R&D연구결과보고서

(1)

보안 과제( ) ，일반 과제( O ) / 공개( ) ，비공개( 〇 )

산 업 융 합 원 천 기 술 개 발 사 업 제 3차 연도 최 종보고서

R0101-15—0102

위험기상 감시 및 에측 향상을 위한 라디오존데

및 고층기상관측 자동화 시스템 개발

최종보고서

주관연구기관 / 진양 공업주식회사 참여연구기관 / 전자早품연구원

한국생산기술연구원 한국전자통신연구원

미 래 창 조 과 학 부

(전담기관) 정보통신기술진흥센터

정보통신방송연구개발사업최종보고서

(2)

제 출 문,

미래창조과학부 장관 귀하

“ 위 험 기 상 감시 및 예측 향상을 위한 라디오존데 및 고 층 기 상 관 측 자동화 시스템 개 발 ” (수 행 기 간 ： 2013. 05. ~ 2016. 02.)과제의 최종보고서 10부를 제출합니다.

2016 . 04 . 14 .

주관기관명 : 진양공업주식회사 (대표자) 한 영 호 (인)

참여기관명 : 전자부품연구원 (대표자) 박 청 원 (인)

참여기관명 : 한국생산기술연구원 (대표자) 이 영 수 (인)

참여기관명 : 한국전자통신연구원 (대표자) 이 상 훈 (인)

총괄책임자 : 양 승 구

참여기관책임자 : 이 상 신

참여기관책임자 : 정 일 용

참여기관책임자 : 남 홍 순

1. 동 보고서상의 기재 내용이 사실임을 확약하며，만약，사실이 아닐 경우 과학기술기본법 제 11조의2 및 정보통신 • 방송 연구개발사업 관리 규정 제 11조에 따라 참여제한 • 환수 등의 어떠한 불이익도 감수하겠습니다.

2. 정보통신•방송연구개발 관리규정 제36조에 따른 보고서 공개 • 활용에 동의 합니다.

(3)

보고서 요약서

과제 고유 번호 ^R0 皿 - 15-0102 해당 단계

연구 기간 단계구분

연구사업명

사업명 정보통신 ■ 방송 연구개발사업

세부사업명 I T-SW융합산업 원천기술개발사업

연구과제명

대과제명

세부과제명 위험기상 감시 및 예측 향상을 위한

라디오존데 및 고층기상관측 자동화 시스템 개발

연구책임자 양승구

해당단계 참여 연구원 수

총: 명 내부: 명 외부: 명

해 당단계 연구개발비

정부: 천원 민간: 천원 지자체 등: 천원

계: 천원

총 연구기간 참여 연구원 수

총: 64 명 내부: 64 명

외부: 명

총 연구개발비

정부:3,800,000 천원 민간:1,268,000 천원 지자체 등: 천원

계:5,068,000 천원

연구기관명 및

소속 부서명 진양공업주식회사

참여기업명:

전자부품연구원 한국생산기술연구원 한국전자통신연구원

국제공동연구 상대국명: 상대국 연구기관명:

위탁연구

연구기관명 : 한국표준과학연구원

연구책임자:

김용규 요약

1. 목적 : W M O에서 인정하는 세계수준의 고정밀 친환경 라디오존데 및 고층기상관측 자동화 시스템 개발

2. 연구성과

2.1 고정밀 라디오존데 개발

라디오존데 관측 성능을 'WMO 스코어 5.0이상으로 향상하였으며，경량화를 통한 친환경 라디오존데 개발 및 신형 수신기 및 관련 제품의 신제품 개발

2.2 다채널 수신기 개발

기존 단채널의 수신기를 다채널 (3채널 )수신기로 개발함에 따라 태풍을 비롯한 악기상시 집중관측을 가능케하여 예보의 정확도 향상을 가능하게 함

2.3 자동비양장치 개발

수동으로 관측하던 고층기 상관측을 자동비양 장치 를 개 발함에 따라 관측자에 따른 관측자료의 편차를 줄이고，극한 기상의 지역에서도 지속적인 관측을 가능 하게 되어 전세계적인 관측을 가능하게 함

2.4 통합표출프로그램 개발

고층기상관측 자동화 시스템의 통합 표출 프로그램의 개발로 인해 관측을 실시 간으로 관리 및 자료의 표출을 가능하게 하며，전세계 관측자료의 수집 및 분석 을 통해 전지구적 인 관측자료의 사용을 보다 쉽 게 연구에 활용할 수 있게 함

보고서 면수 112면

(4)

연구개발사업 주요 연구성과

성 과 지 표 세 부 지 표 성 과 비 고

사 업 화 성과

매출액

개 발 제 품 개 발 후 현재까지 30 억원

향 후 3년 간 매출 70 억원

관 련 제 품 개 발 후 현재까지 억원

향 후 3년 간 매출 억원

시장 점 유 율

개 발 제 품

개 발 후 현재까지 국내 : 80 % 국외 : 20 %

향 후 3년 간 매출 국내 : WO % 국외 : 40 %

관 련 제 품

개 발 후 현재까지 국내 : % 국외 : %

향 후 3년 간 매출 국내 : % 국외 : % 세 계 시 장

경쟁력 순위

현 재 제 품 세 계 시 장 경쟁력 순위 5 위

3년 후 제품 세계 시장경쟁력 순위 2 위

기술적 성 과

특허

국내

출원 12 건

등 록 3 건

국외 출원 1 건

등 록 0 건

논 문 발 표 국내 8 건

국외 7 건

파 급 효 과

고 용 효 과 개발 전 0 명

개발 후 11 명

선 진 국 대비 기 술 수 준 90 %

국 산 화 율 100 %

기 타 표 준 제 개 정 , 기 술 이 전 및 수상실적 등

(5)

< 캡 내부의 온도 변화에 따른 비교 측정〉

(a) 양쪽 써미스터 둘다 캡이 없을 때 (b) 흰색 이중캡과 캡이 없을 때 (C) 검정색 이중캡과 캡이 없을 때 (d) 흰색 이중캡과 올드캡

국문 요약문

연구의 목적 및 내용

연구개발성과

WMO 에서 인정하는 세계수준의 고정밀 친환경 라디오존데와 관측자의 업무 능 력에 따른 측정편차를 최소화하기 위한 비양 자동 시스템 개발을 통하여 고정밀 고층 기상 자료를 수집하고 공 유 하 여 , 극변하는 기후 변화에 효율적인 대처와 보 다 높은 일기예보 정확도 향상을 위한 핵심 기술 국산화를 통해 세계 시장 확보 에 기여할 수 있는 “위험기상 감시 및 예측 향상을 위한 라디오존데 및 고층기상 관측 자동화 시스템 ” 개발

가. 습도보정 알고리즘 개발 및 적용

(1) 이중 습도캡 제작을 통한 정밀도 향상

습도센서 이중캡의 디자인 변경의 주 목적은 비나 눈, 또는 구름사이를 통과 할 때，습도 센서부에 큰 수적이 직접 흡착되는 것을 방지함과 동 시 에 ，이중캡 을 통한 통풍 능력 향상에 있다 .이중캡의 전체적인 외관상으로 위쪽에 구멍이 있고, 양 측면에 통풍구가 있는 두 개의 (내부, 외부 )캡을 을 가지는 구조로 새 롭게 디자인 되었다 .

내부 및 외부캡은 서로 어긋나게 배열이 되어 있으며 , 각 4개의 구멍이 배치 하여 제작되었다. 이러한 방식은 큰 수적들이 외부캡의 통풍구를 통과하여도 내부캡의 벽면이 차단할 수 있도록 설계되었다.

< 센서주변 공기흐름을 개선한 습도캡〉

( a )

1

> g l

<

\ /

Ê . e 'a l

<

(6)

나 . 일사보정 알고리즘 개발 및 적용

- 주관기관 및 국가공인기관의 챔버 시험 결과 전구 간에서 기차가 0.3 °C 이 내로 높은 정 확 도 .

- -50 て 까지 의 온도 정확도는 높으나 극저온에서의 측정 불가로 추후에 극 저온의 시험이 필요

- W M O 시험의 정확도 문제는 기차의 문제가 아닌 외부요인 일사 요로 판단

기존 일사보정 테이블

S e a level E levation A n g le . D egree

0.0 15.0 30.0 60.0 90.0

1000 hPa 0.0 0.1 0 2 0 2 0 2

925 hPa 0.0 0.1 0.2 0.3 0.3

850 hPa 0.0 0.1 0 2 0.3 0.3

700 hPa 0.0 0.1 02 0.4 0.4

500 hPa 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

400 hPa 0.1 0 2 0.3 0.5 0.5

300 hPa 0.1 0.3 0.4 0.5 0.5

250 hPa 0.1 0 4 0 5 0 6 0 6

200 hPa 02 0.5 0.6 0 6 0 6

150 hPa 02 0 6 0 7 0.7 0 7

100 hPa 0 3 0 7 0.8 0 8 0 8

70 hPa 0.4 0.9 1.0 0.9 0.9

50 hPa 0 6 1.1 12 1.1 1 0

30 hPa 0.8 14 1.5 1 4 12

20 hPa 11 16 18 16 1.5

15 hPa 12 18 1.9 18 16

10 hPa 1.5 2.1 22 2.1 1.9

7 hPa 1.8 2.4 2.5 2.4 2.2

5 hPa 2.0 Z6 2 7 2.6 2.5

3 hPa 2 4 3 0 3/I B1 BO

개발중인 일사보정 태이블

Sea level E le v a tio n A n g le . D e g re e 0.0 1 5.0 3 0 .0 60 .0 90 .0

1000^npa ^{0 2} ^{U J} ^{0 .4} ^U.4 ^{u T}

9 2 5 hPa 0.2 0 .3 0 .4 0.5 a s

8 5 0 hPa 0.2 0.3 0 .4 Ü 5 0.5

7 0 0 hPa 0.2 0.3 0.4 0.6 0.6

5 0 0 hPa 0.5 0 .6 0 .7 C 8 0 .9

4 0 0 hPa 0.7 0.9 1.0 1.1 1.1

3 0 0 hPa 0 .8 1.1 M 1J 1.3

2 5 0 hPa 1.0 1.3 1.4 L 5 1.5

2 0 0 hPa 1.3 1.6 1.7 1.8 1.8

1 5 0 hPa 1.5 1.9 2.0 2.0 2 —0

1 0 0 hPa 1.7 2 .2 2 .2 2.1

7 0 hPa 1.8 2 .4 2 .4 2 3 2.2

5 0 hPa 2.0 2 .5 2.6 2 5 2 .3

3 0 hPa 2 2 2 .8 2 .9 2 3 2 .6

2 0 hPa 2.6 3.2 3.3 3 2 3.0

15 hPa 2.9 3.5 i . 6 i . b 3.2

10 h P a 3.2 3.8 3.9 3.8 3.5

7 hPa 3.5 4.1 4.1 4.1 3.9

5 hPa 3.8 4 .3 4 .4 4 3 4 .3

3 hPa d.0 4 6 4 7 4 J 4』

다 . 관측정확도 향상을 위한 관측장비 개선 (1) 신형 라디오존데 개발

No 하 목 개선전 개 선 후 개 선 효 과

1 T ra n sm it Freq u en cy(M H z) 4 0 0 .1 5 - 4 0 6 4 0 0 .1 5 ~406

2 O u tp u t pow er(m W ) 100 100

3 A n te n n a Gain(dBi) + 1.8(Peak) + 3.2(peak) 1.4dBi 개선 4 G P S En g in e SiRF IE Engine SiRF IV Engine

5 Certificatio n KC CE, KC E N 3 0 20 5 4

6 U nit C o st 약 30% 절감

(2) 라디오존데 신형 지상수신장치 제작

(7)

〈표. 지상수신장치 개선 전후 비교표〉

No 항 목 개선전 개선후 개선효과

1 수신 가 능 재널 수 1 3 수 신 재 널 수 선택 가능

2 R ece ive

Fre q u e n cy (M H z ) 4 0 0 1 5 〜 4 0 6 4 0 0 1 5 〜 4 0 6

3 S e n sitivity (d B m ) -105 -115 PRE 1.8 % 이 하

4 A n te n n a G ain (d B i) 3.5 2 o r 5 O m n id ire ctio n a l A n te n n a 변경 P o la riza tio n R ig h t-h an d C ircu la r V e rtica l

5 G PS SiR F IE En g in e T rim b le Eng in e 수 직 고 도 정 확 도 향 상

6 C e rtifica tio n KC C E , KC

7 외 관 Case 장 납 기 자 재 (8 〜 1 0 주 ) 단 납 기 전 환 (3 주 )

8 U nit C o st 개선전 보다 약 10% 절감

(3) 비양기구와 헬륨 주입 기 장치 간 연결 Adapter개 발

즉면 Adapter 장착

라. 친환경 라디오존데 개발

평가 항목 (주요성능

Spec)

전체 항목 에서 차지 하는 비중 (%)

세계최 고 수준 보유국/

보유기 업 ( / )

연구개발 전 국내수준

개발 목표치

개발

결과 평가 방법

성능

수준 성 ^수 준 최종년도 최종년도

환경인증 5 없음13 국내 제품

없음

RoHS 인증획득

공인시험성적서 (획득) 환경 재료 함량 5 없음 국내 제품

없음 70% 70% ^자체평가

및 녹색인증 획득 (가) 라디오존데 경량화

RSG-20A 1 f RSG-40A

(8)

N o 항 목 R S G -2 0 A R S G -4 0 A

1 무게 ⑼ 25 13

2 크기 (mm) 60(w) x 70(h) 40(w) x 70(h)

새로 제작한 RGS-20A는 기존 RG S-40A 보다 무게는 25 g 에서 13 g으로 약 48 % 감 소 하 였 으 며 ，전체넓이는 약 50% 가량 축 소 되 었 다 . 이는 배터리와 안 테나를 포함하지 않은 라디오존데의 PC보드만의 무 게 로 ，배터리 등을 포함한 라디오존데 전체 구성품의 무게는 70% 이상 감소하도록 개발하였다.

(나) 라디오존데 장착 배터리 최소화

N o 항 목 R S G -2 0 A R S G -4 0 A

1 배터리 수 3 1

2 무게 (g) 93 34

(다) 환경인증 및 친환경 재료 인증서

RGS-20A 는 기존의 冽 의 리륨이온 배터리가 들어가던 라디오존데 RGS-40A에서 1개의 리툼이온 배터리로 작동할 수 있도록 개발되었다 이에 따라 기존 무게도 93 g 에서 34 g 으로 약 64 % 감소하여 환경오염을 최소화 할 수 있는 경량화 된 친환경 라디오존데를 개 발 하 였 다 .

마. 현장 시험을 통한 라디오존데 성능 검증

- 개발된 친환경 고정밀 라디오존데의 성능 검증을 위해 현장 시험을 수행 - 비교관측을 위하여 Vaisala 라디오존데를 기준 관측 장비로써 사용 ____

(9)

평가 항목 (주요성 능

Spec)

전체

^목 에서 지 하는 비중 (%)

보유기 업 ( n

개발 목표치

개발

성능

수준 성능수준 최종년도 최종년도

온도정^도 7

(핀란드 /Vaisala)

5

3.75 5.0 (국외)

5.0 (국외)

WMO, 수요기업평가 (WMOScore)

습도정^도 7

5

3.5 5.0

(국외)

5.0 (국외)

기압정^도 6

5

3.5 5.0

(국외)

5.0 (국외)

(가) 일사보정

- 라디오존데가 비양 중에 태양열에 의한 영향으로 기온보다 높게 관측됨.

く 주간 관측 시 일사보정 전(좌)/후(우) 비 교 〉

온도 성능 검증 결과 주간의 경우 일사로 인한 온도차이가 최대 ±3 で 를 보 였으나, 일사보정 결과 ±0.3 °C 의 오차를 보여 상층으로 갈수록 높아지던 차이 값이 많은 부분 개선됨을 보였다.

(나) 습도 보정

- 기존의 존데 성능은 기준보다 건조하게 관측하는 특성을 보였음

(10)

< 습도 재 생산 전 (좌 )/후 (우 ) 비 교 〉

습도 비교 관측 결과 RSG-20A의 관측값이 기준기에 비해 건호하게 측정되 는 경향이 있 었 으 나 ，온도함수의 보정식을 적용한 결과 전 구간에서 기준기와

±5 % 이내의 오차를 보여 기존의 관측값에 비해 높은 정확도를 보였다

(다) 기압 보정

- 기 압 산 출 은 G P S 방 식 으 로 비 양 중 에 고 도 ，온 도 , 습 도 를 통 해서 계 산 됨 .

< 기압 비교 검증 >

2. 저전력 송신 장 치 및 다 채 널 수 신 장 치

가. 전력제어 알고리즘 검증

- 라디오존데 요구사항을 송신출훠0 mW ，이하 전송 2561 리km 이상으로 정의하고 자유공간 경로손실을 고려하여 링크 버짓 분석 링크버짓 분석 결과 라디오존데 수신감도는 최대 링크 범 빠 mi,

(11)

안테나 이득을 7dBi라디오존데 최대 출력을 16으äB rä}정하면 - 109 dBm ，20 dB m 으로 가정하면 -105 dBm이 요구됨

- 라디오존데 운용환경 분석을 위하여 비양 중 라디오존데 배터리 주변 온도 및 수신신호 특성 측정 (14년 2-3월，강 릉원 주대 학교)

- 배터리 표면온도 측정 결과 대기온도에 따라 최저 -34.8°C， 최고 16.4 で 관측되어 라디오존데 배터리에 대한 단열 필요성 확인

- 수신신호 측정 결과 비양 후 ® 동안 경과 시간에 따라 _22 cH년I - 100 dBm 까지 감쇄할 뿐만 아니라 수신신호 세기 변화가 있어 이에 대 한 충분한 마진 설계 필요성 확인

く배터리 표면온도 및 수신신호 세기 측정 결 과 〉

나. 지상수신 시스템 RF 시험 및 보완

- 라디오존데 무게 경감 및 환경오염 개선을 위한 배터리 용량 축소와 라디오존데 원근문제 축소를 위한 단방향 전력제어 알고리즘 개발 - 라디오존데 단방향 전력제어 알고리즘은 GP$ 추정한 위치로부터 지상

수신장치까지 거리를 계산하고 계산된 거리에 따른 송출전력 제어

- 라디오존데 송수신 성능 평가를 위하여 작지 경로 모델 설정하고 설정된 경로 모델에 대하여 시뮬레이션을 통한 개선 효과 확인

W M O 에서는 일 2회 (UTC 0 1 ，1홰 ) 12、ᅵ간 주기로 관측하여 기상 변화가 빠른 위험기상을 관측하기 곤란하므로 위험기상 관측 및 예측 향상을 위해 보다 짧은 주기의 연속 관측 필요(예를 들면 30분 주기)

< 위험기상 관측 및 예측 향상을 위한 연속 관측〉

(12)

평가 목 (주요성능

Spec)

보유기 업 ( / )

개발 목표치

개발

성능

동시 수신채널수 10

1

1개 3개 3개 수요기업평가

연속 관측뿐만 아니라 비양 중 스마트존데 내부의 라디오존데 진단을 위해 동시에 3채널 이상 수신할 수 있는 다채널 수신장치 개발

라디오존데 다채널 수신장치는 소프트웨어 정의 무S oftw are defined radio： SDR) 기술로 개발하여 프로그램 변경에 따라 동시에 수신할 수 있 는 라디오존데 수 변경

범용 SDR 플랫폼은 수신감도 등 시스템 성능이 라디오존데 요구사항에 미 흡하므로 다채널 수신용 라디오존데 RF 모듈과 고감도 AGC 개발

고감도 A G 〔는 라디오존데가 가까이 있는 경우와 멀리 있는 경우 모두 안정적으로 수신할 수 있도록 충분한 동적범위 (60 dB 가변 ) 설계 - 시험결과 라디오존데

85 dB ( - 25 dBm ^へ

R F 모듈은 고감도 ■ 트

-110 dBm) 이상의 동적범위 확인

A®C통하여

다. 저전력 라디오존데 통합시스템 및 다채널 수신장치 개발

평가 항목 (주요성능

Spec)

보유기 업 ( / )

개발 목표치

개발

성능

수준 성 ^수 준 최종년도 최종년도

라디오■존데 전력 소비 10

(핀란드 /Vaisala) 600

660mAh <420mAh <420mAh ^{^자체평가} 및 녹색인증 획득

라디오존데 다채널 지상 수신 장치 수신 성능을 시험하기 파주 기상대 (‘15.8) 와 제주 국가태풍센터(’15.9, ‘16.2) 에서 현장 시험

파주기상대 시험결과 비양 직전 약7m 거리에서 수신 신호가 52 dBm, 잡음이 -120 dBm 정도를 나타내며 수신 채널의RSSI 세 フ 1가-37 〜 - 23 dBm 정도로 변화됨을 관측

(13)

- 제주 국가태풍센터 현장결과 스마트존데 내부에서 비양 잔ÎSSI 가 67dBm 정도이며 , 비양 직후 약 -45 d B Ä로 증가했다가 거리에 따라 감쇄됨을

확인

Center fr« 松 I Packrt Dj Sync OK 43:14.0 405,00〇M 纖瞧 OK 4Ï14.0 40WWM ^병7J9 S m S m OK 43^4.Q 405.000M 내7JIS8338S88C OK 43:14^) 405.00OM 선7. 샀 88SS8S嫌 OK 43:14.0 405,00〇M -67.37 m m m OK 4mi 405.00〇M ^A2 mmm ok 43^크 i l 405,00OM -673 m SSm . OK 4H5.1 405.000M W ? 8^⑽ 8^網 (OÜ 4的.00OM *67J4 3SSS8&8S( OK 40S.OOÛM 47J6J

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く비 양 전 스펙트럼 (405 M Hz, 50dBm)과 수신 신호 >

- 현장 시험 결과는 스마트존데 시스템 연동에 따른 초기 L N I폭도 및 AGC 제어 알고리즘 초기값 설정에 활용

- 향후 계절별，위치별, 위험 기상별 수신 신호 특성 분석을 위하여 계속적인 현장 데이터 수집 필요

- 위험기상이 예견되는 경우 다채널 수신기를 이용하여 연속 관측하고 연속 관측 효과 분석에 대한 추가적인 연구 필요

3. 비 양 자 동 화 장치

평가 항목

( 접 능

전체 항목 에서 차지 하는 비 중 (%)

보유기업

( / )

개발 목표치

개발

성능

ノ - ス

비양 능력 ス}동화 20

(핀란드 /Vaisala) 100/24フ 개

국내 제품

없음 100% 100% 수요기업평가

(28개 기준)

가. 리프트방식의 비양 자동화 장치 개발

라디오존데 및 비양풍선을 비양시키기 위해 상부 지붕을 슬라이드로 개폐하고 비양리프트를 상승 하강시킬 수 있는 리프트방식의 비양자동화 장치를 설계하고 제작함

く리프트방식의 비양트레이 및 해치모듈 대표 설계도면 및 구성도〉

(14)

비양 트레이모듈에 라디오존데와 비양기구를 장착하여 비양해치 모듈로 이송하여 비양풍선에 헬륨가스를 정 량 주입하고 비양 테스트를 실시함 제 작된 비 양자동화장치 의 성능을 검 증하고 수정 보완하기 위 해 현장테 스 트 를

실시함(제주 국 가 태 풍센 터，2015.08 〜 2016.02)

く리프트방식의 자동비양장치의 라디오존데 비양〉

나. 해치방식의 비양 자동화 장치 개발

리프트방식의 자동비양장치를 수정 보완하여 비양 트레이는 이전과 유사 하나 보다 크게 제작하였으며 외관은 이전의 콘테이너 규격이 아닌 우레 탄 판넬로 제작함

이전 방식보다 개별 트레이의 크기를 키우고 비양 트레이를 한 층에 ISA 를 설계하여 전체 상하부를 합쳐서 3에의 트레이를 갖도록 트레이모듈을 설계함

트레이의 구동방식은 리프트방식과는 공압실린더를 사용하지 않고 서보모 터와 감속기를 활용하여 트레이를 회전시키면서 비양기구를 하고 해치모 듈로 공급할 수 있도록 함

< 해치방식의 비양트레임 및 해치 모듈〉

< 해치방식의 자동비양장치 및 비 양 >

(15)

다 . 비양 자동화 장치 제어시스템 개발

제어시스템은 산업용 통신 기반인 EhterCAT 통신 기 반 의 BeckOFF PLC 제어기로 자동 비양해치 제어시스템을 구성함

리 프트방식 의 비양자동화장치 는 제 어콘솔을 제 작하여 수동으로 작동하는 제어콘솔 장치를 구성하였으며 리프트방식은 매뉴얼 제어를 위한 수동 제 어버튼은 모두 없애고 H M I시스템을 구성하여 제어 프로그램으로 제어함 - 자동비양의 비양순서 를 고려 하여 제 어 동작별 Action코드를 정 의하여 제

어용 프로그램 및 상위제어기 시스템 쓰마트존데 관리 운영 통합시스템 과 의 API 연계를 고려함

4. 자동화 시스템 원격감시 및 고층기상자료 통합관리 S /W 개발

가. 다채널 고층기상 관측자료 처리/분석/표출 소프트웨어 개발

(1) 지도기반 실시간 라디오존데 위치표현을 위한 소프트웨어 개발

- 현재 다수의 스테이션에서 비양중인 라디오존데의 위치 및 데이터를 지 도 기반으로 표현하여 사용자에게 라디오존데의 실시간 비양경로 및 수 집데이터를 제공하는 기능 개발

く다채널 라디오존데 실시간 위치 및 데이터 표현〉

(2) 시계열 (Time series) 기반 고증기상관즉 표현 기술 개발

(16)

시계열성 특징을 가지는 라디오존데 기반 고층기상관측 자료의 효율적인 표출을 위해 시계열 데이터베이스인 openTSDft 이용한 고층 기상관측 자료 저장 및 표출 기술 개발

〈시계열기반 고층기상관측 데이터 저장/ 표출〉

(3) 실시간 라디오존데 비양정보 제공을 위한 웹기반 데이터 표현기술 개발 - 실시간 라디오존데 비양상태 확인 및 고층기상 정보제공을 위해 라디오

존데의 방위/고도/온도/습도 데이터를 차세대 웹 표준인 HTM L5 기반 표 출 기술 개발

2D 지도기반 위치표현 및 표준 기상데이터 색상 기반 고도표현을 통해 실시 간 라디 오존데 의 비양정보를 직 관적 으로 확인할 수 있는 표현 기 술 개발

く실시간 라디오존데 방위/ 고도/ 온도/습도 데이터 표출〉

(4) 다채널 고층기상 관측자료 처리/ 분석/표출 통합 소프트웨어 개발 및 검증 - 다채널 고층기상 관측자료 제공을 위한 웹기반 데이터 서비스 (텍스트 기

반 및 그래프 기반 데이터 서비스 )개발 및 고층기상 관측자료 분석 및 표출을 위한 Skew-T 다이어그램 표출 기술 개발

〈웹기반 고층기상관측자료 수집/ 분석/표출 소프트웨어〉

나. 자동화 시스템 관라"운영 및 원격감시 소프트웨어 개발

(1) 원격 감시 지원 라디오존데 연동을 위한 통신 프로토콜 개발

____ : 원격 라디오존데 스테이션의 프 로 세 스 ，환경 모니터링 및 비양정보 수집

(17)

(2) 원격 스마트 라디오존데 스테이션 자동화 시스템 감시를 위한 웹서비스 개발 및 검증

- 현재 원격 스마트존데의 상 태 ，비양실 해치 ，비양실 준비실 가스실 및 AWS 에서 취득된 자동화 시 스템 관련 환경 정 보를 수집 하고 표출

평가 목 (주요성능

Spec)

세계최 고 丁-!

보유국/

보유기업

( n

연구개발 전

^내 수 준

개발 목표치

개발

성능

원격감시 site 수 20 - - 10개 10개 수요기업평가

10개의 가상 에뮬레 이터를 통한 가상 데이터 주입을 통해 서버의 원격 스테이션 모니터링 서비스의 동작을 검증하고 실제 스마트 라디오존데 스테이션 시작품과의 연동을 통한 SW 검증 수행

(18)

(3) 원격 라디오존데 스테이션 환경 및 프로세스 모니터링을 위한 스마]

디바이스 기반 응용 소프트웨어 개발

(가) 개방형 오픈 A P I를 활용한 스마트 디바이스기반 응용 SW 개발 - 원격 스테 이션의 상태 및 비양 프로세스 실시 간 정보 표출

く스마트 디바이스 기반 스테이션 원격 감시 소프트웨어〉

다. W MO 고층기상자료 관리 및 데이터 운영 소프트웨어 개발

(1) W M O 고층기상자료 데이터 연동을 위한 분석/저장 소프트웨어 개발

(가) W M O 고층기상자료 데이터 연동을 위한 분석/저장 알고리즘 설계 및 개발 - 고층기상데 이 터 (Upper-air data) 특성 을 고려하여 비양 날짜와 시 간별로 분

산되어 있는 고층기상자료 전문 데 이터들을 가공하고 시 계열 데 이터 베 이스에 저장 및 가시적 표현을 제공하기 위한 시계열 데 이터 저장용 metric, tag 체 계 개발

특정 스테이션의 UTC 기준 관측시간별 데이터들 중에서 특정 필수고도에 서의 온 도 ，이 슬 점 , 풍 향 ，풍속에 대한 오랜 기간 동안의 변화추이를 그래프 를 통해 가시적으로 표현하는 서비스 개발

(19)

(나) W M O 고층기상자료 데이터 연동을 위한 소프트웨어 구조 설계 및 개발 - W M O 에서 제공하는 고증기상자료 (upper-air dat查 수집하고 서비스하기

위한 데이터 크 롤 러 ，데이터 repository 및 웹 서비스 개발

■ スト료宁집 URL: http：// w w w l.ncdc.noaa.gov/pub/data/igra/data-y2d/

■ 데이터 수집을 위한 스테이션 추가 기 능 ，크롤링 수집 결과 제공을 위한 로깅 , 크롤링 설정 기능 등 제공

<W M O 고층기상자료 데이터 연동용 서비스 및 크롤러〉

(2) 고층기상자료 통합관리를 위한 서비스 프레임워크 설계 및 개발

(가 ) 웹기반 고층기상자료 서 비스 제공을 위한 R E S T fd A PI 개발

- 실시간 모니터링 및 고층기상자료 서비스 제공을 위한 R Egm ïul 개방형 API 개발

(나:) 웹 기반 고층기상자료 표출 서비스 제공 기술 설계 및 개발

- 웹 기반 스마트 라디오존데 모니터링 및 고층기상자료 표출을 위한 서비스 플랫폼은 다음과 같은 서비스를 제공함

■ 실시 간 다중 스테 이션으로부터 수집 된 비양정 보를 지 도기 반으로 실시 간 표출을 통한 라디오존데 비양상태 모니 터 링 서비 스

■ 원격 스테 이션 상태 및 비양 프로세스 실시간 모니 터 링 서 비스

■ 크롤러를 통해 자동으로 취득된 W M ◦고 층 기 상 자 료 시계열 데이터 서 비 스

■ 수집된 스마트존데 데이터에 대한 시계열 데이터 서비스

■ 플랫폼 관리를 위한 관리자용 웹 서비스 개발

(20)

< 웹기반 라디오존데 모니터링 및 고층기상자료 표출서비스 통합 플랫폼>

(다) 스마트 디바이스 기반 라디오존데 및 스테이션 모니터링 응용 소프트웨어 개발 - 웹기반 서비스와 동일하게 스마트 디바이스에서도 라디오존데 및 원격

스테이션의 실시간 모니터링이 가능하도록 스마트디바이스 기반 응용 소프트웨어를 개발

- 멀티 스테이션에서 비양중인 라디오존데로부터 실시간 취득된 읍도 습도 위 치 , 풍 속 ，풍 향 ，지오포텐셜 고 도 ，상승속도 등의 정보와 원격 라디오존데 스테이션의 상태 및 비양 프로세스 실시간 정보를 확인

〈스마트 디바이스 기반 라디오존데 및 스테이션 모니터링 응용 SW 〉

5. 스 마 트 존 데 통 합 시 스 템 운영 및 검증

가. 스마트존데의 현장 관측 및 자료 검증

(1) 현장관측 진행

- 라디오존데 자동 비양장치의 현업 운영중에 도출되는 보완점을 개선하기

一

i 一

s

«팔 二

11 -

モ_i

l

一：>

적|

=

? °Ï H

(21)

위해 시제품의 현장 설치 및 운영을 진행하였다 .현장 설치 위치의 선정은 라디오존데의 관측 특성상 바람의 영향이 많이 받기 때 문 에 ，강풍을 비룻 하여 태 풍 , 돌풍이 빈번하게 관측되는 제주도의 국가태풍센터에 시제품을 설치하여 운 영 하 였 다 .

■ 스마트존데 시제품 현장 설치 완료 (2015.08.22.)

■ 스마트존데 시제품 현장 시험 운영 (2015.08.24. ~ 2015.09.04.)

■ 스마트존데 시제품 현장 성능 시험 (2015.09.07. ~ 2016.02.26.)

(2) 자료검증

- 총 36회의 현장 시험 결과 성공횟수 31회로 86%의 비양 성공률을 보였으 며, 5회의 실패에 대해서도 모두 보완을 완료하였다.

■ 실패사유 : 라디오존데 GPS 이상 1회 (라디오존데 불량 )

■ 수신기 설정 오류 1 회(설정 변경 완료)

■ 라디오존데 접촉부 문제 1회(접촉부 문제 개선 완료)

■ 라디오존데 장착 불량

■ 관측 데이터 수신 불량(라디오존데 불량)

연구개발성과의 활용계획 (기 대 효 과 )

최종 결과물은 기상청을 비릇한 국내의 수요기관을 비 릇 하 여 ，세계에 있는 수요처 에 고층기상관측 자동화 시스템을 적용할 계 획 이 다 .국 제 전시회 참가로 제품 특 화기능을 부각시켜 기능적 우위를 통해 수요처를 확보하며 奸 로 현재 수출실적 을 보유하고 있는 인 도 , 아시아를 시작으로 2차로 유럽 및 아랍연맹으로 시장진출 을 계획하고 있다 . 이 후 After M arket전략인 소모품 라디오존데 의 지속적 인 판 매를 통해 세계적으로 경쟁력을 갖추어 점유율을 넓힐 계 획 이 다 .

핵심어

(5개 이내) 친환경 고층기상과측 무인 고층관측 기상관측 고층다채i 널수시

라디오존데 층 기상과측 자동비양 장치 시스템 층과측템

(22)

영문 요약문

< S U M M A R Y >

Purpose &

Contents

collecting and sharing high-precision upper atmosphere meteological data through automated system by making world class high-precision of environmetal friendly radiosonde approved by the W M O and minimizing the measurement deviation in accordance with observer's business skill of the radiosonde and "The development of Radiosonde and Automatic Upper Air Sounding System for monitoring of a hazardous weather and improvement of weather forecasting" to contribute to ensuring world market through the core technology localization for effective coping w ith extreme changing climate and improved of weather forecast accuracy. _______________________________________

Results

1. E nvironm ental-m endly High-precision Radiosonde

A. Development and application of hum idity control algorithm

(1) Improved precision by dual hum idity cap

The main purpose of the design change in the humidity sensor dual cap is not only to prevent the humidity sensor part from getting large water droplets adsorbed directly, but to improve ventilation through the dual cap when the sensor passes rain, snow, or clouds. In terms of external appearance of the newly designed product, there are holes on the upper side of the dual cap, and two ventilators (internal & external) on both sides.

The internal and external caps go across, and four holes are arranged.

The design is aimed at enabling the internal cap to block large water droplets even though the droplets pass the ventilator of the external cap.

〈Hum idity cap improved ambient airflow >

(23)

くCompatative measuring according to the temperature change of the cap inside〉

(a) no cap both sides thermistor (c) black double cap and no cap

(b) w hite double cap and no cap (d) white double cap and old cap

B. Development and application of solar radiation control algorithm

- The temperature difference in all sections was w ithin 0.3 °C (high precision), according to the chamber test results of the organization institution and national certification institution.

一 Temperature accuracy is hign up to -50 °C . However, measurement is made impossible at extremely low temperature； therefore it is required to carry out a test at extremely low temperature.

- The accuracy in W M O test is judged to be not caused by temperature difference，but external factor (solar radiation).

기존 일사보정 테이블

S e a level E levation A n q le . D egree

0.0 15.0 90.0

1000 hPa 0.0 Ü.1 0.2 0 2 0 2

925 hPa 0.0 0 2 0.3 0.3

850 hPa 0.0 0.1 0 2 0.3 0.3

700 hPa 0.0 0.1 0 2 0 4 0 4

500 hPa 0.1 0 2 0 3 0 4 0 5

400 hPa 0.1 0 2 0 3 0 5 0 5

300 hPa 01 0 3 0.4 0 5 0 5

250 hPa 0.1 0.4 0.5 0.6 0.6

200 hPa 0.2 0.5 0.6 0.6 0.6

150hPa 0 2 0.6 0.7 0.7 0.7

100 hPa 0.3 0.7 0.8 0.8 0.8

70 hPa 0.4 0.9 1.0 0.9 0.9

50 hPa 0.6 1.1 1 2 1.1 1.0

30 hPa 0.8 1.4 1.5 1.4 1 2

20 hPa 1.1 1.6 1.8 1.6 1.5

15 hPa 1 2 1.8 1.9 1.8 1.6

10hPa 1.5 2.1 22 2.1 1.9

7 HPa 1.8 2.4 2.5 2 4 12

5 hPa 2.0 2.6 2 7 Z 6 2.5

3 hRa 2.4 3.0 3.1 3.1 3.0

개발중인 일사보정 테이블

Sea level E le v a tio n A n g le . D e g re e 0.0 15.0 3 0 .0 6 0.0 90 .0 l o o o n p a U .i U J 0 .4 0 .4 u T

9 2 5 hPa 0.2 0 .3 0 .4 0.5 0 .5

8 5 0 hPa 0.2 0.3 0.4 0.5 0.5

7 0 0 hPa 0.2 0.3 0.4 0.6 0.6

5 0 0 hPa 0.5 0.6 0 .7 0.8 0.9

4 0 0 hPa 0.7 1.0 1.1 1.1

BOO hPa 0.8 1.1 1.2 1.3 1.3

2 5 0 hPa 1.0 1.3 1.4 1.5 1 5

2 0 0 hPa 1.3 1.6 1.7 1.8 1.8

15 0 hPa 1.5 1.9 2.0 2.0 2.0

10 0 h P a 1.7 2 .2 2.2 2.1

7 0 h P a 1.8 2.4 2 .4 2 .3 2.2

50 h P a 2.0 2.5 2.6 2.5 2.3

3 0 h P a 2.2 2.8 2.9 2 .9 2 .6

20 h P a 2.6 3.2 3.3 3.2 3.0

1 5hP a 2.9 3.5 3.6 3.5 3.2

1 0 h P a 3 2 3.8 3 .9 3.8 3 .5

7 hP a 3.5 4.1 4.1 4.1 3.9

5 hP a 3.8 4 .3 4 .4 4 .3 4 .3

3 hP a ル0 4 .6 4 .7 4 .7 4 .6

C. Improvement m observation equipment for better observation accuracy (1) Development of a new radiosonde

(24)

No ITEM B EFO R E A FT ER A F F E C T 1 T ra n sm it Freq u en cy(M H z) 4 0 0 .1 5 ~406 4 0 0 .1 5 ~406

2 O u tp u t pow er(m W ) 100 100

3 A n te n n a G ain(dBi) + 1.8(Peak) +3.2(peak) + 1.4dBi 4 G P S En g in e SiRF IE Eng ine SiRF IV En g in e

5 Certificatio n KC CE, KC E N 3 0 20 5 4

6 U nit C o st approx. - 30%

(2) Development of a new ground receiver of radiosonde

〈Development of a new ground receiver〉

< Comparative of old and new ground reciver〉

No ITEM BEFORE A FTER A FFEC T

1 C h a n n e ls 1 3 C h o ic e to ch a n n e l

2 R eceive

Fre q u e n cy (M H z )

4 0 0 .1 5 〜 40 6 4 0 0 .1 5 〜 40 6

3 S e n sitiv ity (d B m ) -105 -115 u n d e r PRE 1 .8%

4 A n te n n a G ain (d B i) 3.5 2 o r 5 C h a n g e O m n id ire ctio n a l A n te n n a

P o la riza tio n R ig h t-h an d C ircu la r V e rtical

5 G PS SiR F E En g in e T rim b le Eng in e Im p ro v e v e rtica l altitu d e a c c u ra c y

6 C e rtifica tio n KC C E, KC

7 S u rfa c e C ase 8 ~ 1 0 w e e k s 3 w e e k s

8 U n it C o st approx. - 10%

(25)

(3) Development of an adapter to connect weather balloon and helium injection device

SIDE A dapter

D. Development of environmetal-friendly radiosonde

Evaluation Item s

Import -ance of all conte -nts

W orld's best

N ational

level G oals Results

Evaluation M ethod

level level Final year Final year Environm etal

certifacaion

5 none none RoHS RoHS C ertificatio n Environm etal

cm aterial contents

5 none none 70% 70% Self evaluation and certificatio n (1) Lightw eight radiosonde

N o IT EM R S G -2 0 A R S G -4 0 A

1 W e ig h t (g) 25 13

2 Size (m m ) 6 0 (w ) x 7 0 (h ) 4 0 (w ) x 7 0 (h )

The newly developed RGS-20A weighs 13 g, around 48% lighter than RGS-40A (25g), and its whole w idth reduced around 50 %. That is the weight of PCB only of radiosonde excluding battery and antenna. The weight of the all radiosonde components including battery reduced more than 70 %.

(26)

N o ITEM R S G -2 0 A R S G -4 0 A

1 Battery 3 1

2 W e ig h t (g) 93 34

Compared to RGS-40A with three lithium-ion batteries, RGS-20A works with one lithium-ion battery. As a result, the newly developed radiosonde weighs 34 g, 64 % lighter than existing one weighing 93 g, The lightweight eco-friendly radiosonde can minimize environmental pollution.

(다 ) Environmetal and Environmetal friendly material cerification

E. Proved radiosonde performance by field test

- Field-tested to examine the performance of the developed eco-friendly high-precision radiosonde

- For comparison, Vaisala radiosonde was used as basis observation equipment. _______________________________________________________________

(27)

Evaluation Item s

Import -ance of all conte -nts

W orld's best

National

level G oals Results

Evaluation M ethod

level level Final year Final year Tem perature -

accuracy 7

(Finland /Vaisala)

5

3.75 5.0 5.0

W M O , dem and evaluation

(W M O Score)

H um idity accuracy 7

(Finland /Vaisala)

5

3.5 5.0 5.0

(W M O Score)

Pressure accuracy 6

(Finland /Vaisala)

5

3.5 5.0 5.0

(W M O Score) (1) Solar radiation correction

■ observed higher than the temperature, because of the influence of solar heat on flying radiosonde

< Comparing solar radiation correction during weeks observation before(left)/after(right) >

According to temperature performance testing， in the daytime， the temperature difference by radiation was up to ±3 t . As the result of solar radiation correction, there was the error of 土0.3 °C . Therefore, the higher layer, the more improved the difference.

(2) Hum idity correction

- With existing radiosonde, humidity was observed to get drier than the basis.