[논문]A Study on Dynamic Safety Navigation Envelopes Considering a Ship's Position Uncertainty

Pyo-Woong Son; Youngki Kim; Tae Hyun Fang; Kiyeol Seo

doi:10.11003/jpnt.2023.12.3.289

A Study on Dynamic Safety Navigation Envelopes Considering a Ship's Position Uncertainty 원문보기

Journal of Positioning, Navigation, and Timing, v.12 no.3, 2023년, pp.289 - 294

Pyo-Woong Son (Ocean and Maritime Digital Technology Research Division, Korea Research Institute of Ships & Ocean Engineering) , Youngki Kim (Ocean and Maritime Digital Technology Research Division, Korea Research Institute of Ships & Ocean Engineering) , Tae Hyun Fang (Ocean and Maritime Digital Technology Research Division, Korea Research Institute of Ships & Ocean Engineering) , Kiyeol Seo (Ocean and Maritime Digital Technology Research Division, Korea Research Institute of Ships & Ocean Engineering)

Abstract ▼ AI-Helper

As technologies such as cameras, Laser Imaging, Detection, and Ranging (LiDAR), and Global Navigation Satellite Systems (GNSS) become more sophisticated and common, their use in autonomous driving technologies is being explored in various fields. In the maritime area, technologies related to collision avoidance between ships are being developed to evaluate and avoid the risk of collision between ships by setting various scenarios. However, the position of each vessel used in the process of developing collision avoidance technology between vessels uses data obtained through GNSS, and may include a position error of 10 m or more depending on the situation. In this paper, a study on the dynamic safety navigation range including the positional inaccuracy of the ship is conducted. By combining the concept of the protection level obtained using GNSS raw data with a conventional safe navigation range, a safer navigation range can be calculated for dynamic navigation. The calculated range is verified using data obtained while sailing in an actual sea environment.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. Proposed MVPA in the IMO NCSR 4/INF.16/Rev.1. The black line on the right figure represents the contour of the vessel. The red circles indicate the positions generated by the Horizontal Protection Level (HPL) from the GNSS receiver. The MVPA (blue) is formed by connecting the outermost dots of all the red circles.
그림 Fig. 2. Concept of DSNE based on the R_long, R_trans, and heading.
그림 Fig. 3. Antenna installation at the bridge of Jangmok 2-ho for the experiment.
그림 Fig. 4. HPL results using the measurement from PwrPak7 during the experiment time.
그림 Fig. 6. Speed over ground results during the experiment time.
그림 Fig. 5. HPL results using the measurement from Pixel5 during the experiment time.
그림 Fig. 7. Heading results during the experiment time.
그림 Fig. 8. Visualization of DSNE in electronic nautical chart.

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 연구는 절대 위치정보의 불확실성을 고려한 선박의 동적 안전항해 범위 (Dynamic Safety Navigation Envelope, DSNE) 도출 방안을 제안한다. 이를 위해 선박의 고유 제원인 길이, 너비와 함께 동적 정보인 선속, 유속, 선수 방향 등을 고려하여 충돌 위험성이 있는 범위를 확률적으로 표현한다.

제안 방법

2022년 10월 27일 오전 9시부터 오후 2시 30분까지, 한국해양과학기술원에서 운항하는 장목2호를 활용하여 동적 안전항해 범위 생성을 위한 실험을 수행하였다. 실험은 거제시의 장목항에서 출발하여 부산광역시 남항대교 인근을 왕복하는 구간에서 이루어졌고, 장목2호는 길이가 24 m이고 선폭이 4.
이를 위해 선박의 고유 제원인 길이, 너비와 함께 동적 정보인 선속, 유속, 선수 방향 등을 고려하여 충돌 위험성이 있는 범위를 확률적으로 표현한다. 또한, 제안한 방안의 유효성을 확인하기 위해 실제 선박을 활용하여 항해 실험을 수행하고, 해당 결과를 해상 지도에 표현한다. 이 과정에서 GNSS 수신기의 사양에 따라 절대 위치정보의 불확실성의 크기가 변동될 수 있음을 확인한다.
본 논문에서는 선박의 전장, 선폭, 선속, 선수방향, HPL, 유속 등과 같은 선박의 동적 환경변수를 고려한 동적 안전항해 범위를 도출할 수 있는 방안을 제시하고 실제 해상실험을 통해 얻어진 데이터를 이용해 동적 안전항해 범위를 구현하였다. 한국해양과학기술원의 장목2호에 두 가지 GNSS 수신기를 설치하여 수신한 데이터를 이용해 HPL, 선속, 선수방향 정보를 계산하였고, 국립해양조사원에서 제공하는 서비스를 이용해 유속 정보를 사용할 수 있었다.
8과 같다. 본 연구에서의 결과물을 일반 사용자가 활용할 수 있는 가능성을 모색해보고자 안드로이드 스마트기기 상에서 실시간으로 데이터를 수집하고 처리하여 표출하는 프로그램을 개발하였고 이를 활용하여 나타낸 것이다. 얇고 긴 모양의 검정색 심볼이 선박을 나타내고 파란색 경계와 면으로 이루어진 것이 동적 안전항해 범위이다.
6과 7에서는 각각 실험하는 동안 선박의 속도와 선수방향 측정치를 나타낸다. 이는 PwrPak7가 제공하는 절대 위치 정보와 Pixel5가 제공하는 관성 센서의 정보를 약결합 기반의 칼만 필터를 사용하여 추정하였다.
본 연구는 절대 위치정보의 불확실성을 고려한 선박의 동적 안전항해 범위 (Dynamic Safety Navigation Envelope, DSNE) 도출 방안을 제안한다. 이를 위해 선박의 고유 제원인 길이, 너비와 함께 동적 정보인 선속, 유속, 선수 방향 등을 고려하여 충돌 위험성이 있는 범위를 확률적으로 표현한다. 또한, 제안한 방안의 유효성을 확인하기 위해 실제 선박을 활용하여 항해 실험을 수행하고, 해당 결과를 해상 지도에 표현한다.

대상 데이터

마지막으로 유속 정보는 국립해양조사원에서 제공하는 바다누리 해양정보서비스를 활용하였다. 바다누리 해양정보서비스는 우리나라의 해양관측소, 해양관측부이, 해양과학기지 등 다양한 관측시설을 통해 얻어진 정보를 국민에게 공개하고 있고, 본 실험에서는 부산항에 설치된 해양관측부이로부터 측정된 1시간 간격의 유속정보를 활용하였다.
마지막으로 유속 정보는 국립해양조사원에서 제공하는 바다누리 해양정보서비스를 활용하였다. 바다누리 해양정보서비스는 우리나라의 해양관측소, 해양관측부이, 해양과학기지 등 다양한 관측시설을 통해 얻어진 정보를 국민에게 공개하고 있고, 본 실험에서는 부산항에 설치된 해양관측부이로부터 측정된 1시간 간격의 유속정보를 활용하였다.
2022년 10월 27일 오전 9시부터 오후 2시 30분까지, 한국해양과학기술원에서 운항하는 장목2호를 활용하여 동적 안전항해 범위 생성을 위한 실험을 수행하였다. 실험은 거제시의 장목항에서 출발하여 부산광역시 남항대교 인근을 왕복하는 구간에서 이루어졌고, 장목2호는 길이가 24 m이고 선폭이 4.8 m인 선박으로, 최대 16노트의 속도를 낼 수 있다. 실험에서는 GNSS 신호 수신기인 Novatel 사의 PwrPak7과 Google 사의 Pixel5를 사용하여 절대 위치정보의 불확실성을 도출하기 위해 Fig.

성능/효과

한국해양과학기술원의 장목2호에 두 가지 GNSS 수신기를 설치하여 수신한 데이터를 이용해 HPL, 선속, 선수방향 정보를 계산하였고, 국립해양조사원에서 제공하는 서비스를 이용해 유속 정보를 사용할 수 있었다. 최종적으로 제안한 동적 안전항해 범위를 실제 전자해도 상에 구현함으로써 항해자가 안전하게 항해하는데 활용할 수 있도록 시각화 하였고, 본 연구 결과물이 실제 현장에서 적용될 수 있는 가능성을 확인하였다.
본 논문에서는 선박의 전장, 선폭, 선속, 선수방향, HPL, 유속 등과 같은 선박의 동적 환경변수를 고려한 동적 안전항해 범위를 도출할 수 있는 방안을 제시하고 실제 해상실험을 통해 얻어진 데이터를 이용해 동적 안전항해 범위를 구현하였다. 한국해양과학기술원의 장목2호에 두 가지 GNSS 수신기를 설치하여 수신한 데이터를 이용해 HPL, 선속, 선수방향 정보를 계산하였고, 국립해양조사원에서 제공하는 서비스를 이용해 유속 정보를 사용할 수 있었다. 최종적으로 제안한 동적 안전항해 범위를 실제 전자해도 상에 구현함으로써 항해자가 안전하게 항해하는데 활용할 수 있도록 시각화 하였고, 본 연구 결과물이 실제 현장에서 적용될 수 있는 가능성을 확인하였다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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