[논문]포구속도측정레이더의 불확도에 관한 연구

박용석; 최주호

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MVRS's measuring principles are based on the Doppler principle. It measures the velocities near the muzzle using the doppler signal output from the antenna and then predicts the velocity of the bullet leaving the muzzle by performing the regression analysis on previous measured velocities. There are...

MVRS's measuring principles are based on the Doppler principle. It measures the velocities near the muzzle using the doppler signal output from the antenna and then predicts the velocity of the bullet leaving the muzzle by performing the regression analysis on previous measured velocities. There are a number of error sources when calculating the muzzle velocity. Antenna has long term frequency stability error and the doppler signal from the antenna has noise. These two error sources influence the accuracy of estimated velocities from the doppler signal. Estimated velocity errors result in the random error of data statistics. And when performing a regression analysis these random error components are transferred to the fitting error component. This study also analyzed the error components according to the hardware limitations of MVRS-700 and the signal processing method, and presented the calculated uncertainty of muzzle velocity.

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문제 정의

본 논문에서는 도플러 효과를 이용하여 포구 속도를 측정하는 MVRS의 포구속도 산출을 위한 신호처리과정을 설명하였으며 이러한 산출과정에서 발생하는 오차 요인을 분석하여 측정된 포구속도의 불확도에 미치는 영향에 대하여 설명하였다.
본 연구에서는 덴마크 Weibel사의 MVRS-700 시스템에 대한 제품의 사양 및 신호처리 방식에 의하여 발생하는 오차 요인을 분석하였으며, 포구속도 산출 및 불확도 산출에 필요한 과정을 정립하였다.

제안 방법

SL-520M안테나를 사용하여 포구속도 측정시 내장된 음향센서를 이용하여 포구출발시간을 추정한다. MVRS-700에는 안테나 위치에 의하여 포구로부터 음파가 지연 전송되는 시간을 추정하는데 소리 속도의 평균을 380m/s를 사용한다.
따라서 회귀분석에서 발생 하는 오차가 가장 중요한 불확도 요인이 된다. 따라서 본 논문에서는 회귀분석 오차만을 고려하여 실제 시험에서의 포구 속도 및 포구속도의 신뢰구간을 산출하여 포구속도 및 포구 속도의 불확도를 산출하였다.
모두 구현되어 있다. 본 논문에서는 기존 운용되고 있는 MVRS에서 처리한 도플러 데이터와 동일한 데이터를 MATLAB 함수를 이용하여 2차 최소자승 곡선 회귀분석을 행하여 포구속도 및 포구속도의 불확도를 구하였다.
신호 추정방식에 따라 각각 추정속도 오차가 다르며 MVRS 의 경우는 그 내부에서 일어나는 세부 신호처리방식 및 신호처리에 따른 오차가 공개되지 않아 신호 대 잡음 비에 해당하는 도플러신호를 생성한 후 MVRS에서 처리하여 신호처리시 발생하는 주파수 추정오차를 산출하였다. 이렇게 시뮬레이션한 MVRS 주파수 추정오차를 그림 3에 나타내었다.
포의 움직임이나 음향센서 사용에 따른 포구출발 시간 오차에 따른 영향은 실제 운용환경에 따라 달라지므로 명확한 산출이 어렵고 또한 실제 포구속도 불확도에 영향을 미치는 영향이 작으며, 회귀분석에서의 발생하는 오차가 대부분의 신호처리시 발생하는 오차 요인을 포함하는 가장 중요한 불확도 요인이므로 회귀분석 오차만을 고려하여 실제 시험에서의 포구 속도 및 포구속도의 신뢰구간을 산출하여 포구속도 및 포구 속도의 불확도를 산출하였다.

성능/효과

실제 MVRS를 활용하여 각종 탄의 포구속도를 분석한 결과는 95% 신뢰구간에서 불확도 0.05% 이하이다. 이는 가격/성능을 비교할 때 포구속도 측정 장치로는 대단히 우수함을 알 수 있으며, MVRS는 타 장치보다 설치 및 운용이 용이하므로 화포 탄약 시험에 지속적으로 많이 활용되어야 한다.
예측값의 신뢰구간을 나타내었다. 회귀분석에 의하여 계산된 예측 값의 신뢰구간 내에 곡선 회귀분석 결과에 의한 예측값와 측정값의 차를 대부분 포함하는 것을 알 수 있다.

후속연구

이는 가격/성능을 비교할 때 포구속도 측정 장치로는 대단히 우수함을 알 수 있으며, MVRS는 타 장치보다 설치 및 운용이 용이하므로 화포 탄약 시험에 지속적으로 많이 활용되어야 한다. 또한 추후 차기 전차나 K9, K55 등에 국산화된 MVRS를 장착하여 현재보다 우수한 성능을 얻기 위하여는 포구 출발신호 검출을 정확히 할 수 있는 센서의 개발이 필요하며, 사격시 포의 움직임이 포구속도 측정에 미치는 영향에 대한 세부적인 연구가 필요하다.

참고문헌 (5)

Barton, David K., "CW and Doppler Radar",1980
박용석, 장용식, "CW 도플러 레이더를 이용한 정밀속도 계측기법", DSTC-517-040913, 국방과학연구소, 2004
Ashish Sen Muni Srvastava, "Regression Analysis Theory, Method, and Applications", Spring-Verlag, pp.18-19, 1990
Weibel Scientific, "Weibel Muzzle Velocity Radar System MVRS-700 Advanced User's Guide", p.45
Weibel Scientific, "SL-520M Radar Antenna Maintenance Manual", p.19

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