해상교통관제시스템(VTS)은 선박의 위치, 속도, 침로 등 해상 교통 정보를 획득하기 위하여 다수의 해상감시레이더를 주요 센서로 이용하고 있으며, 거리 및 방위각 바이어스와 같은 2차원 해상감시레이더의 시스템 오차는 레이더 영상 및 표적 추적정보의 정확도를 크게 저하시킬 수 있다. 따라서 해상교통관제시스템에서 정확한 표적정보를 제공하기 위하여 레이더의 시스템 오차는 정밀하게 보정되어야 한다. 본 논문에서는 VTS 관제영역에 설치된 항로표지의 위치정보를 이용하여 2차원 해상감시레이더의 거리 및 방위각 오차를 보정하기 위한 방법을 제안한다. 2차원 레이더 측정값의 표준오차 모델과 항로표지 위치정보로부터 측정 잔차 모델을 유도하고, 레이더 시스템 오차를 추정하기 위한 선형 칼만필터를 설계한다. Monte-Carlo 모의실험을 통하여 제안한 방법을 검증하고, 항로표지 정보의 개수에 따른 레이더 시스템 오차 추정의 수렴 특성 및 정확도를 분석한다.
해상교통관제시스템(VTS)은 선박의 위치, 속도, 침로 등 해상 교통 정보를 획득하기 위하여 다수의 해상감시레이더를 주요 센서로 이용하고 있으며, 거리 및 방위각 바이어스와 같은 2차원 해상감시레이더의 시스템 오차는 레이더 영상 및 표적 추적정보의 정확도를 크게 저하시킬 수 있다. 따라서 해상교통관제시스템에서 정확한 표적정보를 제공하기 위하여 레이더의 시스템 오차는 정밀하게 보정되어야 한다. 본 논문에서는 VTS 관제영역에 설치된 항로표지의 위치정보를 이용하여 2차원 해상감시레이더의 거리 및 방위각 오차를 보정하기 위한 방법을 제안한다. 2차원 레이더 측정값의 표준오차 모델과 항로표지 위치정보로부터 측정 잔차 모델을 유도하고, 레이더 시스템 오차를 추정하기 위한 선형 칼만필터를 설계한다. Monte-Carlo 모의실험을 통하여 제안한 방법을 검증하고, 항로표지 정보의 개수에 따른 레이더 시스템 오차 추정의 수렴 특성 및 정확도를 분석한다.
Vessel traffic system uses multiple sea surveillance radars as a primary sensor to obtain maritime traffic information like as ship's position, speed, course. The systematic errors such as the range bias and the azimuth bias of the two-dimensional radar system can significantly degrade the accuracy ...
Vessel traffic system uses multiple sea surveillance radars as a primary sensor to obtain maritime traffic information like as ship's position, speed, course. The systematic errors such as the range bias and the azimuth bias of the two-dimensional radar system can significantly degrade the accuracy of the radar image and target tracking information. Therefore, the systematic errors of the radar system should be corrected precisely in order to provide the accurate target information in the vessel traffic system. In this paper, it is proposed that the method compensates the range bias and the azimuth bias using AtoN information installed at VTS coverage. The radar measurement residual error model is derived from the standard error model of two-dimensional radar measurements and the position information of AtoN, and then the linear Kalman filter is designed for estimation of the systematic errors of the radar system. The proposed method is validated via Monte-Carlo runs. Also, the convergence characteristics of the designed filter and the accuracy of the systematic error estimates according to the number of AtoN information are analyzed.
Vessel traffic system uses multiple sea surveillance radars as a primary sensor to obtain maritime traffic information like as ship's position, speed, course. The systematic errors such as the range bias and the azimuth bias of the two-dimensional radar system can significantly degrade the accuracy of the radar image and target tracking information. Therefore, the systematic errors of the radar system should be corrected precisely in order to provide the accurate target information in the vessel traffic system. In this paper, it is proposed that the method compensates the range bias and the azimuth bias using AtoN information installed at VTS coverage. The radar measurement residual error model is derived from the standard error model of two-dimensional radar measurements and the position information of AtoN, and then the linear Kalman filter is designed for estimation of the systematic errors of the radar system. The proposed method is validated via Monte-Carlo runs. Also, the convergence characteristics of the designed filter and the accuracy of the systematic error estimates according to the number of AtoN information are analyzed.
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문제 정의
본 논문에서는 해상교통관제시스템에서 AIS로부터 수신된 선박의 위치정보를 이용하는 경우의 단점을 해결하기 위하여 항만에 설치된 방파제 등대, 등표 또는 입표와 같은 고정된 다수의 항로표지 정보를 이용하여 레이더의 시스템 오차를 보정하기 위한 방법을 제안한다. 고정된 항로표지를 이용할 경우, 레이더 추적정보의 시각동기가 필요하지 않으며, DGPS에 의하여 기 측정된 항로표지의 위치정보를 사용할 수 있다.
본 논문에서는 2차원 해상감시레이더의 거리 및 방위각 바이어스를 보정하기 위하여 항만에 설치된 고정된 항로표지 위치정보를 이용하기 위한 방법에 대하여 제안하였다. 본 논문에서 제안한 방법은 AIS로부터 수집된 선박의 위치정보를 이용하는 방법에 비하여 시각동기를 필요로 하지 않으며, AIS와 레이더의 측정지점의 차이로 인한 문제가 발생하지 않는다.
가설 설정
2차원 레이더는 해상 환경으로부터 반사된 신호를 처리하여 선박과 같은 물표의 거리 및 방위각을 측정하는 센서이다. 레이더의 측정값 모델로는 1차 또는 2차 오차모델이 사용되고 있으며, 거리와 방위각 측정오차는 서로 독립이라고 가정된다.
본 논문에서는 EUROCONTROL(1997) 표준에 정의된 레이더 표준 오차모델을 이용하여 거리 측정오차는 2차 오차모델로, 방위각 측정오차는 1차 오차모델로 가정하여 사용하며, 다음과 같이 나타낼 수 있다.
제안 방법
본 장에서는 2차원 해상감시레이더의 시스템 오차 즉, 거리 바이어스, 방위각 바이어스를 추정하기 위하여 칼만필터를 이용한 시스템 오차 추정기를 설계한다.
본 논문에서 제안한 다수의 항로표지를 이용한 레이더 시스템 오차 추정 방법의 검증 및 성능 분석을 위하여 부산 VTS센터의 조도에 설치된 레이더의 운용 환경을 기준으로 모의실험을 수행하였다. 또한, 항로표지의 개수에 따른 거리 및 방위각 바이어스의 추정 정확도와 수렴 특성을 비교하기 위하여 항로표지 1개, 2개, 4개를 이용하는 경우로 각각 구분하여 100 스캔에 대하여 총 100회의 Monte-Carlo 모의실험을 수행하였다.
본 논문에서 제안한 다수의 항로표지를 이용한 레이더 시스템 오차 추정 방법의 검증 및 성능 분석을 위하여 부산 VTS센터의 조도에 설치된 레이더의 운용 환경을 기준으로 모의실험을 수행하였다. 또한, 항로표지의 개수에 따른 거리 및 방위각 바이어스의 추정 정확도와 수렴 특성을 비교하기 위하여 항로표지 1개, 2개, 4개를 이용하는 경우로 각각 구분하여 100 스캔에 대하여 총 100회의 Monte-Carlo 모의실험을 수행하였다.
본 논문에서는 2차원 해상감시레이더의 거리 및 방위각 바이어스를 보정하기 위하여 항만에 설치된 고정된 항로표지 위치정보를 이용하기 위한 방법에 대하여 제안하였다. 본 논문에서 제안한 방법은 AIS로부터 수집된 선박의 위치정보를 이용하는 방법에 비하여 시각동기를 필요로 하지 않으며, AIS와 레이더의 측정지점의 차이로 인한 문제가 발생하지 않는다. 또한, 측량과 같은 방법을 통하여 얻어진 정밀한 다수의 고정된 항로표지 위치정보를 이용함으로써, 레이더 시스템 오차의 정확도를 개선할 수 있으며, 단일 측정값을 사용할 때 발생하는 가관측성 문제를 해결할 수 있다.
성능/효과
그림에서 점선으로 나타낸 One AtoN은 항로표지4의 측정값을 이용한 것이고, 실선으로 나타낸 Two AtoN은 항로표지1과 항료표지4의 측정값을 이용한 것이며, 일점쇄선으로 나타낸 것은 4개의 항로표지 측정값을 이용하여 레이더 시스템 오차를 추정한 결과이다. 그림에서 보듯이 단일 항로표지의 정보를 이용하는 방법에 비하여 2개 이상을 이용하는 것이 거리 바이어스 추정 정확도를 현저히 개선할 수 있음을 보인다. 이것은 단일 항로표지 정보를 이용하는 경우, 거리 측정값만을 이용하여 거리 바이어스와 거리 이득 오차를 추정하여야 하므로 가관측성이 확보되지 않아 칼만필터의 초기값 및 초기 측정값에 영향을 크게 받기 때문이다.
본 논문에서 제안한 방법은 AIS로부터 수집된 선박의 위치정보를 이용하는 방법에 비하여 시각동기를 필요로 하지 않으며, AIS와 레이더의 측정지점의 차이로 인한 문제가 발생하지 않는다. 또한, 측량과 같은 방법을 통하여 얻어진 정밀한 다수의 고정된 항로표지 위치정보를 이용함으로써, 레이더 시스템 오차의 정확도를 개선할 수 있으며, 단일 측정값을 사용할 때 발생하는 가관측성 문제를 해결할 수 있다. 모의실험 결과를 통하여 제안한 방법이 2차원 해상감시레이더의 거리 바이어스, 거리 이득 오차 및 방위각 바이어스를 정밀하게 추정함을 보였다.
또한, 측량과 같은 방법을 통하여 얻어진 정밀한 다수의 고정된 항로표지 위치정보를 이용함으로써, 레이더 시스템 오차의 정확도를 개선할 수 있으며, 단일 측정값을 사용할 때 발생하는 가관측성 문제를 해결할 수 있다. 모의실험 결과를 통하여 제안한 방법이 2차원 해상감시레이더의 거리 바이어스, 거리 이득 오차 및 방위각 바이어스를 정밀하게 추정함을 보였다. 그러므로 제안한 방법을 통하여 레이더의 시스템 오차를 정확하게 보정함으로써, 레이더를 해상 교통정보를 수집하기 위한 주요 센서로 사용하는 해상교통관제시스템에서 레이더 영상과 선박 추적 정보의 정확도를 개선할 수 있을 것으로 기대된다.
후속연구
모의실험 결과를 통하여 제안한 방법이 2차원 해상감시레이더의 거리 바이어스, 거리 이득 오차 및 방위각 바이어스를 정밀하게 추정함을 보였다. 그러므로 제안한 방법을 통하여 레이더의 시스템 오차를 정확하게 보정함으로써, 레이더를 해상 교통정보를 수집하기 위한 주요 센서로 사용하는 해상교통관제시스템에서 레이더 영상과 선박 추적 정보의 정확도를 개선할 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
좌표변환은 어떻게 이루어지는가?
좌표변환은 위경도 좌표계에서의 레이더 및 항로표지 위치정보를 지구중심 고정좌표계(ECEF, Earth Centered Earth Fixed)로 변환한 후, 다시 동북상(ENU, East-North-Up) 좌표계와 같은 지역 좌표계로의 변환을 수행한다. 위경도 좌표계에서 ECEF좌표계로 변환하는 과정은 다음과 같이 나타낼 수 있다(Kaplan, 1996).
해상교통관제시스템가 획득하는 AIS 정적정보에는 어떤 것들이 있는가?
해상교통관제시스템은 관제 지역의 영상 및 선박의 위치, 속도, 침로 등의 항행 정보를 얻기 위하여 다수의 2차원 해상감시레이더를 주요 센서로 사용하며, 자동선박식별시스템(AIS, Automatic Identification System)로부터 획득되는 선박의 위치, 속도 및 침로 등의 동적정보와 융합하여 정밀한 선박의 위치 및 속도 정보를 제공한다. 또한, 선박식별번호(MMSI), 선박명, 선종 등의 AIS 정적정보를 획득하고, 이를 바탕으로 선박의 항적 감시 및 안전한 항로로의 유도 등 다양한 서비스를 제공하고 있다.
참고문헌 (4)
Jonsdottir I. and Hauksdottir A. S.(1995), "Integrity Monitoring and Estimation of Systematic Errors in Radar Data Systems," IEEE International Radar Conference, pp. 310-316.
Besada Portas J. A. et al.(2002), "Radar bias correction based on GPS measurements for ATC applications," IEE Proceedings on Radar, Sonar and Navigation, Vol. 149, No. 3, pp. 137-144.
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