경사계와 GNSS 나침반을 이용한 3성분 자력 탐사자료의 측지 좌표계로의 변환 방법 Conversion of 3-Component Magnetic Data into Geodetic Coordinate System by Using Clinometer and GNSS Compass원문보기
이 연구는 탐사 중 흔들리는 측정기기의 기울어짐을 2축 경사계와 GNSS 나침반으로 보정하는 방법에 관한 연구이다. 3성분 자력탐사와 같이 벡터로 측정하는 경우에는 관측 장비의 이동, 기울어짐, 요동 등에 따라 기울어진 관측 좌표계 위에서 측정된다. 이 측정값들을 측지 좌표계 위의 값으로 바꾸기 위해서는 측정면의 회전각이 필요하다. 이 논문에서는 2축 경사계로 얻은 두 방향의 경사각과 GNSS 나침반으로 얻은 방위각을 이용하여 관측 좌표면의 경사를 얻은 후, 이것을 회전 변환에 직접 쓰이는 성분각으로 변환할 수 있도록 유도하였다. 이 연구에서 개발한 2축 경사계와 GNSS 나침반을 이용하여 측지 좌표계로 변환하는 방법을 이용하여 실제로 배 위에서 측정한 3성분 자력 탐사 값을 측지 좌표계로 변환하였다.
이 연구는 탐사 중 흔들리는 측정기기의 기울어짐을 2축 경사계와 GNSS 나침반으로 보정하는 방법에 관한 연구이다. 3성분 자력탐사와 같이 벡터로 측정하는 경우에는 관측 장비의 이동, 기울어짐, 요동 등에 따라 기울어진 관측 좌표계 위에서 측정된다. 이 측정값들을 측지 좌표계 위의 값으로 바꾸기 위해서는 측정면의 회전각이 필요하다. 이 논문에서는 2축 경사계로 얻은 두 방향의 경사각과 GNSS 나침반으로 얻은 방위각을 이용하여 관측 좌표면의 경사를 얻은 후, 이것을 회전 변환에 직접 쓰이는 성분각으로 변환할 수 있도록 유도하였다. 이 연구에서 개발한 2축 경사계와 GNSS 나침반을 이용하여 측지 좌표계로 변환하는 방법을 이용하여 실제로 배 위에서 측정한 3성분 자력 탐사 값을 측지 좌표계로 변환하였다.
This study proposes a method to correct inclination of instrument during exploration with a biaxial clinometer and GNSS compass. In 3-component magnetometry, measured vectors are ordinarily described in randomly inclined observation coordinate system due to movement, vibration, and shaking of instru...
This study proposes a method to correct inclination of instrument during exploration with a biaxial clinometer and GNSS compass. In 3-component magnetometry, measured vectors are ordinarily described in randomly inclined observation coordinate system due to movement, vibration, and shaking of instrument. Therefore, rotation angles of observation plane are needed to transform it into geodetic coordinate system. In this study, we measured inclination angles of observation plane by using 2-axis clinometer and GNSS compass, and derived proper parameters for rotational transform from them. We applied the conversion method to on-board 3-component magnetometry, and then transformed raw data into proper values on geodetic coordinate system.
This study proposes a method to correct inclination of instrument during exploration with a biaxial clinometer and GNSS compass. In 3-component magnetometry, measured vectors are ordinarily described in randomly inclined observation coordinate system due to movement, vibration, and shaking of instrument. Therefore, rotation angles of observation plane are needed to transform it into geodetic coordinate system. In this study, we measured inclination angles of observation plane by using 2-axis clinometer and GNSS compass, and derived proper parameters for rotational transform from them. We applied the conversion method to on-board 3-component magnetometry, and then transformed raw data into proper values on geodetic coordinate system.
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문제 정의
하지만 이 연구에서 사용한 장비는 상대적으로 고가인 자이 로스코프를 대체하기 위하여 두 개의 GNSS (Global Navigation Satellite System) 나침반 세트로 이루어진 GNSS 측정 장비와 2축 경사계(biaxial clinometer)로 구성하였다. 따라서 이 연구의 목적은 GNSS 측정 자료로 얻어지는 센서의 방위각과 경사계로부터 얻어지는 경사각으로부터 임의의 방향으로 기울어진 좌표계의 회전 성분을 모두 얻어내어 일반적인 물리탐사에서 사용하는 측지 좌표계로 변환하는 것이다.
이 경우에 제 각각의 좌표계 속에서 측정된 자료들은 반드시 서로 비교할 수 있을 만한 공통 좌표계로 변환하는 과정이 필수적이다. 따라서 이 연구의 최종 목적은 매 측정마다 달라지는 측정 좌표계를 보편적으로 물리탐사에서 사용하는 북쪽을 X, 동쪽을 Y, 연직 아래를 Z로 둔 측지 좌표계로 변환하는 것이다.
제안 방법
보정 이전의 자료인 좌측과 보정을 거친 우측의 결과를 비교하면 관측 좌표계의 방향이나 기울기가 큰 폭으로 반영되었던 것이 제거되었음을 확인할 수 있다. 변환 후에도 나타나는 적은 폭의 기복은, 탐사 경로상 배가 동서방향으로 주기적으로 왕복했기 때문에 배 자체의 유도자기가 포함되어 측정된 결과로 보이는데, 본 연구에서는 계산하지 않았다. 동서로 규칙적으로 움직인 경로는 1번부터 약 5000번 자료까지인 것을 쉽게 확인할 수 있다.
하지만 매 측정마다 3축자력계가 놓인 자세에 따라 측정 좌표계 위에서의 지자기 성분값(벡터 자력값)이 측정된다는 문제가 있다. 이렇게 측정된 벡터 자력 값을 기준 값으로 변환하기 위해서는 3축 자력계의 자세에 해당하는 회전각을 측정해야 하므로 이를 위하여 2축경사계와 두 개의 GNSS 나침반을 같이 설치하였다.
이와 같은 조건으로 전남 완도군 청산면의 남쪽 근해상에서 자기 탐사를 수행하였다. 측정된 자력 벡터의 3개 성분이 Fig.
5에 나타나있다. 정확한 비교를 위해 축범위는 통일되었으며 성분 별로 나누어 표시하였다. 보정 이전의 자료인 좌측과 보정을 거친 우측의 결과를 비교하면 관측 좌표계의 방향이나 기울기가 큰 폭으로 반영되었던 것이 제거되었음을 확인할 수 있다.
하지만 이 연구에서 사용한 장비는 상대적으로 고가인 자이 로스코프를 대체하기 위하여 두 개의 GNSS (Global Navigation Satellite System) 나침반 세트로 이루어진 GNSS 측정 장비와 2축 경사계(biaxial clinometer)로 구성하였다. 따라서 이 연구의 목적은 GNSS 측정 자료로 얻어지는 센서의 방위각과 경사계로부터 얻어지는 경사각으로부터 임의의 방향으로 기울어진 좌표계의 회전 성분을 모두 얻어내어 일반적인 물리탐사에서 사용하는 측지 좌표계로 변환하는 것이다.
해상에서 3성분 자력 탐사를 수행하기 위하여 배에 3축 플럭스게이트 자력계(3-axis fluxgate sensor)를 설치하여 벡터 자력을 측정하였다. 3축 자력계는 정면이 X, 우측이 Y, 아래쪽이 Z로 직교하는 3개 성분을 nT 단위로 재도록 되어 있어 각 방향의 벡터 성분을 알기에 유리하다.
성능/효과
1) 3축 자력계, 2축 경사계, GNSS 나침반을 모두 같은 평면 위에 놓고 이들의 X축을 모두 일렬로 정렬한 시스템을 구성한 후, 자력 벡터의 성분 3개와 경사각 2개(α, β)와, 방위각 1개 (η)를 측정한다.
좌표 변환한 후 자력값은 작은 양의 편차를 가지는데 이는 주로 동서 방향으로 항해한 자료를 모은 것은 동서 방향으로 배의 방향이 바뀜에 따라 배가 가지고 있는 고유의 자력 이상값이 더해진 영향을 보여 준다. 배의 자력 효과를 고려하면 이 논문에서 고안한 좌표 변환 방법이 표준 자력값과 잘 일치하는 결과라는 것을 확인할수 있다.
이 연구에서 사용한 GNSS 나침반의 측정 오차 범위는 최대 ± 0.75°이며 (Hemisphere Inc), 해상 3성분 자력 탐사의 방위각을 측정하기에는 충분한 정확도를 가지고 있다.
물리탐사에서 이동하는 센서로 측정한 결과는 매 측정마다 센서의 자세가 변하므로 이를 공통적인 측지 좌표계로 변환하는 것이 중요하다. 이 연구에서는 GNSS 나침반으로 측정한 센서의 방위각과 2축 경사계로 측정한 경사각을 이용하여 3축 자력계에서 얻어진 벡터 자력값을 측지 좌표계에서의 자력값으로 변환할 수 있음을 보였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
지구물리 탐사는 어떠한 경우가 많은가?
지구물리 탐사는 측정하고자 하는 물성을 각 관측 지점별로 3차원 공간 좌표계에 표시하여 나타내는 경우가 많다. 특히 그 값이 벡터로 얻어지는 값이라면 매 측정마다 임의로 기울어진 측정 기기의 기울기 자체가 벡터 성분에 포함된다.
어떤 좌표계를 다른 좌표계로 변환한다는 것은 무엇을 의미하는가?
어떤 좌표계를 다른 좌표계로 변환한다는 것은 회전 변환을 연속적으로 수행한다는 것을 의미한다. 이때 회전하는 각도들은 각각 회전축에 수직인 평면 위에서의 각으로 정의되고 매측정마다 측정 센서의 자세에 해당하는 성분 각들을 구하는 것이 핵심적이다.
지구물리 탐사에서 얻어지는 값이 벡터라면 무엇이 포함되는가?
지구물리 탐사는 측정하고자 하는 물성을 각 관측 지점별로 3차원 공간 좌표계에 표시하여 나타내는 경우가 많다. 특히 그 값이 벡터로 얻어지는 값이라면 매 측정마다 임의로 기울어진 측정 기기의 기울기 자체가 벡터 성분에 포함된다. 비행기, 선박, 차량, 때로는 도보로 탐사하는 과정에서 탐사장비의 센서를 한결같이 고정된 자세로 유지하기란 불가능하며, 측정 기기는 매번 임의의 방향으로 기울어진 좌표계에서 벡터 성분을 측정하게 된다.
참고문헌 (7)
이건영, 권만오, 2000, 자이로 구동장치를 이용한 공중물체의 자세제어 및 안정화, 전기학회논문지, 49D-8-7, 459-466.
정학상, 최윤호, 박진배, 2010, 자이로 센서를 이용한 4족 보행 로봇의 자세 제어, 2010년도대한전기학회 하계학술대회 논문집, 대한전기학회, 2010년 7월 14-16일, 1836-1837.
Arfken, G., 1971, Mathematical Methods for Physicists, 2nd ed., Academic Press, Inc.
Lappas, V. J., Steyn, W. H., and Underwood, C. I., 2002, Attitude control for small satellite using control moment gyros. Acta Astronautica, 51, 101-111.
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