WO2020009256A1 - 3차원 기울기 감지장치 및 이를 통한 기울기 감지 방법 - Google Patents

3차원 기울기 감지장치 및 이를 통한 기울기 감지 방법 Download PDF

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WO2020009256A1
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    • G01C2009/066—Electric or photoelectric indication or reading means optical

Definitions

  • the present invention relates to a sensing device for using the azimuth and altitude of the sun in sensing the tilt of the device in a three-dimensional space, and a method for detecting a three-dimensional tilt, such as an antenna installed therethrough.
  • Mobile communication base station antennas are densely installed to enable efficient communication within a desired area. These antennas are designed in advance so that the direction the azimuth (azimuth angle) is directed so as to be directional and to cover the intended area.
  • the antenna is installed high using a pillar, etc., it is required to be installed at an angle (tilt) to some extent bowed toward the ground.
  • a plurality of antennas are installed radially around a support stand on a high mountain, and each antenna is properly tilted according to the area covered by the antenna built on the other support, thereby providing communication service for the area to be covered by design. It can be provided.
  • Knowing the azimuth and tilt of an already installed antenna is very important for antenna maintenance.
  • the angle of the antenna may deviate from the original intention due to various reasons such as the error of the angle at the time of initial installation, the aging of the supporting structure supporting the antenna, and the continuous exposure of the external environment such as a typhoon. This leads to poor service quality.
  • the operator In order to reconfirm the installation angle of the antenna, the operator has to approach the antenna with a separate angle measuring device, etc. Usually, access to the antenna installed at a high position is dangerous and high and inefficient.
  • the present invention enables to obtain a three-dimensional inclination angle for the equipment such as the antenna by using sunlight, so that it is possible to immediately check whether the current orientation of the equipment meets the intended design, maintenance of the equipment To improve the convenience of.
  • the present invention is an embodiment, a structure providing a spherical surface, a plurality of optical sensors installed on the spherical surface of the structure to look at each other, measuring the amount of sunlight, each of the optical sensors
  • An optical sensor receiver for receiving output information of a light source, a time providing unit for providing calendar information on a date and time when the output information is received, and analyzing the incident angle of sunlight from the collected output information, and analyzing the incident angle of the sunlight
  • the present invention provides a tilt detection apparatus including a calculator configured to calculate a horizontal coordinate system from the calendar information and the sun trajectory equation, and calculate three-dimensional tilt information of a current position in comparison with the horizontal coordinate system.
  • it may include a gravity sensor installed in the structure and detecting a horizontal plane (X-Y plane), and in this embodiment, tilt information may be calculated even while moving.
  • the communication unit may include a communication unit for communicating with a management server located at a remote location, and the communication information transmitted from the communication unit to the server may include the 3D inclination information.
  • the time providing unit may be a GPS module.
  • the structure may have a geodesic dome shape and may be concave.
  • the structure is larger than the hemisphere and made of a spherical shape of a portion removed, it may further include a support for supporting the structure.
  • it may include a screen wall which is erected from the surface of the structure in the normal direction at the intermediate distance point of the neighboring light sensors and casts a shadow on some light sensors according to the incident angle of sunlight.
  • the structure may be installed to be exposed to the upper end of the antenna equipment in a state protected by a transparent protective film.
  • a tilt detection method including calculating tilt information is provided.
  • calculating the projection vector by projecting the incident vector on a horizontal plane (XY plane) on the horizontal coordinate system, on the horizontal plane (XY plane), incident angle information of sunlight on the horizontal coordinate system Computing the true north direction (Y axis) by reflecting the azimuth angle of the sunlight obtained through and the axis (Z axis) perpendicular to the horizontal plane (XY plane) and perpendicular to the axis (Y axis) pointing to the true north direction Computing the axis (X axis), it may include the step of calculating the horizontal coordinate system.
  • an incident vector L_t1 with respect to the incident direction of sunlight based on the local coordinate system is calculated from the light quantity data of the sunlight measured from the respective light sensors.
  • the calculating of the horizontal plane (XY plane), the height of each of the incident vectors, the altitude of the sunlight at the same time as the incident vector is the angle between the height and the mother line, the vertex Calculating two imaginary cones placed at the centrifugal of the local coordinate system, calculating a tangent tangent to two circles forming the bottom of each cone, a pair of planes containing the centrifugal of the local coordinate system, and And determining one of the pair of planes as the horizontal plane (XY plane) of the horizontal coordinate system according to the temporal posterior relationship of the two cones and whether the current position is the southern or northern hemisphere.
  • the step of calculating the incidence vector is installed in a different direction on the spherical surface, and collects the output information including the light quantity data and the ID of the light sensor from a plurality of optical sensors for measuring the amount of sunlight light And arranging the output information according to the amount of light quantity data, selecting output information of several upper values according to a preset criterion, and calculating the incident direction of sunlight through the selected output information, and calculating the unit vector. It may include the step of calculating the incident vector in terms of.
  • the tilt detection method may be applied to a mobile communication antenna.
  • the tilt angle and the azimuth angle with respect to the horizontal coordinate system of the antenna may be calculated after correcting the tilt in the width direction of the antenna.
  • the three-dimensional inclination information may be transmitted to the management server through the communication, it is possible to build a remote management system.
  • the present invention it is possible to easily determine whether or not equipment such as a mobile communication antenna installed in a place where it is difficult to adjoin or high installed.
  • equipment such as a mobile communication antenna installed in a place where it is difficult to adjoin or high installed.
  • solar light it is possible to provide a reliable measurement result by reducing the effect on the cause of error compared to the existing geomagnetic sensor, etc., it is possible to provide a sensing device at a low cost.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a state of use of the three-dimensional tilt detection apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing a horizontal coordinate system and a local coordinate system according to the embodiment shown in FIG.
  • Figure 3 is a block diagram showing a brief configuration of a three-dimensional tilt detection apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is a perspective view showing the arrangement of the optical sensors employed in the three-dimensional tilt detection apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 5 is a simplified view showing the state of use of the sensing device according to an embodiment of the present invention, (a) is a cross-sectional view, (b) is an exploded view of a portion.
  • Figure 6 is a perspective view showing a three-dimensional tilt detection device having a different structure in the embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a conceptual diagram illustrating a state in which a three-dimensional tilt detection apparatus according to an embodiment of the present invention receives sunlight in a high latitude region.
  • FIG. 8 is related to a three-dimensional tilt detection apparatus according to another embodiment of the present invention, (a) is a perspective view, (b) is a cross-sectional view showing a state of use.
  • FIG. 9 is a schematic flowchart of a tilt detection method according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a detailed flowchart of a step of calculating an incident vector of sunlight in the first embodiment of FIG. 9;
  • FIG. 11 is a detailed flowchart of calculating a horizontal coordinate system in the first embodiment of FIG. 9; FIG.
  • FIG. 12 is a view related to a calculation process of a horizontal plane through a gravity sensor in the first embodiment of FIG. 9;
  • FIG. 13 and 14 are views related to a process of calculating a horizontal coordinate system in the first embodiment of FIG. 7.
  • FIG. 15 is a schematic flowchart of a tilt detection method according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 is a view related to a process of calculating a horizontal plane in the second embodiment of FIG. 13;
  • FIG. 17 is a view related to the determining process of the horizontal coordinate system in the second embodiment of FIG.
  • the 'horizontal coordinate system' is a coordinate system originally used to represent the position of celestial bodies in earth science.
  • the horizontal coordinate system is used as a reference coordinate system for determining the tilt of the device.
  • the three axes of the horizontal coordinate system are referred to as 'X axis', 'Y axis' and 'Z axis' respectively.
  • the true north direction N coincides with the Y axis direction.
  • 'Local coordinate system' means a coordinate system of the tilt detection device.
  • the tilt detection device has a three-dimensional axis perpendicular to each other.
  • the three axes of this local coordinate system are referred to as the X 'axis, the Y' axis, and the Z 'axis.
  • the positional relationship between a plurality of components provided in the tilt detection device that is, an optical sensor, a gravity sensor, a time providing unit, etc. is determined by manufacturing according to the design.
  • the positional relationship of these components is determined by a specific coordinate value on the local coordinate system. This particular left pointer value is fixed and stored in a memory or the like.
  • the sun's trajectory gives the sun's trajectory in the horizontal coordinate system in azimuth and elevation.
  • the observation position (latitude), date and time are input to calculate the sun's azimuth and altitude.
  • These solar trajectories are already open and widely used, for example, the University of Kansas-Lincoln Department of Astronomy and Education (http://astro.unl.edu/naap/motion3/motion3.html) and the US National Maritime and Air Station site (https: //www.esrl.noaa.gov/gmd/grad/solcalc/) can be used to obtain information and programs related to solar trajectories.
  • 'tilt information' provides a three-dimensional tilt angle of a tilt detection device, that is, a device in which a tilt detection device is installed on a horizontal coordinate system.
  • the tilt information includes at least 'azimuth', 'altitude' and 'roll angle'.
  • the azimuth angle is an angle A rotated clockwise from the true north direction (Y axis) to the Y 'axis of the local coordinate system on a horizontal plane (X-Y plane) of the horizontal coordinate system.
  • 'Altitude' is the angle h towards the Z axis from the horizontal plane (X-Y plane).
  • the 'roll angle' is the angle r rotated in the X'-Z 'plane of the local coordinate system with the Y' axis as the rotation axis.
  • a polar coordinate system or a rectangular coordinate system may be used as necessary. Switching between these coordinate systems is as known.
  • An inclination detection apparatus is mounted on and used in a device and provides three-dimensional inclination information (or described as 'tilt information') of the device.
  • Equipment for obtaining the slope information is a mobile communication antenna equipment (101).
  • the tilt detection device may be used for various devices having a reason for measuring the tilt.
  • the tilt detection apparatus will be described mainly for being installed in the antenna equipment.
  • Mobile communication antenna equipment 101 is installed on the strut 102 erected from the ground.
  • the antenna equipment 101 has a local coordinate system X'Y'Z '. Referring to FIG. 2A, the front surface of the antenna equipment 101 is referred to as the Y 'axis, and the up and down direction of the antenna equipment 101 is referred to as the Z' axis.
  • the antenna equipment 101 is set to be installed at a specific azimuth angle A0 and a specific tilt angle t0, and the roll angle is mainly set to 0 degrees.
  • a plurality of antennas may be radially installed on the post.
  • the tilt device 100 is installed in the antenna equipment 101.
  • the tilt detection device uses sunlight, and is provided at the upper end of the antenna equipment 101 to be advantageous in receiving sunlight.
  • the light-receiving part is exposed to the top of the antenna equipment, so that it can be configured to receive the sunlight in the widest possible direction.
  • the tilt detection device 100 is installed in the antenna device 101, and is coupled with the antenna device 101, so that the tilt detection device 100 and the antenna device 101 share the same local coordinate system X'Y'Z '. Can be used. That is, if the direction of the tilt detection device 100 is determined on the horizontal coordinate system, it may be used as the direction toward the antenna equipment 101.
  • Antenna equipment is distributed in large numbers in a large area where a mobile communication service is provided. To ensure adequate service area, antenna equipment is installed at the highest possible location, such as on top of a mountain or on the roof of a building.
  • the inclination information of the antenna equipments may be transmitted to the management server 103 located at a remote place through a network for convenience of management. In this case, the transmission of the inclination information to the management server 103 may use a wireless network, or use the communication protocol built in the antenna equipment for mobile communication to communicate via the antenna.
  • the management server 103 can obtain the inclination information of each device from a large number of antenna equipment, and can perform the soundness evaluation against the intended installation direction of the antenna equipment.
  • the tilt information of the antenna equipment in charge of the corresponding zone can be treated as one of the causes of failure.
  • the vector K is a vector indicating a designed installation direction of the antenna equipment.
  • the vector K is changed to the vector Y 'as the azimuth increase value d_A, the altitude increase value d_h, and the roll angle increase value d_r are reflected on the horizontal coordinate system.
  • the azimuth angle increase value d_A, the altitude increase value d_h, and the roll angle increase value d_r according to the comparison between the vector K and the vector Y 'indicating the installation direction according to the design may be calculated by the management server.
  • the azimuth increase value d_A, the altitude increase value d_h, and the roll angle increase value d_r may be calculated in the tilt detection device.
  • 3 to 5 are related to the tilt detection device according to an embodiment of the present invention.
  • An inclination detection apparatus includes a structure, a plurality of light sensors, a light sensor receiver, a time provider, a gravity sensor, and a calculator.
  • the additional configuration may include a communication unit.
  • the structure 1 provides a spherical surface of a hemispherical shape or a shape close to the sphere beyond the hemisphere.
  • the spherical surface may be formed of a curved surface or manufactured in a geodesic dome shape.
  • the structure may use only a portion of the bulb, taking into account the trajectory of the sun.
  • the plurality of optical sensors 2 are installed in different directions on the spherical surface provided by the structure.
  • the photosensor 2 may be used a variety of photosensors that can measure the amount of light.
  • a variety of energy sources e.g. ultraviolet light
  • the light sensor 2 outputs light quantity data of the received light, and the plurality of light sensors are corrected to make the same output for the same light quantity.
  • the structure 1 may be a geodesic dome shape, and the optical sensor 2 may be provided at the center of each surface.
  • the normal 22 perpendicular to the light receiving surface 21 of the optical sensor 2 provided on the surface is centered on the center 11 of the structure 1.
  • FIG. 5A shows a plurality of optical sensors 2 fixed at equal intervals in a virtual sphere.
  • the normal 22 of the light receiving surface 21 of each optical sensor 2 is provided similarly to the normal of a spherical surface.
  • the normal direction of the optical sensor having the maximum output value can be regarded as the same as the incident direction of sunlight. It is desirable to use as many optical sensors as possible to improve the resolution.
  • the number of optical sensors provided in consideration of the size, cost, calculation burden, etc. of the tilt detection device may be limited to an appropriate number. As the number of installations decreases, security of resolution can be solved using analysis algorithms. This will be described later.
  • the optical sensor receiver provides an interface for receiving output information from a plurality of optical sensors.
  • the output information includes an ID of the optical sensor and a measured output value.
  • the time providing unit provides calendar information on the date and time when the output information is received from the optical sensor. This calendar information is used as a parameter to substitute for the sun trajectory.
  • the time provider may be a network clock receiver, a wireless time synchronization extraction module, or a GPS module to be described later.
  • the calendar information can be obtained through the data communication network.
  • a network clock is sent from a time synchronization server (for example, an NPT server)
  • the calendar information is received and used to extract time information, or the time information is extracted by demodulating a mobile communication signal. How to do it.
  • the time providing unit may use a GPS module.
  • the GPS module may receive calendar information from the satellite. Furthermore, you can get geographic data (latitude or longitude) about your current location. In particular, when the GPS module is provided, there is an advantage in that the inclination information of the movable equipment can be obtained.
  • the time providing unit can be omitted.
  • the calculator may calculate an incident angle of sunlight, calculate a horizontal coordinate system, and tilt information.
  • the computing unit may include components included in a general computing device such as CPU, cache, and the like.
  • the gravity sensor 3 may be installed inside the structure 1 and detects the direction of gravity.
  • the plane perpendicular to this direction of gravity can be defined as the horizontal plane (X-Y plane) on the horizontal coordinate system.
  • the gravity sensor 3 may be installed in accordance with the center 11 of the structure (1).
  • the upper surface of the gravity sensor 3 can be aligned in parallel with the horizontal of the structure 1, and the installation direction of the gravity sensor 3 can be aligned with the X axis or the Y axis of the local coordinate system.
  • the installation position of such a gravity sensor allows to use it as it is without further correction to the output value of the gravity sensor 3, similarly to setting the installation angle of the optical sensors to the center of the structure.
  • the gravity sensor is installed inside the structure, but may be installed at a position slightly off the center of the structure. Specifically, while being installed on the X'-Y 'plane of the local coordinate system of the structure, the vertical axis of the gravity sensor may be installed parallel to the Z' axis of the structure.
  • the gravity sensor 3 detects the direction in which gravity acts, and calculates this as a left value on the local coordinate system ((x1, y1, z1), see Gravity vector in FIG. 12).
  • Many of these gravity sensors are publicly available, such as the ADXL345 model from ANALOG DEVICES.
  • the gravity sensor may be omitted.
  • the curved surface of the structure can be formed concave.
  • the geodesic dome may be engraved to adopt a concave polygonal structure.
  • the communication unit provides an interface for connecting to the network.
  • the detailed configuration of the communication unit may be the same as that known in the art, and the communication unit is provided to enable communication with a management server located at a remote location.
  • the communication unit may transmit the three-dimensional inclination information obtained through the operation unit to the management server.
  • necessary data such as a measurement start command for generating tilt information, calendar information, location information (longitude or latitude), and a sun trajectory program can be received from the management server.
  • the communication unit may be configured only for transmission, and in this case, the above-described measurement start command, calendar information, location information (longitude or latitude), a sun trajectory program, or the like may be stored in advance in a memory in the tilt detection device, or may be timed. It can be acquired in the sensing device through study, GPS module, etc.
  • the protective film 4 may further include a protective film 4 for covering the structure (1) spaced apart.
  • the protective film 4 may be made of a material capable of smooth light transmission, and an antifouling coating may be performed on the surface to reduce contamination.
  • the material of the light-transmitting material and the antifouling coating is sufficient to be able to wash down the pollutant by rain water, and some of the many well-known techniques already developed can be selected and applied.
  • 6 and 7 relate to a tilt detection device of the type in which the structure provides a spherical surface having a shape close to the sphere beyond the hemisphere or more.
  • the structure has a shape in which a part is cut off and a region in which two perpendicular planes meet in the entire sphere is removed.
  • the structure is supported by the support.
  • the support has a hexahedron shape and is coupled to the cut portion of the structure to support the structure, and a space is formed therein, such that various components such as a time providing unit and a calculating unit may be installed.
  • the structure may be in a range larger than the hemispherical shape and smaller than the overall sphere shape, and the support may have a flat surface to facilitate mounting at the top of the antenna equipment.
  • FIG. 7 shows a state in which an antenna is installed at a high latitude and an antenna surface is inclined at about 45 ° facing north. As the antenna is installed at an angle, the structure placed on the antenna is also inclined by the degree of inclination of the antenna.
  • the structure of a hemisphere is not sufficient to measure the direction of the sun by mounting on an inclined object (antenna) irrespective of region on earth. If the hemispherical structure is to be used, a separate drive unit is required to move the structure properly to detect sunlight.
  • FIG. 8 is related to a tilt detection device according to another embodiment of the present invention.
  • the tilt detection device 100 includes a structure 1, a plurality of optical sensors 2, an optical sensor receiver, a time providing unit, a gravity sensor 3, and a calculation unit.
  • the communication unit or the protective film 4 may be included.
  • the components of the tilt detection apparatus according to the above-described embodiments may be included as they are.
  • the structure 1 adopted in the tilt detection device according to another embodiment is provided in the shape of a sphere or a geodesic dome like the structure of the above-described embodiment, and further includes a screen wall 12.
  • the screen wall 12 is erected in the normal direction from the surface of the structure 1 at the intermediate distance point of neighboring light sensors.
  • the structure 1 casts a shadow on some optical sensors according to the incident angle of sunlight.
  • some of the light sensors 2_1 and 2_6 to 2_11 are shaded by the screen wall 12. Since the light sensors 2_1 and 2_6 to 2_11 having the light receiving surface 21 have very low outputs compared to the light sensors 2_2 to 2_5 which receive light, they can be clearly excluded when selecting the light sensor to be analyzed. do. A method of selecting an object for analyzing some optical sensors will be described later.
  • the tilt detection method uses a sensing device having a gravity sensor, calculating a horizontal plane (s1), calculating an incident vector of sunlight (s2), and a solar trajectory equation. Calculating the incident angle information (s3), calculating the horizontal coordinate system from them (s4), and calculating the inclined information (s5).
  • the method may further include a step (s6) of transmitting the tilt information to the management server.
  • the gravity sensor 3 relates to the gravity sensor 3 and the horizontal plane (X-Y plane).
  • the local coordinate systems X ', Y', and Z ' represent a state inclined in an arbitrary direction in three dimensions according to the current state of the sensing device.
  • the gravity sensor 3 is also inclined in an arbitrary direction according to the local coordinate system.
  • Gravity acts vertically downward, and the gravity sensor 3 outputs a gravity vector with respect to gravity as specific coordinate values (x1, y1, z1) of the local coordinate system. Since the gravity vector is a vector perpendicular to the horizontal plane of the horizontal coordinate system, the gravity vector can be taken as the Z axis (vertical axis) of the horizontal coordinate system. Furthermore, the plane perpendicular to the Z axis is calculated as the horizontal plane (X-Y plane) on the horizontal coordinate system.
  • the incident vector L is a unit vector facing the sun based on the centrifugal of the local coordinate system, and indicates the incident direction of sunlight.
  • the method of calculating the incidence vector L from the plurality of optical sensors 2 includes collecting output information of the optical sensors (s21), selecting some output information that is meaningful for analysis (s22), and selecting Calculating an incident direction of sunlight from the output information (s23), and calculating a unit vector (incident vector L) with respect to the incident direction (s24).
  • the output information of each optical sensor is stored in a memory through the optical sensor receiver and provided to a calculation unit.
  • the calculating unit may select some output information to be analyzed by sorting the output information. At this time, the selected output information includes upper values including the highest value of the measured amount of light.
  • the sorting and selection of the output information can be selected from various known algorithms.
  • the number of output information to be analyzed can be arbitrarily set by the user according to the number of optical sensors. For example, if a large number of optical sensors are provided to exhibit sufficient resolution, one optical sensor showing the maximum output value can be selected. In this case, the left value of the light sensor may be the direction of incidence of sunlight.
  • the incident angle of the sunlight SL does not coincide with the normal direction of any of the optical sensors 2. However, depending on the approximate degree of the incident angle of the light receiving surface 21 and the sunlight (SL) of the light sensor 2, there is a difference in the light amount data measured by each light sensor.
  • optical sensors having relatively high output information can be selected, and the selected optical sensor has the optical sensor 2_a having the maximum output information as shown in FIG. And it can be expected to be the optical sensors (2_b to 2_g) in the vicinity.
  • the sequential increase and decrease of the sorted output information can be considered as a reference value (reference increase and decrease value) so that both the optical sensor 2_a whose output information is the maximum value and the optical sensors 2_b to 2_g around it can be considered.
  • output information can be grouped.
  • the output information is (1.4), (1.33), (1.31), (1.3), (1.26), (1.25), (1.24), (1.1), (1.05) .. If the reference value is 0.1, and (1.4) to (1.24), it is included in group 1, and less than 1.1, which differs by more than 0.1 from the immediately preceding light quantity data (1.24), can be included in another group. Only significant group 1 can be analyzed.
  • the left sensor values of the analysis target optical sensor may be known through the optical sensor ID. These left-handed values can be mathematically calculated to calculate the incident direction of sunlight.
  • a variety of published analysis methods such as interpolation, linear analysis, statistical analysis, may be applied as a mathematical analysis. Further, by considering the size difference of the light quantity data as a weight in the mathematical analysis, it is possible to calculate a more accurate direction of sunlight incident.
  • the sunlight incidence direction is calculated as the coordinate value of the local coordinate system with respect to any point of the spherical surface, and the incident vector is calculated by taking the unit size.
  • the incidence vector L indicates a direction of incidence of sunlight on the local coordinate system, and may be displayed as a point on the surface of a virtual unit size sphere centered on the local coordinate system.
  • the screen wall 12 causes a shade SH to be applied to some of the optical sensors, thereby causing a large gap in the light quantity data. Accordingly, there is an advantage that the selection of the optical sensor to be excluded is more clearly as 2_2 to 2_5.
  • the incident angle information (azimuth and altitude) of the sunlight based on the horizontal coordinate system can be obtained.
  • the sun's orbit is based on a yearly repetition, which is common knowledge in earth science, and therefore duplicate explanations are omitted here.
  • Tables or programs for the sun's trajectory may be embedded in the sensing device or provided from a management server through a communication unit.
  • the latitude for calculating the incident angle information of sunlight may be obtained from a GPS module provided or inputted in advance into a sensing device.
  • the date and time can be obtained from the time provider (or GPS module).
  • the latitude, date, and time may be transmitted from the management server.
  • the implementation manner for obtaining incident angle information of sunlight using the solar trajectory may be variously changed.
  • the horizontal coordinate system is determined by calculating the true north direction (Y axis) and the X axis of the horizontal coordinate system based on the horizontal plane (X-Y plane), the incident vector, and the incident angle information of the sunlight calculated above.
  • a step of calculating a projection vector by projecting an incident vector (local coordinate system) on a horizontal plane (XY plane) of a horizontal coordinate system (s41), rotating the projection vector using azimuth angle among solar incident angle information, and generating true north.
  • Calculating a direction (s42) and determining a horizontal coordinate system (XYZ) by determining an X-axis perpendicular to the Z-axis and the Y-axis.
  • the incident vector L is displayed in the local coordinate system X'Y'Z '.
  • the projection vector T may be calculated by projecting an incident vector on a horizontal plane (X-Y plane) of the horizontal coordinate system.
  • a trigonometric function and the angles of the Z 'and Z axes are used.
  • the direction of the projection vector T indicates the direction in which the sun is located on the horizontal plane (X-Y plane) of the horizontal coordinate system.
  • Incident angle information contains the data about the azimuth angle As and altitude hs of the sun with respect to the horizontal coordinate system at the same time as the time of preparation of the incident vector.
  • the projection vector is rotated inversely on the horizontal plane (X-Y plane) (see FIG. 14A).
  • the direction indicated by the projection vector T_2 reversed by the azimuth angle As is the true north N direction of the horizontal coordinate system, and the Y axis direction of the horizontal coordinate system.
  • the horizontal coordinate system XYZ in which the X axis, the Y axis, and the Z axis are all determined is calculated.
  • the angle of incidence of sunlight can be analyzed, and the horizontal coordinate system can be determined from the local coordinate system of the antenna using calendar information, the solar trajectory equation, and the gravity sensor, and the azimuth angle directed by the antenna on the horizontal coordinate system according to the mutual relationship with the local coordinate system.
  • the tilt angle can be known.
  • the inclination information may be transmitted to the management server through the communication unit.
  • the inclination information includes ID, azimuth, elevation, and roll angle of the antenna, and may further include a Z 'vector value based on a time stamp and a horizontal coordinate system.
  • the transmitted tilt information may include additional data obtained by processing azimuth, elevation, and roll angle.
  • the tilt angle of the horizontal coordinate system (the angle between the Z axis and the Z 'axis of the antenna) can be transmitted.
  • the polar coordinates may be replaced with the coordinates of the Cartesian coordinate system.
  • the inclination information is corrected to the antenna in the width direction inclination (roll angle) perpendicular to the horizontal plane (XY plane) of the horizontal coordinate system, the current azimuth and current of the antenna relative to the horizontal coordinate system
  • the tilt angle can be calculated.
  • the installation direction of the antenna for mobile communication is usually set to an azimuth angle and a tilt angle, and the roll angle is naturally considered to be 0 ° in the setting step.
  • the azimuth and tilt angles of the antenna may be of major concern.
  • the azimuth angle and the tilt angle can be calculated as the inclination information.
  • the inclination information thus calculated and transmitted to the management server can be immediately compared with the design value, and it is possible to quickly determine whether there is an abnormality.
  • the azimuth angle and the tilt value may be configured to be returned with a null value.
  • 15 to 17 are related to the tilt detection method according to a second embodiment of the present invention.
  • the tilt detection method according to the second embodiment of the present invention does not use a gravity sensor. Instead, we use the movement of the sun over time to calculate the horizontal plane (X-Y plane) of the horizontal coordinate system.
  • the second embodiment calculates two incident vectors with time difference (p1, p2), obtains incident angle information of sunlight at each time (p3, p4), and calculates a horizontal plane.
  • the method further includes a step (p8) of transmitting the tilt information to the management server.
  • the steps (p1, p2) of calculating the incidence vector with a time difference are performed at the same time, but if not, any one may be performed first.
  • the time later affects the step of calculating the horizontal plane (X-Y plane)
  • the time point t1 precedes the time point t2 for convenience of description.
  • the incident vector L_t1 with respect to the direction of incidence of sunlight with respect to the local coordinate system X'Y'Z ' is calculated from the light quantity data of sunlight measured by the respective light sensors. do.
  • the incident vector L_t2 with respect to the incident direction of sunlight is calculated in the same manner.
  • the incident vector L_t1 according to the time t1 and the incident vector L_t2 at the time t2 are different.
  • the time difference between t1 and t2 may be at least 30 minutes or more, and preferably, the time difference may vary.
  • the detailed configuration for calculating the incidence vectors L_t1 and L_t2 from the output information of the photosensors is substantially the same as that of the above-described first embodiment, and thus redundant description thereof will be omitted.
  • the incident angle information indicating the position of the sun is also different from each other.
  • the heights of the cones C1 and C2 are the incident vectors L_t1 and L_t2.
  • Incident vectors L_t1 and L_t2 are vector values that determine the directions in which the cones C1 and C2 are placed.
  • the angle between the mother line and the height (incident vector) of the cones C1 and C2 corresponds to the sun's altitude (hs_t1, hs_t2).
  • the altitudes hs_t1 and hs_t2 are obtained from the incident angle information of sunlight.
  • the altitude hs_t1 is smaller than the altitude hs_t2 at t2 time close to noon. This is why the angle of the cone C1 is smaller than the angle of the cone C2.
  • the horizontal plane of the horizontal coordinate system depends on whether the measured position (antenna position) is the northern or southern hemisphere.
  • the measured position is the northern or southern hemisphere.
  • one plane can be determined as the horizontal plane (X-Y plane).
  • the distinction between the southern hemisphere and the northern hemisphere can be simply implemented as a conditional expression for latitude.
  • plane P1 is determined as the horizontal plane (X-Y plane). If the antenna is located in the southern hemisphere, plane P2 is determined as the horizontal plane (X-Y plane). In addition, the Z axis of the horizontal coordinate system can be calculated from the horizontal plane (X-Y plane).
  • the true north direction (Y axis) of the horizontal coordinate system is calculated from the determined horizontal plane (X-Y plane), any incident vector, and incident angle information of sunlight corresponding thereto.
  • FIG. 17 relates to this, and shows a projection vector T projecting the incident vector L_t1 at t1 onto the horizontal plane (X-Y plane) selected in the previous step.
  • the Y axis can be calculated by rotating the projection vector T in the reverse direction by the azimuth angle As_t1 of sunlight with the Z axis as the rotation axis on the horizontal plane (X-Y plane).
  • the horizontal coordinate system XYZ can be determined by calculating the X axis perpendicular to these from the determined Z axis and Y axis.
  • step (p7) of calculating the tilt information and the step (p8) of transmitting the tilt information to the management server are substantially the same as the corresponding steps of the above-described first embodiment, and thus redundant description is omitted.
  • the tilt detection method according to the first embodiment of the present invention can be used for equipment that can move its position by using a gravity sensor.
  • the tilt detection method according to the second embodiment needs to be limited to equipment having a fixed installation position by not using a gravity sensor.
  • a gravity sensor there is an advantage that a lower cost configuration than the sensing device for the first embodiment is possible.

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Abstract

본 발명은 3차원 공간상에서 해당 장치의 기울기를 감지하는데 있어서, 태양의 방위각과 고도를 이용하기 위한 감지장치 및 이를 통하여 설치된 안테나 등 3차원 기울기를 감지하는 방법과 관련되며, 구면을 제공하는 구조체, 상기 구조체의 구면상에 서로 바라보는 방향을 달리하여 설치되며, 태양광의 광량을 측정하는 복수의 광센서, 각 상기 광센서의 출력정보를 수신하는 광센서수신부, 상기 출력정보를 수신한 때의 날짜와 시간에 대한 캘린더정보를 제공하는 시간제공부 및 모아진 상기 출력정보로부터 태양광의 입사각을 분석하고, 분석된 상기 태양광의 입사각, 상기 캘린더정보 및 태양궤적식으로부터 지평좌표계를 산출하며, 상기 지평좌표계와 대비하여 현재 위치에 대한 3차원상의 기울어짐 정보를 산출하는 연산부를 포함하는 기울기 감지장치 및 이를 이용한 감지 방법을 제시한다.

Description

3차원 기울기 감지장치 및 이를 통한 기울기 감지 방법
본 발명은 3차원 공간상에서 해당 장치의 기울기를 감지하는데 있어서, 태양의 방위각과 고도를 이용하기 위한 감지장치 및 이를 통하여 설치된 안테나 등 3차원 기울기를 감지하는 방법과 관련된다.
이동통신 기지국 안테나는 목적한 면적 안에서 효율적인 통신이 이루어지도록 밀집하여 설치된다. 이들 안테나는 지향적이며 의도한 면적을 담당할 수 있도록, 안테나가 지향하는 방향(방위각)이 미리 설계된다. 또한 안테나는 지주 등을 이용해 높게 설치되고, 지면을 향하여 어느 정도 숙인 각도(틸트(tilt))로 설치될 것이 요구된다. 예를 들어, 복수의 안테나가 높은 산에 세워진 지주를 중심으로 방사상으로 설치되고, 각 안테나는 다른 지주에 세워진 안테나가 담당하는 영역에 따라 적절히 틸트 됨으로써, 설계상 담당하여야 할 면적에 대한 통신 서비스를 제공할 수 있게 된다.
이러한 의도를 가지고 설계된 안테나의 방위각과 틸트에 맞추어서 안테나를 설치하기 위해, 별도로 고안된 각도 측정 장치나 다양한 보조 측정 방법을 사용하고 있다.
이미 설치된 안테나의 방위각과 틸트를 알아내는 것은, 안테나의 유지보수에 있어서 매우 중요하다. 최초 설치시의 각도 맞춤의 오류, 안테나를 지지하는 지주 시설의 노화, 태풍 등과 같은 외부 환경의 지속적 노출 등의 다양한 원인으로 안테나의 각도는 처음 의도한 바에서 벗어날 수 있으며, 이는 특정 구역에서의 통신 서비스 질의 저하로 이어진다. 안테나의 설치 각도를 재확인하기 위해서는, 작업자가 별도의 각도 측정 장치 등을 가지고 안테나로 접근해야 하는데, 대개 높은 위치에 설치된 안테나에 접근하는 것 자체가 위험하고 고되어 효율적이지 않다.
이러한 점을 고려하여 안테나에 직접 설치되어 있으면서, 안테나의 각도를 측정하는 방안이 개발되었다. 그러나 이러한 종래의 기술은 전자식 나침판 모듈, 모션인식 센서, 기울기 센서 등 다양한 계측모듈을 다수 구비하여야 하므로 높은 고가로 책정될 수밖에 없는 한계가 있다. 하나의 안테나마다 해당 측정 장비가 요구되므로, 측정 장비의 높은 비용은 범용적 사용의 큰 장애가 된다.
본 발명은 태양광을 이용하여 안테나 등 장비에 대한 3차원상 기울어짐 각도를 취득할 수 있게 하여, 해당 장비의 현재 지향 방향이 최초 설계한 의도에 맞는지를 바로 확인할 수 있게 함으로써 해당 장비의 유지 보수의 편의성을 향상시키려는 것이다.
그 외 본 발명의 세부적인 목적은 이하에 기재되는 구체적인 내용을 통하여 이 기술분야의 전문가나 연구자에게 자명하게 파악되고 이해될 것이다.
위 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 실시예로, 구면을 제공하는 구조체, 상기 구조체의 구면상에 서로 바라보는 방향을 달리하여 설치되며, 태양광의 광량을 측정하는 복수의 광센서, 각 상기 광센서의 출력정보를 수신하는 광센서수신부, 상기 출력정보를 수신한 때의 날짜와 시간에 대한 캘린더정보를 제공하는 시간제공부 및 모아진 상기 출력정보로부터 태양광의 입사각을 분석하고, 분석된 상기 태양광의 입사각, 상기 캘린더정보 및 태양궤적식으로부터 지평좌표계를 산출하며, 상기 지평좌표계와 대비하여 현재 위치에 대한 3차원상의 기울어짐 정보를 산출하는 연산부를 포함하는 기울기 감지장치를 제시한다.
실시예에 따라서 상기 구조체 안에 설치되며, 수평면(X-Y 평면)을 검출하는 중력센서를 포함할 수 있으며, 이 실시예에서는 이동 중에도 기울기 정보를 산출할 수 있다.
추가적인 구성으로, 원격지에 위치한 관리서버와의 통신을 위한 통신부를 포함하고, 상기 통신부에서 상기 서버로 전송되는 통신정보에는 상기 3차원상의 기울어짐 정보가 포함될 수 있다. 나아가 상기 시간제공부는 지피에스(GPS) 모듈일 수 있다.
한편 상기 구조체는 지오데식 돔 형상일 수 있으며, 오목할 수도 있다. 또한 상기 구조체는 반구보다 크면서 일부가 제거된 형태의 구형으로 이루어지고, 상기 구조체를 지지하는 지지체를 더 포함할 수 있다.
다른 실시예에서 이웃하는 광센서들의 중간 거리 지점에서 상기 구조체의 표면으로부터 법선 방향으로 세워져 있어, 태양광의 입사각에 따라 일부의 광센서에 그림자를 드리우는 스크린벽체를 포함할 수 있다.
또한 상기 구조체는 투과성의 보호막으로 보호된 상태에서, 안테나 장비의 상단부에 노출되도록 설치될 수 있다.
한편 감지 방법에 대한 제1 실시예로써, 중력센서를 통해 지평좌표계의 수평면(X-Y 평면)을 산출하는 단계, 각 광센서들로부터 측정된 태양광의 광량 데이터로부터, 로컬좌표계를 기준으로 하여 태양광의 입사 방향에 대한 입사벡터를 산출하는 단계, 상기 광량 데이터를 측정한 시간과 위도정보 및 경도정보를 태양궤적식에 적용하여, 지평좌표계 상에서 태양광의 입사각 정보를 취득하는 단계, 상기 수평면(X-Y 평면)과, 상기 입사벡터와, 상기 지평좌표계 상에서 태양광의 입사각 정보를 통하여, 지평좌표계 상에서 진북 방향(Y축 방향)을 산출하여 지평좌표계를 확정하는 단계 및 확정된 상기 지평좌표계 상에서 상기 로컬좌표계의 3차원상의 기울어짐 정보를 산출하는 단계를 포함하는 기울기 감지 방법을 제시한다.
구체적으로 상기 지평좌표계를 확정하는 단계는, 상기 입사벡터를 상기 지평좌표계 상의 수평면(X-Y 평면)에 투영하여 투영벡터를 산출하는 단계, 상기 수평면(X-Y 평면) 상에서, 상기 지평좌표계 상에서 태양광의 입사각 정보를 통해 얻어지는 태양광의 방위각을 반영하여, 진북 방향(Y 축)을 산출하는 단계 그리고 상기 수평면(X-Y 평면)에 수직한 축(Z 축)과, 상기 진북 방향을 가리키는 축(Y 축)과 수직한 축(X 축)을 산출하여, 상기 지평좌표계를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
감지 방법에 대한 제2 실시예로써, 임의의 시간(t1)에서, 각 광센서들로부터 측정된 태양광의 광량 데이터로부터, 로컬좌표계를 기준으로 한 태양광의 입사방향에 대한 입사벡터(L_t1)를 산출하는 단계, 상기 시간(t1)과 위도정보 및 경도정보를 태양궤적식에 적용하여, 지평좌표계 상에서 태양광의 입사각 정보(As_t1, hs_t1)를 취득하는 단계, 상기 임의의 시간(t1)과 다른 시간(t2)에서, 각 광센서들로부터 측정된 태양광의 광량 데이터로부터, 로컬좌표계를 기준으로 한 태양광의 입사방향에 대한 입사벡터(L_t2)를 를 산출하는 단계, 상기 시간(t2)과 위도정보 및 경도정보를 태양궤적식에 적용하여, 지평좌표계 상에서 태양광의 입사각 정보(As_t2, hs_t2)를 취득하는 단계, 로컬좌표계 상에, 시간대를 달리하여 얻은 상기 입사벡터들(L_t1, L_t2)과, 상기 지평좌표계를 기준으로 한 태양광의 입사각 정보들(As_t1, hs_t1, As_t2, hs_t2)을 통해 지평좌표계의 수평면(X-Y 평면)을 산출하는 단계, 어느 한 상기 입사벡터와, 이에 대응하는 지평좌표계 상에서 태양광의 입사각 정보로부터, 지평좌표계 상에서 진북 방향(Y축 방향)을 산출하여 지평좌표계를 확정하는 단계 및 확정된 상기 지평좌표계 상에서 상기 로컬좌표계의 3차원상의 기울어짐 정보를 산출하는 단계를 포함하는 감지 방법을 제시한다. 제2 실시예는 제1 실시예와 달리 중력센서를 사용하지 않는다.
구체적으로 상기 수평면(X-Y 평면)을 산출하는 단계는, 각 상기 입사벡터를 높이로 하고, 상기 입사벡터와 동시간에서의 태양광에 대한 고도를 상기 높이와 모선과의 사잇각으로 하며, 꼭짓점이 상기 로컬좌표계의 원심에 놓이는 2개의 가상의 원뿔을 산출하는 단계, 각 상기 원뿔의 밑면을 형성하는 2개의 원에 동시에 접하는 접선과, 상기 로컬좌표계의 원심을 내포하는 한 쌍의 평면을 산출하는 단계 그리고 상기 두 원뿔의 시간적 선후 관계와, 현재 위치가 남반구인지 또는 북반구인지에 따라 상기 한 쌍의 평면 중 하나를 지평좌표계의 수평면(X-Y 평면)으로 결정하는 단계를 포함한다.
한편 상기 입사벡터를 산출하는 단계는 구면상에 서로 바라보는 방향을 달리하여 설치되며, 태양광의 광량을 측정하는 복수의 광센서로부터, 광량 데이터와 해당 광센서의 아이디를 포함하는 출력정보를 수집하는 단계, 상기 출력정보들을 광량 데이터의 크기에 따라 정렬한 후 미리 설정한 기준에 따라 수개의 상위값의 출력정보들을 선정하는 단계 그리고 선정된 출력정보들을 통해 태양광의 입사 방향을 산출하고, 이를 단위벡터로 환산하여 입사벡터를 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
나아가 상기 기울기 감지 방법이 이동통신용 안테나에 적용될 수 있다. 이 경우, 상기 안테나의 폭 방향 기울어짐을 보정한 후에 상기 안테나의 지평좌표계에 대한 틸트각과 방위각을 산출할 수 있다.
또한 3차원상의 기울어짐 정보를 산출하는 단계 이후에, 상기 3차원상의 기울어짐 정보는 통신을 통하여 관리서버에 송신되는 단계를 포함하여, 원격 관리 시스템을 구축할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 인접이 어려운 장소나 높게 설치된 이동 통신용 안테나 등의 장비가 설계 의도에 맞게 지향하는지 여부를 손쉽게 파악할 수 있게 된다. 태양광을 이용하므로 기존의 지자기 센서 등에 비하여 오류를 발생시키는 원인에 대한 영향이 줄어들어 신뢰성 높은 측정 결과를 제공할 수 있으며, 저렴한 비용으로 감지장치의 제공이 가능하다.
그 외 본 발명의 효과들은 이하에 기재되는 구체적인 내용을 통하여, 또는 본 발명을 실시하는 과정 중에 이 기술분야의 전문가나 연구자에게 자명하게 파악되고 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 기울기 감지장치의 사용 상태를 나타낸 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 실시예에 따른 지평좌표계와 로컬좌표계를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 기울기 감지장치의 구성을 간략히 나타낸 블록도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 기울기 감지장치에 채용된 광센서들의 배치를 나타낸 사시도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 감지장치의 사용 상태를 간략히 나타낸 것으로, (a)는 단면도이고, (b)는 일부분의 전개도.
도 6은 본 발명의 실시예에서 구조체가 다른 형태를 가진 3차원 기울기 감지장치를 나타낸 사시도.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 기울기 감지장치가 고위도 지역에서 태양광을 수광하는 상태를 나타내는 개념도.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 기울기 감지장치와 관련되며, (a)는 사시도이고, (b)는 사용 상태를 나타낸 단면도.
도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 기울기 감지 방법의 개략적인 흐름도.
도 10은 도 9의 제1 실시예 중에서 태양광의 입사벡터 산출단계에 관한 세부 흐름도.
도 11은 도 9의 제1 실시예 중에서 지평좌표계를 산출하는 단계에 관한 세부 흐름도.
도 12는 도 9의 제1 실시예 중에서 중력센서를 통한 수평면의 산출 과정과 관련된 도면.
도 13과 도 14는 도 7의 제1 실시예 중에서 지평좌표계를 산출하는 과정과 관련된 도면들.
도 15는 본 발명의 제2 실시예에 따른 기울기 감지 방법의 개략적인 흐름도.
도 16은 도 13의 제2 실시예에 중에서 수평면 산출하는 과정과 관련된 도면.
도 17은 도 13의 제2 실시예에 중에서 지평좌표계의 확정 과정과 관련된 도면.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 3차원 기울기 감지장치 및 이를 통한 기울기 감지 방법의 구성, 기능 및 작용을 설명한다. 단, 도면들과 실시예들에 걸쳐 동일하거나 유사한 구성요소에 대한 도면번호는 통일하여 사용하기로 한다.
또한 이하의 설명에서 '제1', '제2' 등의 용어는 기술적 의미가 동일성 범위에 있는 구성요소를 편의상 구별하기 위하여 사용된다. 즉, 어떠한 하나의 구성은 임의적으로 '제1구성' 또는 '제2구성'으로 명명될 수 있다.
첨부된 도면은 본 발명의 적용된 실시예를 나타낸 것으로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 통하여 제한 해석해서는 아니된다. 이 기술분야에 속하는 전문가의 견지에서 도면에 도시된 일부 또는 전부가 발명의 실시를 위하여 필연적으로 요구되는 형상, 모양, 순서가 아니라고 해석될 수 있다면, 이는 청구범위에 기재된 발명을 한정하지 아니한다.
이하의 설명에서 '지평좌표계'는 원래 지구과학에서 천체의 위치를 나타내기 위해 사용되는 좌표계이다. 기울기를 감지하고자 한 장치의 위치에서, 지평좌표계는 해당 장치의 기울어짐을 판단하는 기준 좌표계로 사용된다. 지평좌표계의 세 축을 각기 'X 축', 'Y 축', 'Z 축'으로 표기하기로 한다. 특히 진북 방향(N)은 Y 축 방향과 일치한다.
'로컬좌표계'는 기울기 감지장치가 가지는 좌표계를 의미한다. 기울기 감지장치는 서로 수직한 3차원의 축을 구비한다. 이 로컬좌표계의 세 축은, X' 축, Y' 축, Z' 축으로 표기하기로 한다. 기울기 감지장치에 구비되는 다수의 구성요소들, 즉 광센서, 중력센서, 시간제공부 등의 위치관계는 설계에 따른 제조에 의해 확정된다. 이들 구성요소들의 위치관계는 로컬좌표계 상에서 특정 좌푯값으로 정해진다. 이 특정 좌푯값은 고정적이고, 메모리 등에 저장되어 있다.
'태양궤적식'은 지평좌표계 상에서 태양의 궤적을 방위각과 고도로 제공한다. 관측 위치(위도), 날짜 및 시간을 입력받아 태양의 방위각(A, Azimuth)과 고도(h, Altitude)를 산출한다. 이러한 태양궤적식은 이미 공개되어 널리 사용되고 있으며, 예를 들어 네브라스카-링컨 대학 천문교육학과 사이트(http://astro.unl.edu/naap/motion3/motion3.html), 미국 국립 해양대기국 사이트(https://www.esrl.noaa.gov/gmd/grad/solcalc/) 등에서 태양궤적식과 관련된 정보나 프로그램 등을 확보할 수 있다.
'기울어짐 정보' 또는 '기울기 정보'의 용어는 혼용된다. '기울기 정보'는 지평좌표계 상에서 기울기 감지장치 즉, 기울기 감지장치가 설치된 장치의 3차원적 기울어짐 각도를 제공한다.
기울어짐 정보는 적어도 '방위각', '고도' 및 '롤각'을 포함한다. 도 2의 (b)를 참고하면, '방위각'은 지평좌표계의 수평면(X-Y 평면) 상에서 진북 방향(Y 축)으로부터 로컬좌표계의 Y'축까지 시계방향으로 회전된 각도(A)이다. 한편 '고도'는 수평면(X-Y 평면)으로부터 Z 축을 향하는 각도(h)이다. 또한 '롤각'은 로컬좌표계의 X'-Z' 평면에서, Y' 축을 회전축으로 하여 회전된 각도(r)이다.
좌표계는 필요에 따라 극좌표계나 직교좌표계가 사용될 수 있다. 이들 좌표계간 전환은 공지된 바와 같다.
본 발명의 실시예에 따른 기울기 감지장치는, 어느 장치에 장착되어 사용되며, 해당 장치의 3차원상의 기울어짐 정보(또는 '기울기 정보'로 기재함)를 제공한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 기울기 감지장치의 사용 예를 보여준다. 기울기 정보를 취득하고자 한 장비는 이동통신용 안테나 장비(101)이다. 안테나 장비(101) 외에도 기울어짐을 측정할 이유가 있는 다양한 장비에 기울기 감지장치가 사용될 수 있다. 이하에서는 기울기 감지장치가 안테나 장비에 설치되는 것을 위주로 설명한다.
이동통신용 안테나 장비(101)는 지면에서 세워지는 지주(102)에 설치된다. 안테나장비(101)는 로컬좌표계(X'Y'Z')를 가지고 있다. 도 2의 (a)를 참고하면, 안테나 장비(101)의 전면을 Y' 축으로 하며, 안테나 장비(101)의 상하 방향을 Z' 축으로 한다. 안테나 장비(101)는 특정 방위각(A0)과 특정 틸트각(t0)로 설치될 것으로 설정되며, 롤각은 주로 0°으로 설정된다.
도시하지 아니하였으나 지주에는 복수의 안테나가 방사상으로 설치될 수 있다.
안테나 장비(101)에는 기울기 감지장치(100)가 설치된다. 기울기 감지장치는 태양광을 이용하는 것으로, 태양광을 받아들이는 데에 유리하도록 안테나 장비(101)의 상단부에 구비된다. 특히 빛을 받아들이는 부분이 안테나 장비의 상단에 노출되어, 가급적 넓은 방위에서 태양광을 받아들일 수 있도록 구성한다.
기울기 감지장치(100)가 안테나 장비(101)에 설치되어, 안테나 장비(101)와 결속됨으로써, 기울기 감지장치(100)와 안테나 장비(101)는 동일한 로컬좌표계(X'Y'Z')를 사용할 수 있다. 즉 기울기 감지장치(100)가 향하는 방향이 지평좌표계 상에서 확정되면, 이를 안테나 장비(101)가 향하는 방향으로 사용할 수 있다.
안테나 장비는 이동통신 서비스가 제공되는 넓은 면적에 다수가 분산 설치되어 있다. 적절한 서비스 영역을 확보하기 위하여, 안테나 장비는, 산의 정상, 빌딩의 옥상 위 등 가급적 높은 위치에 설치된다. 이러한 안테나 장비들의 기울어짐 정보는 관리의 편의성을 위해 네트워크 등을 통해 원격지에 위치한 관리서버(103)에 전송될 수 있다. 이때 관리서버(103)에 기울어짐 정보를 전송함에 있어서 무선 네트워크를 사용하거나, 이동통신용 안테나 장비에 내장된 통신 프로토콜을 준용하여 안테나 내부를 경유하여 통신할 수 있다.
관리서버(103)에서는 많은 수의 안테나 장비로부터 각 장비의 기울어짐 정보를 취득하고, 안테나 장비의 의도한 설치 방향과 대비하여 건전성 평가를 할 수 있다.
이로써 설치 현장에서 일일이 안테나의 방향을 측정하지 않아도 손쉽게 모든 안테나의 건전성을 평가할 수 있다. 특히 이동 통신 서비스가 원활하게 이루어지지 못한 구역의 통신망을 분석함에 있어서, 해당 구역을 담당하는 안테나 장비의 기울어짐 정보를 장애 원인 중 하나로 취급할 수 있게 된다.
또한 안테나 장비를 신설하거나 기존에 설치한 안테나 장비의 방향을 유지 보수한 경우, 올바른 방향으로 설치하였는지 여부를 바로 알 수 있게 된다.
도 2의 (b)에서 벡터 K는 안테나 장비의 설계된 설치 방향을 가리키는 벡터이다. 지평좌표계 상에서 방위각 증가치(d_A), 고도 증가치(d_h) 및 롤각 증가치(d_r)가 반영됨에 따라 벡터 K는 벡터 Y'로 변경됨을 나타낸다.
설계에 따른 설치 방향을 가리키는 벡터 K와 벡터 Y'의 비교에 따른 방위각 증가치(d_A), 고도 증가치(d_h) 및 롤각 증가치(d_r)는 관리서버에서 산출될 수 있다.
또는 기울기 감지장치 내에 벡터 K에 대한 정보가 저장된다면, 기울기 감지장치 내에서 방위각 증가치(d_A), 고도 증가치(d_h) 및 롤각 증가치(d_r)를 산출할 수도 있다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 기울기 감지장치와 관련된다.
본 발명의 실시예에 따른 기울기 감지장치는, 구조체, 복수의 광센서, 광센서수신부, 시간제공부, 중력센서 및 연산부를 포함한다. 추가적인 구성으로 통신부를 포함할 수 있다.
구조체(1)는 반구 형상 또는 반구 이상을 넘어 구에 가까운 형상의 구면을 제공한다. 여기서 구면은 곡면으로 형성되거나 지오데식 돔 형상으로 제작될 수 있다. 구조체는 태양의 궤적을 고려하여, 전구(全球)의 일부분만을 사용할 수도 있다.
복수의 광센서(2)는 구조체가 제공하는 구면 위에 서로 바라보는 방향을 달리하여 설치된다. 이때 광센서(2)는 광량을 측정할 수 있는 다양한 포토센서가 사용될 수 있다. 광센서 종류에 따라 태양에서 방출되는 가시광선 외에도, 태양에서 방출되며, 받아들이는 센서의 방향에 따라 측정 결과를 달리하는 다양한 에너지(예를 들어 자외선 등)를 사용할 수 있다.
본 발명의 실시예에서 광센서(2)는 받아들인 빛의 광량 데이터를 출력하게 되는데, 복수의 광센서는 동일한 광량에 대하여 동일한 출력을 하도록 보정된다.
광센서(2)의 부착 편의성, 연산의 편의성 등을 위해, 구조체(1)를 지오데식 돔 형상으로 하고, 각 면의 중심마다 광센서(2)를 설치할 수 있다.
구조체(1)를 반구 형상 또는 지오데식 돔 형상으로 선택하든지 간에, 표면에 설치된 광센서(2)의 수광면(21)에서 수직한 법선(22)이, 구조체(1)의 중심(11)에 모이도록 설계할 수 있다. 이러한 설계는 광센서의 출력에 대하여, 각 광센서의 설치 각도, 위치에 대한 추가적인 수치 보정 없이 그대로 사용할 수 있게 한다. 따라서 광센서의 출력값을 이용한 각종 연산량 가중의 부담을 덜고, 빠른 연산 결과를 얻을 수 있게 하는 장점이 있다.
도 5의 (a)는 가상적인 구면에서 등간격으로 고정된 다수의 광센서(2)를 도시하고 있다. 각 광센서(2)의 수광면(21)의 법선(22)은 구면의 법선과 동일하게 설치되어 있다.
도면의 좌상부에서 비스듬히 표시된 화살표들은 태양광(SL)을 의미한다. 도면에서 광센서(2)마다 서로 다른 입사각으로 태양광(SL)을 유입 받게 되므로, 광센서(2)마다 출력값이 서로 다르게 된다.
만일 충분한 수의 광센서를 구비한다면, 최대 출력값을 가진 광센서의 법선 방향이 태양광의 입사 방향과 동일한 것으로 간주할 수 있다. 이와 같이 가급적 많은 수의 광센서를 사용하는 것이 분해능을 향상하기 위해서는 바람직하나. 기울기 감지장치의 크기, 비용, 연산 부담 등을 고려하여 구비되는 광센서의 수를 적정수로 한정할 수 있다. 설치된 수가 줄어듦에 따른 분해능의 보안은 분석 알고리즘을 이용하여 해소할 수 있다. 이에 대해서는 나중에 다시 설명한다.
광센서수신부는 복수의 광센서로부터 출력정보를 수신하는 인터페이스를 제공한다. 출력정보는 광센서의 아이디(ID), 측정된 출력값을 포함한다.
시간제공부는 광센서에서 출력정보를 수신한 때의 날짜와 시간에 대한 캘린더정보를 제공한다. 이 캘린더정보는 태양궤적식에 대입하는 파라미터로 활용된다.
시간제공부는 네크워크 클록(Clock) 수신기 또는 무선 시간동기 추출 모듈이거나 후술하는 지피에스(GPS) 모듈일 수 있다. 캘린더정보는 데이터 통신망을 통해 얻을 수 있는데, 시간동기서버(예를 들어, NPT 서버)에서 네트웍클록을 보내 주면, 이를 수신하여 시간정보를 추출하여 사용하거나, 이동 통신 신호를 복조하여 시간 정보를 추출하는 방법 등이 있다.
나아가 시간제공부는 지피에스(GPS) 모듈이 사용될 수 있다. 지피에스 모듈은 위성으로부터 캘린더정보를 수신 받을 수 있다. 나아가 현재 위치에 대한 지리적 데이터(위도나 경도)를 얻을 수 있다. 특히 지피에스 모듈을 구비하는 경우에는 이동이 가능한 장비의 기울어짐 정보를 얻을 수 있게 하는 장점이 있다.
한편 통신부를 구비하는 등 관리서버를 통해 캘린더정보를 얻을 수 있거나, 기타 네트워크 통신을 통해 캘린더정보를 얻을 수 있는 경우에는 시간제공부를 생략할 수 있다.
연산부는 태양광의 입사각 분석, 지평좌표계의 산출, 기울어짐 정보 등을 산출할 수 있다. 연산부는 씨피유(CPU), 캐시 등 일반적인 연산 장치가 구비하는 구성요소를 포함할 수 있다.
중력센서(3)는 구조체(1) 내부에 설치될 수 있으며, 중력 방향을 감지한다. 이 중력 방향과 수직한 면을 지평좌표계 상의 수평면(X-Y 면)으로 정할 수 있다.
중력센서(3)는 구조체(1)의 중심(11)에 맞춰 설치될 수 있다. 또한 중력센서(3)의 윗면을 구조체(1)의 수평과 평행하게 맞추고, 중력센서(3)의 설치 방향을 로컬좌표계의 X 축 또는 Y 축에 맞출 수 있다. 이러한 중력센서의 설치 위치는, 광센서들의 설치 각도를 구조체의 중심에 맞춘 것과 마찬가지로, 중력센서(3)의 출력값에 대한 추가적인 보정 없이 그대로 사용할 수 있게 한다.
다른 실시예에서 중력센서는 구조체의 내부에 설치되되, 구조체의 중심에서 다소 벗어난 위치에 설치될 수 있다. 구체적으로 구조체의 로컬좌표계의 X'-Y' 평면상에 설치되면서, 중력센서의 수직 축은 구조체의 Z' 축과 평행하게 설치될 수 있다.
중력센서(3)는 중력이 작용하는 방향을 검지하고, 이를 로컬좌표계 상의 좌푯값((x1, y1, z1), 도 12의 Gravity vector 참고)으로 산출한다. 이러한 중력센서는 다수가 공개되어 있으며, 예를 들어 ANALOG DEVICES 사의 ADXL345 모델이 있다.
본 발명에서 지평좌표계의 수평면(X-Y 면)을 검출하는 방법은 2가지가 있으며, 이는 제1 실시예와 제2 실시예로 구분된다. 중력센서를 사용하지 아니하는 기울기 감지 방법의 제2 실시예에서 중력센서가 생략될 수 있다.
특히 중력센서가 생략되는 경우, 구조체의 곡면은 오목하게 형성할 수 있다. 또는 지오데식 돔을 음각하여 오목한 다각형 구조를 채택할 수 있다.
추가적인 구성으로 통신부는 네트워크에 접속하는 인터페이스를 제공한다. 통신부의 세부 구성은 공지된 바와 동일할 수 있으며, 통신부가 구비됨으로써 원격지에 위치한 관리서버와 통신이 가능하게 된다. 통신부는 연산부를 통해 얻어진 3차원상의 기울어짐 정보를 관리서버에 전송할 수 있다.
나아가 기울어짐 정보 생성을 위한 측정 시작 명령, 캘린더정보, 위치정보(경도나 위도), 태양궤적식 프로그램 등 필요한 데이터를 관리서버로부터 수신할 수 있다.
한편 통신부는 발신 전용으로 구성할 수 있으며, 이러한 경우에, 전술한 측정 시작 명령, 캘린더정보, 위치정보(경도나 위도), 태양궤적식 프로그램 등은, 기울기 감지장치 내의 메모리에 미리 저장되거나, 시간제공부, GPS 모듈 등을 통해 감지장치 내에서 취득할 수 있다.
또한 추가적인 구성으로, 구조체(1)를 이격되게 덮는 보호막(4)을 더 포함할 수 있다. 이 보호막(4)은 원활한 투광이 가능한 재질로 제작될 수 있으며, 표면에는 오염을 저감하기 위한 방오 코팅이 수행될 수 있다. 투광성 재질과 방오 코팅의 재질은 빗물에 의해 오염원을 씻어 내릴 수 있게 하는 정도로 충분하며, 이미 개발된 많은 공지된 기술들 중 일부를 선택하여 적용할 수 있다.
도 6과 도 7은 구조체가 반구 이상을 넘어 구에 가까운 형상의 구면을 제공하는 형태의 기울기 감지장치와 관련된다.
도면을 참조하면 구조체는 일부가 잘린 형태의 구형으로 이루어지고 전체 구 중에서 수직한 2개의 평면이 만나는 영역이 제거된 형태를 가진다.
구조체는 지지체에 의해 지지된다. 도면을 참조하면 지지체는 육면체 형상으로서 구조체의 잘린 부분에 결합되어 구조체를 지지하는 한편 내부에 공간이 형성되어 시간제공부, 연산부 등의 각종 구성이 설치될 수 있다.
구조체는 반구 형상보다는 크고 전체 구 형상보다는 작은 범위 내일 수 있고, 지지체는 안테나 장비의 상단부에 장착하기 용이하도록 편평한 면을 가질 수 있다.
도 7은 안테나가 설치되는 지역이 고위도이고 안테나의 면이 북쪽을 바라보고 45° 정도로 기울어져 설치된 형태를 나타낸다. 안테나가 기울어져 설치됨에 따라 안테나 위에 놓여진 구조체 역시 안테나의 기울어진 정도만큼 기울어진다.
알려진 바와 같이 고위도 지역의 태양의 고도는 낮으므로 도 7의 (a)에 도시된 바와 같이 반구 형상의 구조체에는 법선 방향으로 태양광이 닿기 어렵고 센서로 태양광을 감지하기도 어렵다.
이와 같이 지구상에서 지역에 관계없이 기울어진 물체(안테나) 위에 장착하여 태양의 입사광을 감지함으로써 태양의 방향을 측정하기 위해서는 구조체가 반구인 형상으로는 충분하지 않다. 만약 반구 형상의 구조체를 사용하기 위해서는 구조체를 적절히 움직여 태양광을 감지할 수 있도록 별도의 구동부가 필요하다.
하지만 도 7의 (b)와 같이 반구 이상의 구조체를 지지체에 지지하여 사용하면 반구의 아래 부분에서 태양광을 감지하는 것이 가능하다.
따라서 구조체를 움직이기 위한 구동부가 없어도 측정 지역과 무관하게 태양광을 용이하게 감지할 수 있고, 지구상의 어떤 지역에서도 태양광을 용이하게 감지하여 안테나의 기울어짐을 측정할 수 있다.
한편 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 기울기 감지장치와 관련된다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 기울기 감지장치(100)는 구조체(1), 복수의 광센서(2), 광센서수신부, 시간제공부, 중력센서(3) 및 연산부를 포함한다. 추가적인 구성으로 통신부 또는 보호막(4)을 포함할 수 있다. 이하에서 설명하는 내용과 저촉되지 아니하는 범위 내에서 앞서 설명한 실시예에 따른 기울기 감지장치의 각 구성요소들이 가진 특징을 그대로 포함할 수 있다.
다른 실시예에 따른 기울기 감지장치에서 채택한 구조체(1)는, 전술한 실시예의 구조체와 마찬가지로 구형 또는 지오데식 돔형으로 제공되며, 나아가 스크린벽체(12)를 포함한다.
스크린벽체(12)는 이웃하는 광센서들의 중간 거리 지점에서, 구조체(1)의 표면으로부터 법선 방향으로 세워져 있다. 구조체(1)는 태양광의 입사각에 따라 일부의 광센서에 그림자를 드리우게 된다.
도 8의 (b)에서 스크린벽체(12)에 의해 몇몇의 광센서(2_1과 2_6 내지 2_11)에는 그늘(SH)이 진다. 수광면(21)이 그늘진 광센서(2_1과 2_6 내지 2_11)는, 빛을 받는 광센서(2_2 내지 2_5)에 비하여 매우 낮은 출력을 내므로, 분석할 광센서를 선정할 때에 명확히 배제할 수 있게 된다. 일부의 광센서를 분석할 대상을 선정하는 방법에 대해서는 후술하기로 한다.
도 9 내지 도 14는 본 발명의 제1 실시예에 따른 기울기 감지 방법과 관련된다.
제1 실시예에 따른 기울기 감지 방법은, 중력센서를 구비한 감지장치를 사용하는 것으로, 수평면을 산출하는 단계(s1), 태양광의 입사벡터를 산출하는 단계(s2), 태양궤적식으로 태양광의 입사각 정보를 산출하는 단계(s3), 이들로부터 지평좌표계를 산출하는 단계(s4) 및 기울어진 정보를 산출하는 단계(s5)를 포함한다. 추가로 기울어짐 정보를 관리서버에 전송하는 단계(s6)를 더 포함할 수 있다.
[중력센서로부터 지평좌표계의 수평면(X-Y 평면)을 산출하는 단계]
도 12는 중력센서(3)와 수평면(X-Y 평면)과 관련된다. 로컬좌표계(X', Y', Z')는 감지장치의 현재 상태에 따라 3차원 상에서 임의 방향으로 기울어진 상태를 나타낸다. 중력센서(3)도 로컬좌표계에 따라 임의 방향으로 기울어진 상태이다.
중력은 연직 하방으로 작용하며, 중력센서(3)는 중력에 대하여, 중력벡터를 로컬좌표계의 특정 좌푯값(x1, y1, z1)으로 출력하게 된다. 이 중력벡터는 지평좌표계의 수평면에 수직한 벡터이므로, 중력벡터를 지평좌표계의 Z 축(수직축)으로 할 수 있다. 나아가 Z 축에 수직한 면을 지평좌표계 상의 수평면(X-Y 면)으로 산출하게 된다.
[태양광의 입사 방향에 대한 입사벡터(L)를 산출하는 단계]
도 5와 도 10은 입사벡터의 산출과 관련된다. 여기서, 입사벡터(L)는 로컬좌표계의 원심을 기준으로 태양을 향하는 단위벡터로, 태양광의 입사 방향을 가리킨다.
복수의 광센서(2)로부터 입사벡터(L)를 산출하는 방법은, 광센서들의 출력정보를 수집하는 단계(s21), 분석의 의미가 있는 몇몇의 출력정보들을 선정하는 단계(s22), 선정된 출력정보로부터 태양광의 입사 방향을 산출하는 단계(s23), 입사 방향에 대한 단위벡터(입사벡터(L))를 계산하는 단계(s24)를 포함한다.
각 광센서의 출력정보는 광센서수신부를 통해 메모리에 저장되고, 연산부에 제공된다.
연산부는 출력정보의 크기에 따라 정렬하여, 분석할 몇몇의 출력정보를 선정할 수 있다. 이때 선정되는 출력정보들은 측정된 광량의 최상위를 포함한 상위값들을 포함하는 것이다.
여기서 출력정보의 정렬과 선정은 다양한 공지된 알고리즘 중에 선택할 수 있다.
또한 분석할 출력정보의 수는, 광센서의 구비된 개수 등에 따라 사용자가 임의로 설정할 수 있다. 예를 들어 충분한 분해능을 발휘할 수 있을 정도로 많은 수의 광센서가 구비된 경우, 최대 출력치를 보이는 하나의 광센서를 선정할 수 있다. 이 경우, 해당 광센서의 좌푯값이 태양광의 입사 방향으로 할 수 있다.
도 5의 (a)에서 태양광(SL)의 입사각은 어느 광센서(2)의 법선 방향과도 일치하지 않는다. 다만 광센서(2)의 수광면(21)과 태양광(SL)의 입사 각도의 근사 정도에 따라, 각 광센서에서 측정한 광량 데이터에서 차이가 있게 된다.
이러한 경우, 출력정보(광량 데이터)가 상대적으로 높은 수 개의 광센서를 선정할 수 있으며, 선정된 광센서는 도 5의 (b)에 도시한 바와 같이, 출력정보가 최대치인 광센서(2_a)와, 그 주변의 광센서들(2_b 내지 2_g)인 것으로 기대할 수 있다. 이와 같이, 출력정보가 최대치인 광센서(2_a)와, 그 주변의 광센서들(2_b 내지 2_g)을 모두 고려할 수 있도록, 정렬된 출력정보들의 순차적인 증감정도를 임의의 기준값(기준증감치)와 비교하여, 출력정보들을 그룹화할 수 있다.
예를 들어, 출력정보(광량 데이터)가 (1.4), (1.33), (1.31), (1.3), (1.26), (1.25), (1.24), (1.1), (1.05) .. 순으로 정렬되고, 기준값이 0.1 이라면, (1.4) 내지 (1.24)까지 그룹 1로 포섭되고, 바로 앞의 광량 데이터 (1.24)와 0.1을 초과하여 차이 나는 1.1 이하는 다른 그룹으로 포섭될 수 있다. 이중 유의미한 그룹 1만을 분석 대상으로 삼을 수 있다.
선정된 출력정보 중에서 광센서 아이디(ID)를 통해, 분석대상 광센서의 좌푯값들을 알 수 있다. 이 좌푯값들을 수학적 해석을 통해 태양광의 입사 방향을 산출할 수 있다. 이때, 수학적 해석으로 보간법, 선형분석, 통계분석 등 공개된 다양한 분석 방법이 적용될 수 있다. 나아가 수학적 해석에 광량 데이터의 크기 차이를 가중치로 고려함으로써, 더욱 정확한 태양광 입사 방향을 산출할 수 있다.
태양광 입사 방향은, 구면의 어느 한 지점에 대한 로컬좌표계의 좌푯값으로 계산되며, 단위크기로 취함으로써 입사벡터가 산출된다.
도 13을 참고하면, 입사벡터(L)는 로컬좌표계 상에서의 태양광 입사 방향을 나타내는 것으로, 로컬좌표계의 중심을 둔 가상의 단위 크기 구의 표면에 한 점으로 표시 가능하다.
한편, 도 8의 다른 실시예에 따른 감지장치(100)에서, 스크린벽체(12)는 일부 광센서에 그늘(SH)이 지도록 하여 광량 데이터의 격차를 크게 발생시킨다. 그에 따라 배제할 광센서의 선정이 2_2 내지 2_5로 더욱 명확해지는 장점이 있다. 특히 감도가 작은 광센서를 채택하거나, 날씨가 흐려 입사된 태양광의 광량일 작은 경우 등에서, 인위적으로 태양광과 수직하거나 수직에 근접한 광센서들의 출력정보와, 그러하지 아니한 광센서들의 출력정보 차이를 크게 할 수 있는 장점이 있다.
[태양궤적식으로 태양광의 입사각 정보를 취득하는 단계]
태양궤적식에 안테나가 설치된 위도와 날짜 및 시간을 입력하면, 지평좌표계를 기준으로 한 태양광의 입사각 정보(방위각과 고도)를 알 수 있다. 태양의 궤도는 1년을 주기로 반복됨에 근거하며, 이는 지구과학에서 널리 알려진 상식이므로, 여기서는 중복된 설명을 생략한다.
태양의 궤적에 대한 테이블 또는 프로그램은 감지장치에 내장되거나, 통신부를 통하여 관리서버로부터 제공 받을 수 있다. 또한 태양광의 입사각 정보 산출을 위한 위도는 구비된 지피에스(GPS) 모듈로부터 얻거나, 감지장치에 미리 입력된 것일 수 있다. 날짜와 시간은 시간제공부(또는 GPS 모듈)에서 얻을 수 있다. 또는 위도, 날짜 및 시간을 관리서버로부터 전송받을 수도 있다. 이와 같이 태양궤적식을 이용하여 태양광의 입사각 정보를 얻기 위한 구현 방식은 다양하게 변경될 수 있다.
[지평좌표계를 산출하는 단계]
앞서 산출한 수평면(X-Y 평면), 입사벡터 및 태양광의 입사각 정보를 통하여, 지평좌표계의 진북 방향(Y 축) 및 X 축을 산출하여 지평좌표계를 확정한다.
도 11을 참고하면, 지평좌표계의 수평면(X-Y 평면) 상에 입사벡터(로컬좌표계)를 투영하여 투영벡터를 산출하는 단계(s41), 태양광 입사각 정보 중 방위각을 이용하여 투영벡터를 회전시켜 진북 방향을 산출하는 단계(s42) 및 Z 축과 Y 축에 수직한 X 축을 결정하여 지평좌표계(XYZ)를 산출하는 단계(s43)를 포함한다.
도 13 내지 도 14는 지평좌표계를 산출하기 위한 위 단계들(s41 내지 s43)과 관련된다.
도 13에서 로컬좌표계(X'Y'Z')에 입사벡터(L)가 표시되어 있다. 지평좌표계의 수평면(X-Y 평면) 상에 입사벡터를 투영하여 투영벡터(T)를 산출할 수 있다. 투영벡터(T)의 산출에 있어, 삼각함수와 Z' 축과 Z 축의 사잇각이 사용된다.
투영벡터(T)의 방향은 지평좌표계의 수평면(X-Y 평면) 상에서 태양이 위치하는 방향을 가리킨다.
입사각 정보는, 입사벡터의 작성 시점과 같은 시간에서의, 지평좌표계를 기준으로 하는 태양의 방위각(As)과 고도(hs)에 대한 데이터가 포함되어 있다. 이중 방위각 데이터를 사용하여, 투영벡터를 수평면(X-Y 평면) 상에서 역으로 회전시킨다(도 14의 (a) 참고). 방위각 As 만큼 역으로 회전된 투영벡터(T_2)가 가리키는 방향은 지평좌표계의 진북(N) 방향이며, 지평좌표계의 Y 축 방향이다.
산출된 Y 축과 이미 알고 있는 Z 축으로부터, 이들에게 수직한 X 축을 결정함으로써, X축, Y축 및 Z축이 모두 결정된 지평좌표계(XYZ)를 산출하게 된다.
[기울어짐 정보를 산출하는 단계]
도 14의 (b)를 참고하면, 앞서 설명한 과정들을 통해 얻어진 지평좌표계(XYZ)는 로컬좌표계(X'Y'Z') 상에서 계산된 것이므로, 지평좌표계와 로컬좌표계의 상호 관계를 알 수 있다. 지평좌표계를 기준으로 로컬좌표계가 어느 방향에서 얼마큼 회전되었는지를 계산하여, 방위각, 고도 및 롤각을 포함하는 기울기 정보를 산출한다.
이와 같이 태양광의 입사각을 분석하고, 캘린더 정보, 태양궤적식 및 중력센서를 이용하여 안테나의 로컬좌표계로부터 지평좌표계를 확정할 수 있고 로컬좌표계와의 상호 관계에 따라 지평좌표계 상에서 안테나가 지향하는 방위각과 틸팅 각도를 알 수 있다.
[기울어짐 정보를 관리서버에 전송하는 단계]
기울어짐 정보는 통신부를 통해 관리서버에 전송될 수 있다. 이때 기울어짐 정보에는 안테나의 아이디(ID), 방위각, 고도 및 롤각이 포함되며, 추가로 타임스탬프(time stamp), 지평좌표계를 기준으로 한 Z' 벡터값을 포함할 수 있다.
전송되는 기울어짐 정보에는, 방위각, 고도 및 롤각 등을 가공하여 얻어지는 추가적인 데이터를 포함할 수 있다. 예를 들어 고도를 대신하여 지평좌표계의 틸트각(Z축과 안테나의 Z' 축의 사잇각)을 전송할 수 있다. 또는 극좌푯값들을 직교좌표계의 좌푯값들로 대체할 수도 있다.
특히 이동통신용 안테나에 적용되는 경우에 있어서, 기울어짐 정보는 안테나의 폭 방향 기울어짐(롤각)을 지평좌표계의 수평면(X-Y 면)과 수직되게 보정한 후에, 지평좌표계에 대한 안테나의 현재 방위각과 현재 틸트각을 산출할 수 있다.
이동통신용 안테나의 설치 방향은, 통상적으로 방위각과 틸트각으로 설정되며, 설정 단계에서 롤각은 당연히 0°로 간주된다.
롤각이 0°인 경우인 때에 해당 안테나의 방위각과 틸트각이 주된 관심 사항이 될 수 있다. 이러한 점을 반영하여, 롤각이 0°가 되도록, 로컬좌표계를 회전시킨 후에, 방위각과 틸트각을 기울어짐 정보로 산출할 수 있다. 이렇게 산출되어 관리서버에 전송된 기울어짐 정보는 즉시 설계치와 대조될 수 있으며, 이상 유무를 신속히 판정할 수 있게 된다.
나아가 측정된 롤각이 일정 수준을 초과한 경우라면, 안테나가 바라보는 방향이 크게 벗어나므로, 방위각과 틸트각은 의미가 없게 된다. 이 점을 고려하여, 롤각이 일정 수준을 초과하는 경우, 방위각과 틸트값을 널값(NULL)으로 회신하도록 구성할 수도 있다.
도 15 내지 도 17은 본 발명의 제2 실시예에 따른 기울기 감지 방법과 관련된다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 기울기 감지 방법은, 중력 센서를 사용하지 아니한다. 그 대신 지평좌표계의 수평면(X-Y 평면)을 산출하기 위해, 시간차에 따른 태양의 이동을 이용한다.
이하에서 설명하는 내용과 저촉하지 아니하는 범위 내에서 제1 실시예에 따른 각 단계의 특징이, 제2 실시예의 대응하는 단계에서 사실상 동일하게 적용될 수 있다.
구체적으로 도 15를 참고하면, 제2 실시예는 시간차를 두고 2개의 입사벡터를 산출하는 단계(p1, p2), 각 시간에서 태양광의 입사각 정보를 취득하는 단계(p3, p4), 수평면을 산출하는 단계(p5), 지평좌표계를 산출하는 단계(p6) 및 기울어짐 정보를 산출하는 단계(p7)를 포함한다. 추가적으로 제1 실시예와 마찬가지로 기울어짐 정보를 관리서버에 전송하는 단계(p8)를 포함한다.
여기서 시간차를 두고 입사벡터를 산출하는 단계(p1, p2)는 동시간에 수행되지만 아니하면, 어느 하나가 먼저 수행되어도 무관하다. 다만, 시간의 선후는 이후 수평면(X-Y 평면)을 산출하는 단계에 영향을 미치므로, p1, p2 중 어느 단계가 먼저 수행되었는지를 알고 있어야 한다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위해 t1 시점이 t2의 시점보다 선행하는 것으로 간주한다.
또한 결과값(벡터, 정보)가 시간에 따라 달라지는 경우에 _t1, _t2를 덧붙여 표기하여 구분하기로 한다.
[시간차를 두고 2개의 입사벡터를 산출하는 단계]
임의의 시간(t = t1)에서, 각 광센서들로부터 측정된 태양광의 광량 데이터로부터, 로컬좌표계(X'Y'Z')를 기준으로 한 태양광의 입사 방향에 대한 입사벡터(L_t1)를 산출한다.
위 임의의 시간(t1)과 다른 시간(t2)에서, 같은 방법으로 태양광의 입사 방향에 대한 입사벡터(L_t2)를 산출한다.
시간차만큼 태양의 위치는 이동되므로, t1 시간에 따른 입사벡터(L_t1)와 t2 시간에서의 입사벡터(L_t2)는 달라진다.
충분한 신뢰성을 확보하기 위하여 t1과 t2의 시간차이는 적어도 30분 이상으로 할 수 있으며, 바람직하게는 시간 단위로 차이가 나도록 할 수 있다.
광센서들의 출력정보로부터 입사벡터(L_t1, L_t2)를 산출하는 세부 구성은, 전술한 제1 실시예와 사실상 동일하므로 중복된 설명은 생략한다.
[태양궤적식으로 태양광의 입사각 정보를 취득하는 단계]
태양궤적식에 안테나 장비의 위도와 날짜 및 시간(t1, t2)를 대입하여, 지평좌표계 상에서의 태양광의 입사각 정보(방위각(As_t1, As_t2) 및 고도(hs_t1, hs_t2))를 취득한다.
t1과 t2의 시간 차이에 따라 태양의 위치를 나타내는 입사각 정보들도, 서로 차이 나게 된다.
태양궤적식의 파라미터 등 세부 내용은, 전술한 제1 실시예와 사실상 동일하므로 중복된 설명은 생략한다.
[지평좌표계의 수평면(X-Y 평면)을 산출하는 단계]
제2 실시예에서는 지평좌표계의 수평면(X-Y 면)을 산출하기 위하여, 앞서 얻은 입사벡터들(L_t1, L_t2)과, 입사각 정보들(As_t1, As_t2, hs_t1, hs_t2))을 이용하여, 기하학적 분석을 수행한다. 또한 현재의 위도(구체적으로는 북반구인지 남반구인지의 구별)를 참조한다.
세부적인 수행 단계로, 각 입사벡터(L_t1, L_t2)와, 동시간에서의 입사각 정보(As_t1, As_t2, hs_t1, hs_t2))로부터 로컬좌표계 상에 가상의 원뿔을 산출하는 단계, 각 원뿔의 밑면을 형성하는 2개의 원에 동시에 접하는 접선과 로컬좌표계의 원심을 내포하는 한 쌍의 평면(P1, P2)을 산출하는 단계 및 한 쌍의 평면(P1, P2) 중 하나를 지평좌표계의 수평면(X-Y 평면)으로 결정하는 단계를 포함한다.
도 16의 (a)에서, 두 원뿔(C1, C2)은 t1과 t2에 따른 것이고, (b)와 (c)는 이해의 편의를 위해 따로 떼어 도시한 것이다.
도면에서 원뿔(C1, C2)의 높이는 입사벡터(L_t1, L_t2)이다. 입사벡터(L_t1, L_t2)는 벡터값으로, 각 원뿔(C1, C2)이 놓이는 방향을 결정하고 있다.
원뿔(C1, C2)의 모선과 높이(입사벡터)의 사잇각은 태양의 고도(hs_t1, hs_t2)에 해당된다. 여기서 고도(hs_t1, hs_t2)는 태양광의 입사각 정보로부터 얻은 것이다.
예를 들어, t1, t2가 오전 중의 시간대에 속한다고 가정하면, 고도(hs_t1)은, 정오에 가까운 t2 시간의 고도(hs_t2)보다 작다. 이는 원뿔(C1)의 사잇각이 원뿔(C2)의 사잇각보다 작은 이유가 된다.
이들 두 원뿔(C1, C2)의 꼭짓점을 로컬좌표계의 원점으로 옮기면, 도 16의 (a)와 같다.
이들 원뿔(C1, C2)의 밑면(원)에 외접하면서, 동시에 로컬좌표계의 원심을 내포하는 한 쌍의 평면(P1, P2)을 선정할 수 있다.
특정 시간(t1, t2)에서 태양의 고도(hs_t1, hs_t2)만큼 차이가 있으며, 로컬좌표계의 원점을 지나는 평면들(P1, P2) 중 어느 하나는 지평좌표계의 수평면(X-Y 면)이다.
구체적으로 한 쌍의 평면(P1, P2) 중 어느 것이 지평좌표계의 수평면인지는, 측정한 위치(안테나의 위치)가 북반구인지 또는 남반구인지에 따라 달라진다. 태양의 궤적이 시간의 흐름에 따라 동쪽에서 서쪽으로 이동하는 점과, 태양의 궤적이 북반구에서는 남쪽으로 치우쳐지고 남반구에서는 반대임을 고려하여, 어느 한 평면을 수평면(X-Y 면)으로 결정할 수 있다. 이때 프로그램상 남반구와 북반구의 구분은, 위도에 대한 조건식으로 간단히 구현될 수 있다.
도 16에서 t1이 t2를 선행하는 것으로 가정하였으므로, 안테나가 북반구에 위치한다면, 평면(P1)이 수평면(X-Y 면)으로 결정된다. 만일 안테나가 남반구에 위치한다면, 평면(P2)이 수평면(X-Y 면)으로 결정된다. 또한 수평면(X-Y 면)으로부터 지평좌표계의 Z축을 산출할 수 있다.
이러한 기하학적 해석을 위하여 다양한 수학적 알고리즘이 적용될 수 있다.
[지평좌표계를 산출하는 단계]
확정된 수평면(X-Y 면), 어느 한 입사벡터 및 이에 대응하는 태양광의 입사각 정보로부터, 지평좌표계의 진북 방향(Y 축)을 산출한다.
도 17이 이에 관련되며, 앞선 단계에서 선정된 수평면(X-Y 면)에 t1에서의 입사벡터(L_t1)를 투영한 투영벡터(T)가 도시되어 있다. 이 투영벡터(T)를 수평면(X-Y 면) 상에서 Z 축을 회전축으로 하여, 태양광의 방위각(As_t1)만큼 역으로 회전시켜 Y 축을 산출할 수 있다. 또한 결정된 Z 축과 Y 축으로부터 이들에 수직한 X 축을 산출하여, 지평좌표계(XYZ)를 확정할 수 있다.
투영벡터 산출 단계, 투영벡터를 방위각만큼의 회전하는 단계 등의 세부적인 내용은 전술한 제1 실시예와 사실상 동일할 수 있다.
나아가 기울어짐 정보를 산출하는 단계(p7), 기울어짐 정보를 관리서버에 전송하는 단계(p8)의 내용은, 전술한 제1 실시예의 대응하는 단계들과 사실상 동일하므로 중복된 설명은 생략한다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 기울기 감지 방법은 중력센서를 사용함으로써 위치 이동이 가능한 장비에 사용이 가능하다.
한편 제2 실시예에 따른 기울기 감지 방법은 중력센서를 사용하지 아니함으로써 설치 위치가 고정된 장비에 한정될 필요가 있다. 다만 제1 실시예를 위한 감지 장치보다 더 저렴한 구성이 가능한 장점이 있다.

Claims (15)

  1. 구면을 제공하는 구조체;
    상기 구조체의 구면상에 서로 바라보는 방향을 달리하여 설치되며, 태양광의 광량을 측정하는 복수의 광센서;
    각 상기 광센서의 출력정보를 수신하는 광센서수신부;
    상기 출력정보를 수신한 때의 날짜와 시간에 대한 캘린더정보를 제공하는 시간제공부; 및
    모아진 상기 출력정보로부터 태양광의 입사각을 분석하고,
    분석된 상기 태양광의 입사각, 상기 캘린더정보 및 태양궤적식으로부터 지평좌표계를 산출하며,
    상기 지평좌표계와 대비하여 현재 위치에 대한 3차원상의 기울어짐 정보를 산출하는 연산부;
    를 포함하는 기울기 감지장치.
  2. 제1항에서,
    상기 구조체 안에 설치되며, 수평면(X-Y 평면)을 검출하는 중력센서를 포함하고,
    상기 중력센서를 통해 검출된 수평면(X-Y 평면)으로부터 지평좌표계의 Z축을 확정하고, 상기 연산부에서 분석한 태양광의 입사각과, 상기 캘린더정보 및 상기 태양궤적식으로부터 수평면(X-Y 평면)에서 진북방향에 해당하는 지평좌표계의 Y축을 확정함으로써 지평좌표계를 산출하는
    기울기 감지장치.
  3. 제1항에서,
    원격지에 위치한 관리서버와의 통신을 위한 통신부를 포함하고,
    상기 통신부에서 상기 서버로 전송되는 통신정보에는 상기 3차원상의 기울어짐 정보가 포함되는 기울기 감지장치.
  4. 제1항에서,
    상기 시간제공부는 지피에스(GPS) 모듈인 것을 특징으로 하는 기울기 감지장치.
  5. 제1항에서,
    상기 구조체는 반구보다 크면서 일부가 제거된 형태의 구형으로 이루어지고, 상기 구조체를 지지하는 지지체를 더 포함하는
    기울기 감지장치.
  6. 제1항에서,
    상기 구조체는 지오데식 돔 형상인 것을 특징으로 하는 기울기 감지장치.
  7. 제1항에서,
    이웃하는 광센서들의 중간 거리 지점에서 상기 구조체의 표면으로부터 법선 방향으로 세워져 있어, 태양광의 입사각에 따라 일부의 광센서에 그림자를 드리우는 스크린벽체를 포함하는 기울기 감지장치.
  8. 제1항에서,
    상기 구조체는 투과성의 보호막으로 보호된 상태에서, 안테나 장비의 상단부에 노출되도록 설치되는 것을 특징으로 하는 기울기 감지장치.
  9. 중력센서를 통해 지평좌표계의 수평면(X-Y 평면)을 산출하는 단계;
    각 광센서들로부터 측정된 태양광의 광량 데이터로부터, 로컬좌표계를 기준으로 하여 태양광의 입사 방향에 대한 입사벡터를 산출하는 단계;
    상기 광량 데이터를 측정한 시간과 위도정보 및 경도정보를 태양궤적식에 적용하여, 지평좌표계 상에서 태양광의 입사각 정보를 취득하는 단계;
    상기 수평면(X-Y 평면)과,
    상기 입사벡터와,
    상기 지평좌표계 상에서 태양광의 입사각 정보를 통하여, 지평좌표계 상에서 진북 방향(Y축 방향)을 산출하여 지평좌표계를 확정하는 단계; 및
    확정된 상기 지평좌표계 상에서 상기 로컬좌표계의 3차원상의 기울어짐 정보를 산출하는 단계;
    를 포함하는 기울기 감지 방법.
  10. 제9항에서,
    상기 지평좌표계를 확정하는 단계는,
    상기 입사벡터를 상기 지평좌표계 상의 수평면(X-Y 평면)에 투영하여 투영벡터를 산출하는 단계,
    상기 수평면(X-Y 평면) 상에서, 상기 지평좌표계 상에서 태양광의 입사각 정보를 통해 얻어지는 태양광의 방위각을 반영하여, 진북 방향(Y 축)을 산출하는 단계, 그리고
    상기 수평면(X-Y 평면)에 수직한 축(Z 축)과, 상기 진북 방향을 가리키는 축(Y 축)과 수직한 축(X 축)을 산출하여, 상기 지평좌표계를 산출하는 단계
    를 포함하는 기울기 감지 방법.
  11. 임의의 시간(t1)에서, 각 광센서들로부터 측정된 태양광의 광량 데이터로부터, 로컬좌표계를 기준으로 한 태양광의 입사방향에 대한 입사벡터(L_t1)를 산출하는 단계;
    상기 시간(t1)과 위도정보 및 경도정보를 태양궤적식에 적용하여, 지평좌표계 상에서 태양광의 입사각 정보(As_t1, hs_t1)를 취득하는 단계;
    상기 임의의 시간(t1)과 다른 시간(t2)에서, 각 광센서들로부터 측정된 태양광의 광량 데이터로부터, 로컬좌표계를 기준으로 한 태양광의 입사방향에 대한 입사벡터(L_t2)를 를 산출하는 단계;
    상기 시간(t2)과 위도정보 및 경도정보를 태양궤적식에 적용하여, 지평좌표계 상에서 태양광의 입사각 정보(As_t2, hs_t2)를 취득하는 단계;
    로컬좌표계 상에, 시간대를 달리하여 얻은 상기 입사벡터들(L_t1, L_t2)과,
    상기 지평좌표계를 기준으로 한 태양광의 입사각 정보들(As_t1, hs_t1, As_t2, hs_t2)을 통해 지평좌표계의 수평면(X-Y 평면)을 산출하는 단계;
    어느 한 상기 입사벡터와, 이에 대응하는 지평좌표계 상에서 태양광의 입사각 정보로부터, 지평좌표계 상에서 진북 방향(Y축 방향)을 산출하여 지평좌표계를 확정하는 단계; 및
    확정된 상기 지평좌표계 상에서 상기 로컬좌표계의 3차원상의 기울어짐 정보를 산출하는 단계;
    를 포함하는 기울기 감지 방법.
  12. 제11항에서,
    상기 수평면(X-Y 평면)을 산출하는 단계는,
    각 상기 입사벡터를 높이로 하고, 상기 입사벡터와 동시간에서의 태양광에 대한 고도를 상기 높이와 모선과의 사잇각으로 하며, 꼭짓점이 상기 로컬좌표계의 원심에 놓이는 2개의 가상의 원뿔을 산출하는 단계,
    각 상기 원뿔의 밑면을 형성하는 2개의 원에 동시에 접하는 접선과, 상기 로컬좌표계의 원심을 내포하는 한 쌍의 평면을 산출하는 단계 그리고
    상기 두 원뿔의 시간적 선후 관계와, 현재 위치가 남반구인지 또는 북반구인지에 따라 상기 한 쌍의 평면 중 하나를 지평좌표계의 수평면(X-Y 평면)으로 결정하는 단계
    를 포함하는 기울기 감지 방법.
  13. 제9항 또는 제11항에서,
    상기 입사벡터를 산출하는 단계는
    구면상에 서로 바라보는 방향을 달리하여 설치되며, 태양광의 광량을 측정하는 복수의 광센서로부터, 광량 데이터와 해당 광센서의 아이디를 포함하는 출력정보를 수집하는 단계,
    상기 출력정보들을 광량 데이터의 크기에 따라 정렬한 후 미리 설정한 기준에 따라 수개의 상위값의 출력정보들을 선정하는 단계 그리고
    선정된 출력정보들을 통해 태양광의 입사 방향을 산출하고, 이를 단위벡터로 환산하여 입사벡터를 계산하는 단계
    를 포함하는 기울기 감지 방법.
  14. 제9항 또는 제11항에서,
    상기 기울기 감지 방법이 이동통신용 안테나에 적용되는 경우에 있어서,
    상기 안테나의 폭 방향 기울어짐을 보정한 후에 상기 안테나의 지평좌표계에 대한 틸트각과 방위각을 산출하는 것을 특징으로 하는 기울기 감지 방법.
  15. 제9항 또는 제11항에서,
    3차원상의 기울어짐 정보를 산출하는 단계 이후에,
    상기 3차원상의 기울어짐 정보는 통신을 통하여 관리서버에 송신되는 단계를 포함하는 기울기 감지 방법.
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