가피하게 수상 항해 또는 잠망경 심도 항해를 수행하여 GPS 정보를 수신한다. 그러나, GPS 수신을 위해서 수상으로 부상하거나 또는 잠망경 심도 항해를 할 경우 피탐이나 안전상의 위험에 노출될 수 있다.Underwater vehicles such as submarines and submersibles that navigate underwater inevitably perform surface navigation or periscope depth navigation to receive GPS information in order to calculate their own positions. However, surfacing or performing periscope depth navigation to receive GPS may expose them to detection or safety risks.

따라서, 안전을 위하여 수중 운동체가 수상으로 부상을 하지 않는 경우에는 GPS 정보 수신이 불가능하여, 관성항법장비(INS, Inertial Navigation System)를 탑재하거나 또는 별도의 복합항법(Micro Navigation) 기능을 활용하여 자신의 위치를 산출할 수 있다.Therefore, for safety reasons, if an underwater vehicle does not surface, it cannot receive GPS information, so it must be equipped with an inertial navigation system (INS) or utilize a separate micro navigation function to calculate its location.

그러나, 은밀성이 요구되어 장기간 수중항해를 지속해야 하는 잠수함의 경우 조류 등의 영향으로 관성항법장비(INS)는 누적된 위치 오차를 발생하게 되는 문제점이 있다. 또한, 심해의 경우 도플러 로그(Doppler-Log)를 활용한 대지속력 정보의 활용이 불가능하여 복합항법 기능도 시간에 비례하여 누적된 위치 오차를 발생하게 된다.However, in the case of submarines that require stealth and must continue to navigate underwater for long periods of time, there is a problem that the inertial navigation system (INS) generates accumulated position errors due to the influence of currents, etc. In addition, in the case of deep seas, it is impossible to utilize ground speed information using Doppler-Log, so the composite navigation function also generates accumulated position errors in proportion to time.

이러한 문제점으로 인해서 현재 잠수함 운용 체계에서는 장기간 수중 항해를 지속해야 하는 경우, 일정 수준 이상의 위치 오차를 감안하고 작전을 수행하거나, 노출이나 안전상 위험을 감수하고 잠망경 심도로 부상하여 GPS 정보를 수신하여야만 하는 문제가 발생한다.Due to these problems, the current submarine operation system has the problem that, when it is necessary to continue underwater navigation for a long period of time, it must either conduct operations while taking into account a certain level of positional error or surface to periscope depth and receive GPS information while taking risks in terms of exposure and safety.

본 발명은 수중음원장치로부터 수신되는 음원정보를 활용하여 수중 운동체의 정확한 위치정보를 보정함으로써 수중 복합 항법의 정확도 향상이 가능한 수중 운동체의 위치 결정 시스템 및 위치 결정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The purpose of the present invention is to provide a system and method for determining the position of an underwater vehicle, which can improve the accuracy of underwater complex navigation by correcting the exact position information of the underwater vehicle using sound source information received from an underwater sound source device.

그러나 본 발명의 목적은 상기에 언급된 사항으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the purpose of the present invention is not limited to the matters mentioned above, and other purposes not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.

본 명세서의 일실시예에 따른 수중 위치 결정 시스템은 수중 운동체로부터 분리되어 소정의 해저 위치에 고정되어 위치정보, 음원방위정보, 및 음원송신시간을 포함한 음원정보를 주기적으로 송신하는 수중음원장치: 상기 수중음원장치로부터 송신되는 음원정보를 주기적으로 수신하는 음파탐지기; 및 상기 음파탐지기를 통해서 수신된 상기 수중음원장치의 음원정보를 기반으로 방위 및 거리를 산출하여 수중 운동체의 수중 위치를 산출하는 수중위치산출장치;를 포함한다.An underwater position determination system according to one embodiment of the present specification includes: an underwater sound source device that is separated from an underwater vehicle and fixed to a predetermined seabed location and periodically transmits sound source information including position information, sound source direction information, and sound source transmission time; an acoustic detector that periodically receives sound source information transmitted from the underwater sound source device; and an underwater position calculation device that calculates direction and distance based on sound source information of the underwater sound source device received through the acoustic detector to calculate the underwater position of the underwater vehicle.

바람직하게는 상기 수중위치 결정 시스템은 관성항법장치(Inertial Navigation System); 수중에서 음파의 도플러 효과를 이용하여 수중 운동체의 전후 방향 및 좌우 방향에 대한 대지 또는 대수 속력을 측정하는 도플러로그(Doppler Log); 및 상기 수중위치산출장치로부터 산출된 수중 위치에 대해서 상기 관성항법장치 및 상기 도플러로그로부터 산출된 신호를 활용하여 위치 정보를 보정하는 복합항법장치;를 더 포함한다.Preferably, the underwater position determination system further includes an inertial navigation system; a Doppler log that measures the speed of an underwater vehicle in the forward and backward directions and left and right directions using the Doppler effect of sound waves underwater; and a composite navigation device that corrects position information by utilizing signals derived from the inertial navigation system and the Doppler log for the underwater position derived from the underwater position calculating device.

또한, 바람직하게는 GPS 수신기를 더 포함할 수 있다.Additionally, it may preferably further include a GPS receiver.

또한, 바람직하게는 상기 수중음원장치는 상기 수중 운동체의 어뢰발사관을 통해서 수중 운동체의 외부로 투하되어 소정의 해저 위치에 고정되는 것을 특징으로 한다.In addition, it is preferable that the underwater sound source device is launched outside the underwater vehicle through the torpedo launcher of the underwater vehicle and fixed at a predetermined seabed location.

또한, 바람직하게는 상기 수중위치산출장치는 상기 수중음원장치의 투하전에 상호 시간 동기화, 상기 수중음원장치의 음원송신 주기 및 작동 기간을 설정(Preset)하는 것을 특징으로 한다.In addition, it is preferable that the underwater position calculation device sets (presets) mutual time synchronization, the sound source transmission cycle, and the operating period of the underwater sound source device before launching the underwater sound source device.

또한, 바람직하게는 상기 수중음원장치는 타이머; 배터리; 및 상기 음원정보를 송출하는 음파송신기를 포함한다.In addition, preferably, the underwater sound source device includes a timer; a battery; and a sound wave transmitter that transmits the sound source information.

본 명세서의 일실시예에 따른 수중 이동체의 수중 위치 결정 방법은 상기 수중음원장치의 음원 송신 주기 및 작동기간을 설정하고, 상기 수중음원장치와 수중 운동체간의 시간을 동기화하는 프리셋(Preset) 단계; 상기 수중음원장치를 수중 운동체 외부로 투하하고 투하위치를 기점하는 단계; 수중 운동체로부터 분리되어 소정의 해저 위치에 고정된 상기 수중음원장치로부터 위치정보, 음원방위정보, 및 음원송신시간을 포함한 음원정보를 수신하는 단계; 상기 수신된 음원정보를 기반으로 방위 및 거리를 산출하여 수중 운동체의 수중 위치를 산출하는 단계; 및 복합항법장치를 이용하여 상기 산출된 수중 위치를 보정하는 단계;를 포함한다.A method for determining an underwater position of an underwater vehicle according to one embodiment of the present specification includes: a preset step of setting a sound source transmission cycle and an operation period of the underwater sound source device, and synchronizing the time between the underwater sound source device and the underwater vehicle; a step of launching the underwater sound source device outside the underwater vehicle and taking the launching position as a starting point; a step of receiving sound source information including position information, sound source direction information, and sound source transmission time from the underwater sound source device separated from the underwater vehicle and fixed to a predetermined seabed location; a step of calculating a direction and distance based on the received sound source information to calculate the underwater position of the underwater vehicle; and a step of correcting the calculated underwater position using a composite navigation device.

바람직하게는 상기 수중 운동체의 위치 산출 단계는 하나의 수중음원장치에서 송신된 음원정보를 기반으로 BO(Bearing Only) 알고리즘을 통해서 위치를 산출하는 것을 특징으로 한다.Preferably, the step of calculating the position of the underwater vehicle is characterized by calculating the position through a BO (Bearing Only) algorithm based on sound source information transmitted from one underwater sound source device.

또는, 바람직하게는 상기 수중 운동체의 위치 산출 단계는 두개의 수중음원장치에서 송신된 음원정보를 기반으로 CO(Crossover) 알고리즘을 통해서 위치를 산출하는 것을 특징으로 한다.Alternatively, preferably, the step of calculating the position of the underwater vehicle is characterized by calculating the position through a CO (Crossover) algorithm based on sound source information transmitted from two underwater sound source devices.

또한, 바람직하게는 상기 CO 알고리즘은, 제1 수중음원장치의 위치정보 P1, 방위정보 B1, 음원송신시간 TT, 음원수신시간 RT1 및 음탐환경분석 정보를 이용하여 제1 수중음원장치와 수중 운동체 간의 거리 R1을 산출하고, 제2 수중음원장치의 위치정보 P2, 방위정보 B2, 음원송신시간 TT, 음원수신시간 RT2 및 음탐환경분석 정보를 이용하여 제2 수중음원장치와 수중 운동체 간의 거리 R2를 산출하고, 상기 제1 수중음원장치의 방위정보 B1 및 거리 R1, 상기 제2 수중음원장치의 방위정보 B2 및 거리 R2를 이용하여 위치정보와 교차방위 정보를 산출하고, 이를 통해서 가중치를 계산하고, 상기 계산된 가중치를 반영하여 수중 운동체의 위치를 결정하는 것을 특징으로 한다.In addition, preferably, the CO algorithm is characterized in that it calculates a distance R1 between the first underwater sound source device and the underwater vehicle using the position information P1, direction information B1, sound source transmission time TT, sound source reception time RT1, and sonar environment analysis information of the first underwater sound source device, calculates a distance R2 between the second underwater sound source device and the underwater vehicle using the position information P2, direction information B2, sound source transmission time TT, sound source reception time RT2, and sonar environment analysis information of the second underwater sound source device, and calculates position information and intersecting direction information using the direction information B1 and distance R1 of the first underwater sound source device, and the direction information B2 and distance R2 of the second underwater sound source device, calculates weights through the same, and determines the position of the underwater vehicle by reflecting the calculated weights.

또한, 바람직하게는 상기 수중 위치 보정 단계는 상기 복합항법장치가 관성항법장치 및 도플러로그로부터 산출된 신호를 활용하여 위치 정보를 보정하는 것을 특징으로 한다.In addition, preferably, the underwater position correction step is characterized in that the composite navigation device corrects the position information by utilizing signals generated from an inertial navigation device and a Doppler log.

또한, 바람직하게는 상기 수중음원장치는 상기 수중 운동체의 어뢰발사관을 통해서 수중 운동체의 외부로 투하되어 소정의 해저 위치에 고정되는 것을 특징으로 한다.In addition, it is preferable that the underwater sound source device is launched outside the underwater vehicle through the torpedo launcher of the underwater vehicle and fixed at a predetermined seabed location.

본 발명의 일실시예에 따르면, 수중음원장치로부터 수신되는 음원정보를 활용하여 수중 운동체의 정확한 위치정보를 보정함으로써 수중 복합 항법의 정확도 향상이 가능한 효과가 있다.According to one embodiment of the present invention, there is an effect of improving the accuracy of underwater composite navigation by correcting the exact location information of an underwater vehicle by utilizing sound source information received from an underwater sound source device.

또한, 수중 운동체의 은밀성 및 안전 보장을 위해 잠망경 심도로 부상하지 않고 수중에서도 자함 위치 정확도 유지가 가능하여 수중 작전지속 능력이 향상될 수 있는 효과가 있다.In addition, it has the effect of improving the underwater operational sustainability by being able to maintain the accuracy of the ship's location underwater without surfacing to periscope depth, ensuring the stealth and safety of the underwater vehicle.

또한, 작전 해역에 광범위적인 GPS 교란이 발생하더라도 GPS 정보 없이 자함의 위치 정확도 유지가 가능한 효과가 있다.In addition, it has the effect of maintaining the ship's position accuracy without GPS information even when extensive GPS interference occurs in the operational area.

더 나아가서, 수중 운동체가 무인 잠수정인 경우 자율 수중항해(Autonomous Underwater Navigation)의 위치 정확도 향상을 위한 수단으로도 활용될 수 있는 효과가 있다.Furthermore, if the underwater vehicle is an unmanned submersible, it can be effectively utilized as a means to improve the positional accuracy of autonomous underwater navigation.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해 될 수 있을 것이다.In addition, according to one embodiment of the present invention, the effects of the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 수중음원장치를 이용한 잠수함의 수중위치 결정체계를 도시한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 잠수함의 위치 설정 시스템 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 해저 고정형 수중음원장치를 활용한 수중위치 결정 개념 및 방법을 설명하기 위한 참고도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 2개의 해저 고정형 수중음원장치를 활용한 수중위치 결정 방법을 설명하기 위한 참고도이다.
도 5는 도 4의 실시예에서 가중치를 고려한 수중위치 결정 방법을 설명하기 위한 참고도이다.
FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating an underwater position determination system of a submarine using an underwater sound source device according to one embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a block diagram schematically illustrating a configuration of a submarine positioning system according to one embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a reference diagram for explaining the concept and method of determining an underwater position using a seabed-fixed underwater sound source device according to one embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a reference diagram for explaining an underwater position determination method using two submarine fixed underwater sound source devices according to one embodiment of the present invention.
Fig. 5 is a reference diagram for explaining a method for determining an underwater position considering weights in the embodiment of Fig. 4.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. First, when adding reference numerals to components of each drawing, it should be noted that the same components are given the same numerals as much as possible even if they are shown in different drawings. In addition, when describing the present invention, if it is determined that a specific description of a related known configuration or function may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted. In addition, although preferred embodiments of the present invention will be described below, it should be understood that the technical idea of the present invention is not limited thereto and can be modified and implemented in various ways by those skilled in the art.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 수중음원장치를 이용한 잠수함의 수중위치 결정체계를 도시한 개념도이다.FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating an underwater position determination system of a submarine using an underwater sound source device according to one embodiment of the present invention.

이하, 본 명세서의 실시예에서는 수중 운동체 중 대표적으로 잠수함을 예시로 들어 설명하지만 본 발명은 본 실시예에 한정되지 아니하며, 잠수정, 선박, 무인 잠수함 등 다양한 형태의 수중 운동체에 적용될 수 있다.Hereinafter, in the embodiments of this specification, a submarine is used as an example as a representative underwater vehicle, but the present invention is not limited to this embodiment, and can be applied to various types of underwater vehicles such as submersibles, ships, and unmanned submarines.

도시된 바와 같이, 잠수함(100)은 자함의 수중 위치를 탐색 및 결정하기 위한 수중위치 결정 체계가 시스템으로 구비되어 있다.As illustrated, the submarine (100) is equipped with an underwater position determination system for searching and determining the underwater position of the submarine.

잠수함의 수중위치 결정 시스템은 해저 고정형 수중음원장치(200)와, 수중위치산출장치(10)와, 복합항법장치(20)와, 관성항법장치(30)와, 도플러로그(Doppler Log)(40)와, 수동소나(50)와, GPS시스템(60)과, 어뢰발사관(70) 등을 포함한다.The submarine's underwater position determination system includes a seabed-fixed underwater sound source device (200), an underwater position calculation device (10), a composite navigation device (20), an inertial navigation device (30), a Doppler log (40), a passive sonar (50), a GPS system (60), a torpedo launcher (70), etc.

수중음원장치(200)는 적어도 하나 이상, 복수개가 잠수함(100)에 탑재될 수 있으며, 최초 잠수함(100)에 탑재되어 시간 동기화 및 각종 음원송출 동작을 위한 프리셋(Preset) 설정을 수중위치산출장치(10)를 통해서 수행될 수 있다. 그리고, 작전 수행을 위해서 잠수함(100)으로부터 분리되어 소정의 해저 위치에 투하 및 고정되어 자신의 위치정보, 음원방위정보, 및 음원송신시간을 포함한 음원정보를 주기적으로 송신할 수 있다.At least one or more underwater sound source devices (200) can be mounted on a submarine (100), and the underwater sound source device (200) can be initially mounted on a submarine (100) to perform preset settings for time synchronization and various sound source transmission operations through an underwater position calculation device (10). In addition, in order to perform an operation, the underwater sound source device can be separated from the submarine (100), dropped and fixed at a predetermined seabed location, and periodically transmit sound source information including its own location information, sound source direction information, and sound source transmission time.

수중음원장치(200)는 잠수함(100)의 어뢰발사관(70)을 통해서 외부로 투하되어 소정의 해저 위치에 고정될 수 있다.The underwater sound source device (200) can be launched externally through the torpedo launcher (70) of a submarine (100) and fixed at a predetermined seabed location.

수동소나(50)는 음파탐지기로도 지칭될 수 있으며, 해정 소정 위치에 고정된 수중음원장치(200)로부터 송신되는 음원정보를 주기적으로 수신한다.A passive sonar (50) may also be referred to as a sound detector, and periodically receives sound source information transmitted from an underwater sound source device (200) fixed at a predetermined location.

참고로, 소나(Sonar, SOund Navigation And Ranging)는 음파에 의해 수중목표의 방위 및 거리를 알아내는 장비를 의미하며 음파탐지기, 음향탐지기 혹은 음탐기로도 불린다.For reference, sonar (SOund Navigation And Ranging) is a device that uses sound waves to determine the direction and distance of underwater targets, and is also called a sound detector, acoustic detector, or sound sensor.

공기 중에서는 음파보다 전자기파가 보다 빠르고 멀리 전달되기 때문에 이를 이용하여 공중, 지상 및 해상의 목표물을 탐지할 수 있는 것이 레이다(RADAR)이며 이에 대응하는 수중용 장비가 소나이다. 소나에 적용되는 음파는 초속 약 1천 5백m 속도의 압력파로서, 수중에서 빠르게 전달되는 성질을 갖고 있으며, 수동소나 또는 능동소나로 구분될 수 있다.In the air, electromagnetic waves travel faster and farther than sound waves, so radar can be used to detect targets in the air, on land, and at sea, and the underwater equipment that corresponds to this is sonar. The sound waves used in sonar are pressure waves that travel at a speed of about 1,500 meters per second, and have the property of traveling quickly underwater. They can be categorized as passive sonar or active sonar.

수동소나(Passive Sonar)는 잠수함이 항해할 때 엔진이나 프로펠러에서 내는 소음을 먼 거리에서 수신하여 표적의 종류를 식별할 수 있는 잠수함의 핵심적인 탐지 장비이다. 잠수함이 핵심 해역이나 길목에 저속으로 조용히 항해하면서 마치 청진기로 뱃 속의 소리를 듣듯이 수중에서 들려 오는 모든 소리를 듣기만 하는 소나이다. 이 수동 소나로 군함인지 상선인지 어선인지, 추진축이 몇 개인지 스크류 날개가 몇 개인지, 침로와 속력까지도 분석해 낸다.Passive sonar is a key detection device of submarines that can identify the type of target by receiving noises from engines or propellers while the submarine is sailing from a distance. It is a sonar that listens to all sounds underwater as if listening to the sound inside the stomach with a stethoscope while the submarine is sailing quietly at low speed in key waters or passages. This passive sonar analyzes whether it is a warship, a merchant ship, or a fishing boat, how many propulsion shafts there are, how many screw blades there are, and even the course and speed.

능동소나(Active Sonar)는 수상함정에서 발사시킨 음파가 표적에서 반사되어 되돌아 오신 신호로서 적 잠수함이나 기뢰 등을 탐지하여 표적의 방향과 거리를 알 수 있으며, 잠수함에서 음파를 송신하여 표적에 부딪친 후 되돌아오는 원리를 이용한 것이다. 그러나 잠수함이 음파를 송신하면 위치가 바로 노출되므로 안전해역에서 수중 장애물 확인이나 어뢰공격을 하기 직전 정확한 거리를 알기 위해 순간적으로 송신하는 것 등 매우 국한적인 용도로 사용되고 있다.Active sonar is a method of detecting enemy submarines or mines by detecting the direction and distance of targets by receiving signals from sound waves that are reflected from targets by the submarine. It uses the principle of transmitting sound waves from a submarine and then returning after hitting the target. However, since a submarine's location is immediately exposed when it transmits sound waves, it is used for very limited purposes, such as checking for underwater obstacles in safe waters or transmitting them momentarily to determine the exact distance before a torpedo attack.

수중위치산출장치(10)는 소나(50)를 통해서 수신된 수중음원장치(200)의 음원정보를 기반으로 해저 고정형 수중음원장치(200)의 방위 및 거리를 산출하고 잠수함(100)의 수중 위치를 산출한다.The underwater position calculation device (10) calculates the direction and distance of the fixed underwater sound source device (200) on the seabed based on the sound source information of the underwater sound source device (200) received through the sonar (50) and calculates the underwater position of the submarine (100).

관성항법장치(Inertial Navigation System, INS)(30)는 잠수함, 항공기, 미사일 등에 장착하여 자기의 위치를 감지하여 목적지까지 유도하기 위한 장치이다. 동작원리는 자이로스코프에서 방위 기준을 정하고, 가속도계를 이용하여 이동 변위를 구하여, 처음 있던 위치에서 이동 변위를 반영함으로써 이동중인 상태의 자함의 위치와 속도를 항상 계산하여 반영할 수 있다. 악천후나 전파 방해의 영향을 받지 않는다고 하는 장점을 가지지만 긴 거리를 이동하면 오차가 누적되어 커지므로 GPS나 능동 레이다 유도 등에 의한 보정을 더해 사용하는 것이 바람직하다.An inertial navigation system (INS) (30) is a device installed on submarines, aircraft, missiles, etc. to detect its own position and guide it to its destination. The operating principle is to determine the direction reference using a gyroscope, obtain the displacement using an accelerometer, and reflect the displacement from its original position, so that the position and speed of the ship in motion can always be calculated and reflected. It has the advantage of not being affected by bad weather or radio interference, but errors accumulate and increase when moving a long distance, so it is desirable to use it with additional correction using GPS or active radar guidance.

복합항법장치(20)는 GPS 신호의 단절이 발생하는 측위 정보를 단절 없이 제공하기 위해 속도계, 지자계 센서, 관성센서 등으로 구성된 추측 항법(DR : Dead Reckoning) 시스템을 GPS 수신기와 결합한 것이며, 복합 항법 측위 기술은 추측 항법(DR)의 형태, 결합 기법, 결합 필터에 따라 다양한 형태로 구성될 수 있다. 여기서, 결합 필터는 칼만 필터가 통상적으로 사용되며, 선형 시스템에 사용되는 칼만 필터를 비선형 시스템인 DR/GPS 복합 항법 시스템에 적용하기 위해 확장칼만필터(EKF: Extended Kalman Filter)가 사용된다. 확장칼만필터(EKF)는 초기 추정 오차가 작고, 시스템/측정치 잡음이 작고, 모델 불확실성이 없는 등의 좋은 환경에서는 정확하게 오차를 추정하여 DR/GPS 복합 항법시스템에서 성능이 좋은 측위 정보를 제공할 수 있다. 그러나, 초기 방위각 정보를 계산할 수 없는 경우, 시스템/측정치 잡음이 큰 경우, 모델 불확실성이 있는 경우 등과 같은 환경에서는 준최적(Suboptimal) 특성 또는 발산하는 특성을 보이기도 한다.The hybrid navigation device (20) combines a dead reckoning (DR) system composed of a speedometer, a geomagnetic sensor, an inertial sensor, etc., with a GPS receiver to provide positioning information without interruption when a GPS signal is interrupted, and the hybrid navigation positioning technology can be configured in various forms depending on the form of the dead reckoning (DR), the combining technique, and the combining filter. Here, a Kalman filter is typically used as the combining filter, and an extended Kalman filter (EKF: Extended Kalman Filter) is used to apply a Kalman filter used in a linear system to a DR/GPS hybrid navigation system, which is a nonlinear system. The extended Kalman filter (EKF) can accurately estimate errors in good environments, such as small initial estimation errors, small system/measurement noise, and no model uncertainty, and can provide positioning information with good performance in a DR/GPS hybrid navigation system. However, in environments where initial azimuth information cannot be calculated, system/measurement noise is large, or model uncertainty exists, it may exhibit suboptimal or divergent characteristics.

도플러 로그(Doppler Log)(40)는 수중 항해에서 사용하는 장치로서, 수중에서 음파의 도플러 효과를 이용하여 수중 이동체의 전후 방향 및 좌우 방향에 대한 대지 또는 대수 속력을 측정한다. 참고로, 도플러 효과(Doppler effect 또는 Doppler shift, 도플러 현상, 도플러 편이 현상)는 어떤 파동의 파동원과 관찰자의 상대 속도에 따라 진동수와 파장이 바뀌는 현상을 가리킨다. 음파와 같이 매질을 통해 움직이는 파동에서는 관찰자와 파동원의 매질에 대한 상대속도에 따라 효과가 변한다. The Doppler Log (40) is a device used in underwater navigation, which measures the speed of an underwater vehicle in the forward and backward directions and left and right directions over land or water by utilizing the Doppler effect of sound waves underwater. For reference, the Doppler effect (Doppler effect or Doppler shift, Doppler phenomenon, Doppler shift phenomenon) refers to a phenomenon in which the frequency and wavelength of a wave change depending on the relative speed of the wave source and the observer. In waves moving through a medium, such as sound waves, the effect changes depending on the relative speed of the observer and the wave source with respect to the medium.

한편, 대지 속력(Speed of the Ground)은 육지에 대한 속력으로 외력의 영향이 가산된 속력을 의미하며, 대수 속력(Speed through Water)은 물에 대한 속력으로 외력의 영향이 가산되지 않은 속력을 의미한다. 예를 들어, 물이 흐르는 속력이 3m/s이고 대지 속력이 10m/s인 함정이 물이 흐르는 방향으로 진행한다면 그 함정의 대수 속력은 7m/s가 된다.Meanwhile, speed of the ground refers to the speed relative to land, which includes the effects of external forces, and speed through water refers to the speed relative to water, which includes the effects of external forces. For example, if a ship with a speed of 3 m/s in flowing water and a speed of 10 m/s on the ground moves in the direction of flowing water, its speed through water will be 7 m/s.

GPS 시스템(60)은 GPS 정보를 수신하기 위한 수단으로, 잠수함(100)의 수상 또는 잠망경 심도 항해시 사용되어 GPS 위치정보를 기반으로 자함 위치 탐색 및 항해가 가능하다.The GPS system (60) is a means for receiving GPS information and is used when a submarine (100) is navigating on the surface or under periscope depth, enabling the submarine to search for its own location and navigate based on GPS location information.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 잠수정의 위치 설정 시스템 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.FIG. 2 is a block diagram schematically illustrating the configuration of a positioning system for a submarine according to one embodiment of the present invention.

앞서 설명한 바와 같이, 수중음원장치(200)는 잠수정(100) 외부로 투하전에 수중위치산출장치(10)와 상호 시간 동기화를 수행한다. 또한, 수중음원장치(200)의 음원송신 주기 및 작동 기간을 미리 설정(Preset)함으로써 해저 고정된 위치에서 수중음원장치(200)가 주기적으로 설정된 기준에 따라 음원 정보를 송출하도록 한다.As described above, the underwater sound source device (200) performs mutual time synchronization with the underwater position calculation device (10) before being launched outside the submersible (100). In addition, by presetting the sound source transmission cycle and operating period of the underwater sound source device (200), the underwater sound source device (200) is enabled to periodically transmit sound source information according to the set criteria from a fixed location on the seabed.

수중음원장치(200)는 해저 고정형으로 적어도 하나 이상, 복수개로 운영될 수도 있으며, Presetting(시간동기화, 음원송신주기, 작동기간 등) 기능을 보유하는 것이 바람직하다. 수중음원장치(200)는 잠수함(100)의 어뢰발사관을 통해 투하 가능하며, 고정밀 타이머(230)와, 주기적(시간 단위) 음원 송신 기능 등이 내장된다. 또한, 장기간, 최소 2년 이상 작동을 위한 배터리(220)를 내장할 수 있으며, 바람직하게는 해저 300m 이상 운용이 가능한 내압 수밀 기능을 보유할 수도 있다.The underwater sound source device (200) is fixed on the seabed and can be operated in at least one or more units, and it is preferable to have a presetting function (time synchronization, sound source transmission cycle, operation period, etc.). The underwater sound source device (200) can be launched through the torpedo launcher of a submarine (100), and is equipped with a high-precision timer (230) and a periodic (hourly) sound source transmission function. In addition, a battery (220) for long-term operation, at least 2 years, can be built-in, and preferably, it can have a pressure-resistant watertight function that can be operated at a depth of 300 m or more.

수중위치산출장치(10)는 해저고정형 수중음원장치(200)에 대한 Presetting 기능과, 해저고정형 수중음원장치(200)의 투하위치 기점 기능을 보유한다.The underwater position calculation device (10) has a presetting function for a seabed-fixed underwater sound source device (200) and a launching position starting point function for the seabed-fixed underwater sound source device (200).

또한, 자함위치 산출을 위한 소정의 알고리즘을 포함하고 있으며, 상기 알고리즘은 한개의 수중음원장치(200)의 음원정보를 활용한 자함위치 산출알고리즘(이하. 'BO'(Bearing Only) 알고리즘이라 함), 또는 두 개의 수중음원장치(200, 300)의 음원정보를 활용한 자함위치 산출알고리즘(이하, 'CO'(Crossover) 알고리즘이라 함)일 수 있다.In addition, it includes a predetermined algorithm for calculating the self-ship position, and the algorithm may be a self-ship position calculating algorithm using sound source information of one underwater sound source device (200) (hereinafter referred to as a 'BO' (Bearing Only) algorithm), or a self-ship position calculating algorithm using sound source information of two underwater sound source devices (200, 300) (hereinafter referred to as a 'CO' (Crossover) algorithm).

수중위치산출장치(10)에서 수행하는 자함위치 결정 방법은 관련 도면을 참조하여 후술하기로 한다.The method for determining the self-position performed in the underwater position calculation device (10) will be described later with reference to the relevant drawings.

복합항법장치(20)는 관성항법장치(Inertial Navigation System)(30) 및 도플러로그(40)로부터 자함위치 보정을 위한 정보를 수신하여 수중위치산출장치(10)에서 산출된 자함위치를 보정한다.The composite navigation device (20) receives information for self-position correction from the inertial navigation system (30) and the Doppler log (40) and corrects the self-position calculated by the underwater position calculation device (10).

즉, 도플러로그(40)로부터 대지 또는 대수 속력을 전달받고, 관성항법장치(30)로부터 위치/속도 및 자함자세 정보를 전달받아서, 자함위치 보정을 수행함으로써 보다 정확한 위치 결정이 가능하게 된다.That is, by receiving ground or water velocity from the Doppler log (40) and receiving position/velocity and self-attitude information from the inertial navigation device (30), more accurate position determination becomes possible by performing self-position correction.

즉, 본 발명은 수중음원장치(200)로부터의 음원정보를 활용하여 정확한 위치정보를 보정함으로써, 현 운용 또는 미래 운용 예정인 잠수함의 수중 복합항법의 정확도 향상이 가능하며, 기존 복합항법의 경우 24시간 수중항해에서 약 2Km의 위치 오차가 발생하나, 본 발명의 경우 약 500m 이내로 위치 정확도 유지 가능하게 된다.That is, the present invention improves the accuracy of underwater composite navigation of a submarine currently in operation or scheduled for future operation by correcting accurate location information using sound source information from an underwater sound source device (200). In the case of existing composite navigation, a location error of about 2 km occurs during 24-hour underwater navigation, but in the case of the present invention, the location accuracy can be maintained within about 500 m.

도 2에 도시된 수중위치 결정 시스템에서의 수중위치 결정 방법을 설명하면 다음과 같다.The underwater position determination method in the underwater position determination system illustrated in Fig. 2 is described as follows.

우선, 수중위치산출장치(10)에서는 수중음원장치(200)의 음원 송신 주기 및 작동기간을 설정하고, 수중음원장치(200)와 수중위치산출장치(10)간의 시간을 동기화한다. First, the underwater position calculating device (10) sets the sound source transmission cycle and operating period of the underwater sound source device (200), and synchronizes the time between the underwater sound source device (200) and the underwater position calculating device (10).

이후, 수중음원장치(200)를 잠수함(100) 외부로 투하하고 투하위치를 기점한다. 수중음원장치(200)는 잠수함(100)으로부터 분리 투하되어 해저 소정 위치에서 고정되어 기 설정된 방식에 따라서, 음원정보를 외부로 주기적으로 송출하게 된다.Afterwards, the underwater sound source device (200) is launched outside the submarine (100) and the launching location is taken as a starting point. The underwater sound source device (200) is separated from the submarine (100) and launched, fixed at a predetermined location on the seabed, and periodically transmits sound source information to the outside according to a preset method.

이후, 잠수함(100)의 음파탐지기(50), 즉 수동소나를 통해서 수중음원장치(200)가 주기적으로 발신하는 음원정보를 수신한다. 상기 음원정보는 위치정보, 음원방위정보 및 음원송신시간을 포함할 수 있다.Thereafter, sound source information periodically transmitted by an underwater sound source device (200) is received through the sonar (50) of the submarine (100), i.e., a passive sonar. The sound source information may include location information, sound source direction information, and sound source transmission time.

수중위치산출장치(10)는 음파탐지기(50)를 통해서 수신된 음원정보를 기반으로 방위 및 거리를 산출하여 잠수함(100)의 수중 위치를 산출한다.The underwater position calculating device (10) calculates the underwater position of a submarine (100) by calculating direction and distance based on sound source information received through a sonar detector (50).

하나의 수중음원장치(200)의 음원정보를 활용하여 잠수함(100)의 위치를 산출하는 알고리즘, 즉 BO 기능에 대해서 설명하면 다음과 같다.The algorithm for calculating the location of a submarine (100) by utilizing sound source information of an underwater sound source device (200), i.e. the BO function, is explained as follows.

수중위치산출장치(10)는 수중음원장치(200)의 위치정보(P), 음원방위정보(B), 음원송신시간(TT, 사전설정된 정보), 음원수신시간(RT), 음탐환경분석정보(음속, 음파경로 등)를 이용하여 방위 및 거리를 계산할 수 있다.The underwater position calculation device (10) can calculate direction and distance using the position information (P) of the underwater sound source device (200), sound source direction information (B), sound source transmission time (TT, preset information), sound source reception time (RT), and sonar environment analysis information (sound speed, sound wave path, etc.).

수중음원장치(200)와 잠수함(100) 간의 거리를 R0이라고 하면, R0은 다음 수학식 1을 통해서 계산될 수 있다.If the distance between the underwater sound source device (200) and the submarine (100) is R 0 , R 0 can be calculated using the following mathematical expression 1.

수학식 1에서, SV는 음속을 나타내며, RT는 음원수신시간을 나타내고, TT는 음원송신시간을 나타낸다.In mathematical expression 1, SV represents the speed of sound, RT represents the sound reception time, and TT represents the sound transmission time.

잠수함(100)의 위치는 해저고정형 수중음원장치(200)로부터 방위 및 거리 정보를 활용하여 산출할 수 있으며, 이후 복합항법장치(20)를 이용하여 상기 산출된 수중 위치를 보정한다.The location of a submarine (100) can be calculated using direction and distance information from a seabed-fixed underwater sound source device (200), and then the calculated underwater location is corrected using a composite navigation device (20).

한편, 두 개의 수중음원장치(200)의 음원정보를 활용하여 잠수함(100)의 위치를 산출하는 알고리즘, 즉 CO(Crossover) 기능에 대해서는 도 3 및 도 4를 참조하여 설명한다.Meanwhile, the algorithm for calculating the location of a submarine (100) by utilizing sound source information of two underwater sound source devices (200), i.e. the CO (Crossover) function, is described with reference to FIGS. 3 and 4.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 해저 고정형 수중음원장치를 활용한 수중위치 결정 개념 및 방법을 설명하기 위한 참고도이다.FIG. 3 is a reference diagram for explaining the concept and method of determining an underwater position using a seabed-fixed underwater sound source device according to one embodiment of the present invention.

도시된 바와 같이, 잠수함(100)으로부터 분리 투하되어 해저 고정위치에 설치된 수중음원장치(200, 300, 400)는 적어도 두 개 이상이며 서로 거리 R 만큼 이격되어 있다.As shown, there are at least two underwater sound source devices (200, 300, 400) that are separated from a submarine (100) and installed at a fixed location on the seabed and are spaced apart from each other by a distance R.

제1 수중음원장치(200)는 자신의 위치정보 P1 및 방위정보 B1을 주기적으로 송신하면, 잠수함(100)의 수중위치산출장치(10)에서는 수신된 음원정보, 기 설정된 음원송신시간 TT, 음원수신시간 RT1 및 음탐환경분석 정보를 이용하여 제1 수중음원장치(200)와 잠수함(100) 간의 거리 R1을 수학식 2와 같이 산출한다. 여기서 음탐환경분석 정보는 음속 및 음파 전달경로에 관한 정보이다.When the first underwater sound source device (200) periodically transmits its position information P1 and direction information B1, the underwater position calculation device (10) of the submarine (100) calculates the distance R1 between the first underwater sound source device (200) and the submarine (100) using the received sound source information, preset sound source transmission time TT, sound source reception time RT1, and sonar environment analysis information as shown in mathematical expression 2. Here, the sonar environment analysis information is information about sound speed and sound wave transmission path.

마찬가지로 제2 수중음원장치(300)도 자신의 위치정보 P2 및 방위정보 B2을 주기적으로 송신하면, 잠수함(100)의 수중위치산출장치(10)에서는 수신된 음원정보, 기 설정된 음원송신시간 TT, 음원수신시간 RT2 및 음탐환경분석 정보를 이용하여 제2 수중음원장치(300)와 잠수함(100) 간의 거리 R2을 수학식 3과 같이 산출한다. 여기서 음탐환경분석 정보는 음속 및 음파 전달경로에 관한 정보이다.Likewise, when the second underwater sound source device (300) periodically transmits its location information P2 and direction information B2, the underwater position calculation device (10) of the submarine (100) calculates the distance R2 between the second underwater sound source device (300) and the submarine (100) using the received sound source information, preset sound source transmission time TT, sound source reception time RT2, and sonar environment analysis information as in mathematical expression 3. Here, the sonar environment analysis information is information about sound speed and sound wave transmission path.

따라서, 잠수함(100)의 위치 정보는 해저 고정형 제1 수중음원장치(200) 및 제2 수중음원장치(300)로부터의 방위 B1 및 B2 정보와, 거리 R1 및 R2 정보를 활용하여 산출한다.Therefore, the location information of the submarine (100) is calculated by utilizing the direction B1 and B2 information and the distance R1 and R2 information from the first underwater sound source device (200) and the second underwater sound source device (300) fixed on the seabed.

이때, 제1 수중음원장치(200)의 방위정보 B1 및 거리 R1, 제2 수중음원장치(300)의 방위정보 B2 및 거리 R2를 이용하여 위치정보와 교차방위 정보를 산출하고, 이를 통해서 가중치를 계산한다.At this time, the direction information B1 and distance R1 of the first underwater sound source device (200), and the direction information B2 and distance R2 of the second underwater sound source device (300) are used to derive the location information and the cross-direction information, and the weight is calculated through this.

가중치 계산 및 이를 활용한 수중위치 결정 방법은 도 4 및 도 5를 참조하여 설명한다.The method of calculating weights and determining underwater position using the same is explained with reference to FIGS. 4 and 5.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 2개의 해저 고정형 수중음원장치를 활용한 수중위치 결정 방법을 설명하기 위한 참고도이다.FIG. 4 is a reference diagram for explaining an underwater position determination method using two submarine fixed underwater sound source devices according to one embodiment of the present invention.

도시된 바와 같이 제1 수중음원장치(200)의 방위정보 B1과, 제2 수중음원장치(300)의 방위정보 B2를 이용하여 교차점(Crossover Point) 좌표 [x, y]을 산출한다. As shown, the crossover point coordinates [x, y] are calculated using the direction information B1 of the first underwater sound source device (200) and the direction information B2 of the second underwater sound source device (300).

그리고, 제1 수중음원장치(200)의 방위정보 B1과 거리 R1을 이용하여 제1 위치 좌표 [x1, y1]를 산출하고, 제2 수중음원장치(300)의 방위정보 B2와 거리 R2를 이용하여 제2 위치 좌표 [x2, y2]를 산출한다. 이후, 가중치를 산출하여 3개의 좌표를 기반으로 위치 정보를 보정할 수 있다. 이때, 가중치는 거리에 반비례할 수 있다. 즉, 거리가 가까울 수록 가중치를 상대적으로 높이 부여하고 거리가 멀 수록 가중치를 상대적으로 낮게 부여함으로써 위치 추정의 신뢰성을 높일 수 있다. 도 4의 실시예에서 R2가 R1보다 작은 경우, R2의 정확도가 R1의 정확도보다 우수하며, 따라서, B2의 정확도가 B1의 정확도보다 우수한 것으로 볼 수 있다. And, using the direction information B1 and the distance R1 of the first underwater sound source device (200), the first location coordinate [x1, y1] is calculated, and using the direction information B2 and the distance R2 of the second underwater sound source device (300), the second location coordinate [x2, y2] is calculated. Thereafter, weights can be calculated to correct the location information based on the three coordinates. At this time, the weights can be inversely proportional to the distance. That is, the closer the distance, the higher the weight is given, and the farther the distance, the lower the weight is given, thereby increasing the reliability of the location estimation. In the embodiment of Fig. 4, when R2 is smaller than R1, the accuracy of R2 is better than that of R1, and therefore, the accuracy of B2 can be seen to be better than that of B1.

도 5는 도 4의 실시예에서 가중치를 고려한 수중위치 결정 방법을 설명하기 위한 참고도이다.Fig. 5 is a reference diagram for explaining a method for determining an underwater position considering weights in the embodiment of Fig. 4.

앞서, 도 4를 참조하여 설명한 바와 같이 교차점 좌표(Crossover Point), 제1 위치 좌표(Own Position #1) 및 제2 위치 좌표(Own Position #2)를 설정하면 다음 수학식 4와 같다.As described above with reference to FIG. 4, when the intersection point coordinates (Crossover Point), the first position coordinates (Own Position #1), and the second position coordinates (Own Position #2) are set, the following mathematical expression 4 is obtained.

그리고, 3개의 좌표에 대한 무게중심점(C) 좌표 [(x+x1+x2)/3, (y+y1+y2)/3]를 계산하여 산출한다.Then, the center of gravity point (C) coordinates for three coordinates [(x+x1+x2)/3, (y+y1+y2)/3] are calculated and produced.

이후, 수중음원장치(200, 300)의 거리정보를 활용하여 가중치를 계산하면 다음 수학식 5와 같다.Afterwards, the weight is calculated using the distance information of the underwater sound source device (200, 300), as shown in the following mathematical expression 5.

위와 같이 계산된 가중치를 벡터 합산하면 다음 수학식 6과 같다.If the weights calculated as above are vector-summed, the result is as follows: Mathematical Formula 6.

위와 같이 계산된 가중치 벡터(크기 및 방향)를 무게중심점 C 에 반영하여 수중위치를 보정한다.The weight vector (size and direction) calculated as above is reflected at the center of gravity point C to correct the underwater position.

즉, 무게중심점 C 에서 방향으로 크기 만큼 이동을 하면 보정된 위치가 최종적으로 결정된다.That is, at the center of gravity C In the direction The corrected position is finally determined by moving by that amount.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 수중음원장치로부터의 음원정보를 활용하여 자함 위치를 결정하기 때문에 GPS를 사용하지 않을 수 있어서, 잠수함의 은밀성 및 안전 보장이 가능해진다. 즉, 잠수함이 잠망경 심도로 부상하지 않고 수중에서도 자함위치 정확도 유지가 가능하므로, 잠수함의 수중 작전지속 능력 향상이 가능하다. As described above, since the present invention determines the ship's location by utilizing sound source information from an underwater sound source device, GPS can be omitted, thereby ensuring the stealth and safety of the submarine. In other words, since the submarine can maintain the accuracy of its ship's location underwater without surfacing to periscope depth, the submarine's underwater operational sustainability can be improved.

또한, 도 5의 실시예와 같이 정확한 위치정보를 보정함으로써 수중 복합항법의 정확도 향상이 가능한 장점이 있다.In addition, there is an advantage in that the accuracy of underwater composite navigation can be improved by correcting accurate location information as in the embodiment of Fig. 5.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely an illustrative description of the technical idea of the present invention, and those skilled in the art will appreciate that various modifications, changes, and substitutions may be made without departing from the essential characteristics of the present invention. Accordingly, the embodiments disclosed in the present invention and the accompanying drawings are not intended to limit the technical idea of the present invention but to explain it, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments and the accompanying drawings. The protection scope of the present invention should be interpreted by the following claims, and all technical ideas within a scope equivalent thereto should be interpreted as being included in the scope of the rights of the present invention.

100: 수중 운동체 200: 수중음원장치
10: 수중위치산출장치 20: 복합항법장치
30: 관성항법장치 40: 도플러로그
50: 음파탐지기(소나) 60: GPS
210: 음파송신기 220: 배터리
230: 타이머
100: Underwater motor vehicle 200: Underwater sound source device
10: Underwater positioning device 20: Composite navigation device
30: Inertial Navigation System 40: Doppler Log
50: Sonar 60: GPS
210: Sound transmitter 220: Battery
230: Timer

Claims (13)

해저 고정형 수중음원장치를 활용한 수중위치 결정 시스템에 있어서,
수중 운동체로부터 분리되어 소정의 해저 위치에 고정되어 위치정보, 음원방위정보, 및 음원송신시간을 포함한 음원정보를 주기적으로 송신하는 수중음원장치:
상기 수중음원장치로부터 송신되는 음원정보를 주기적으로 수신하는 음파탐지기; 및
상기 음파탐지기를 통해서 수신된 상기 수중음원장치의 음원정보를 기반으로 방위 및 거리를 산출하여 수중 운동체의 수중 위치를 산출하는 수중위치산출장치;를 포함하는 수중위치 결정 시스템.
In an underwater position determination system using a fixed underwater acoustic source device on the seabed,
An underwater sound source device that is separated from an underwater vehicle, fixed at a predetermined seabed location, and periodically transmits sound source information including location information, sound source direction information, and sound source transmission time:
A sonar detector that periodically receives sound source information transmitted from the above underwater sound source device; and
An underwater position determination system including an underwater position calculation device that calculates the underwater position of an underwater vehicle by calculating direction and distance based on sound source information of the underwater sound source device received through the sonar detector.
제1항에 있어서,
관성항법장치(Inertial Navigation System);
수중에서 음파의 도플러 효과를 이용하여 수중 운동체의 전후 방향 및 좌우 방향에 대한 대지 또는 대수 속력을 측정하는 도플러로그(Doppler Log); 및
상기 수중위치산출장치로부터 산출된 수중 위치에 대해서 상기 관성항법장치 및 상기 도플러로그로부터 산출된 신호를 활용하여 위치 정보를 보정하는 복합항법장치;를 더 포함하는 수중위치 결정 시스템.
In the first paragraph,
Inertial Navigation System;
Doppler Log, which measures the speed of an underwater object relative to the ground or water in the forward and backward directions and left and right directions by using the Doppler effect of sound waves in water; and
An underwater position determination system further comprising a composite navigation device that corrects position information by utilizing signals generated from the inertial navigation device and the Doppler log for the underwater position generated from the underwater position calculating device.
제2항에 있어서,
GPS 수신기를 더 포함하는 수중위치 결정 시스템.
In the second paragraph,
An underwater positioning system further comprising a GPS receiver.
제1항에 있어서,
상기 수중음원장치는,
상기 수중 운동체의 어뢰발사관을 통해서 수중 운동체의 외부로 투하되어 소정의 해저 위치에 고정되는 것을 특징으로 하는 수중위치 결정 시스템.
In the first paragraph,
The above underwater sound source device is,
An underwater position determination system characterized in that it is launched outside the underwater vehicle through the torpedo launcher of the underwater vehicle and fixed at a predetermined seabed location.
제1항에 있어서,
상기 수중위치산출장치는,
상기 수중음원장치의 투하전에 상호 시간 동기화, 상기 수중음원장치의 음원송신 주기 및 작동 기간을 설정(Preset)하는 것을 특징으로 하는 수중위치 결정 시스템.
In the first paragraph,
The above underwater position calculating device is,
An underwater position determination system characterized by setting (preset) mutual time synchronization and the sound source transmission cycle and operating period of the underwater sound source device prior to deployment of the underwater sound source device.
제1항에 있어서,
상기 수중음원장치는,
타이머;
배터리; 및
상기 음원정보를 송출하는 음파송신기를 포함하는 것을 특징으로 하는 수중위치 결정 시스템.
In the first paragraph,
The above underwater sound source device is,
timer;
Battery; and
An underwater position determination system characterized by including a sound wave transmitter that transmits the above sound source information.
해저 고정형 수중음원장치를 활용한 수중 운동체의 수중위치 결정 방법에 있어서,
상기 수중음원장치의 음원 송신 주기 및 작동기간을 설정하고, 상기 수중음원장치와 수중 운동체간의 시간을 동기화하는 프리셋(Preset) 단계;
상기 수중음원장치를 수중 운동체 외부로 투하하고 투하위치를 기점하는 단계;
수중 운동체로부터 분리되어 소정의 해저 위치에 고정된 상기 수중음원장치로부터 위치정보, 음원방위정보, 및 음원송신시간을 포함한 음원정보를 수신하는 단계;
상기 수신된 음원정보를 기반으로 방위 및 거리를 산출하여 수중 운동체의 수중 위치를 산출하는 단계; 및
복합항법장치를 이용하여 상기 산출된 수중 위치를 보정하는 단계;를 포함하는 수중위치 결정 방법.
In a method for determining the underwater position of an underwater vehicle using a fixed underwater sound source device on the seabed,
A preset step for setting the sound source transmission cycle and operating period of the underwater sound source device and synchronizing the time between the underwater sound source device and the underwater vehicle;
A step of launching the above underwater sound source device outside the underwater vehicle and determining the launching position as a starting point;
A step of receiving sound source information including location information, sound source direction information, and sound source transmission time from the underwater sound source device separated from the underwater vehicle and fixed to a predetermined seabed location;
A step for calculating the underwater position of an underwater vehicle by calculating the direction and distance based on the received sound source information; and
A method for determining an underwater position, comprising: a step of correcting the calculated underwater position using a composite navigation device.
제7항에 있어서,
상기 수중 운동체의 위치 산출 단계는,
하나의 수중음원장치에서 송신된 음원정보를 기반으로 BO(Bearing Only) 알고리즘을 통해서 위치를 산출하는 것을 특징으로 하는 수중위치 결정 방법.
In Article 7,
The step of calculating the position of the above underwater vehicle is:
An underwater position determination method characterized by calculating a location using a BO (Bearing Only) algorithm based on sound source information transmitted from an underwater sound source device.
제7항에 있어서,
상기 수중 운동체의 위치 산출 단계는,
두개의 수중음원장치에서 송신된 음원정보를 기반으로 CO(Crossover) 알고리즘을 통해서 위치를 산출하는 것을 특징으로 하는 수중위치 결정 방법.
In Article 7,
The step of calculating the position of the above underwater vehicle is:
An underwater position determination method characterized by calculating a location using a CO (Crossover) algorithm based on sound source information transmitted from two underwater sound source devices.
제9항에 있어서,
상기 CO 알고리즘은,
제1 수중음원장치의 위치정보 P1, 방위정보 B1, 음원송신시간 TT, 음원수신시간 RT1 및 음탐환경분석 정보를 이용하여 제1 수중음원장치와 수중 운동체 간의 거리 R1을 산출하고,
제2 수중음원장치의 위치정보 P2, 방위정보 B2, 음원송신시간 TT, 음원수신시간 RT2 및 음탐환경분석 정보를 이용하여 제2 수중음원장치와 수중 운동체 간의 거리 R2를 산출하고,
상기 제1 수중음원장치의 방위정보 B1 및 거리 R1, 상기 제2 수중음원장치의 방위정보 B2 및 거리 R2를 이용하여 위치정보와 교차방위 정보를 산출하고, 이를 통해서 가중치를 계산하고,
상기 계산된 가중치를 반영하여 수중 운동체의 위치를 결정하는 것을 특징으로 하는 수중위치 결정 방법.
In Article 9,
The above CO algorithm is,
Using the location information P1 of the first underwater sound source device, direction information B1, sound source transmission time TT, sound source reception time RT1, and sonar environment analysis information, the distance R1 between the first underwater sound source device and the underwater vehicle is calculated.
Using the location information P2 of the second underwater sound source device, direction information B2, sound source transmission time TT, sound source reception time RT2, and sonar environment analysis information, the distance R2 between the second underwater sound source device and the underwater vehicle is calculated.
Using the direction information B1 and distance R1 of the first underwater sound source device and the direction information B2 and distance R2 of the second underwater sound source device, the location information and the cross-direction information are calculated, and the weights are calculated through this.
An underwater position determination method characterized by determining the position of an underwater vehicle by reflecting the calculated weights above.
제10항에 있어서,
상기 CO 알고리즘은,
상기 제1 수중음원장치의 방위정보 B1과, 상기 제2 수중음원장치의 방위정보 B2를 이용하여 교차점(Crossover Point) 좌표 [x, y]을 산출하고,
상기 제1 수중음원장치의 방위정보 B1과 상기 거리 R1을 이용하여 제1 위치 좌표 [x1, y1]를 산출하고,
상기 제2 수중음원장치의 방위정보 B2와 상기 거리 R2를 이용하여 제2 위치 좌표 [x2, y2]를 산출하고,
상기 교차점, 제1 위치 및 제2 위치 좌표에 대한 무게중심점 좌표 [(x+x1+x2)/3, (y+y1+y2)/3]를 계산하고,
상기 교차점의 가중치(Wc)와, 제1 위치의 가중치(W1)와, 제2 위치의 가중치(W2)를 계산하고,
상기 계산된 가중치를 반영하여 수중 운동체의 위치를 결정하되,
상기 가중치는 각각 다음 수식
Wc=1/3, W1=2×(1-R1/(R1+R2))/3, 및 W2=2×(1-R2/(R1+R2))/3
로 결정되며,
상기 무게중심점 좌표 [(x+x1+x2)/3, (y+y1+y2)/3]에서 상기 가중치 Wc, W1, 및 W2를 벡터값으로 반영함으로써 상기 수중 운동체의 위치를 결정하는 것을 특징으로 하는 수중위치 결정 방법.
In Article 10,
The above CO algorithm is,
Using the direction information B1 of the first underwater sound source device and the direction information B2 of the second underwater sound source device, the intersection point coordinates [x, y] are calculated,
Using the direction information B1 of the first underwater sound source device and the distance R1, the first position coordinate [x1, y1] is calculated,
Using the direction information B2 of the second underwater sound source device and the distance R2, the second position coordinate [x2, y2] is calculated,
Calculate the center of gravity coordinates [(x+x1+x2)/3, (y+y1+y2)/3] for the above intersection, first location, and second location coordinates,
Calculate the weight (Wc) of the above intersection, the weight (W 1 ) of the first position, and the weight (W 2 ) of the second position,
The position of the underwater vehicle is determined by reflecting the calculated weights above.
The above weights are each expressed by the following formula:
Wc=1/3, W 1 =2×(1-R1/(R1+R2))/3, and W 2 =2×(1-R2/(R1+R2))/3
is determined by,
An underwater position determination method characterized in that the position of the underwater vehicle is determined by reflecting the weights Wc, W 1 , and W 2 as vector values in the center of gravity point coordinates [(x+x1+x2)/3, (y+y1+y2)/3].
제7항에 있어서,
상기 수중 위치 보정 단계는,
상기 복합항법장치가 관성항법장치 및 도플러로그로부터 산출된 신호를 활용하여 위치 정보를 보정하는 것을 특징으로 하는 수중위치 결정 방법.
In Article 7,
The above underwater position correction step is,
An underwater position determination method, characterized in that the above-mentioned composite navigation device corrects position information by utilizing signals generated from an inertial navigation device and a Doppler log.
제7항에 있어서,
상기 수중음원장치는 상기 수중 운동체의 어뢰발사관을 통해서 수중 운동체의 외부로 투하되어 소정의 해저 위치에 고정되는 것을 특징으로 하는 수중위치 결정 방법.
In Article 7,
An underwater position determination method characterized in that the underwater sound source device is launched outside the underwater vehicle through the torpedo launcher of the underwater vehicle and fixed at a predetermined seabed location.
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