KR20170102992A

KR20170102992A - 선박 보조 도킹 방법과 시스템

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Publication number: KR20170102992A
Application number: KR1020177022392A
Authority: KR
Inventors: 시 주; 유안유안 리; 펑 얀; 샹 리; 쉰 차오; 웨이송 판; 지안웬 딩; 지빈 왕; 준 왕; 첸 첸; 다펑 리; 웨이 리; 웬추 왕
Original assignee: 난징 유니버시티 파이브디 테크놀로지 컴퍼니 리미티드
Priority date: 2015-01-15
Filing date: 2015-09-21
Publication date: 2017-09-12
Anticipated expiration: 2035-09-21
Also published as: CN105842724B; WO2016112708A1; CN105842724A; JP6516111B2; KR102049371B1; JP2018503915A; DE112015005971T5; US10424205B2; US20180012498A1

Abstract

본 발명은 솔라 블라인드 자외 영상법(ultraviolet image method)을 이용하여 정박 위치에 대한 선박의 정보를 확정하는 동시에 GPS법을 이용하여 적어도 2개의 GPS 수신기를 이용하여, 정박 위치에 대한 선박의 자세각(attitude angle)을 확인함으로써 선박이 가시성이 매우 낮은 경우에 물가에 다가갈 때 안전히 정박되도록 확보할 수 있는 것을 특징으로 하는 선박 보조 도킹(docking) 방법 및 시스템을 제공한다. 추가적으로 본 발명의 방법과 장치에서 위치 고정 정밀도를 높이기 위하여, 바람직하게는 표준화 자기상관 알고리즘(Normalized autocorrelation algorithm)과, 데이터 융합 알고리즘을 사용하여 솔라 블라인드 자외 영상화 모듈과, GPS 신호 수신 모듈에 의해 수신된 좌표 데이터 및 각도 데이터에 대해 통합 처리할 수 있다. 본 발명의 선박 보조 도킹 방법 및 시스템을 인용함으로써 기존 기술 중의 선박이 안개 날씨에 정박함에 있어서 어렵고 기존 기술 중의 선박 정박 안내 장치가 날씨 환경 등에 의한 영향이 큰 문제점을 현저히 해결할 수 있다.

Description

선박 보조 도킹 방법과 시스템

본 발명은 선박 안전 항행의 방법과 장치에 관한 것으로서 구체적으로는 선박이 도킹하는 과정에서 선박과 해안선(shoreline)의 거리 및 선박의 자세를 정확히 감시하는 방법과 장치에 관한 것이다.

선박의 안전 도킹은 수상 운수 분야에서 계속 중점적으로 연구해 온 난제이다. 선박이 항구 및 부두에서 도킹하는 과정 중에서 도킹 속도와 거리를 엄격히 제어해야 하는 동시에 선박의 자세도 참고해야 한다. 도선사는 반드시 그가 처해 있는 수역의 지리 특점, 항로, 물 깊이, 물 세기, 항로 표지 설치 및 현지의 규장제도에 대해 분명하게 파악해야 하며 부두에 닿거나 부두를 떠나는 비교적 어려운 조작 기술을 구비해야 한다. 따라서 도선사의 작업 강도가 매우 클 뿐만 아니라 여러가지 안전 위험을 부담해야 한다.

수상 운수 분야에서 악렬한 날씨, 특히는 안개 날씨는 수상 운수 항로의 원활한 소통에 영향을 준다. 해상사고 통계에 따르면 대부분의 해상 사고는 야간 및 가시도가 불량할 때 발생되며 그 중에서 가시도가 불량한 상황에서 발생한 해상 사고는 또한 대부분을 차지하며 안개는 가시도 불량을 초래하는 중요한 원인 중의 하나이다. 선박이 안개날씨에 항행할 때 각종 불확정 요인(예를 들면 선박의 동태, 항해사의 주관 의도 등)이 존재하므로 도선사는 틀린 결정을 짓게 되어 해난 사고의 발생을 초래하게 된다. 현재 선박 보조 항행의 주요한 설비는 레이더 내비게이션 시스템과 자동 식별 시스템이다.

선박의 인항에 있어서 안개 날씨에 도선사의 육안 관찰 효과에 엄중한 영향을 일으키게 되어 도선사가 선박이 부두 정박 위치에 대한 자세를 판단할 수 없어 선박의 안전한 정박을 지휘할 수 없게 된다. 상이한 항구 및 항로의 수문 조건이 서로 다르지만 통상 가시도가 1해리보다 작을 때 선박은 속도를 낮추어 항행해야 하며 가시도가 1000m보다 작을 때 대형의 선박은 일반적으로 항행을 멈추게 된다. 안개 날씨에 가시도가 비교적 낮으므로 대형 선박이 교각에 부딪혀 훼손되는 엄중한 사고가 빈번히 발생하는 동시에 선박이 제방을 지나갈 때에도 안개 날씨의 영향을 받게 되어 안개 날씨에 제방을 통과하는 것을 정지해야 한다. 따라서 안개 날씨에 선박 항행의 안전에 영향 줄 뿐만 아니라 수상 운수 항로와 항구 물품의 원활한 유통에 영향을 준다.

현재 선박이 항행하여 도킹할 때 모두 일부분의 무선 전기 인항 시시템, 예를 들면 레이더를 참고한다. 하지만 레이더 시스템은 작업할 때 기후, 지형, 외부 지장 등 외계 요인의 영향을 받기 쉬우며 통상 레이더는 선박의 비교적 높은 위치에 설치되어 있으므로 선박으로부터 거리가 비교적 먼 곳의 상황을 탐측할 수는 있으나 거리가 비교적 가까운 곳의 상황을 탐측해 내기 어렵다. 따라서 선박의 인항 도킹 과정에서 레이더 시스템은 매우 큰 제한성이 있다. 현재 통상적으로 도선사의 육안의 파악 및 판단에 의해 선박의 도킹 방안을 확정한다. 잠재되어 있는 안전 사고의 발생을 회피하기 위하여 사람들은 악렬한 날씨에 부득불 선박의 정지 항행 조치를 취해야 한다.

현재 거대한 화물 운수량 및 여객들의 유동량의 실제 수요를 고려하여 항해 분야 중의 레이더 내비게이션 시스템, 자동 식별 시스템(AIS) 등과 같은 악렬한 날씨 조건에서의 보조 항행 설비를 연구 개발해 냈다. 이러한 보조 항행 설비는 일정한 정도에서 도선사가 악렬한 날씨 조건에서의 운전을 보조할 수 있으나 기술, 비용, 정밀도, 장소 등 다방면의 영향을 받으므로 여전히 많은 부족점이 존재한다.

상기 기존기술 중의 레이더 내비게이션 시스템과 자동 식별 시스템(AIS)은 모두 무선 전기 통신류 보조 항행 시스템이다. 여기서 선박용 레이더 내비게이션 시스템은 선박 항행 보조에 통상적으로 사용되는 수단으로서 위치 고정 내비게이션 및 부딪침의 회피에서 작용을 일으키고 있으나 그 자신도 불가피한 단점이 있다. 예를 들면 기상 조건이 악렬할 때(예를 들면 비, 눈, 바람 등 날씨), 레이더 내비게이션 시스템은 풍랑과 눈비의 지장을 받아 잡전파를 발생하게 되며 같은 주파수 또는 주파수가 가까운 레이더는 거리가 가까울 때에도 같은 주파수의 레이더 간섭 잡음파를 발생하게 된다. 또한, 레이더는 통상 30-50m의 고정 시각 지역이 있으므로 선박 상의 돛대 등의 영향을 받아 부채형의 음영구역이 발생하게 되며, 복잡한 상황의 영향을 받아 레이더는 각종 가짜 에코를 발생하게 되며 예를 들면 다수의 스캔 가짜 에커, 이차 스캔 가짜 에커, 간접 반사 가짜 에커 및 사이드 에커 등 가짜 에커가 있다. 상기의 모든 간섭 잡음파와 가짜 에커는 실제적으로 사용할 때 조작인원이 분별하기 어렵게 하거나 또는 관측에 영향을 주게 되어 항행 안전에 대해 틀린 유도를 발생한다.

선박 자동 식별 시스템(AIS)은 위성 위치 고정에 따른 설비로서 통상의 정밀도는 5~30m이다. 고정 시각 지역이 존재하지 않으므로 그의 위치 고정 정밀도는 레이더보다 높으며 목표 거리와 방위 변화에 따라 변화되지 않고 해안 기지국 시설과 선박 탑재 설비가 공동으로 구성되며 인터넷 기술, 현대 통신 기술, 컴퓨터 기술, 전자 정보 표시기술이 일체적으로 집합된 신형의 디지털 항행 보조 시스템과 설비이다. AIS는 본질상 방송 중계(broadcast repeater) 시스템으로서 해상 이동 통신 채널VHF에서 작업하며 선박 명칭, 무선호출부호, 해상 이동 식별코드, 위치, 항행 방향, 항행 속도 등의 선박 정보를 자동적으로 기타의 선박 또는 해안에 발송할 수 있어 빠른 속도의 갱신율로 다중 통신을 처리할 수 있고 자기제어분할 다중 액세스(time division multiple access) 기술을 사용하여 통신의 고밀도율을 충족시켜 선박 대비 선박 및 선박 대비 해안 조작의 신뢰성과 실시적 성능을 확보하였다. 하지만 AIS에도 다수의 제한성이 있다. 우선 레이더 내비게이션 시스템과 마찬가지로 그가 제공한 정보는 다 진짜의 시각 화상이 아니기에 안개날씨에 도킹 내비게이션에 있어서 실질적인 도움을 줄 수 없고 도선사가 주위의 환경을 볼 수 없기에 선박은 여전히 핍박에 의해 항행을 정지해야 하며 또한, 그 설비 정밀도가 5-30m이기 때문에 혹시 부딪침을 방지하는 수요를 만족할 수는 있으나 근거리 도킹에 있어서 5m의 정밀도 오차는 대형 선박이 도킹의 관건적 시각에만 부두 또는 정박되어 있는 선박과의 엄중한 부딪침 사고를 초래하게 된다.

상기 내용을 종합하면 기존기술 중의 선박용 레이더 네비게이션 시스템과 선박 탑재용 AIS 두 부류의 보조 항행 의기는 낮은 가시도 대기 조건에서 근거리 네비게이션을 진행할 때 여전히 선박의 안전한 도킹을 만족할 수 없다.

근년래 기존기술 중에서 솔라 블라인드 자외 인항 도킹 시스템이 발전되어 왔다. 200~280 주파대의 솔라 블라인드 자외 현상을 이용하여 물가에 솔라 블라인드 자외광원 램프 그룹을 설치하고 인항 및 도킹해야 할 선박에 솔라 블라인드 자외광 탐측기를 설치한다. 상기 탐측기에 의해 수신된 솔라 블라인드 자외광 신호에 근거하여 최종적으로 부두에 대한 상기 선박의 위치를 획득함으로써 안전적인 도킹에 유리하도록 한다. 예를 들면 출원번호 2012105507102인 “솔라 블라인드 자외광신호에 따른 네비게이션 도킹 시스템”의 중국 특허 출원은 솔라 블라인드 자외광 보조 도킹 시스템을 개시하였다. 상기 시스템은 솔라 블라인드 자외광원 시스템, 3축 전자 나침반과 광학 영상화 모듈과 정보 처리 단말기를 포함한다. 3축 전자 나침반과 광학 영상화 모듈이 연결되어 상기 광학 영상화 모듈이 회전할 때의 각 각도 정보를 획득하며; 광학 영상화모듈은 분광기, 가시광 또는 적외광 이미징 밴드 및 솔라 블라인드 자외광 이미징 밴드를 포함하고 그의 가시광 또는 적외광 이미징 밴드는 가시광 신호를 수신하며 가시광 또는 적외광 동영상 신호를 출력하며 그의 솔라 블라인드 자외광 이미징 밴드는 솔라 블라인드 자외광 신호를 수신하고 솔라 블라인드 자외광 동영상 신호를 출력하며; 상기 정보 처리 단말기는 2밴드의 동영상 디지털 신호에 근거하여 선박의 항행 자세 데이터를 계산하고 합성 동영상을 표시 시스템까지 출력하는데 사용된다. 해당 특허 출원에서 3축 전자 나침반과 광학 영상화 모듈의 연결을 통하여 상기 광학 영상화 모듈의 회전시의 각 각도의 정보를 획득함으로써 최종적으로 해안선에 대한 선박의 각도 정보를 획득한다. 하지만 해당 시스템에도 단점이 있다. 예를 들면 3축 전자 나침반을 사용할 경우 때로는 거대한 자기장의 간섭을 받게 되어 획득한 데이터에 오차가 나타나 선체가 해안선에 도킹하는 비교적 정확한 거리를 획득하기 어려워 도킹함에 있어서 여전히 곤란하게 된다.

따라서 현재의 기존기술은 선박의 안개날씨에서의 정확한 위치 고정 및 도킹 네비게이션의 편리하고 정확하며 안전적인 확보를 실현할 수 없다.

상기 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 선박의 도킹 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 선박의 도킹 방법은 솔라 블라인드 자외광 탐측 기술과 GPS 위치 고정 기술을 연합사용함으로써 해안선과 정박 위치에 대한 선박의 자세와 상대적 거리 데이터를 획득하여 선박의 안전한 정박을 확보할 수 있다.

본 발명의 기술방안은 다음과 같다.

선박에 하나의 솔라 블라인드 자외 영상화 모듈과 데이터 처리 모듈을 설치하고, 솔라 블라인드 자외 영상화 모듈은 수신한 물가에 기설정된 솔라 블라인드 자외 광원 어레이가 발송한 솔라 블라인드 자외광 신호에 의해 상기 선박과 관련되는 정박 위치와의 위치 관계 정보를 측정하는 것을 포함하는 선박 보조 도킹 방법에 있어서,

1) 관련되는 위성으로부터 상기 선박의 위치 신호를 수신하는데 사용하기 위한 적어도 2개의 GPS 신호 수신 모듈을 설치하고 그 중의 적어도 하나의 GPS 신호 수신 모듈은 상기 선박에 설치되며;

2) 상기 데이터 처리 모듈은 신호 수신 소자를 포함하고, 유선 및/ 또는 무선의 방식으로 상기 솔라 블라인드 자외 영상화 모듈 및 상기 GPS 신호 수신 모듈과 매칭할 수 있으며 상기 솔라 블라인드 자외 영상화 모듈과 상기 GPS 신호 수신 모듈로부터 선박 위치와 관련되는 데이터를 수신하여 상기 선박 기준점의 좌표치를 계산해 내고 상기 솔라 블라인드 자외 영상화 모듈과 상기 선박에 장착한 GPS 신호 수신 모듈의 위치 데이터에 근거하여 정박 위치 해안선에 대한 상기 선박의 자세각을 확정하는 단계를 포함한다.

여기서 정박 위치 해안선에 대한 선박의 자세는 모두 선박 상의 몇개의 기준점의 위치 좌표로 표시될 수 있다. 또한 하나의 기준점의 좌표에 상기 선박의 적어도 하나의 자세각(attitude angle)을 더하여 표시될 수도 있다. 상기 자세각으로서 예를 들면 침로각(course angle), 피치각(angle of pitch) 및 롤 각 등의 선박 자세를 대표하는 다수의 각도 중의 적어도 하나의 각도이다. 본 발명에서 말하는 GPS방법과 시스템은 기술상에서 GNSS 시스템(Global Navigation Satellite System) 및 유사한 시스템을 포함하며 지구를 에워싸고 회전하는 지구 동주기 위성을 사용하여 지면의 목표 위치 확정을 진행하는 기술을 가리킨다. 이러한 기술로서 예를 들면 미국의 GPS, 중국의 북두 시스템, 구라파의 갈릴레어 시스템, 로시야의 GLONASS 시스템 등을 포함한다.

본 발명의 방법에 있어서, 물가에 적어도 하나의 GPS 신호 수신 모듈을 설치하고 상기 선박상에 적어도 하나의 GPS신호 수신 모듈을 장착하는 방식을 사용하여 GPS 신호 수신 모듈을 설치할 수 있고 선박 상의 각각의 GPS 신호 수신 모듈이 물가에 있는 GPS 신호 수신 모듈과 협동 작업을 진행하여 GPS 차동 시스템을 구성하고 여기서 물가에 있는 GPS 신호 수신 모듈은 GPS 모국으로 작용하고 선박상의 GPS 신호 수신 모듈은 GPS 종국으로 작용하며 상기 GPS 모국을 이용하여 GPS 종국이 선박 위치와 자세각 데이터에 대한 측정 정밀도를 증진시키고, 상기 GPS 모국은 관련되는 위성으로부터 위치 데이터를 수신한 후 데이터 처리 모듈에 직접 발송하여 상기 선박의 위치 데이터를 획득할 수 있으며 상기 위치 데이터 및 GPS 종국의 위치 데이터 정밀도의 증진에 유리한 기타 데이터를 먼저 적어도 하나의 GPS 종국에 발송한 다음 GPS 종국이 수신된 GPS 위치 수신 데이터를 통합한 후 상기 데이터에 대해 처리한 다음 데이터를 상기 데이터 처리 모듈에 다시 발송하여 상기 선박의 위치 데이터를 획득할 수도 있다.

여기서 물가에 있는(물가 베이스) GPS 모국과 선박 상의 GPS 종국의 통신방식으로서 예를 들면 물가에 있는 GPS 모국이 신호를 발송하는 방식 또는 방향을 고정(orientation)하는 방식으로 선박 상의(선박 베이스) GPS 종국에 직접 발송하는 방식을 사용할 수 있다. 또한, 물가 베이스의 GPS 모국이 줌 아웃 방법을 사용하여 상기 위치 데이터를 무선 또는 유선의 방식에 의해 먼저 하나의 발사 포인트(예를들면 정박 위치에 설치되어 있거나 정박 위치 부근에 위치되어 있는 발사 포인트)까지 발송한 후 다시 해당 발사 포인트로부터 앞 단계와 동일하거나 다른 주파수로 상기 위치 데이터를 상기 GPS 종국에 무선적으로 발송할 수 있다.

GPS 신호 수신 모듈을 설치하는 방식은 또한 모든 것(적어도 두 개의 GPS 신호 수신 모듈)을 전부 상기 도킹하려고 하는 선박에 설치할 수도 있다. 상기 데이터 처리 모듈은 상기 솔라 블라인드 자외 영상화 모듈과 GPS 신호 수신 모듈과 각각 전기적으로 연결되고 전술한 각 모듈로부터의 데이터를 처리하는데 사용되며 상기 솔라 블라인드 자외 영상화 모듈의 수신 모듈에 근거하여 상기 선박의 좌표치를 계산해 내고 GPS 신호 수신 모듈이 관련되는 위성으로부터 수신된 위치 정보에 근거하여 해안선 또는 정박 위치에 대한 상기 선박의 자세각을 확정한다.

상기 방법에 있어서, 추가적으로 데이터 처리 모듈이 표준화 자기상관 알고리즘을 사용하여 두 개의 솔라 블라인드 자외 영상화 모듈이 수신된 좌표 데이터 또는 자세각 데이터에 대해 통합처리한다. 구체적으로 다음과 같은 단계를 포함한다. 상기 좌표 데이터에 대해 통합처리할 때, x, y 및 z로 솔라 블라인드 자외 수신 모듈이 위치한 위치의 3축 좌표를 각각 표시하고 벡터

로 N그룹의 검측 서브 시스템으로부터 반환된 N그룹의 경각도와 공간 변환 후의 위치 고정 데이터 중의 제i그룹의 위치 고정 데이터를 표시하며, 여기서, i=1, 2, 3，…，N이고; 여기서, N은 사용한 원시 위치 데이터 유래의 수량이고, 예를 들면 상기 솔라 블라인드 자외 영상화 모듈 및 3개의 GPS 신호 수신 모듈이 획득한 좌표치에 대해 통합처리할 때, N=4이고, 상기 3개의 GPS 신호 수신 모듈이 획득한 좌표치에 대해 통합처리할 때 N=3이다. 상기 경각도와 공간 변환 후의 위치 고정 데이터를 획득하는 방법은 모든 솔라 블라인드 자외 영상화 모듈과 GPS 신호 수신 모듈의 상대적 위치와 선박 자세각을 이미 알고 있는 상황하에서 공간 위치 관계와 공간 기하 변환을 이용하여 상이한 측정 모듈에 대한 위치 측정 데이터를 동일한 측정 모듈에 대한 위치 측정 데이터로 전환시키는 것이다. 구체적인 변환 방법은 다음과 같다.

(1) 하나의 기준점을 확정한다. 상기 기준점은 상기 솔라 블라인드 자외 수신 모듈과 GPS 신호 수신 모듈 중의 어느 하나의 측정 모듈이 위치한 위치일 수 있고 기타 어느 한 점일 수도 있다.

(2) 기타 각 측정 모듈이 상기 기준점까지의 거리와 방향각(광원 참고 시스템하에서의 파라미터이고 선박의 자세각과 겹침으로써 확정해야 함)을 측정함으로써 대응되는 전환 벡터를 측정한다.

(3) 각 측정 모듈이 획득한 상대 위치 좌표 파라미터에 전환 벡터를 가하여 변환 후의 위치 고정 데이터를 획득한다.

표준화 상관계수 NCC를 사용하여 각각의 시스템이 위치 고정 데이터를 반환하는 신뢰도를 표시하고 그의 표현식은 다음과 같다.

(1)

j=1, 2, 3，…，N이고;

하나의 모든 솔라 블라인드 자외 영상화 모듈과 GPS 신호 수신 모듈로 구성된 검측 시스템의 신뢰도 평균치의 역치 G를 설정하고 해당 역치 G에 의해 NCC가 비교적 낮은 위치 고정 데이터를 여과제거시킴으로써 최종적인 시스템 신뢰도 가중

를 얻으며 그 표현식은 하기 (2)와 같으며;

(2)

이로부터 선박 위치와 관련되는 최종의 매칭 위치 고정 데이터를 얻으며;

(3)

상기 N-1개의 GPS 신호 수신 모듈의 매칭 후의 좌표치에 근거하여 매칭 후의 선박 자세각 데이터를 계산해 낸다.

상기의 선박 위치 데이터에 대한 통합처리는 다만 GPS 신호 수신 모듈이 획득한 위치 데이터에 대해 통합처리하여 매칭 후의 선박에 관련된 위치 데이터를 획득할 수 있고 솔라 블라인드 자외 모듈로 획득한 위치 데이터와 GPS 신호 수신 모듈로 획득한 위치 데이터에 대해 연합적으로 통합처리하여 매칭후의 선박에 관련된 위치 데이터를 획득할 수도 있다.

또한, 데이터 융합법을 사용하여 획득한 좌표 데이터 또는 자세각 데이터에 대해 통합처리할 수도 있다.

또한, 다른 방법을 사용할 수 있다. 예를 들면 통상적으로 솔라 블라인드 자외 모듈로 획득한 위치 데이터는 비교적 정확하기에 현재 센치메터급보다 낮지 않은 정도까지 달할 수 있다. 하지만 GPS 신호 수신 모듈로 획득한 위치 데이터의 정확도는 상대적으로 차하며 현재 데시메터급까지 도달할 수밖에 없다. 따라서 정확도가 상대적으로 일치한 GPS 신호 수신 모듈이 관련되는 위성으로부터 수신된 자표 데이터에 대해 표준화 처리하는 것의 효과가 비교적 좋다.

본 발명의 방법과 장치에 있어서(장치에 대한 전체적 설명과 한정, 예를 들면 후술하는 내용을 참고할 수 있음), 선박상에 GPS 신호 수신 모듈을 설치할 경우, 이러한 GPS 신호 수신 모듈 사이의 거리를 비교적 크게 할 수 있고 이로부터 피측 좌표과 각도 데이터의 시스템 오차를 낮출 수 있다.

본 발명의 방법과 장치에 따르면 선박상에 GPS 신호 수신 모듈을 설치할 때, 이러한 GPS 신호 수신 모듈과 상기 솔라 블라인드 자외 모듈 사이의 거리를 비교적 크게 할 수 있고 이로부터 피측 좌표와 각도 데이터의 시스템 오차를 낮출 수 있다.

본 발명의 선박 도킹 방법에 있어서 측정하기 전에 먼저 솔라 블라인드 자외 영상화 모듈을 교정(standardization)시키고 상기 솔라 블라인드 자외 카메라의 측정과 관련되는 광전자 파라미터를 확정할 수 있다. 표준화할 때 언급되는 시스템 광전자 파라미터는 x축과 y축 방향에서 화소를 단위로 하는 초점거리

, 상평면 위의 기준점 위치

및 x축과 y축 방향에서의 반경 방향 왜율

을 포함한다.

추가적으로 본 발명에 따른 선박 도킹 방법에 있어서 상기 선박의 동력 제어 시스템은 내비게이션 시스템과 연동되고 주기적으로 상기 솔라 블라인드 자외광 모듈의 도킹 거리 신호를 수신하고 이에 근거하여 부단히 자동적으로 선박의 자세를 조절하며 도킹을 진행한다.

본 발명의 다른 한 방면에 있어서, 본 발명은 또한 선박에 설치되고 수신한 물가에 기설정된 솔라 블라인드 자외 광원 어레이의 솔라 블라인드 자외광 신호에 의해 상기 선박과 관련되는 정박 위치와의 위치 관계 정보를 측정하는 하나의 솔라 블라인드 자외 영상화 모듈; 및 상기 솔라 블라인드 자외 영상화 모듈과 전기적으로 연결되고 상기 솔라 블라인드 자외 영상화 모듈의 수신 데이터를 처리하여 상기 선박의 좌표를 획득하는 하나의 데이터 처리 모듈을 포함하는 선박 보조 도킹 시스템을 제공한다. 상기 선박 보조 도킹 시스템은 적어도 2개의 GPS 신호 수신 모듈을 더 포함하고 그 중의 적어도 하나의 GPS 신호 수신 모듈은 상기 선박에 장착되며 각 GPS 신호 수신 모듈은 관련되는 위성으로부터 위치 고정 신호를 수신하는 위성 신호 수신 부분 및 상기 수신된 위성 신호를 상기 데이터 처리 모듈까지 전송시키는 신호 전송 부분을 포함하며 상기 데이터 처리 모듈과 상기 GPS 신호 수신 모듈은 전기적으로 연결되고 이들이 관련되는 위성으로부터 수신한 위치 고정 데이터를 처리하고 이에 근거하여 상기 선박의 자세각을 확정한다.

추가적으로 바람직한 방식은 본 발명의 선박 도킹 시스템 중의 상기의 모든 GPS 신호 수신 모듈은 모두 상기 선박상에 장착될 수 있다.

본 발명의 선박 도킹 시스템의 다른 하나의 바람직한 방식은 상기 선박에 장착되는 적어도 하나의 GPS 신호 수신 모듈을 포함하고 선박 베이스 GPS 신호 수신모듈로 작용한다. 각 선박 베이스 GPS 신호 수신 모듈은 물가에 설치되어 있는 하나의 GPS 신호수신 모듈과 협동 작업하여 GPS 차동 시스템을 구성한다. 여기서 물가에 있는 GPS 신호 수신 모듈은 GPS 모국으로 작용하고 선박상의 GPS 신호 수신 모듈은 GPS 종국으로 작용하며, 상기 GPS 종국은 관련되는 위성으로부터 자신의 위치 데이터를 수신하고 상기 GPS 모국으로부터 상기 GPS 모국의 위치 데이터 및 GPS 종국 위치 데이터의 정밀도를 증진하는데 유리한 기타의 데이터를 수신하고 이 데이터들에 대헤 처리하거나 이 데이터들을 상기 데이터 처리 모듈에 발송하여 처리를 진행하여 상기 선박의 위치와 자세각 데이터를 획득한다.

상기 GPS 차동 시스템 방안에서 만약 선박상에 다만 하나의 선박 베이스 GPS 신호 수신 모듈을 장착하면 상기 솔라 블라인드 자외 영상화 모듈과 선박 베이스 GPS 신호 수신 모듈을 이용하여 각각 하나의 상기 선박을 표시하는 비교적 정확한 위치값을 획득할 수 있으며 해당 두 개의 위치값은 정박 위치에 대한 선박의 위치 및 자세각을 결정할 수 있다.

상기 GPS 차동 시스템 방안에서 만약 선박상에 두 개 또는 두 개 이상의 선박 베이스 GPS 신호 수신 모듈을 장착하면 하나의 방식으로서 상기의 솔라 블라인드 영상화 모듈을 이용하여 선박의 위치값을 획득하고 상기의 다수개의 선박 베이스 GPS 신호 수신 모듈을 이용하여 상기 정박 위치에 대한 선박의 자세각을 획득하는 것이다. 다른 하나의 방식으로는 만약 상기 GPS 차동 시스템의 정밀도가 충분히 높을 경우, 어느 하나의 선박 베이스 GPS 신호 수신 모듈의 위치고정 정보를 사용하여 선박의 위치 정보로 할 수 있고 솔라 블라인드 자외 영상화 모듈 또는 기타의 선박 베이스 GPS 신호 수신 모듈의 위치 정보를 이용하여 선박의 자세각을 계산해 낼 수 있거나 또는 위치 고정하기 위한 선박 베이스 GPS 신호 수신 모듈의 위치 정보 및 상기 솔라 블라인드 영상화 모듈 또는 기타의 선박 베이스 GPS 신호 수신 모듈 중의 하나의 위치 정보를 사용하여 선박의 자세각을 계산해 낸다.

5바람직한 것은 본 발명의 방법과 시스템은 표준화 자기관련 알고리즘을 사용하여 상기 솔라 블라인드 자외 영상화 모듈과/또는 다수개의 GPS 신호 수신 모듈에 의해 얻은 데이터에 대해 처리할 수 있다. 표준화 자기 관련 처리법을 사용하여 전체적인 오차 분석을 통하여 하나의 모든 시스템 신뢰도 평균치의 역치 및 각 모듈(솔라 블라인드 자외 영상화 모듈 및 선박 베이스 GPS 신호 수신 모듈)의 신뢰도 상황을 얻고 해당 역치를 이용하여 신뢰도가 비교적 낮은 위치 고정 데이터를 여과제거시킴으로써 최종적인 각 모듈의 신뢰도 가중을 얻은 후 해당 신뢰도 가중을 이용하여 각 모듈에 대해 가중평균을 진행하면 최종의 데이터를 얻을 수 있다. 해당 표준화 자기관련 알고리즘은 본 발명의 시스템을 제작할 때 하드웨어(예를 들면 IC, ASIC 또는 FPGA) 및/또는 소프트웨어의 방식으로 시스템 중에 고정화시키고 본 발명의 시스템의 하나의 구성 성분으로 될 수 있다.

본 발명의 선박 도킹 시스템의 다른 하나의 개진 방면에 있어서, 데이터 처리 모듈은 소프트웨어 및 하드웨어의 디자인에 있어서 데이터 융합 알고리즘을 사용하여 획득한 좌표 데이터 또는 자세각 데이터에 대해 통합처리한다. 상기 데이터 융합 알고리즘은 예를 들면 각 서브 시스템 측정 데이터가 실제적으로 계산해 낸 오차의 제곱 평균 제곱근 rmse(root-mean-square-error)를 사용하여 각 서브 시스템의 반환 데이터의 신뢰도를 판단하는 것일 수 있다. 구체적으로,

단계 1: 통합된 데이터가 위치 고정 데이터인 경우, 벡터

로 N그룹의 검측 서브 시스템으로부터 반환된 N그룹의 경각도와 공간 변환 후의 위치 고정 데이터를 표시하며, 여기서, i=1, 2, 3，…，N이고; 상기 경각도와 공간 변환 후의 위치 고정 데이터를 획득하는 방법은 모든 솔라 블라인드 자외 영상화 모듈과 GPS 신호 수신 모듈의 상대적 위치와 선박 자세각을 이미 알고 있는 상황하에서 공간 위치 관계와 공간 기하 변환을 이용하여 상이한 측정 모듈에 대한 위치 측정 데이터를 동일한 측정 모듈에 대한 위치 측정 데이터로 전환시키는 것이고;

a) 각 검측 서브 시스템 측정 데이터가 실제로 계산해 낸 오차의 제곱 평균 제곱근rmse를 사용하여 각각의 서브 시스템 반환 데이터의 신뢰도를 판정하고 각 서브 시스템 측정 데이터의 오차의 제곱 평균 제곱근을 계산하는 공식은 다음과 같으며;

(4)

여기서, rmse는 오차의 제곱 평균 제곱근(root mean square error)을 표시하고,

는 i시각에서 각 측정 서브 시스템이 X축 좌표에서의 측정 데이터를 표시하며

는 i시각에서

데이터에 대한 여파값을 표시하고, n은 측정 데이터의 총수, 즉 서브 시스템의 개수를 표시하며, i 시각의 여파치는 칼만 필터 방법에 의해 획득하며;

b) 무게값(weight)을 확정한다. Robust 통계학 이론에 의해 데이터 중의 정보를 3부류로 나눌 수 있다. 즉 유효 정보, 이용할 수 있는 정보와 유해 정보이다. 이 3부류의 정보에 대해 부동한 무게값을 분배하면 이들이 각각 다른 작용을 일으키도록 할 수 있다. 따라서 무게값을 분배할 때 하나의 방법은 분단식을 사용하는 것이고 유효 정보에 대하여 융합할 때 완전히 받아들일 수 있으며 이용할 수 있는 정보에 대해 일정한 곡선 변화에 따라 유해 정보 또는 무효 정보에 대해서는 완전히 거절한다. 곡선 맞춤(curve fitting)을 통하여 무게값의 분배를 진행한다.

(5)

여기서 ω는 무게값이고 파라미터 b는 outliers을 판단하는 최소한도이며 파라미터 a는 유효 데이터와 이용할 수 있는 수치의 한계값이며, 오차가 b보다 클 때 outliers로 인정하고, 대응되는 무게값은 0이며, 오차가 a보다 작을 때 유효치로 인정하고, 대응되는 무게값은 1이며, 중간의 이용할 수 있는 값의 무게값은 곡선 y=f(x)에 따라 제공되며, f(x)는 반드시 하기 조건을 충족해야 하며,(a,b)구간에서 오차가 커짐에 따라 신속히 감소되며, f(x)가 사용하는 표현식은 다음과 같으며;

(6)

여기서, μ와 σ는 각각 가우스 분포의 평균치와 분산이며, 가우스 곡선이 x>μ의 영역에서 감소함수의 특성을 나타내므로, 여기서, μ=0을 취하고 실제상 사용한 것은 하프 가우스 곡선이며 표현식은 추가적으로 하기로 변환되며;

(7)

3σ법칙에 의해 σ값을 제공하고, 가우스 곡선을 통하여 무게값의 분배를 매칭시키는 방법은 하기 식에 의해 얻을 수 있으며;

(8)

또한,

이고, 여기서,

는 k시각에서 제i개 시스템의 오차의 제곱 평균 제곱근이고，

는 k시각에서의 제i개 시스템의 무게값을 표시하며;

c)최종 데이터의 융합 결과는 다음과 같으며;

(9)

여기서

는 k시각의 융합치이고,

는 각 서브 시스템이 k시각에서 얻은 측정 데이터를 표시하며;

d)상기의 단계 a) 내지 단계 c)와 동일한 방법으로 Y축 좌표치 y 및 Z축 좌표치 z의 데이터 융합 최종 결과를 계산해 내며;

단계 2: 통합된 데이터가 자세각 데이터인 경우, 벡터

로 N개의 측정 서브 시스템으로부터 반환된 N그룹의 자세각 데이터를 표시하고, 여기서, i=1, 2, 3，…，N이고, 다음에 단계 1과 동일한 방법을 사용하여 통합 후의 자세각 데이터를 계산해 낸다.

또한, 다른 하나의 데이터 융합의 방법을 사용할 수 있다. 구체적인 단계는 다음과 같다.

단계 1: 통합된 데이터가 위치 고정 데이터인 경우, 벡터

로 N그룹의 검측 서브 시스템으로부터 반환된 N그룹의 경각도와 공간 변환 후의 위치 고정 데이터를 표시하며, 여기서, i=1, 2, 3，…，N; 상기 경각도와 공간 변환 후의 위치 고정 데이터를 획득하는 방법은 모든 솔라 블라인드 자외 영상화 모듈과 GPS 신호 수신 모듈의 상대적 위치와 선박 자세각을 이미 알고 있는 상황하에서 공간 위치 관계와 공간 기하 변환을 이용하여 상이한 측정 모듈에 대한 위치 측정 데이터를 동일한 측정 모듈에 대한 위치 측정 데이터로 전환시키는 것이고;

a) 위치 고정 데이터 중의 각 좌표 서열의 표준편차를 계산해 내고 N그룹의 검측 서브 시스템으로부터 반환된 N그룹의 위치 고정 데이터 중의 각 좌표 서열의 표준편차를 계산함으로써 N그룹 데이터 중 매 좌표 서열 중의 아웃라이어 데이터를 판정하는 의거로 하며 상기 좌표 서열의 표준편차는 다음과 같으며;

(10)

여기서, index∈(x,y,z)이면

는 N그룹의 데이터 중 각 좌표 서열의 표준편차를 표시하고,

는 N그룹의 측정한 데이터를 표시하며, 매 그룹이 좌표치(x, y, z)를 포함하고,

는 N그룹 데이터의 평균치를 표시하며. 즉 각 좌표 서열 평균치로 구성된 하나의 1차원 벡터이며;

b) 계산해 낸 표준편차에 의해 매 좌표 서열 중의 아웃라이어 데이터를 획득하고 아웃라이어 데이터의 판정은 하기 식에 의해 획득할 수 있고;

(11)

여기서, outliters는 획득한 아웃라이어 데이터를 표시하고 x, y 및 z로 구성된 한 그룹의 좌표 데이터에서 그 중의 하나의 좌표치가 그가 위치한 서열 중에서 아웃라이어 데이터로 판정되면 해당 그룹의 좌표치는 N그룹의 좌표 데이터 중의 아웃라이어 데이터로 판정되며, c는 constant coefficient이고 실험 경험과 필요에 따라 정해지며 해당 상수를 하기와 같은 확정 방법에 따라 확정할 수 있으며, 즉 대량의 테스트를 통하여 테스트값의 파동 범위를 판단하고 테스트값의 평균치를 중심으로 하는 하나의 대칭 범위를 취하여 대량적으로 나타난 불합리한 포인트를 해당 범위 밖에 존재하도록 하며 해당 범위 길이의 절반이 바로 C이고;

c) 아웃 라이어 데이터를 N그룹의 원시 측정 데이터로부터 제거하면 새로운 위치 고정 데이터 서열을 얻게 되며 이를

로 칭하며 차원수는

이고 다음으로

에 대해 동일 평균을 진행하고 데이터 융합을 거쳐 다음과 같은 최종의 융합 데이터를 얻으며;

(12)

여기서,

는 데이터 융합 후의 최종의 위치 고정 데이터이고;

d) 상기의 단계 a) 내지 단계 c)와 동일한 방법으로 Y축 좌표치 y 및 Z축 좌표치 z의 데이터 융합 최종 결과를 계산해 내며;

단계 2: 통합된 데이터가 자세각 데이터인 경우, 벡터

여기서, 알고리즘의 순서는 하기 단계를 포함한다. (1) 위치 고정 데이터 중의 매 좌표 서열의 표준편차를 계산해 내고; (2) 계산해 낸 표준편차에 의해 매 좌표 서열의 중의 아웃 라이어 데이터를 계산해내고; (3) 원 측정 데이터로부터 아웃 라이어 포인트를 제거하고; (4) 데이터를 가중평균하는 융합 방법을 사용하여 최종의 위치 고정 데이터를 계산해 낸 후 y의 량을 얻는다.

이상의 내용은 단지 본 발명의 방법과 장치 방안에 대한 예시적 설명이다. 당업자는 상기 내용에 근거하여 본 발명의 총체적 사상을 벗어나지 않는 전제하에서 각종의 구체적 실현을 진행할 수 있다. 예를 들면 본 발명의 상기와 같은 설명에서 통상적으로 솔라 블라인드 자외광 수신 모듈이 획득한 위치 데이터를 선박 위치의 주요의거로 한다. 사실상 구체적인 실현에서 GPS 시스템 위치 고정 데이터의 정밀도와 솔라 블라인드 자외광 수신 모듈의 위치 고정 정밀도가 비슷할 때 완전히 GPS 시스템에서 획득한 위치 데이터를 본 발명 방법과 장치가 얻고자 하는 위치 및 각도 정보의 주요 의거로 할 수 있다.

본 발명은 솔라 블라인드 자외 영상법을 이용하여 코팅 위치가 선박에 대한 위치 정보를 확정하는 동시에 GPS법을 이용하여 적어도 두 개의 GPS 수신기를 이용하여정박 위치에 대한 선박의 자세각(attitude angle)을 확인함으로써 선박이 가시성이 매우 낮은 경우에 물가에 다가갈 때 안전히 정박되도록 확보할 수 있다. 추가적으로 본 발명의 방법과 장치에서 위치 고정 정밀도를 높이기 위하여 바람직하게는 표준화 자기상관 알고리즘(Normalized autocorrelation algorithm)과 데이터 융합 알고리즘을 사용하여 솔라 블라인드 자외 영상화 모듈과 GPS 신호 수신 모듈에 의해 수신된 좌표 데이터 및 각도 데이터에 대해 통합 처리할 수 있다.

본 발명의 선박 보조 도킹 방법 및 시스템을 이용함으로써 기존 기술 중의 선박이 안개 날씨에 정박함에 있어서 어렵고 기존 기술 중의 선박 정박 안내 장치가 날씨 환경 등에 의한 영향이 큰 문제점을 현저히 해결할 수 있다. 또한 도선사에게 더욱 직관적이고 정확하며 안전한 항행 정보를 제공할 수 있어 도선사가 안개날씨에 선박의 도킹을 인항하는데 유리하며 안개날씨의 수상 운수 항로와 항구 물품의 원활한 유통 문제도 해결하였다.

도 1은 본 발명의 선박 도킹 네비게이션 시스템의 블록도이다.
도 2는 설비의 장착 위치도이다.
도 3은 카메라 교정 순서도이다.
도 4는 자외광 어레이와 촬영 위치도이다.
도 5는 솔라 블라인드 자외램프 어레이의 위치도이다.
도 6은 (a)점 행렬(dot matrix) 좌표계와 (b)카메라 좌표계이다.
도 7은 도킹 소프트웨어 수행 순서도이다.
도 8은 선박과 해안선의 안내도이다.
도 9는 측정 모듈 위치 안내도이다.
도 10은 표준화 자기 상관 알고리즘 순서이다.

본 발명의 일례에 따르면 선박의 안개날씨에서의 근거리 내비게이션 능력을 증강하는데 사용되는 하나의 시스템을 제공한다. 해당 시스템은 선박과 해안선의 안내도 및 위치 정보를 나타낼 수 있고 도선사는 디스플레이 장치의 출력 인터페이스에 의해 낮은 가시도 조건하에서의 선박 도킹을 실현할 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 다음 첨부 도면과 실시예를 결합하여 본 발명에 대해 추가적으로 설명하기로 한다. 하기 실시예는 단지 예를 들어 설명한 것일 뿐 본 발명은 하기 실시예의 기술방안에만 제한되지 것이 아니다. 이외에 당업자는 기존기술의 범위 내에서 간단한 변환을 진행하여 획득한 기술방안은 모두 본 발명의 보호범위 내에 있다.

실시예 1

선박 도킹에 사용되는 네비게이션 시스템의 블록도는 도 1과 같다. 본 발명은 주로 선박이 안개날씨에 근거리 도킹할 때의 문제를 해결한다. 본 실시예에 따른 상기 선박 내비게이션 시스템은 솔라 블라인드 자외 램프 그룹(101), 두 개의 GPS 모듈(112, 113), 솔라 블라인드 자외 영상화 모듈(103), 데이터 처리 모듈(104) 및 디스플레이 장치(105)를 포함한다.

GPS 모듈(112, 113) 및 솔라 블라인드 자외 영상화 모듈(103)은 각각 선박에 장착된다. 차동 GPS(112, 113)는 우선적으로 항행 방향을 확정하는데 제일 편리한 위치에 장착된다. 본 실시예 중의 두 개의 차동 GPS는 각각 운전실 양측의 갑판에 장착된다. 양자의 연결선은 대체로 선박의 수미의 연결선에 수직된다. 두 개의 차동 GPS 모듈에 있어서, 주요 GPS 모듈(모국이라고도 함)(112)은 해안선에 접근되는 위치에 장착되고, 종속 GPS 모듈(종국이라고도 함)(113)은 해안선과 멀리 떨어져 있는 위치에 장착된다. 솔라 블라인드 영상화 모듈(103)은 선박 일측의 갑판에 장착된다. 후속의 계산을 편리하게 할 수 있도록 본 실시예에서 우선적으로 선박에 선두로부터 떨어진 거리 및 선미로부터 떨어진 거리를 표기한 그곳이 위치되어 있는 위치를 선택한다. 솔라 블라인드 자외 모듈이 선두와 선미로부터 떨어진 거리는 각각 L_1,L₂인 것은 기지한 것이며 이미 선박상에 표기를 하였다. 구체적인 장착 위치는 대체로 도 2에 나타낸 것과 같다. 도 1 중의 회색 구역(100)은 상기 선박이 도킹하고자 하는 해안선이다.

솔라 블라인드 자외 영상화 모듈(103), 신호 처리기(104) 및 디스플레이 장치(105)는 일체로 집성될 수 있다. 데이터 처리 모듈(104)은 정보 수집 모듈, 계산 모듈과 저장 모듈을 포함한다.

본 실시예의 주요 단계는 다음과 같다. 하기 1-3단계는 물가에서의 준비 작업이고 4-5 단계는 선박에서 진행되는 작업이다.

단계 1, 우선 카메라 교정(camera calibration)를 진행하여 내부 파라미터를 계산해 낸다. 카메라 교정의 방법 및 내부 파라미터를 계산하는 알고리즘은 여러가지가 있으나 여기서 우선적으로 전통적인 교정 기술 또는 장정우 교정 알고리즘을 선택한다. 교정 순서도는 도 3에 나타난 바와 같다.

단계 1-1-1, 자외광 어레이를 배치한다.

단계 1-1-2, 자외광 어레이의 기하 정보를 측정한다.

단계 1-2, 자외 수신기를 사용하여 자외광 어레이에 대해 촬영하고 자외광 어레이와 촬영 위치는 도 4에 나타낸 바와 같다.

단계 2-1, 좌표를 추출한다.

단계 2-2, 설비의 내부 파라미터를 구하여 지정 자외광원의 상평면 좌표를 획득하고 교정 알고리즘을 이용하여 카메라의 내부 파라미터(f_x,f_y,c_x,c_y,k_x,k_y 등)을 획득한다.

단계 2, 정박 위치 정보를 측정한다. 미리 도킹하는 항구의 모든 정박 위치 해안선과 어느 한 방향(예를 들면 본 실시예 중의 정북 방향)과의 협각 θ를 측정한다.

차동 GPS(모국과 종국을 포함함) 또는 기타 편주각 측정 도구를 사용하여 정박 위치 해안선의 편주각을 측정한다. 차동 GPS 장치를 사용할 때 그의 모국과 종국을 각각 정박 위치의 수미 양측에 배치할 수 있고 정박 위치 해안선로부터 떨어진 거리는 대체로 같다.

단계 3, 자와광원 램프 어레이를 배치하고 램프 어레이의 관련되는 위치 정보를 측정한다. 선박이 도킹하기 전의 일정한 시간동안(예를 들면 반시간)에 솔라 블라인드 자외 램프 그룹(101)을 사용하여 도킹 정박 위치(100)의 부근에서 목표 램프 어레이를 배치하고, 목표 램프 어레이의 형태는 정방형 격자상이고, 목표 램프 어레이의 크기와 램프의 개수에 대해 제한이 없으며, 본 실시예에서는 도 5와 같은 배치를 취하였으며 램프 어레이의 크기는 8m×8m이고 매 행의 램프 사이의 간격이 동일하고 행의 간격이 동일하다.

본 실시예에서 램프 어레이의 기준점으로부터 도킹하는 마지막 도선주까지의 거리를 L₂(줄자 등 측정 도구로 측정하면 되고, 여기서 L₂는 솔라 블라인드 자외 영상화 모듈(103)로부터 선미까지의 거리이고, 이는 기지한 것이고 L₂로 설치하는 목적은 선박이 도킹할 때 솔라 블라인드 자외 탐측기가 마침 램프 어레이와 마주볼 수 있어 정박 위치에 대한 선박의 X방향을 확정할 수 있도록 하기 위한 것이고, 당연히 기타 거리 L_n으로도 설치가능하며, L₂과 L_n 사이의 거리를 알면 된다)로 배치하고; 램프 어레이를 배치할 때 램프 어레의 첫행과 부딪침 방지 방현재와의 거리를 L(마찬가지로 줄자 등과 같은 간단한 측정 도구를 사용하여 측정할 수 있음)로 유지하고 도 5에 나타낸 바와 같다.

단계 4, 선박의 항행 방향과 해안선에 도킹하는 자세, 위치 정보를 계산한다. 구체적으로 하기 단계를 포함한다.

먼저, 선박 항행 방향과 해안선에 도킹하는 방향의 관계를 계산하고 즉 선박 항행 방향과 도킹 해안선의 협각을 계산한다. 구체적인 단계는 다음과 같다.

종국 GPS(113)가 자신의 위치 경위도 정보를 모국 GPS(112)에 발송하고 모국GPS(112)는 종국 GPS(113) 및 자신의 경위도 정보로부터 양자 사이의 거리를 획득하는 동시에 종국 GPS(113)가 모국 GPS(112)에 지향하는 벡터 r와 정북 방향 협각 α 및 r와 수평방향의 협각 β를 획득하며 β는 바로 선박의 롤 각이다.

종국 GPS(113)가 모국 GPS(112)에 지향하는 벡터 r와 선박 항행 방향이 수직되므로 선박 항행 방향과 정북 방향의 협각 γ를 획득할 수 있으며 γ는 바로 선박의 침로각이다.

선박이 우측에 정박할 때 γ=α-90°이고;

선박이 좌측 정박할 때 γ=α+90°이다.

미리 각 정박 위치 해안선과 정북 방향의 협각 θ을 측정하고 각도 θ와 각도 γ로부터 선박의 항행 방향과 정박 해안선의 협각 a를 얻을 수 있으며 a=γ-θ이고 화상의 방식으로 디스플레이 장치(105)에 표시하였다.

다음에 해안선에 대한 선박의 위치 정보를 확정한다.

상기 선박이 해안선로부터 떨어진 거리가 비교적 가까울 때 솔라 블라인드 자외 영상화 모듈은 매우 분명하게 모든 솔라 블라인드 자외 신호를 식별할 수 있다. 이때 신호 처리기(104)를 이용하여 솔라 블라인드 자외 영상화 모듈(103)이 촬영한 화상에 대해 화상 처리, 좌표 변화를 진행하여 솔라 블라인드 자외 영상화 모듈(103)이 램프 어레이 좌표계에서의 위치 정보 X, Y 및 Z를 획득한다.

여기서, R는 스핀 행렬(spin matrix)이고 T는 병진 벡터(translation vector)이다.

상기 알고리즘의 구체적인 단계는 다음과 같다.

카메라 교정을 통하여 카메라의 내부 파라미터, 목표 점 행렬 좌표계(도6을 참조) 중의 점 행렬 좌표 및 상평면 좌표를 알계 되면 카메라가 목표 점 행렬 좌표계 중에서의 좌표 및 회전 방향을 구해 낼 수 있다.

(1)

여기서, (f_x，f_y，c_x，c_y)는 내부 파라미터 행렬 파라미터이고, R는 스핀 행렬이며, T는 병진 벡터이며, (u，v)는 상평면 좌표(단위는 화소)이고 (X, Y, Z)는 목표 점 행렬 좌표계 중의 점 행렬 좌표이고 해당 공식은 하기와 같이 간단히 표시될 수 있다.

(2)

여기서(x，y，z)는 카메라 좌표계(도 6 참조) 중의 목표 점 행렬의 좌표이기에 R와 T를 목표 점 행렬 좌표계로부터 카메라 좌표계로 전환한 전환 행렬로 이해될 수 있다.

카메라의 목표 점 행렬 좌표계 중에서의 좌표를 계산할 때, 내부 파라미터(f_x，f_y，c_x，c_y)와 ?嗔? 점 행렬 좌표계 중의 점 행렬 좌표(X, Y, Z)는 고정된 값이고 상평면 좌표(u, v)는 화상에 의해 실시적으로 획득되므로 동일한 시각(u₀，v₀)에 대응되는 스핀 행렬 R₀, 병진 벡터 T₀을 실시적으로 획득할 수 있다. 다음으로 카메라가 목표 점 행렬 좌표계에서의 점 행렬 좌표를 획득해야 하고 다만 카메라 좌표계의 원점(0, 0, 0)을 공식 2의 좌측에 대입하여 우측의 (X₀，Y₀，Z₀)을 구하기만 하면 되고 하기를 얻을 수 있다.

(3)

스핀 행렬의 역행렬 R₀ ^- ¹는 목표 점 행렬 좌표계에 대한 카메라 좌표계의 회전이고 이는 변환을 통하여 회전 벡터로 간략화될 수 있고 해당 벡터는 바로 목표 점 행렬 좌표계에 대한 카메라의 스핀 오일러 각이다.

앞에 카메라 좌표를 계산할 때 언급한 고정값 중에서 목표 점 행렬은 인위적으로 배치한 후 측정해 낸 결과이지만 내부 파라미터는 카메라 자체의 고유 파라미터를 표시하였고, f_x,f_y는 각각 수평 방향과 수직 방향 화소 수량을 계측 단위로 하는 초점거리값이고. c_x,c_y는 카메라 렌즈 중심의 바로 앞 방향(즉 이론 광축상의 점)이 상평면상에서 영상화되는 화소 좌표이다.

솔라 블라인드 자외 영상화 모듈(103)이 십보드와 해안선의 수직방향에 따른 거리를 Y_십보드로 설정하고 ，Y_십보드=Y-L-Z*tanβ이고, 여기서 L는 램프 어레이 첫행과 부딪침 방지 방현재와의 거리이고, β는 선박의 롤 각이다.

선두와 해안선 수직 방향 거리를 Y_선두로, 선미와 해안선의 수직 방향 거리를 Y_선미로 설정하고, Y_선두=Y_십보드-L₁*sin(γ-θ)이고, Y_선미=Y_십보드+L₂*sin(γ-θ)이며, 여기서 L₁과 L₂는 각각 솔라 블라인드 자외 영상화 모듈(103)로부터 선두 및 선미까지의 거리이고, γ와 θ는 각각 선박 항행 방향과 정북 방향의 협각 및 정박 위치 해안선과 정북 방향의 협각이다.

단계 5, 현장 시뮬레이션을 진행하고 즉 내비게이션 안내도 및 위치 좌표 정보를 디스플레이 장치(105)로부터 출력하고, 도 7에 나타낸 바와 같이 도킹 소프트웨어가 순서도를 수행한다. 신호 처리기(104)가 운전하기 전에 정박 위치 번호, 선박이 도킹할 때 해안선과의 방향 정보(좌측 정지 또는 우측 정지)를 포함한 도킹 정박 위치의 정보를 입력하고; 솔라 블라인드 자외 영상화 모듈이 선박상에서의 위치 정보 L₁과 L₂를 입력하고 L₁과 L₂는 각각 솔라 블라인드 자외 영상화 모듈로부터 선두 및 선미까지의 거리이고 선박의 너비 B를 입력한다.

선박이 램프 어레이 좌표계에서의 위치 정보 X와 Y, 해안선에 대한 선박의 방향 정보 γ-θ, 선박에 대한 솔라 블라인드 자외 영상화 모듈의 위치 정보 L₁과 L₂, 선박의 너비 B에 근거하여 디스플레이 장치(105)에서 선박과 해안선과의 안내도 및 위치 정보 Y_선두와Y_선미를 표시할 수 있고, 도 8에 나타낸 바와 같이 도선사는 디스플레이 장치의 출력 인터페이스를 통하면 낮은 가시도 조건하에서의 선박의 도킹을 실현할 수 있다.

실시예 2

본 실시예는 복수개의 그룹 중에서 어떻게 최우선적인 위치 정보를 획득하는가 하는 것에 관한 것이다. 그의 알고리즘은 다음과 같다.

벡터

로 N그룹의 시스템으로부터 반환된 N그룹의 경각도와 공간 변환 후의 위치 고정 데이터를 표시하고; i=1, 2, 3，…，N이다. 상기 경각도와 공간 변환 후의 위치 고정 데이터를 획득하는 방법은 모든 솔라 블라인드 자외 영상화 모듈과 GPS 신호 수신 모듈의 상대적 위치와 선박 자세각을 이미 알고 있는 상황하에서 공간 위치 관계와 공간 기하 변환을 이용하여 상이한 측정 모듈에 대한 위치 측정 데이터를 동일한 측정 모듈에 대한 위치 측정 데이터로 전환시키는 것이다. 구체적인 변환 방법은 다음과 같다.

도 9에 나타낸 바와 같이 두 측정 모듈의 측정 좌표는 각각

와

이고, 그 중의

을 기준으로 하고, 측정한 양자 사이의 거리는 L이고, 양자의 연결선의 침로각 협각은

이고, 피치각이

(XY 평면과의 협각)이면 전환 벡터

의 계산 방법은 하기 (4)와 같으며, 이런 경우에,

가 기준 위치까지 전환한 후의 좌표는

이다.

(4)

기타 측정 모듈은 상기와 동일한 방법에 의해 전환 후의 좌표를 얻을 수 있다.

해당 알고리즘은 표준화 상관계수(Normalized Correlation Coefficient)를 사용하여 매 시스템이 위치 고정 데이터를 반환한 신뢰도를 표시하고 그의 표현식은 다음과 같다.

(5)

역치를 모든 시스템 신뢰도 평균치의 80%로 설정하고 역치 G는 하기와 같이 표시될 수 있다.

(6)

역치 G에 의해 NCC가 비교적 낮은 위치 고정 데이터를 여과제거시킴으로써 최종적인 시스템 신뢰도 가중 w를 얻으며 그 표현식은 하기 (7)과 같으며

(7)

최종의 매칭 위치 고정 데이터를 얻는다.

(8)

알고리즘은 도 10에 나타낸 바와 같다.

실시예 3

다음 예시적인 방식으로 본 발명의 선박 근거리 내비게이션 능력을 증강시키는 시스템 중의 자외 카메라 교정, 및 내부 파라미터를 구하는 구체적 단계를 제공한다.

카메라 교정 방법 및 내부 파라미터를 구하는 알고리즘은 많지만 여기서 바람직하게는 전통적인 교정 기술과 장정우 교정 알고리즘을 선택사용한다. 장정우 교정법은 하나의 바둑판 격자상의 교정 템플릿을 사용하여 교정 템플릿 상의 매 흑백 격자의 연결점을 교정판의 특징점으로 한다. 교정판을 상이한 위치에 놓고 카메라를 사용하여 동기적으로 수집하여 카메라의 내부 파라미터를 구한다. 해당 방법은 비교적 우수한 robust성이 있으며 비싼 의기설비를 필요하지 않으며 조작이 편리하고 자기 교정에 대비하여 정밀도가 다소 제고되었다. 하지만 본 실시예를 충족할 수 있는 모든 교정 방법 및 내부 파라미터를 구하는 알고리즘은 모두 포함되어야 한다.

교정 순서도는 도 3에 나타낸 바와 같이 1-1-1 자외광 어레이를 배치하고, 1-1-2 측정하여 자외광 어레이의 기하 정보를 측정하며, 1-2 자외 수신기를 사용하여 자외광 어레이에 대해 촬영하고 소프트웨어 처리는 2-1 지정된 자외광원의 상평면 좌표를 획득하고, 2-2 교정 알고리즘을 이용하여 카메라의 내부 파라미터를 계산해 내는 것을 포함한다. 구체적인 교정 단계는 다음과 같다.

1-1-1, 자외광 어레이를 배치하고 자외광 어레이는 평면 직사각형 격자상의 자외광 어레이를 사용하며 자외광 어레이와 촬영 위치는 도 4에 나타낸 바와 같다. 자외광 어레이의 형태, 크기 등 기하 특징은 제약이 없으며 내부 파라미터를 구하는 알고리즘에 의해 결정되며 자외광 어레이는 평면 도형일 수 있고 입체 도형일 수도 있으며 직사각형 구조일 수도 있고 원형 구조 또는 기타 기하 형태일 수도 있다.

1-1-2, 자외광 어레이의 기하 정보를 측정하고 특정 자외광 포인트가 좌표계 o-xyz중에서의 좌표 c_w={X₁,Y₁,Z₁},{X₂,Y₂,Z₂}…{X₃₀,Y₃₀,Z₃₀}를 측정하고 자외광 어레이의 기하 정보는 특정 자외광 포인트 또는 각도(angular point)가 국제 좌표계에서의 좌표를 가리킨다.

1-2, 솔라 블라인드 자외 영상화 모듈(103)을 사용하여 자외광 어레이에 대해 촬영하고 선택한 촬영 위치A는 하기 조건을 충족해야 한다. 상이한 촬영 위치, 상이한 OA의 지향이 평행되지 않으며 n그룹을 촬영하고 해당 실시예 중의 n은 3보다 커야 한다.

2-1, 신호 처리기(104)는 촬영하여 얻은 디지털 화상에 대해 소프트웨어 처리를 하여 특정 자외광 포인트의 상평면 좌표 그룹을 얻으며, 즉 ci₁,ci₂,ci₃…ci_n을 얻고 총 n그룹이다.

2-2, 장정우 교정 알고리즘을 이용하여 c_w와 ci₁, ci₂…ci_n에 대해 처리하고 카메라의 광전기 관련 내부 파라미터(f_x,f_y,c_x,c_y,k_x,k_y 등)을 얻으며 여기서 f_x, f_y는 x와 y 방향에서 화소를 단위로 하는 초점거리이고 c_x, c_y는 상평면상의 기준점이며 k_x, k_y는 x와 y 방향에서의 반경 방향 왜율이다.

여기서 사용한 장정우 교정 알고리즘의 원리는 다음과 같다.

1) 교정판의 각도(angular point)와 대응되는 이미지 포인트의 대응관계

교정판이 위치되어 있는 평면의

으로 설정하였으므로 하기(9)가 있다.

(9)

A는

에 의해 결정되고 즉 카메라의 내부 파라미터이며 단지 카메라의 내부 구조와 관련되며, H는 카메라의 외부 파라미터이고 촬영기의 공간내에서의 위치를 직접 반영한다. 화상 좌표계의 화소 좌표는

이고 국제 좌표계는

이다. S는 증폭 배율(amplification factor)이고,

이고,

이며, f는 렌즈의 초점거리이다.

는 공간의 어느 한 물점의 국제 좌표이고,

는 해당 물점의 촬영기 내에서의 영상화 이미지 포인트의 화소 좌표이다.

이동 매트릭스(Translation Matrix)

이고_,4×4의 매트릭스이며 스핀 행렬 R는 3×3 직교성 단위 매트릭스이고 이동 매트릭스 T와 스핀 행렬 R(r1 r2 r3)을 외부 파라미터로 칭한다.

로 설치하면 하기를 얻을 수 있다.

(10)

여기서,

는 임의의 축척계수(scale factor)이고,

은

에 직교되며 A의 두 개의 제약 조건을 얻을 수 있다.

(11)

2) 파라미터를 구한다.

(12)

상기 식으로부터 B가 양의 정부호 대칭 행렬(positive definite symmetric matrix)인 것을 알 수 있다. 정의:

(13)

H의 제i열을

로 설정하면, (14)가 있고,

(14)

또한,

(15)

가 있으며, 다음에,

(16)

가 있다. 즉,

(17)

여기서, V는 하나의

매트릭스이고 n>2일 때 b는 유일한 해가 있으며 즉 적어도 3폭의 화상을 수집해야 한다. Cholesky를 이용하여 내부 파라미터를 분해시킨다.

(18)

이로부터 외부 파라미터를 구하여 하기를 얻는다.

(19)

3) 비선형성 최적화

최대 가능성 기준(maximum-likelihood criterion)에 근거하여 파라미터를 최적화시키고 그의 목표 함수는 다음과 같다. (아래 식 오기임

(20)

여기서,

는

점의 투영이고 최적화할 때 LM 최적화 알고리즘을 사용하여 해결할 수 있다.

본 발명의 방법과 장치는 솔라 블라인드 자외 영상법을 사용하여 정박위치에 대한 선박의 위치 정보를 확정하고 차동 GPS법으로 정박 위치에 대한 선박의 자세각을 확정하며 가시도가 매우 낮을 때의 문제를 유효하게 해결할 수 있으며 선박이 물가에 다가갈 때 안전하게 도킹할 수 있도록 한다.

Claims

선박에 하나의 솔라 블라인드 자외 영상화 모듈과 데이터 처리 모듈을 설치하고, 솔라 블라인드 자외 영상화 모듈은 수신한 물가에 기설정된 솔라 블라인드 자외 광원 어레이가 발송한 솔라 블라인드 자외광 신호에 의해 상기 선박과 관련되는 정박 위치와의 위치 관계 정보를 측정하는 것을 포함하는 선박 보조 도킹 방법에 있어서,
1) 관련되는 위성으로부터 상기 선박의 위치 신호를 수신하는데 사용하기 위한 적어도 2개의 GPS 신호 수신 모듈을 설치하고 그 중의 적어도 하나의 GPS 신호 수신 모듈은 상기 선박에 설치되며;
2) 상기 데이터 처리 모듈은 신호 수신 소자를 포함하고, 유선 및/또는 무선의 방식으로 상기 솔라 블라인드 자외 영상화 모듈 및 상기 GPS 신호 수신 모듈과 매칭할 수 있으며 상기 솔라 블라인드 자외 영상화 모듈과 상기 GPS 신호 수신 모듈로부터 선박 위치와 관련되는 데이터를 수신하여 상기 선박 기준점의 좌표치를 계산해 내고 상기 솔라 블라인드 자외 영상화 모듈과 상기 선박에 장착한 GPS 신호 수신 모듈의 위치 데이터에 근거하여 정박 위치 해안선에 대한 상기 선박의 자세각을 확정하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박 보조 도킹 방법.
제1항에 있어서,
위성과 관련되는 위치 고정 신호를 각각 수신하기 위하여 상기 선박에 2개 이상의 GPS 신호 수신 모듈을 장착하고, 선박상의 GPS 신호 수신 모듈의 링크에 의하여 정박 위치 해안선에 대한 상기 선박의 자세각을 확정하는 것을 특징으로 하는 선박 보조 도킹 방법.
제1항에 있어서,
물가에 적어도 하나의 GPS 신호 수신 모듈을 설치하고, 선박상의 각각의 GPS 신호 수신 모듈이 물가에 있는 GPS 신호 수신 모듈과 협동 작업을 진행하여 GPS 차동 시스템을 구성하고, 여기서 물가에 있는 GPS 신호 수신 모듈은 GPS 모국으로 작용하고, 선박상의 GPS 신호 수신 모듈은 GPS 종국으로 작용하며, 상기 GPS 모국을 이용하여 GPS 종국이 선박 위치와 자세각 데이터에 대한 측정 정밀도를 증진시키고, 상기 GPS 모국은 관련되는 위성으로부터 위치 데이터를 수신한 후 데이터 처리 모듈에 직접 발송하여 상기 선박의 위치 데이터를 획득할 수 있으며, 상기 위치 데이터 및 GPS 종국의 위치 데이터 정밀도의 증진에 유리한 기타 데이터를 먼저 적어도 하나의 GPS 종국에 발송한 다음 GPS 종국이 수신된 GPS 위치 수신 데이터를 통합한 후 상기 데이터에 대해 처리한 다음 데이터를 상기 데이터 처리 모듈에 다시 발송하여 상기 선박의 위치 데이터를 획득할 수도 있는 것을 특징으로 하는 선박 보조 도킹 방법.
제3항에 있어서,
상기 GPS 모국은 자신의 위치 데이터를 무선 또는 유선의 방식에 의해 먼저 하나의 발사 포인트까지 발송한 후 다시 해당 발사 포인트로부터 앞 단계와 동일하거나 다른 주파수로 위치 데이터를 상기 GPS 종국에 무선적으로 발송하는 것을 특징으로 하는 선박 보조 도킹 방법.
제2항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 선박에 두 개 이상의 GPS 신호 수신 모듈을 장착하고 데이터 처리 모듈은 상기 솔라 블라인드 자외 영상화 모듈과 상기 선박상의 GPS 신호 수신 모듈이 획득한 N개의 선박 위치 관련 데이터에 대해 표준화 자기상관 처리를 진행하고, 상기 자기상관 처리는 전반적인 오차 분석을 통하여 모든 솔라 블라인드 자외 영상화 모듈과 GPS 신호 수신 모듈로 구성된 검측 시스템의 신뢰도 평균치의 역치 및 각 모듈의 신뢰도 상황을 획득하고 해당 역치를 이용하여 신뢰도가 비교적 낮은 위치 고정 데이터를 여과제거시킴으로써 최종적인 각 모듈의 신뢰도 가중을 얻은 다음 해당 신뢰도 가중을 이용하여 각 모듈에 대해 가중평균을 진행하면 최종의 데이터를 얻을 수 있는 것을 특징으로 하는 선박 보조 도킹 방법.
제5항에 있어서,
상기 솔라 블라인드 자외 영상화 모듈 및 GPS 신호 수신 모듈이 위치한 좌표치를 x, y 및 z로 표시하고, 벡터
로 N그룹의 검측 서브 시스템으로부터 반환된 N그룹의 경각도와 공간 변환 후의 위치 고정 데이터 중의 제i그룹의 위치 고정 데이터를 표시하며, 여기서, i=1, 2, 3，…，N; N＝GPS신호 수신 모듈의 개수+1이고; 상기 경각도와 공간 변환 후의 위치 고정 데이터를 획득하는 방법은 모든 솔라 블라인드 자외 영상화 모듈과 GPS 신호 수신 모듈의 상대적 위치와 선박 자세각을 이미 알고 있는 상황하에서 공간 위치 관계와 공간 기하 변환을 이용하여 상이한 측정 모듈에 대한 위치 측정 데이터를 동일한 측정 모듈에 대한 위치 측정 데이터로 전환시키는 것이고; 데이터 처리 모듈이 표준화 자기상관 처리를 진행함에 있어서 구체적인 단계는 다음과 같으며;
표준화 상관계수 NCC를 사용하여 N그룹의 검측 서브 시스템이 위치 고정 데이터를 반환하는 신뢰도를 표시하고,

(1)
j=1, 2, 3，…，N이고;
하나의 모든 솔라 블라인드 자외 영상화 모듈과 GPS 신호 수신 모듈로 구성된 검측 시스템의 신뢰도 평균치의 역치 G를 설정하고 해당 역치 G에 의해 NCC가 비교적 낮은 위치 고정 데이터를 여과제거시킴으로써 최종적인 시스템 신뢰도 가중
를 얻으며 그 표현식은 하기 (2)와 같으며;

(2)
이로부터 선박 위치와 관련되는 최종의 매칭 위치 고정 데이터를 얻으며;

(3)
상기 N-1개의 GPS 신호 수신 모듈의 매칭 후의 좌표치에 근거하여 매칭 후의 선박 자세각 데이터를 계산해 내는 것을 특징으로 하는 선박 보조 도킹 방법.
제2항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 데이터 처리 모듈은 데이터 융합법을 사용하여 위치 고정 데이터 또는 자세각 데이터를 각각 통합시키고 상기 데이터 융합법은 구체적으로 다음 단계를 포함하며;
단계 1: 통합된 데이터가 위치 고정 데이터인 경우, 벡터
로 N그룹의 검측 서브 시스템으로부터 반환된 N그룹의 경각도와 공간 변환 후의 위치 고정 데이터를 표시하며, 여기서, i=1, 2, 3，…，N이고; 상기 경각도와 공간 변환 후의 위치 고정 데이터를 획득하는 방법은 모든 솔라 블라인드 자외 영상화 모듈과 GPS 신호 수신 모듈의 상대적 위치와 선박 자세각을 이미 알고 있는 상황하에서 공간 위치 관계와 공간 기하 변환을 이용하여 상이한 측정 모듈에 대한 위치 측정 데이터를 동일한 측정 모듈에 대한 위치 측정 데이터로 전환시키는 것이고;
a) 각 검측 서브 시스템 측정 데이터가 실제로 계산해 낸 오차의 제곱 평균 제곱근 rmse를 사용하여 각각의 서브 시스템 반환 데이터의 신뢰도를 판정하고 각 서브 시스템 측정 데이터의 오차의 제곱 평균 제곱근을 계산하는 공식은 다음과 같으며;

(4)
여기서, rmse는 오차의 제곱 평균 제곱근(root mean square error)을 표시하고,
는 i시각에서 각 측정 서브 시스템이 X축 좌표에서의 측정 데이터를 표시하며,
는 i시각에서
데이터에 대한 여파값을 표시하고, n은 측정 데이터의 총수, 즉 서브 시스템의 개수를 표시하며 i시각의 여파치는 칼만 필터 방법에 의해 획득하며;
b) 분단법으로 무게값(weight)을 확정하고 곡선 맞춤을 통하여 무게값의 분배를 진행하며;

(5)
여기서, ω는 무게값이고, 파라미터 b는 outliers을 판단하는 최소한도이며, 파라미터 a는 유효 데이터와 이용할 수 있는 수치의 한계값이며, 오차가 b보다 클 때 outliers로 인정하고 대응되는 무게값은 0이며 오차가 a보다 작을 때 유효치로 인정하고, 대응되는 무게값은 1이며, 중간의 이용할 수 있는 값의 무게값은 곡선y=f(x)에 따라 제공되며, f(x)는 반드시 하기 조건을 충족해야 하며, a,b)구간에서 오차가 커짐에 따라 신속히 감소되며 f(x)가 사용하는 표현식은 다음과 같으며;

(6)
여기서, μ와 σ는 각각 가우스 분포의 평균치와 분산이며, 가우스 곡선이 x>μ의 영역에서 감소함수의 특성을 나타내므로 여기서 μ=0을 취하고 실제상 사용한 것은 하프 가우스 곡선이며 표현식은 추가적으로 하기로 변환되며;

(7)
3σ법칙에 의해 σ값을 제공하고 가우스 곡선을 통하여 무게값의 분배를 매칭시키는 방법은 하기 식에 의해 얻을 수 있으며;

(8)
또한,
이고, 여기서
는 k시각에서 제i개 시스템의 오차의 제곱 평균 제곱근이고，는 k시각에서의 제i개 시스템의 무게값을 표시하며;
c) 최종 데이터의 융합 결과는 다음과 같으며;

(9)
여기서,
는 k시각의 융합치이고,
는 각 서브 시스템이 k시각에서 얻은 측정 데이터를 표시하며;
d) 상기의 단계 a) 내지 단계 c)와 동일한 방법으로 Y축 좌표치 y 및 Z축 좌표치 z의 데이터 융합 최종 결과를 계산해 내며;
단계 2: 통합된 데이터가 자세각 데이터인 경우, 벡터
로 N개의 측정 서브 시스템으로부터 반환된 N그룹의 자세각 데이터를 표시하고, 여기서 i=1, 2, 3，…，N이고, 다음에 단계 1과 동일한 방법을 사용하여 통합 후의 자세각 데이터를 계산해 내는 것을 특징으로 하는 선박 보조 도킹 방법.
제2항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 데이터 처리 모듈은 데이터 융합법을 사용하여 각각 위치 고정 데이터 또는 자세각 데이터를 통합하는데 사용되며 상기 데이터 융합법은 구체적으로 다음 단계를 포함하며;
단계 1: 통합된 데이터가 위치 고정 데이터인 경우, 벡터
로 N그룹의 검측 서브 시스템으로부터 반환된 N그룹의 경각도와 공간 변환 후의 위치 고정 데이터를 표시하며, 여기서, i=1, 2, 3，…，N; 상기 경각도와 공간 변환 후의 위치 고정 데이터를 획득하는 방법은 모든 솔라 블라인드 자외 영상화 모듈과 GPS 신호 수신 모듈의 상대적 위치와 선박 자세각을 이미 알고 있는 상황하에서 공간 위치 관계와 공간 기하 변환을 이용하여 상이한 측정 모듈에 대한 위치 측정 데이터를 동일한 측정 모듈에 대한 위치 측정 데이터로 전환시키는 것이고;
a) 위치 고정 데이터 중의 각 좌표 서열의 표준편차를 계산해 내고 N그룹의 검측 서브 시스템으로부터 반환된 N그룹의 위치 고정 데이터 중의 각 좌표 서열의 표준편차를 계산함으로써 N그룹 데이터 중 매 좌표 서열 중의 아웃라이어 데이터를 판정하는 의거로 하며 상기 좌표 서열의 표준편차는 다음과 같으며;

(10)
여기서, index∈(x,y,z)이면
는 N그룹의 데이터 중 각 좌표 서열의 표준편차를 표시하고,
는 N그룹의 측정한 데이터를 표시하며, 매 그룹이 좌표치(x, y, z)를 포함하고,
는 N그룹 데이터의 평균치를 표시하며, 즉 각 좌표 서열 평균치로 구성된 하나의 1차원 벡터이며;
b) 계산해 낸 표준편차에 의해 매 좌표 서열 중의 아웃라이어 데이터를 획득하고 아웃라이어 데이터의 판정은 하기 식에 의해 획득할 수 있고;

(11)
여기서, outliters는 획득한 아웃라이어 데이터를 표시하고, x, y 및 z로 구성된 한 그룹의 좌표 데이터에서 그 중의 하나의 좌표치가 그가 위치한 서열 중에서 아웃라이어 데이터로 판정되면 해당 그룹의 좌표치는 N그룹의 좌표 데이터 중의 아웃라이어 데이터로 판정되며, c는 constant coefficient이고 실험 경험과 필요에 따라 정해지며 해당 상수를 하기와 같은 확정 방법에 따라 확정할 수 있으며, 즉 대량의 테스트를 통하여 테스트값의 파동 범위를 판단하고 테스트값의 평균치를 중심으로 하는 하나의 대칭 범위를 취하여 대량적으로 나타난 불합리한 포인트를 해당 범위 밖에 존재하도록 하며 해당 범위 길이의 절반이 바로 C이고;
c) 아웃라이어 데이터를 N그룹의 원시 측정 데이터로부터 제거하면 새로운 위치 고정 데이터 서열을 얻게 되며, 이를
로 칭하며, 차원수는
이고, 다음으로
에 대해 동일 평균을 진행하고, 데이터 융합을 거쳐 다음과 같은 최종의 융합 데이터를 얻으며;

(12)
여기서,
는 데이터 융합 후의 최종의 위치 고정 데이터이고;
d) 상기의 단계 a) 내지 단계 c)와 동일한 방법으로 Y축 좌표치 y 및 Z축 좌표치 z의 데이터 융합 최종 결과를 계산해 내며;
단계 2: 통합된 데이터가 자세각 데이터인 경우, 벡터
로 N개의 측정 서브 시스템으로부터 반환된 N그룹의 자세각 데이터를 표시하고, 여기서 i=1, 2, 3，…，N이고, 다음에 단계 1과 동일한 방법을 사용하여 통합 후의 자세각 데이터를 계산해 내는 것을 특징으로 하는 선박 보조 도킹 방법.
제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서,
측정하기 전에 먼저 솔라 블라인드 자외 영상화 모듈을 표준화(standardization)시키고 상기 솔라 블라인드 자외 영상화 모듈의 측정과 관련되는 광전자 파라미터를 확정하는 것을 특징으로 하는 선박 보조 도킹 방법.
제9항에 있어서,
상기 솔라 블라인드 자외 영상화 모듈의 측정과 관련되는 광전자 파라미터는 x축과 y축 방향에서 화소를 단위로 하는 초점거리
, 상평면 위의 기준점 위치
및 x축과 y축 방향에서의 반경 방향 왜율
를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박 보조 도킹 방법.
제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서,
선박의 동력 제어 시스템은 데이터 처리 모듈로부터 전송한 상기 솔라 블라인드 자외 광원 어레이의 도킹 거리 신호를 수신하고 이에 근거하여 선박의 자세를 조정하여 도킹하는 것을 특징으로 하는 선박 보조 도킹 방법.
선박에 설치되고 수신한 물가에 기설정된 솔라 블라인드 자외 광원 어레이의 솔라 블라인드 자외광 신호에 의해 상기 선박과 관련되는 정박 위치와의 위치 관계 정보를 측정하는 하나의 솔라 블라인드 자외 영상화 모듈; 및 상기 솔라 블라인드 자외 영상화 모듈과 전기적으로 연결되고 상기 솔라 블라인드 자외 영상화 모듈의 수신 데이터를 처리하여 상기 선박의 좌표를 획득하는 하나의 데이터 처리 모듈을 포함하는 선박 보조 도킹 시스템에 있어서,
적어도 2개의 GPS 신호 수신 모듈을 더 포함하고, 그 중의 적어도 하나의 GPS 신호 수신 모듈은 상기 선박에 장착되며 각 GPS 신호 수신 모듈은 관련되는 위성으로부터 위치 고정 신호를 수신하는 위성 신호 수신 부분 및 상기 수신된 위성 신호를 상기 데이터 처리 모듈까지 전송시키는 신호 전송 부분을 포함하며, 상기 데이터 처리 모듈과 상기 GPS 신호 수신 모듈은 전기적으로 연결되고 GPS 신호 수신 모듈이 관련되는 위성으로부터 수신한 위치 고정 데이터를 처리하고, 이에 근거하여 상기 선박의 자세각을 확정하는
것을 특징으로 하는 선박 보조 도킹 시스템.
제12항에 있어서,
상기 선박에 장착된 GPS 신호 수신 모듈과 물가에 설치된 GPS 신호 수신 모듈이 협동 작업하여 GPS 차동 시스템을 구성하고 여기서 물가에 있는 GPS 신호 수신 모듈은 GPS 모국으로 작용하고 선박상의 GPS 신호 수신 모듈은 GPS 종국으로 작용하며, 상기 GPS 종국은 관련되는 위성으로부터 자신의 위치 데이터를 수신하고 상기 GPS 모국으로부터 상기 GPS 모국의 위치 데이터 및 GPS 종국 위치 데이터의 정밀도를 증진하는데 유리한 기타의 데이터를 수신하고 이 데이터들에 대헤 처리하거나 이 데이터들을 상기 데이터 처리 모듈에 발송하여 처리를 진행하여 상기 선박의 위치와 자세각 데이터를 획득하는 것을 특징으로 하는 선박 보조 도킹 시스템.
제13항에 있어서,
모든 GPS신호 수신 모듈은 모두 상기 선박에 장착되는 것을 특징으로 하는 선박 보조 도킹 시스템.
제14항에 있어서,
상기 데이터 처리 모듈은 표준화 자기상관 알고리즘을 사용하여 상기 솔라 블라인드 자외 영상화 모듈 및 GPS 신호 수신 모듈에 의해 얻은 좌표치에 대해 통합처리하고, x, y 및 z로 솔라 블라인드 자외 영상화 모듈 및 두 개의 GPS 신호 수신 모듈이 위치한 위치의 3축 좌표를 각각 표시하고, 벡터
로 N그룹의 검측 서브 시스템으로부터 반환된 N그룹의 경각도와 공간 변환 후의 위치 고정 데이터 중의 제i그룹의 위치 고정 데이터를 표시하며, 여기서, i=1, 2, 3，…，N; N＝GPS 신호 수신 모듈의 개수+1이고; 상기 경각도와 공간 변환 후의 위치 고정 데이터를 획득하는 방법은 모든 솔라 블라인드 자외 영상화 모듈과 GPS 신호 수신 모듈의 상대적 위치와 선박 자세각을 이미 알고 있는 상황하에서 공간 위치 관계와 공간 기하 변환을 이용하여 상이한 측정 모듈에 대한 위치 측정 데이터를 동일한 측정 모듈에 대한 위치 측정 데이터로 전환시키는 것이고; 데이터 처리 모듈이 표준화 자기상관 처리를 진행함에 있어서 구체적인 단계는 다음과 같으며;
표준화 상관계수 NCC를 사용하여 N그룹의 검측 서브 시스템이 위치 고정 데이터를 반환하는 신뢰도를 표시하고,

(13)
j=1, 2, 3，…，N;
하나의 모든 솔라 블라인드 자외 영상화 모듈과 GPS 신호 수신 모듈로 구성된 검측 시스템의 신뢰도 평균치의 역치 G를 설정하고 해당 역치 G에 의해 NCC가 비교적 낮은 위치 고정 데이터를 여과제거시킴으로써 최종적인 시스템 신뢰도 가중
를 얻으며 그 표현식은 하기 (14)와 같으며;

(14)
이로부터 선박 위치와 관련되는 최종의 매칭 위치 고정 데이터를 얻으며;

(15)
상기 N-1개의 GPS 신호 수신 모듈의 매칭 후의 좌표치에 근거하여 매칭 후의 선박 자세각 데이터를 계산해 내는 것을 특징으로 하는 선박 보조 도킹 시스템.
제14항에 있어서,
상기 데이터 처리 모듈은 데이터 융합법을 사용하여 상기 GPS 신호 수신 모듈이 수신된 좌표 데이터에 대해 통합처리를 진행하거나 또는 상기 GPS 신호 수신 모듈이 측정한 좌표 데이터와 상기 솔라 블라인드 자외 영상화 모듈이 측정한 좌표 데이터에 대해 통합처리를 진행하거나 또는 상기 GPS 신호 수신 모듈이 수신한 자세각 데이터에 대해 통합처리를 진행하고 상기 데이터 융합법은 구체적으로 다음 단계를 포함하며;
단계 1: 통합된 데이터가 위치 고정 데이터인 경우, 벡터
로 N그룹의 검측 서브 시스템으로부터 반환된 N그룹의 경각도와 공간 변환 후의 위치 고정 데이터를 표시하며, 여기서, i=1, 2, 3，…，N이고; 상기 경각도와 공간 변환 후의 위치 고정 데이터를 획득하는 방법은 모든 솔라 블라인드 자외 영상화 모듈과 GPS 신호 수신 모듈의 상대적 위치와 선박 자세각을 이미 알고 있는 상황하에서 공간 위치 관계와 공간 기하 변환을 이용하여 상이한 측정 모듈에 대한 위치 측정 데이터를 동일한 측정 모듈에 대한 위치 측정 데이터로 전환시키는 것이고;
a) 각 검측 서브 시스템 측정 데이터가 실제로 계산해 낸 오차의 제곱 평균 제곱근rmse를 사용하여 각각의 서브 시스템 반환 데이터의 신뢰도를 판정하고 각 서브 시스템 측정 데이터의 오차의 제곱 평균 제곱근을 계산하는 공식은 다음과 같으며;

(16)
여기서, rmse는 오차의 제곱 평균 제곱근(root mean square error)을 표시하고,
는 i시각에서 각 측정 서브 시스템이 X축 좌표에서의 측정 데이터를 표시하며,
는 i시각에서
데이터에 대한 여파값을 표시하고, n은 측정 데이터의 총수, 즉 서브 시스템의 개수를 표시하며 i시각의 여파치는 칼만 필터 방법에 의해 획득하며;
b) 분단법으로 무게값(weight)을 확정하고 곡선 맞춤을 통하여 무게값의 분배를 진행하며;

(17)
여기서, ω는 무게값이고, 파라미터 b는 outliers을 판단하는 최소한도이며, 파라미터 a는 유효 데이터와 이용할 수 있는 수치의 한계값이며, 오차가 b보다 클 때 outliers로 인정하고 대응되는 무게값은 0이며, 오차가 a보다 작을 때 유효치로 인정하고, 대응되는 무게값은 1이며, 중간의 이용할 수 있는 값의 무게값은 곡선 y=f(x)에 따라 제공되며, f(x)는 반드시 하기 조건을 충족해야 하며, (a, b) 구간에서 오차가 커짐에 따라 신속히 감소되며, f(x)가 사용하는 표현식은 다음과 같으며;

(18)
여기서, μ와 σ는 각각 가우스 분포의 평균치와 분산이며, 가우스 곡선이 x>μ의 영역에서 감소함수의 특성을 나타내므로 여기서 μ=0을 취하고 실제상 사용한 것은 하프 가우스 곡선이며 표현식은 추가적으로 하기로 변환되며;

(19)
3σ법칙에 의해 σ값을 제공하고 가우스 곡선을 통하여 무게값의 분배를 매칭시키는 방법은 하기 식에 의해 얻을 수 있으며;

(20)
또한,
이고, 여기서
는 k시각에서 제i개 시스템의 오차의 제곱 평균 제곱근이고，
는 k시각에서의 제i개 시스템의 무게값을 표시하며;
c)최종 데이터의 융합 결과는 다음과 같으며;

(21)
여기서,
는 k시각의 융합치이고,
는 각 서브 시스템이 k시각에서 얻은 측정 데이터를 표시하며;
d)상기의 단계 a) 내지 단계 c)와 동일한 방법으로 Y축 좌표치 y 및 Z축 좌표치 z의 데이터 융합 최종 결과를 계산해 내며;
단계 2: 통합된 데이터가 자세각 데이터인 경우, 벡터
로 N개의 측정 서브 시스템으로부터 반환된 N그룹의 자세각 데이터를 표시하고, 여기서 i=1, 2, 3，…，N이고, 다음에 단계 1과 동일한 방법을 사용하여 통합 후의 자세각 데이터를 계산해 내는 것을 특징으로 하는 선박 보조 도킹 시스템.
제13항 내지 제16항 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 선박의 동력 제어 시스템은 데이터 처리 모듈로부터 전송한 상기 솔라 블라인드 자외 광원 어레이의 도킹 거리 신호를 수신하고 이에 근거하여 선박의 자세를 조정하여 도킹하는 것을 특징으로 하는 선박 보조 도킹 시스템.