물리탐사에 유용한 좌표계 회전 정리

Tutorial on the Coordinate Transforms in Applied Geophysics

물리탐사에서 유용한 3차원 좌표계 회전 문제를 일관성있게 정리하였다. 일관성을 유지하기 위한 기준으로 오른손 좌표계의 정의에서 출발하였다. 또한 능동 회전과 수동 회전의 개념을 설명하고, 서로 다른 좌표계 간의 회전 및 역회전은 전치행렬의 관계로서 기준 좌표계와 센서 좌표계 사이의 회전 관계를 명확히 하였다. 3차원 회전에서는 항법 등에서 사용하는 요-피치-롤(yaw-pitch-roll) 회전과 물리검층에서 쉽게 이해할 수 있는 방위각-편차-센서회전 회전 방식의 회전 행렬을 설명하였다. 또한, 이 둘과 Rodrigues 회전 공식에 의한 회전 행렬 각각의 각도를 구하는 수식을 정리하였다. 요-피치-롤 방식의 회전에서 나타나는 "Gimbal Lock" 현상을 그림과 수식으로 설명하고, 이의 해결방안으로 동원되는 사원수(quaternion)의 원리와 적용 방법에 대해서도 서술하였다.

This tutorial summarizes the coordinate transforms for formulating geophysical problems. To ensure mathematical consistency, this discussion begins with the right-hand rule. Further, the concepts of active and passive transforms are introduced. By extending these concepts, the coordinate transform and its inverse between two coordinates are related to the matrix transpose. The yaw-pitch-roll rotation and the azimuth-deviation-tool face rotation transforms are described as the most frequently used schemes, and the relation between the Rodrigues' rotation formula and these two transforms are mathematically explained. The "Gimbal Lock" problem inherent in yaw-pitch-roll rotation is schematically presented and mathematically derived. As a useful tool overcome this problem, the principle and usage of the quaternion is also described.