본 논문에서는 휴대용 회전 유도탄 체계의 모델링과 성능분석에 사용할 수 있는 실시간 병렬처리시뮬레이터 개발에 대하여 기술한다. 실시간 병렬처리 시뮬레이터는 항공기의 적외선 형상을 만드는 탐색기 에뮬레이터, 실시간 컴퓨터, 시스템 유닛. 유도 조종 장치 및 탐색기 프로세서 등과 같은 하드웨어 실물장치와 실시간 컴퓨터에 내장된 수학적 모델, 6 자유도 모델 및 공력 모델 등을 구현한 응용 소프트웨어 및 호스트 컴퓨터에 내장된 사용자 프로그램 등으로 구성되었다. 실시간 컴퓨터는 병렬로 연결된 여섯 개의 TI사 C-40 프로세서로 설계되었으며, 기계적 장치와 결합된 아날로그 전자회로를 이용하여 탐색기 에뮬레이터를 설계하였다. 시스템 유닛은 구성 요소간의 임피던스정합 기능과 미세 신호를 처리하며, 시뮬레이터와 실물 유도탄 발사 장치의 연결이 가능하다. 개발된 실시간 병렬처리 시뮬레이터를 휴대용 회전 유도탄의 성능분석 장치로 사용하기 위하여 현장실험을 통한 결과 검증시험을 수행하였다.
본 논문에서는 휴대용 회전 유도탄 체계의 모델링과 성능분석에 사용할 수 있는 실시간 병렬처리 시뮬레이터 개발에 대하여 기술한다. 실시간 병렬처리 시뮬레이터는 항공기의 적외선 형상을 만드는 탐색기 에뮬레이터, 실시간 컴퓨터, 시스템 유닛. 유도 조종 장치 및 탐색기 프로세서 등과 같은 하드웨어 실물장치와 실시간 컴퓨터에 내장된 수학적 모델, 6 자유도 모델 및 공력 모델 등을 구현한 응용 소프트웨어 및 호스트 컴퓨터에 내장된 사용자 프로그램 등으로 구성되었다. 실시간 컴퓨터는 병렬로 연결된 여섯 개의 TI사 C-40 프로세서로 설계되었으며, 기계적 장치와 결합된 아날로그 전자회로를 이용하여 탐색기 에뮬레이터를 설계하였다. 시스템 유닛은 구성 요소간의 임피던스 정합 기능과 미세 신호를 처리하며, 시뮬레이터와 실물 유도탄 발사 장치의 연결이 가능하다. 개발된 실시간 병렬처리 시뮬레이터를 휴대용 회전 유도탄의 성능분석 장치로 사용하기 위하여 현장실험을 통한 결과 검증시험을 수행하였다.
RIn this paper. we describe real-time parallel processing simulator developed for the use of performance analysis of rolling missiles. The real-time parallel processing simulator developed here consists of seeker emulator generating infrared image signal on aircraft, real-time computer, host compute...
RIn this paper. we describe real-time parallel processing simulator developed for the use of performance analysis of rolling missiles. The real-time parallel processing simulator developed here consists of seeker emulator generating infrared image signal on aircraft, real-time computer, host computer, system unit, and actual equipments such as auto-pilot processor and seeker processor. Software is developed according to the design requirements of mathematic model, 6 degree-of-freedom module, aerodynamic module which are resided in real-time computer. and graphic user interface program resided in host computer. The real-time computer consists of six TI C-40 processors connected in parallel. The seeker emulator is designed by using analog circuits coupled with mechanical equipments. The system unit provides interface function to match impedance between the components and processes very small electrical signals. Also real launch unit of missiles is interfaced to simulator through system unit. In order to use the real-time parallel processing simulator developed here as a performance analysis equipment for rolling missiles, we perform verification test through experimental results in the field.
RIn this paper. we describe real-time parallel processing simulator developed for the use of performance analysis of rolling missiles. The real-time parallel processing simulator developed here consists of seeker emulator generating infrared image signal on aircraft, real-time computer, host computer, system unit, and actual equipments such as auto-pilot processor and seeker processor. Software is developed according to the design requirements of mathematic model, 6 degree-of-freedom module, aerodynamic module which are resided in real-time computer. and graphic user interface program resided in host computer. The real-time computer consists of six TI C-40 processors connected in parallel. The seeker emulator is designed by using analog circuits coupled with mechanical equipments. The system unit provides interface function to match impedance between the components and processes very small electrical signals. Also real launch unit of missiles is interfaced to simulator through system unit. In order to use the real-time parallel processing simulator developed here as a performance analysis equipment for rolling missiles, we perform verification test through experimental results in the field.
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문제 정의
야외에서 측정한 항공기의 적외선 데이터를 정밀히 분석하여 실제 유도탄 검출기에서 출력되는 전기적 신호와 동일한 형태의 전기적 신호가 표적 모사 장치의 출력단에서 발생되도록 하였다. 본 논문에서 실시간 소프트웨어를 구현하기 위하여 요구사항 명세, 설계, 구현, 테스팅, 및 성능 검증의 절차에 따라 개발하였다. 여기서 사용한 모델링 지원도구로 matlab / Simulink를 주로 사용하였다.
가설 설정
표적운동을 등속 운동으로 가정하여 병진 운동만을 고려한다. 확장 표적을 모사하는 표적화염의 형상은 그림 4와 같으며, 이는 실제적외선 측정 자료를 근거로 모델링하였다.
제안 방법
특히, 확장 표적과 관련하여 TAG에 대한 시뮬레이션 및 성 능분석이 가능하다. 공력을 비롯한 모든 구성요소에 대한 수학적 모델은 6개의 모듈로 분류하여 구현하였으며, 이들을 병렬 프로세서에 탑재하여 실시간 처리가 가능하도록 하였다.
주프로그램은 병렬화에 적합하도록 구분된 모듈로 6개의 프로세서가 타이머의 신호에 따라 프로세 서간에 정보를 교환하면서 동시에 아날로그 회로와 실시간으로 정보를 교환하도록 설계되었다. 따라서 이러한 통신 특성을 고려하여 전체 프로그램을 6개의 프로세서에 적절히 분배하여 실시간으로 동작되도록 하였다. 타이머에 의하여 통신주기가 제어되며 아날로그 회로와 연동을 위하여 모듈 m6에서 자이로를 모사하는 전자회로와 모듈m6에서 확장 표적을 모사하는 하드웨어 장치와 연결할 수 있도록 설계되었다.
이러한 전기적 신호는 거리에 함수가 되는 특성을 갖는 감쇄기를 통하여 탐색기의 전자회로로 전송된다. 또한 광검출기로부터 출력된 신호는 야외에서 실제 계측한 검광기의 출력신호와 동일하도록 GUI 메뉴에서 튜닝하여 사용한다.
시뮬레이터에서 구현한 서브 체계의 수학적 모델로는 공력을 포함한 유도탄 모델, 탑재 센서인 레이트 자이로 모델, 그리고 유도, 조종수단인 구동장치 모델 등을 들 수 있으며, 사격 대상 모델로는 표적의 화염 및 운동모델, 그리고 신호교란 장치 인 플레어(player)의 연소와 운동모델을 들 수 있다. 또한 탐색기 구성 요소 중에서 신호처리 분야를 제외한 자이로 방정식, 시각 검출기 및 적외선 검출기 등도 수학적 모델링 방법을 사용하여 설계하였다. 각서브시스템의 수학적 모델을 구현하여 실시간 컴퓨터에 내장, 운영하였다.
본 논문에서 개발한 확장 표적의 모 사장치는 항공기의 적외선 열상을 모사하기 위하여 실제의 적외선 열상 대신에 오실로스코프 CRT상에 항공기의 적외선 열상에 해당하는 이미지를 생성하고 실제적외선 검광기 대신에 광 검출기(photo detector)를 사용하며, 자이로 운동은 수학적 모델로 실시간 컴퓨터에서 구현하였다. 그림5는 확장 표적 모사장치의 구조를 나타낸다.
비행시험전에 유도탄의 성능 및 유도 오차를 예측, 분석하기 위하여 시뮬레이션을 수행한다. 다음 그림 10은 비행시험을 통해 PSAM의 비행 궤적을 계측한 결과를 나타낸다.
여기서 사용한 모델링 지원도구로 matlab / Simulink를 주로 사용하였다. 소프트웨어 모듈 간의 결합도에 따라 통신량을 계산하고 모듈의 부하산정을 통하여 연동 기능을 정의하였다.
모듈ml에서는 모드별 관련된 데이터 파일을 로딩한다. 시뮬레이션 조건, 검광기 신호파일, 공력 등 관련된 파일을 호스트 컴퓨터로부터 로딩한 후 병렬처리 프로세 서 초기화를 수행한다. 이 모듈에서는 공력, 유도탄 동력학, 레이트센서 동력학을 계산한다.
다음 그림 10은 비행시험을 통해 PSAM의 비행 궤적을 계측한 결과를 나타낸다. 시뮬레이터의 성능은 야외시 험을 통하여 검증되었으므로 야외시험과 유사한 실내 시험이나 비행시험이 불가능한 시나리오에 대해서도 반복적인 시뮬레이션을 통하여 PSAM의 유도 성능을 분석한다.
특히, 항공기적외선 열상표적의 실시간 보장을 위하여 아날로그 방식의 표적 모사 장치를 설겨】, 구현하였다. 야외에서 측정한 항공기의 적외선 데이터를 정밀히 분석하여 실제 유도탄 검출기에서 출력되는 전기적 신호와 동일한 형태의 전기적 신호가 표적 모사 장치의 출력단에서 발생되도록 하였다. 본 논문에서 실시간 소프트웨어를 구현하기 위하여 요구사항 명세, 설계, 구현, 테스팅, 및 성능 검증의 절차에 따라 개발하였다.
연속동특성 모델을 고속(fast) 동특성모델과 저속(low) 동 특성 모델로 구분하고 한 번의 고속동 특성 모델에 대한 적분에 대하여 저속동 특성 모델적분을 N 번 수행하는 것이며 이것은 근거로 표1과 같이 각 모듈의 실시간 수행시간 및 통신주기를 산정하였다. 기본적으로 Adams 4th 또는 2nd 방법 사용, 단초기 3스텝 은 RK 2nd방법을 사용한다.
항공기의 열상표적은 대기상태에 따라 그 강도가 다르기 때문에 광검출기에 의해 포착되는 열상표적의 강도도 변하게 된다. 열상표적의 강도 변화에 따라서 TAG 효과와 오차의 특성을 분석하여 그 결과를 시뮬레이터 설계에 반영한다. 테스트 시나리오에 따라 표적의 강도범위를 항공기 엔진의 전 추 진력(fidl power)을 기준으로 설정하여 작동 범위 내에서 강도를 변화시키면서 표적 열상의 감응 특성을 분석하였다.
그림 9는 추적 단계에서의 탐색기의 시선각 변화율 (line of sight rate) 신호로 요축(losry) 및 피치축(losrp)에 대한 신호를 나타낸다. 유도 조종장치는 탐색기의 시선각 변화율 신호를 이용하여 표적을 추적한다.
실시간 시뮬레이션을 하기 위하여 유도탄 및 각 구성품에 대한 처리 시간 및 통신 시간에 대한 설계가 필요하다. 유도탄 모델에 대한 분석을 통하여 시뮬레이터 전체의 처리 시간 및 인접 프로세서와의 정보교환 시간을 산 정하였다.
확장 표적을 모사하는 표적화염의 형상은 그림 4와 같으며, 이는 실제적외선 측정 자료를 근거로 모델링하였다. 유도탄과의 조우 시나리오에 따라 6개의 표적 형상모델 중에서 1개를 선택할 수 있도록 하였으며, 선택된 표적형상을 항공기적외선 열상의 강도 분포와 동일한 강도의 형상으로 오실로스코프 상 에 디스플레이 되도록 하였다.
테스트 시나리오에 따라 표적의 강도범위를 항공기 엔진의 전 추 진력(fidl power)을 기준으로 설정하여 작동 범위 내에서 강도를 변화시키면서 표적 열상의 감응 특성을 분석하였다. 유도탄에 적용한 TAG 신호의 이득(gain) 설정값 검증은 표적 강도의 변화에 따른 TAG 신호의 크기를 비교하여 분석하였다. 그림 11은 시뮬레이터에 연결된 탐색 기 프로세서에서 계측된 TAG 작동 신호를 나타낸다.
유도탄의 발사 단계에서 사수가 표적 추적 시 발사대가 흔들리는 현상을 모델링하기 위하여 다음(14) 과 같이 백색잡음(white noise)을 (15)의 2차 저역필터를 통과한 값으로 사용하였다. 발사 과정에서 표적 지 정 전에는 사수에 의해서 표적을 추적하게 되며, 표적 지정 후에는 사수에 의해 입력된 선도각(%)을 사용한다.
나비 곡선은 오차각에 따른 세차신호의 크기로 나타낸다. 이를 이용하여 탐색기의 응답 특성은 물론 탐색기의 주 채널과 보조채널간의 결합정도 등을 분석할 수 있다. 다음 그림 6은 탐색기전자회로의 파라미터를 조정하여 시뮬레이터에서 계측한 탐색기의 동 특성(나비) 곡선을 나타내며, 논문의 특수성을 감안하여 그래프상의 눈금은 크기를 조정(scaling)하여 표시하였다.
적분 방식의 선정과 적분 구간의 결정은 먼저 시뮬레이션 모델의 폐루프 극점(pole)들을 구한 후, 가장 빠른 극점의 적분 방식에 대한 특성근 대비 적분 구간 평면상에서 적분 안정 영역을 만족하도록 결정하였으며 프레임 타임이 커서 다중 프레임적분기법을 사용하여 구현하였다.
주프로그램은 병렬화에 적합하도록 구분된 모듈로 6개의 프로세서가 타이머의 신호에 따라 프로세 서간에 정보를 교환하면서 동시에 아날로그 회로와 실시간으로 정보를 교환하도록 설계되었다. 따라서 이러한 통신 특성을 고려하여 전체 프로그램을 6개의 프로세서에 적절히 분배하여 실시간으로 동작되도록 하였다.
따라서 이러한 통신 특성을 고려하여 전체 프로그램을 6개의 프로세서에 적절히 분배하여 실시간으로 동작되도록 하였다. 타이머에 의하여 통신주기가 제어되며 아날로그 회로와 연동을 위하여 모듈 m6에서 자이로를 모사하는 전자회로와 모듈m6에서 확장 표적을 모사하는 하드웨어 장치와 연결할 수 있도록 설계되었다.
) 신호 근거리 신호(nzpa) 및 유도탄 이탈 신호(away)를 나타낸다. 탐색기는 근거리 신호를 이용하여 TAG를 계산한다. 유도탄 이탈 신호 로 유도탄이 발사대를 떠나 비행 중임을 알 수 있다.
열상표적의 강도 변화에 따라서 TAG 효과와 오차의 특성을 분석하여 그 결과를 시뮬레이터 설계에 반영한다. 테스트 시나리오에 따라 표적의 강도범위를 항공기 엔진의 전 추 진력(fidl power)을 기준으로 설정하여 작동 범위 내에서 강도를 변화시키면서 표적 열상의 감응 특성을 분석하였다. 유도탄에 적용한 TAG 신호의 이득(gain) 설정값 검증은 표적 강도의 변화에 따른 TAG 신호의 크기를 비교하여 분석하였다.
공력 모델 및 유도탄 모델 등은 실시간 컴퓨터 소프트웨어로 구현하며, 모델링이 어려운 탐색기의 전자회로와 유도 조종 장치 프로세서의 설계를 위하여 실물을 시뮬레이터에 직접 적용할 수 있는 PILS (Processor- In-the- Loop-Simulator) 형태의 새로운 시스템의 개발이 필요하다. 특히, 항공기적외선 열상표적의 실시간 보장을 위하여 아날로그 방식의 표적 모사 장치를 설겨】, 구현하였다. 야외에서 측정한 항공기의 적외선 데이터를 정밀히 분석하여 실제 유도탄 검출기에서 출력되는 전기적 신호와 동일한 형태의 전기적 신호가 표적 모사 장치의 출력단에서 발생되도록 하였다.
항공기를 대상으로 흐}는 표적 강도를 점진적으로 변화시키면서 표적 강도별 유도 오차 및 TAG 효과를 분석한다. 항공기의 열상표적은 대기상태에 따라 그 강도가 다르기 때문에 광검출기에 의해 포착되는 열상표적의 강도도 변하게 된다.
표적운동을 등속 운동으로 가정하여 병진 운동만을 고려한다. 확장 표적을 모사하는 표적화염의 형상은 그림 4와 같으며, 이는 실제적외선 측정 자료를 근거로 모델링하였다. 유도탄과의 조우 시나리오에 따라 6개의 표적 형상모델 중에서 1개를 선택할 수 있도록 하였으며, 선택된 표적형상을 항공기적외선 열상의 강도 분포와 동일한 강도의 형상으로 오실로스코프 상 에 디스플레이 되도록 하였다.
대상 데이터
본 논문에서 개발된 실시간 병렬 처리 시뮬레이터 는 PILS 구조를 갖는 PSAM 전용 시뮬레이터이다. 표적 모델로는 실제 항공기의 적외선 열상 모형을 이용하였으며, PSAM의 체계 개발에 필요한 모든 파라미터들의 실시간 시뮬레이션이 가능하다.
시스템 연계장비는 실시간 컴퓨터와 실물 프로세서 사이의 신호 전송을 위한 정합 및 위상조절 장치로 구성된다. 시뮬레이터는 동적 작동 영역이 85dB 이상이 되는 고도의 정밀도를 요하는 디지털 회로와 아날로그 회로가 결합된 하이브리드(hybrid) 시스템이며, 유도탄에 사용되는 시뮬레이터 폐루프 사이에 실물 프로세서가 사용되는 PILS 형태의 시뮬레이터 이다.
서브 체계의 시뮬레이션에는 실시간 연산이 가능한 수학적 모델링 방법을 사용하였다. 시뮬레이터에서 구현한 서브 체계의 수학적 모델로는 공력을 포함한 유도탄 모델, 탑재 센서인 레이트 자이로 모델, 그리고 유도, 조종수단인 구동장치 모델 등을 들 수 있으며, 사격 대상 모델로는 표적의 화염 및 운동모델, 그리고 신호교란 장치 인 플레어(player)의 연소와 운동모델을 들 수 있다. 또한 탐색기 구성 요소 중에서 신호처리 분야를 제외한 자이로 방정식, 시각 검출기 및 적외선 검출기 등도 수학적 모델링 방법을 사용하여 설계하였다.
그림 12는 시뮬레이터를 이용하여 진입하는 항공 기를 표적대상으로 하여 몬데칼로(Monte Carlo) 시뮬레이션을 수행한 것으로 항공기의 배기가스 고온 부위 를 표적으로 사용하는 유도탄에서 동체가 좌표의 원점 좌측에 있고 표적의 위치가 영점에 있을 때 TAG 로직에 의하여 종말 유도 단계에서 유도탄이 항공기 동체 방향으로 이동하는 거리를 나타낸다. 야외 TAG 시험을 위하여 방사되는 적외선의 형상과 강도가 실제 항공기와 동일한 모의 열상표적을 제작, 사용하였다.[10] 표 2는 모의 열상표적을 대상으로 수행한 유도탄의 비행시험 결과를 나타내며, TAG 신호에 의하여 유도탄이 이동한 결과를 사전 시뮬레이션과 실제 야외에서의 비행시험 데이터를 비교한 것이다.
이론/모형
연속동특성 모델을 고속(fast) 동특성모델과 저속(low) 동 특성 모델로 구분하고 한 번의 고속동 특성 모델에 대한 적분에 대하여 저속동 특성 모델적분을 N 번 수행하는 것이며 이것은 근거로 표1과 같이 각 모듈의 실시간 수행시간 및 통신주기를 산정하였다. 기본적으로 Adams 4th 또는 2nd 방법 사용, 단초기 3스텝 은 RK 2nd방법을 사용한다.
시뮬레이터를 이용하여 유도탄 체계의 성능을 분석, 평가하기 위해서는 각 유도탄 구성 요소의 모든 서브 체계와 유도탄 사격의 대상이 되는 표적운동이 모사되어야 한다. 서브 체계의 시뮬레이션에는 실시간 연산이 가능한 수학적 모델링 방법을 사용하였다. 시뮬레이터에서 구현한 서브 체계의 수학적 모델로는 공력을 포함한 유도탄 모델, 탑재 센서인 레이트 자이로 모델, 그리고 유도, 조종수단인 구동장치 모델 등을 들 수 있으며, 사격 대상 모델로는 표적의 화염 및 운동모델, 그리고 신호교란 장치 인 플레어(player)의 연소와 운동모델을 들 수 있다.
시험에서 사용한 좌표계 중에서 지구 고정 좌표계 는 가정에 의한 관성좌표계로 X, Y축의 원점으로는 발사관 내의 유도탄 무게중심점을 원점으로 정하고, 임의의 방향을 Xe 축으로 정하고, 지면에 연직(수직)한 하위 방향은 J% 축로 그리고 제3의 방향을 오른손 법칙에 의하여 Ze 축으로 정하였다. 유도탄의 좌표계는 발사관 내의 유도탄 무게의 중심을 원점으로 정하고, 유도탄의 운항 방향을 Xb 축으로 정하 고, 유도조종조종날개의 방향을 Yz 축으로 정하였다.
본 논문에서 실시간 소프트웨어를 구현하기 위하여 요구사항 명세, 설계, 구현, 테스팅, 및 성능 검증의 절차에 따라 개발하였다. 여기서 사용한 모델링 지원도구로 matlab / Simulink를 주로 사용하였다. 소프트웨어 모듈 간의 결합도에 따라 통신량을 계산하고 모듈의 부하산정을 통하여 연동 기능을 정의하였다.
유도탄 운동 모델로는 추진력, 공력 및 중력을 외력으로 하는 6자 유도(6 Degree-OfFreedom) 운동 모델을 사용하였으며, 엔진 모델에 사용한 운동방정식은 다음(1), (2)와 같다.
본 논문에서 개발된 실시간 병렬 처리 시뮬레이터 는 PILS 구조를 갖는 PSAM 전용 시뮬레이터이다. 표적 모델로는 실제 항공기의 적외선 열상 모형을 이용하였으며, PSAM의 체계 개발에 필요한 모든 파라미터들의 실시간 시뮬레이션이 가능하다. 특히, 확장 표적과 관련하여 TAG에 대한 시뮬레이션 및 성 능분석이 가능하다.
성능/효과
본 논문에서 개발한 모의 열상표적을 사용하여 유도탄 탐색기의 표적 추적 신호를 분석한 결과 유도탄은 모의 열상표적에 대해서도 실제 항공기의 열상표적에서와 같은 반응을 나타내는 것으로 확인되었다.
본 시뮬레이터는 기존에 불가능하던 유도탄의 TAG 성능 분석과 같은 유도탄의 정밀한 동 특성 분석이 가 능하였다.[1]
PILS 형태의 실시간 병렬 처리 시뮬레이터는 유도탄 체계 개발 과정은 물론 휴대용 회전 유도탄의 성 능분석에도 사용될 수 있다. 시뮬레이터는 기존의 방식에서는 불가능한 동적 영역에 대한 시뮬레이션이 가능하며, 특히 PSAM 유도탄의 TAG 효과를 검증할 수 있다. 본 논문에서 개발된 실시간 병렬 처리 시뮬레이터의 성능은 야외비행시험을 통하여 검증되었으며, 추후 PSAM의 성능 개량이나 추가적인 기능 확장에 유용하게 사용될 수 있다.
후속연구
공력 모델 및 유도탄 모델 등은 실시간 컴퓨터 소프트웨어로 구현하며, 모델링이 어려운 탐색기의 전자회로와 유도 조종 장치 프로세서의 설계를 위하여 실물을 시뮬레이터에 직접 적용할 수 있는 PILS (Processor- In-the- Loop-Simulator) 형태의 새로운 시스템의 개발이 필요하다. 특히, 항공기적외선 열상표적의 실시간 보장을 위하여 아날로그 방식의 표적 모사 장치를 설겨】, 구현하였다.
시뮬레이터는 기존의 방식에서는 불가능한 동적 영역에 대한 시뮬레이션이 가능하며, 특히 PSAM 유도탄의 TAG 효과를 검증할 수 있다. 본 논문에서 개발된 실시간 병렬 처리 시뮬레이터의 성능은 야외비행시험을 통하여 검증되었으며, 추후 PSAM의 성능 개량이나 추가적인 기능 확장에 유용하게 사용될 수 있다.
본 논문에서는 확장 표적의 모델 구현 시 실시간 처리를 위하여 오실로스코프를 사용하는 아날로그 방식을 이용하였으나, 확장 표적의 모델을 소프트웨어만으로 처리할 수 있는 실시간 병렬 처리에 대한 추가적인 연구가 필요하다.
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