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KR20230059219A - 수심측량 장비의 수평유지장치 - Google Patents

수심측량 장비의 수평유지장치 Download PDF

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KR20230059219A
KR20230059219A KR1020210143175A KR20210143175A KR20230059219A KR 20230059219 A KR20230059219 A KR 20230059219A KR 1020210143175 A KR1020210143175 A KR 1020210143175A KR 20210143175 A KR20210143175 A KR 20210143175A KR 20230059219 A KR20230059219 A KR 20230059219A
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KR
South Korea
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hull
leveling
sounder
echo sounder
bathymetry
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하기갑
유인영
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주식회사 요타오션
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Abstract

멀티빔 및 싱글빔 음향측심기를 선박에 장착 시, 선체의 롤링 및 피칭으로 인한 수심측량의 오차를 보정하기 위하여 IMU(관성항법장치)를 음향측심기와 일체로 장착하여 후처리 소프트웨어를 이용하여 보정한 값을 사용하게 된다. 그러나, 파도나 바람 조류에 기인하여 선체의 롤링이나 피칭이 과도하게 발생하게 되면, 수심측정 데이터의 정확도가 떨어져 문제가 되고 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 수심을 측정하는 음향측심기; 및 상기 음향측심기의 수평을 제어하기 위하여 상기 음향측심기를 전후좌우 회전가능하게 결합되는 수평유지부; 및 상기 수평유지부를 해수면 위쪽에서 선체에 결합하는 선체결합부를 포함하여 구성되는 수평유지장치를 구비한 수심측량 장치를 제공한다.
상기와 같은 구성에 의하여 파도와 바람에 의하여 선체가 흔들려도 정확하게 수심을 측정할 수 있는 효과가 있다.

Description

수심측량 장비의 수평유지장치{.}
본 출원 발명은 수심측량 장치에 관한 것이다. 더욱 자세하게는 수심측량장치의 수평을 유지하기 위한 장치에 관한 것이다.
본 출원 이전의 선행기술로 연안역 해상 탄성파 탐사의 한계를 극복하고, 석유탐사수준의 고해상도 탄성파 단면(반사법 및 굴절법)을 획득하기 위하여 해상 탄성파 탐사장치의 개발과 더불어 취득 자료에 대한 전산처리 시스템을 구축하도록 한 자동화 부표판을 이용한 다중채널 해상 탄성파 탐사장치 및 탐사방법에 관한 기술이 개시되어 있다. 이 기술은 자동화 부표판을 이용한 다중채널 해상 탄성파 탐사장치는 일정한 속도로 극 천해를 운항하는 탐사선과; 상기 탐사선의 선두에 고정 설치되며, 탐사선의 위치 및 항적을 기록하는 인공위성 위치측정장치와; 상기 탐사선의 선상에 고정 설치되며, 반사신호를 디지털방식으로 기록하는 탄성파 기록장치와; 상기 탐사선의 선측에 고정 설치되는 자동화 부표판 및 단일채널로 이루어진 음향측심기와; 상기 탐사선의 선미에 고정 설치되며, 청음기와 무선송신기가 내장되는 수중청음기로 구성되어 있다.
또 다른 선행기술로 고무보트에 음향측심기를 거치시키는 고무보트용 음향측심기 거치대에 관한 기술이 개시되어 있다. 이 기술의 고무보트용 음향측심기 거치대는 고무보트의 고무튜브 외주연을 감싸는 본체; 상기 본체의 일측에 결합되고, 음향측심기가 장착되는 장착수단; 상기 본체의 타측에 회전 가능하게 결합되고, 라운드 구조를 갖는 가압판과, 상기 본체에 전후진 가능하게 스크류결합되어서 상기 가압판을 고무튜브에 가압시키는 가압핀 및 가압수단을 구비하고 있다.
등록특허공보 제10-0660563 등록특허공보 제10-1593201
멀티빔 및 싱글빔 음향측심기를 선박에 장착 시, 선체의 롤링 및 피칭으로 인한 수심측량의 오차를 보정하기 위하여 IMU(관성항법장치)를 음향측심기와 일체로 장착하여 후처리 소프트웨어를 이용하여 보정한 값을 사용하게 된다. 그러나, 파도나 바람 조류에 기인하여 선체의 롤링이나 피칭이 과도하게 발생하게 되면, 데이터의 정확도가 현저히 떨어질 수 있는 위험성을 항상 가지게 된다.
이에 선박에 음향측심기에 수평을 유지할 수 있는 장치를 제공한다면, 정확한 측정을 할 수 있을 것으로 기대한다.
상기와 같은 문제를 해결하고자 다음과 같은 과제해결 수단을 제공한다.
수심을 측정하는 음향측심기; 및
상기 음향측심기의 수평을 제어하기 위하여 상기 음향측심기를 전후좌우 회전가능하게 결합되는 수평유지부; 및
상기 수평유지부를 해수면 위쪽에서 선체에 결합하는 선체결합부를 포함하여 구성되는 수평유지장치를 구비한 수심측량 장치에 있어서,
상기 수평유지부는 선체의 전후방향과 평행하고, 선체의 폭방향과 평행하게 전후 및 좌우로 회전가능하게 2 중 구조의 회전부를 구비하며 내측회전부는 전후방향으로 외측회전부는 좌우방향으로 서보모터 또는 액추에이터에 의하여 제어된 각도만큼 회전하도록 제어부에서 제어하며, 상기 외측회전부를 지지하는 프레임은 상기 선체 결합부에 고정연결되며, 상기 제어부에서 전후 또는 좌우 회전각의 제어를 위하여 전후 및 좌우 수평센서를 상기 음향측심기에 구비하며;
GNSS 센서는 상기 내측회전부에 수직하게 결합되어 항상 음향측심기와 수직하게 위치하며, 선상에 설치된 GNSS 센서와 상기 음향측심기 사이에서 발생하는 기하학적인 오차를 계산하여, 상기 전후 및 좌우 수평센서에 측정된 음향측심기의 기울기를 상기 내측회전부와 외측회전부에 연결된 액추에이터를 제어하여 상기 음향측심기를 수평으로 유지하는 것을 특징으로 하는 수평유지장치를 구비한 수심측량 장치를 제공한다.
또한, 상기 선상에 설치된 선상GNSS 센서는 상기 음향측심기의 수평을 유지하는 수평유지부와 전후 또는 좌우 연장선과, 상기 선체의 전후축 또는 폭방향의 연장선과의 교차점에 설치하는 것을 특징으로 하는 수평유지장치를 구비한 수심측량 장치를 제공한다.
또한, 상기 선상에 추가적인 선상보조GNSS 센서를 상기 선체의 전후축 ?? 폭방향에 추가로 설치하여 상기 선상에 설치된 3개의 GNSS 센서로 선체의 기울기를 측정하는 것을 특징으로 하는 수평유지장치를 구비한 수심측량 장치를 제공한다.
또한, 상기 선상GNSS 센서의 측정값과 설치 높이 및 상기 전후 및 좌우 수평센서 값을 이용하여 상기 음향측심기에서 측정한 수심을 보정하는 것을 특징으로 하는 수평유지장치를 구비한 수심측량 장치를 제공한다.
또한, 상기 선체의 움직임 예측을 위한 라이다 센서를 1개 이상 이용하여 선체 주변의 물결의 움직임을 연속적으로 측정하며, 가속도센서를 이용하여 상기 선체가 주변의 물결에 의하여 움직이는 진동을 선체를 중심으로 전후방향과 좌우방향으로 계산하여 상기 선체가 파도에 의하여 전후방향과 좌우방향으로 흔들리는 진동과 진폭을 예측하여 상기 수평유지부를 수평으로 제어하는 것을 특징으로 하는 수평유지장치를 구비한 수심측량 장치를 제공한다.
또한, 상기 가속도 센서에 의하여 예측한 상기 선체가 파도에 의하여 전후방향과 좌우방향으로 흔들리는 진동과 진폭이 상기 수평유지부가 수평을 유지할 수 있는 각도 범위를 벋어나는 경우 측정을 일시적으로 또는 지속적으로 중지하며 이를 경보하는 것을 특징으로 하는 수평유지장치를 구비한 수심측량 장치를 제공한다.
또한, 상기 수평유지장치에 의하여 수평이 유지되는 순간 수심측량장치에서 수심을 측정하며, 이때 상기 내부회전부에 수직하게 결합된 GNSS센서에서 측정된 해발고도를 이용하여 수심측정 결과를 보정하는 것을 특징으로 하는 수평유지장치를 구비한 수심측량 장치를 제공한다.
본 출원 발명의 또 다른 실시예로,
수심을 측정하는 음향측심기; 및
상기 음향측심기의 수평을 제어하기 위하여 상기 음향측심기를 전후좌우 회전가능하게 결합되는 수평유지부; 및
상기 수평유지부를 선체 하부에 결합하는 선체하부결합부를 포함하여 구성되는 수평유지장치를 구비한 수심측량 장치에 있어서,
상기 수평유지부는 선체의 전후방향과 평행하고, 선체의 폭방향과 평행하게 전후 및 좌우로 회전가능하게 2 중 구조의 회전부를 구비하며 내측회전부는 전후방향으로 외측회전부는 좌우방향으로 서보모터 또는 액추에이터에 의하여 제어된 각도만큼 회전하도록 제어부에서 제어하며, 상기 외측회전부를 지지하는 프레임은 상기 선체 결합부에 고정연결되며, 상기 제어부에서 전후 또는 좌우 회전각의 제어를 위하여 전후 및 좌우 수평센서를 상기 음향측심기에 구비하며;
수평센서는 상기 내측회전부에 수직하게 결합되어 항상 음향측심기와 수직하게 위치하여, 상기 수평센서에 측정된 음향측심기의 기울기를 상기 내측회전부와 외측회전부에 연결된 액추에이터를 수중에서 제어하여 상기 음향측심기를 수평으로 항상 유지하는 것을 특징으로 하는 수평유지장치를 구비한 수심측량 장치를 제공한다.
또한, 상기 수평유지장치에 의하여 수평이 유지되는 순간 수심측량장치에서 수심을 측정하며, 이때 선체에 구비된 선상GNSS 센서에서 측정된 해발고도와 상기 선체 기울기센서를 이용하여 선체의 기울기를 측정하여 상기 수심측정장치에서 측정한 수심을 보정하는 것을 특징으로 하는 수평유지장치를 구비한 수심측량 장치를 제공한다.
음향측심기와 같은 수심측정장치를 사용하여 수심을 측정하는 경우 기존에는 파도와 바람에 의하여 선체가 흔들려 정확한 측정이 불가능하였으나, 본 발명의 상기와 같은 구성에 의하여 선체가 흔들리는 경우에도 수심을 정확하게 측정할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 기존의 음향수심측정기를 이용하여 수심을 측정하는 개념도
도 2는기존의 음향수심측정기의 센서와 측정기록장치도
도 3은 본 발명의 수평유지장치를 구비한 수심측량 장치의 구성도
도 4는 본 발명의 수평유지장치를 구비한 수심측량 장치를 선수에 고정한 설치도
도 5는 본 발명의 수평유지장치와 선체에 GNSS 장치를 설치한 설치도 및 선체 상에 X, Y, Z축 및 축을 중심으로한 회전방향을 도시
도 6은 본 발명의 선체에 라이다 센서를 추가로 구비하여 선체 주변의 파도와 물결을 측정하는 도면
도 7은 본 발명의 수평유지장치를 구비한 수심측량 장치를 선체의 하부에 결합한 구성도
GNSS(Global Navigation Satellite System: 위성항법시스템)는 범 지구적인 측위정보 서비스 시스템으로 위성에서 발신한 전파를 이용하여 언제, 어디서 누구에게나 위치, 항로, 시간 정보를 제공하는 시스템이다. 대표적인 시스템이 GPS (Global Positioning System, 미국), 갈릴레오 위치결정시스템 (Galileo positioning system, 유럽), GLONASS (GLObal NAvigation Satellite System, 러시아), 베이더우(중국), NAVIC(인도), QZSS(일본) 등이 있다. 이 중에는 상용화된 것도 있고, 아직 개발 중인 시스템도 포함되어 있다.
상기의 여러 GNSS 시스템에 개발되기 전에는 측량 및 측심 등이 매우 어려웠다. 특히, 선박들이 다니는 해저의 지형을 측량하는 것은 지상에서 보다 몇십배는 더 어려운 상황이었다. 그러나 여러 GNSS 시스템을 사용하여 현재는 측량이 보다 편리해졌다. 그럼에도 불구하고, 해저 지형의 파악이나 수심을 측정하는 일은 쉽지않다. 기준이되는 기준점에 정확히 위치하는 것도 쉽지 않을 뿐만 아니라, 기준점에 위치한다하여도, 측정 지점에서 파도와 풍랑 등이 존재하여 정확한 측정이 불가능한 경우가 많이 있어왔다.
출원 발명은 상기와 같은 수심 및 해저 지형 측량에 있어서, 정확한 측정을 어렵게 만드는 파도와 풍량 등의 영향을 최소화하는 측정장치를 제공하고자 하는 것이다.
본 출원 발명의 작용효과를 도면을 활용하여 설명하면 다음과 같다.
도 1은 기존의 음향수심측정기를 이용하여 수심을 측정하는 개념도이다. 움직이지 않는 선박의 하부에 음향수심측정기(수심측정장치)를 고정하여 측정하는 도면이다. 그러나, 실제 상황에서는 파도와 풍랑에 의하여 선체가 전후 및 좌우로 흔들리고 있어 정확한 측정이 불가능하다.
도 2는 기존의 음향수심측정기의 센서와 측정기록장치를 도시하고 있다. 다양한 파장의 음파를 발생하고 돌아오는 시간을 측정하여 수심을 측정하는 장치이다. 측정된 수심을 지도에 그래프 형태로 표시함으로써 측정된 지역의 수심을 기록하며, 이전에 측정된 데어터가 있는 경우 이를 연결하여 해저 지도를 표시할 수도 있다.
도 3은 본 발명의 수평유지장치를 구비한 수심측량 장치의 구성도이다.선체의 전후 및 좌우 요동에도 항상 수평을 유지할 수 있도록 2축 방향에서 수평을 제어할 수 있도록 구성되어 있다. 수평제어는 엔코더가 부착된 서보모터 등이 사용될 수 있다.
도 4는 본 발명의 수평유지장치를 구비한 수심측량 장치를 선수에 고정한 설치도이다. 도1에 도시된 바와 같이 음향수심측정장치는 물에 담긴 상태에서 사용하여야 해수를 통하여 음향의 반사 없이 수심을 측정할 수 있다. 그러나, 상기 수평유지 장치가 전부 물속에 잠기는 경우 물과의 마찰에 의하여 빠른 수평유지가 되지 않을 수 있기 때문에 추가적인 높이 조절부를 더 구비하여 음향측정센서 또는 수심측정센서는 해수에 잠기고, 상기 수평유지장치는 수면밖에 있는 것이 바람직하다.
도 5는 본 발명의 수평유지장치와 선체에 GNSS 장치를 설치한 설치도 및 선체 상에 X, Y, Z축 및 축을 중심으로 회전방향을 도시하고 있다. 수심측정에 영향을 주는 축과 회전방향을 도시하고 있다. Z축 방향의 상하 운동은 수심의 깊이에 영향을 주며, Z 축을 중심으로한 회전은 수심측정 결과에 영향이 없다. 선체의 무게 중심을 기준으로 전후 방향의 움직임은 수심측정 센서의 측정 각도와 측정된 수심에 영향을 줄수 있으며, 좌우방향의 움직임은 수심측정 각도에 영향을 줄수 있다.
이러한 수심측정의 외부 영향을 제거하기 위하여 본 출원 발명에서는 상기 도3에 도시한 바와 같이 수심측정센서를 전후 및 좌우로 기울기를 조절할 수 있는 수평유지장치를 구비한다. 상기 수평유지장치는 선체와 결합고정되는 선체결합부 또는 선체하부에 결합될 수 있는 선체하부결합부를 구비하고, 상기 선체결합부 내측으로 외측회전부를 구비하며 상기 선체결합부와 상기 외측회전부는 외측회전부 구동축으로 연결된다. 상기 외측회전부 구동축은 엔코더가 구비된 서보모터와 연결되어 회전각도를 조절할 수 있다.
상기 외측회전부 내측에는 내측회전부가 구비되고, 상기 외측회전부와 상기 내측회전부는 내측회전부 구동축으로 연결된다. 상기 내측회전부 구동축은 엔코더가 구비된 서보모터와 연결되어 회전각도를 조절할 수 있다.
또한 측정위치와 각도 등의 보정을 위하여 상기 내측회전부 상단에는 GNSS 센서를 설치할 수 있으며, 본 출원 발명에서는 GPS 센서를 사용하였다. 상기 내측회전부 아래쪽에 수심측정센서가 고정된다. 또한, 선체에도 선상 GNSS를 설치하여 수심측정 결과를 보정할 수 있다.
추가적으로 가속도 센서 및 선체의 롤링과 피칭 및 요잉을 측정하여 지구중심방향을 계산하여 상기 내측회전부의 기울기를 계산할 수 있다.
상기 내측회전부는 내부에 공간의 구비하여 해수로부터 부력을 받을 수 있도록 함으로써 상기 수심측정센서는 해수에 잠기고 상기 수평유지장치는 해수면과 수평하거나 절반이 해수 밖으로 나올 수 있도록 한다. 이를 위하여 상기 선체결합부에 상하로 움직일 수 있는 유격을 둘 수 있다.
도 6은 본 발명의 선체에 라이다 센서를 추가로 구비하여 선체 주변의 파도와 물결을 측정하는 도면이다. 바다에는 파도가 대부분의 경우 존재하며, 이러한 파도에 의하여 선체가 상하, 좌우 및 회전하는 것은 당연하다. 측정 중에 이러한 선체의 움직임이 있는 경우에 수심 측정이 불가능하거나, 어려울 수 있다. 본 출원 발명은 이러한 문제를 해결하기 위하여 수평유지장치를 사용하고 있다. 그럼에도 불구하고 선체 주변의 파도와 풍랑이 빠르게 변화되는 경우에는 수평유지장치의 제어속도가 이러한 변화를 못따라 갈 수 있다. 이러한 문제를 해결하고자 선체의 중시부 상단에 라이다 센서를 더 구비하여 선체 주변의 파도의 변화를 측정하여 파도의 주기 및 변화를 측정할 수 있다면, 이를 상기 수평유지장치의 제어에 사용할 수 있다.
본 출원 발명은 상기 수평유지장치를 주변의 파도의 변환에 맞추어 제어하는 방법을 상기 라이다 센서를 이용하여 제공한다. 선체 주변의 수심 측정에 영향을 주는 파도의 크기와 주기를 측정하고 이를 이용하여 상기 수평유지장치의 제어에 사용하는 것이다.
도 7은 본 발명의 수평유지장치를 구비한 수심측량 장치를 선체의 하부에 결합한 구성도이다. 도1에 도시한 바와 같이 기존의 수심측량 센서는 선체 하부에 고정하여 사용하였기 때문에 파도에 의하여 선체가 흔들리는 경우 정확한 측정이 불가능하였다. 그러한 단점을 해결하고자 본 출원 발명은 선체의 하부에 수평유지장치를 고정하고 상기 수평유지장치에 수심측정센서를 설치하여 수심을 측정할 수 있도록 하였다.
상기 수심측정센서는 다수개의 송신부와 수신부를 구비하는 멀티빔 방식과 하나의 송신부와 수신부를 구비하는 싱글빔 방식을 사용할 수 있다. 이러한 방식은 물고기 해양 부유물 등에 의한 반사 신호도 측정되기 때문에 측정결과를 실시간 또는 후처리를 통하여 물고기 및 해양부유물에 의한 잘못된 측정인지를 확인하는 과정이 필요하다. 이를 위하여 동일한 지점에서 3회 이상의 측정을 반복하며, 주변의 측정결과와 신호의 크기 등을 비교하여 수심을 결정한다.
10 : 선체
100 : 수평유지장치
110 : 선체결합부, 선체하부결합부
111 : 외측회전부 구동축
120 : 외측회전부
121 : 내측회전부 구동축
130 : 내측회전부
200 : 음향수심측정기
210 : 음향수심측정센서
220 : 음향수심측정기록장치
300 : 라이다센서
400 : GNSS 센서, 선상GNSS, 선상보조GNSS

Claims (4)

  1. 수심을 측정하는 음향측심기; 및
    상기 음향측심기의 수평을 제어하기 위하여 상기 음향측심기를 전후좌우 회전가능하게 결합되는 수평유지부; 및
    상기 수평유지부를 해수면 위쪽에서 선체에 결합하는 선체결합부를 포함하여 구성되는 수평유지장치를 구비한 수심측량 장치에 있어서,
    상기 수평유지부는 선체의 전후방향과 평행하고, 선체의 폭방향과 평행하게 전후 및 좌우로 회전가능하게 2 중 구조의 회전부를 구비하며 내측회전부는 전후방향으로 외측회전부는 좌우방향으로 서보모터 또는 액추에이터에 의하여 제어된 각도만큼 회전하도록 제어부에서 제어하며, 상기 외측회전부를 지지하는 프레임은 상기 선체 결합부에 고정연결되며, 상기 제어부에서 전후 또는 좌우 회전각의 제어를 위하여 전후 및 좌우 수평센서를 상기 음향측심기에 구비하며;
    GNSS 센서는 상기 내측회전부에 수직하게 결합되어 항상 음향측심기와 수직하게 위치하며, 선상에 설치된 GNSS 센서와 상기 음향측심기 사이에서 발생하는 기하학적인 오차를 계산하여, 상기 전후 및 좌우 수평센서에 측정된 음향측심기의 기울기를 상기 내측회전부와 외측회전부에 연결된 액추에이터를 제어하여 상기 음향측심기를 수평으로 유지하는 것을 특징으로 하는 수평유지장치를 구비한 수심측량 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 선상에 설치된 선상GNSS 센서는 상기 음향측심기의 수평을 유지하는 수평유지부와 전후 또는 좌우 연장선과, 상기 선체의 전후축 또는 폭방향의 연장선과의 교차점에 설치하는 것을 특징으로 하는 수평유지장치를 구비한 수심측량 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 선상에 추가적인 선상보조GNSS 센서를 상기 선체의 전후축 ?? 폭방향에 추가로 설치하여 상기 선상에 설치된 3개의 GNSS 센서로 선체의 기울기를 측정하는 것을 특징으로 하는 수평유지장치를 구비한 수심측량 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 선상GNSS 센서의 측정값과 설치 높이 및 상기 전후 및 좌우 수평센서 값을 이용하여 상기 음향측심기에서 측정한 수심을 보정하는 것을 특징으로 하는 수평유지장치를 구비한 수심측량 장치.
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