천문항해를 이용한 선위 측위 알고리즘 및 임베디드 섹스탄트의 구현

Abstract

Prior to the 20th century, ships usually used celestial navigation when sailing on the ocean. However, satellite-based GPS navigation is commercialized and mainly in use since 1990. Astronomical navigation has been drastically reduced due to the complex and time-consuming measurement procedures. Recently, a North Korean cyber-attack near the NLL neutralized GPS equipment. A U.S. Navy ship has been stranded on the atoll due to a navigation error in the GPS navigation system in the Sulu Sea of the Philippines. Auxiliary navigation means for navigational safety is essential when GPS equipment malfunctions due to computer and navigation satellite hacking when the vessel is voyage in the ocean. Celestial navigation require proficiency for the use of the sextant and require specialized abilities such as drawing a line of position on the nautical chart. In addition, the calculation procedure is complex and takes a long time. In order to improve the usability of the Celestial navigation, We have studied how to solve the problems derived from the existing altitude difference method. The purpose of this paper is to implement a simple, convenient and reliable device to carry using celestial navigation. The scope of the study is to analyze the related books and data of celestial navigation, to study the positioning algorithm and to find a way to apply the latest IT technology. The purpose of this study is to investigate the convenience and reliability of the proposed method. The research method is to design a positioning algorithm using two body fix and implement it as an embedded device. The convenience and reliability of the device are verified by comparing the positional errors of the two positioning methods through simulation and actual testing. The existing altitude difference method has more influence factors on the positioning than the embedded module, and the minimum observation time interval should be more than 2 hours during the daytime observations. However, the Embedded sextant with two body fix has little influence on the positioning compared to the altitude difference method because it calculates the position using the position (GHA, Dec) and the observed altitude(Ho) of the object. The embedded sextant is an embedded module embedded in the existing sex tant and the algorithm is programmed into the MCU of the embedded module. The simulated results of the theoretical ship positioning algorithm are applied considering the cause of altitude error such as index correction of sextant, altitude correction error, and individual difference. It is concluded that it is possible to observe at 2 hour intervals at an altitude error of ± 2' at an altitude of 20° less and at 32 minutes intervals above an altitude of 20°. The error value (± 2') was applied to the actual observation data. As a result, positioning is possible within the position error (37nm) of the simulated result by applying the calculated altitude value at the time interval (position error 31nm) of 16 minutes 12 seconds. As a result of two tests with embedded sextant, Observer A has a position error of 4.5 nm in 32 minutes time interval and Observer B is 10.5 nm in 32 minutes time interval. This is because there are individual differences and it is possible to observe at 16 minutes and 12 seconds intervals at the simulation results, but it is better to observe at 32 minutes in tervals considering the position error. This is a result of highly reliable positioning in the ocean when considering the position error (9.8nm) at the 2 hours intervals recommended by the altitude difference method. Therefore, the test confirmed that the embedded sextant is highly reliable as a position measuring device. Embedded sextant is convenient and compared with the exiting altitude difference method. It shortens the time required from 2 hours to 32 minutes to 1 hour, 41 minutes and 30 seconds when running fix and 27 minutes to 1 second for simultaneous observation. Observers can use the embedded sextant to running fix at 32 minutes intervals or to observe the altitude at the simultaneous observation the difference in azimuth of celestial body at 7.5°. In the future, embedded sextant can provide information on the location of ships without being affected by external radio disturbance. In particular, it is believed to help the ship's long-range identification and tracking of ships(LRIT) system introduced by the International Maritime Organization to prevent maritime terrorism and strengthen maritime security measures against ships.|20세기 이전에는 선박이 대양을 항해할 때 천문항해를 주로 이용하였다. 그러나 1990년 이후 위성을 기반으로 하는 GPS항법이 일반화 되면서 측위 절차가 복잡하고 시간이 오래 걸리는 등의 원인으로 천문항해의 활용도가 급격히 저하 되었다. 최근 NLL 인근 해역에서 북한의 사이버 공격으로 GPS 장비가 무력화되는 상황이 발생하였다. 또한 미국 군함이 필리핀 술루해 근해에서 GPS 항법장치의 항로착오로 인해 환초에 좌초되는 사고가 발생하였다. 선박이 대양에서 항해 시에 컴퓨터와 항법위성 해킹 등으로 GPS장비가 오작동 할 경우에 항해 안전을 위한 보조 항법 수단은 필수적이다. 천문항해는 섹스탄트의 사용을 위한 숙련도가 필요하고 해도에 천측 위치선을 작도해야 하는 등의 전문적인 능력이 요구된다. 또한 시트지에 의한 계산 절차가 복잡하고 시간이 오래 걸린다는 것이다. 천문항해의 활용성을 높이기 위해 기존의 고도차법에서 도출된 문제점을 해결할 수 있는 방안에 대해 연구하였다. 본 논문의 연구 목적은 천문항해를 이용하여 휴대하기 간편하고 편리하며 신뢰성 있는 장치를 구현하는 데 있다. 연구의 범위는 천문항해의 관련 서적과 자료를 분석하여 선위 측위 알고리즘을 연구하며 최신 IT 기술의 접목이 가능한 방안을 모색하는 것이다. 고안된 방법의 편리성과 신뢰성을 연구하는 데 있다. 연구방법은 Two body fix를 이용하여 선위 측위 알고리즘으로 고안하고 임베디드 장치로 구현하는 것이다. 장치의 편리성과 신뢰도는 모의와 실제시험을 통해 두 가지 측위 방법의 위치오차를 비교하여 신뢰도를 검증하는 것이다. 기존의 고도차법은 측위에 미치는 영향요소가 임베디드 모듈에 비해 많으며 주간 중 격시관측 시 최소 관측시간 간격이 2시간 이상 되어야 한다. 그러나 Two body fix를 적용한 임베디드 섹스탄트는 천체의 지위(GHA, Dec), 관측고도(Ho)를 이용하여 선위를 산출하므로 고도차법에 비해 측위에 미치는 영향요소가 적다. 임베디드 섹스탄트는 기존의 섹스탄트에 임베디드 모듈을 장착한 것이며 임베디드 모듈의 MCU에 알고리즘을 프로그래밍 하였다. 이론적인 선위 측위 알고리즘의 모의 결과는 섹스탄트의 기차, 고도 개정오차, 개인 차 등 관측고도오차 원인을 고려하여 적용하였다. 오차 값(± 2′)에서 천체 고도 20°이하에서는 2시간 간격으로 격시관측이 가능하고 고도 20°이상에서는 32분 간격으로 격시관측이 가능하다는 결론을 도출하였다. 실제 관측자료에 오차 값(±2′)을 적용하여 모의하였다. 그 결과, 16분 12초 의 시간간격(위치오차 31NM)에서 계산고도 값을 적용하여 모의한 결과의 위치오차(37NM) 이내에 있어 측위가 가능하다. 임베디드 섹스탄트로 2회 테스트한 결과, 관측자 A는 32분의 시간 간격에서 위치오차가 4.5NM이며, 관측자 B는 32분의 시간간격에서 위치오차가 10.5NM이다. 이것은 개인의 차가 존재하며 모의 결과에서 16분 12초의 시간간격으로 격시관측이 가능하지만 위치 오차를 고려하면 32분의 시간간격으로 격시관측을 하는 것이 좋다. 이것은 고도차법에서 권고하는 2시간의 시간간격 위치오차(9.8NM)를 고려하면 대양항해 시 신뢰도가 높은 측위의 결과이다. 따라서 임베디드 섹스탄트는 선위 측위 장치로서 신뢰도가 높다는 것을 시험으로 확인하였다. 임베디드 섹스탄트는 기존의 고도차법에 비해 편리하고 간편하며 격시관측 시 측위소요시간을 2시간에서 32분으로 1시간 41분 30초를 단축하였으며, 동시관측 시에는 27분에서 1초로 약 27분을 단축하였다. 관측자가 임베디드 섹스탄트를 사용하여 32분의 시간간격으로 격시관측을 하거나, 천체 방위 차이 7.5°로 동시관측하여 선위를 측위 할 수 있다. 향후 임베디드 섹스탄트는 외부의 전파교란 등에 영향을 받지 않고 선박의 위치 정보를 제공할 수 있다. 특히 국제해사기구에서 선박에 대한 해상테러 예방 및 해상보안 조치 강화를 위해 도입한 선박장거리위치추적 시스템에 도움을 줄 것으로 판단된다.