모델링시뮬레이션에서 전술객체의 위치는 시공간 위치 정보(Time, Space and Position Information, TSPI)로 표현된다. 미 국방성에서 시험, 훈련, 평가 시스템을 연동하기 위해 개발한 TENA(Test and Training Enabling Architecture)의 TSPI 객체 모델을 참고하여 시공간 위치 정보의 형태 및 정보 기록 소요를 도출하였다. 전술 데이터 링크(Tactical Data Link, TDL) 중 가장 정교한 링크 16(Link-16)의 PPLI(Precise Participant Location and Identification) 메시지를 통해 시공간 위치 정보의 교환 방식에 대해 알아보았다. 객체 위치 모의 및 추적을 위한 필터링알고리즘으로 선형 시스템을 위한 칼만 필터 및 비선형 시스템을 위한 확장형 칼만 필터와 unscented 칼만 필터를 소개한다. 운동 방정식을 이용하여 탄도 미사일의 궤적을 모델링 한 후에, unscented 칼만 필터로 추정한 탄도 미사일의 궤적 추적 성능을 시뮬레이션 하였다.
모델링 시뮬레이션에서 전술객체의 위치는 시공간 위치 정보(Time, Space and Position Information, TSPI)로 표현된다. 미 국방성에서 시험, 훈련, 평가 시스템을 연동하기 위해 개발한 TENA(Test and Training Enabling Architecture)의 TSPI 객체 모델을 참고하여 시공간 위치 정보의 형태 및 정보 기록 소요를 도출하였다. 전술 데이터 링크(Tactical Data Link, TDL) 중 가장 정교한 링크 16(Link-16)의 PPLI(Precise Participant Location and Identification) 메시지를 통해 시공간 위치 정보의 교환 방식에 대해 알아보았다. 객체 위치 모의 및 추적을 위한 필터링 알고리즘으로 선형 시스템을 위한 칼만 필터 및 비선형 시스템을 위한 확장형 칼만 필터와 unscented 칼만 필터를 소개한다. 운동 방정식을 이용하여 탄도 미사일의 궤적을 모델링 한 후에, unscented 칼만 필터로 추정한 탄도 미사일의 궤적 추적 성능을 시뮬레이션 하였다.
Positions of tactical objects are represented as Time, Space and Position Information(TSPI) in modeling and simulations(M&S). The format and required information record for TSPI is investigated by referring the TSPI object model of the Test and Training Enabling Architecture(TENA), which has been de...
Positions of tactical objects are represented as Time, Space and Position Information(TSPI) in modeling and simulations(M&S). The format and required information record for TSPI is investigated by referring the TSPI object model of the Test and Training Enabling Architecture(TENA), which has been developed by the United States Department of Defense. The most sophisticated tactical data link, Link-16 has a Precise Participant Location and Information (PPLI) message. We study the data format for exchanging TSPI data based on the PPLI message. To evaluate and track positions of tactical objects, we consider the Kalman filter for linear systems, and the extended Kalman filter and the unscented Kalman filter for nonlinear systems. Based on motion equations of a ballistic missile, the tracking performance for the trajectory of the ballistic missile is simulated by the unscented Kalman filter.
Positions of tactical objects are represented as Time, Space and Position Information(TSPI) in modeling and simulations(M&S). The format and required information record for TSPI is investigated by referring the TSPI object model of the Test and Training Enabling Architecture(TENA), which has been developed by the United States Department of Defense. The most sophisticated tactical data link, Link-16 has a Precise Participant Location and Information (PPLI) message. We study the data format for exchanging TSPI data based on the PPLI message. To evaluate and track positions of tactical objects, we consider the Kalman filter for linear systems, and the extended Kalman filter and the unscented Kalman filter for nonlinear systems. Based on motion equations of a ballistic missile, the tracking performance for the trajectory of the ballistic missile is simulated by the unscented Kalman filter.
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문제 정의
합성 환경/실험 체계 전술객체 표현 기술 연구는 전술객체의 위치를 실시간으로 탐지․ 추적하고 이를 가상현실 내에서 모의하기 위한 기초/기반 기술 확보를 목적으로 한다. 합성 환경 내에서 객체 위치는 TSPI(Time, Space and Position Information)로 표현된다.
전술 데이터 링크(tactical data link) 표준안 중의 하나인 링크 16(Link-16)의 PPLI(Precise Participant Location and Identification) 메시지는 전술 데이터 링크 참여자의 위치와 적아 시별 정보를 제공하고 위치 정보의 정확성을 개선한다. PPLI 메시지의 정보 및 이를 이용한 상대항법에 대해 알아본다.
탄도 미사일은 지구의 중심에 초점을 둔 타원 궤적을 형성하며 수식적으로 표현이 가능하다. 탄도 미사일의 운동 방정식을 살펴보고, UKF를 적용하여 탄도 미사일의 위치를 추적하는 방법에 대해 알아보고자 한다.
가설 설정
탄도 미사일에 추력(thrust)과 공력(aerodynamic force)이 작용하지 않는다는 가정을 한다면, 탄도 미사일은 케플러 제 2법칙에 의하여 타원 궤적을 따라 비행한다. 이런 경우에 지구를 완전 구체로 가정하면, 지구의 자전을 고려한 탄도 미사일의 운동 방정식은 다음과 같이 여섯개의 편미분 방정식으로 나타낼 수 있다[7,8].
제안 방법
칼만 필터(Kalman filter)는 수학적인 운동 모델과 관측 모델을 통해 현재 상태와 측정값을 예측(prediction)한 후, 현재의 실제 관측 값을 통해 현재 상태를 수정(correction)한다. 선형 시스템을 위한 칼만 필터 및 비선형 시스템을 위한 확장형 칼만 필터와 Unscented 칼만 필터를 소개한다. 지구상에서의 탄도 비행은 지구의 중심에 초점을 둔 타원 궤적을 형성한다.
탄도 미사일의 운동방정식과 레이더의 측정 방정식이 비선형이므로 확장형 칼만 필터 또는 Unscented 칼만 필터, 파티클 필터(particle filter)와 같은 비선형 필터가 필요하다. 미분 방정식 형태인 탄도 미사일의 운동 방정식을 살펴보고, 여기에 Unscented 칼만 필터를 적용하여 탄도 미사일의 궤적 추적을 시뮬레이션 한다.
이러한 능력을 획득, 활용하여 정보 우위를 기반으로 전쟁을 수행하는 것이 네트워크 중심전의 개념이다. 네트워크 중심전에서 센서 체계(Intelligence, Surveillance and Reconnaissance, ISR), C4I 체계, 정밀타격체계의 정밀유도 무기(Precision-Guided Munitions, PGM)가 네트워크를 통하여 상황 인식을 공유, 협동 교전 및 정밀 타격을 수행하여 효과적인 전쟁을 수행한다.
단, α는 양의 값을 갖는 임의의 작은 값이다. UT와 SUT는 3차항 이상의 고차항을 무시하고 테일러 전개를 하여 공분산을 추정하였다. 이러한 고차항의 영향을 고려하기 위해 매개 변수 β를 이용한다.
비선형성이 크지 않다고 가정하였을 때, 잡음 분산에 반비례하는 가중치를 인가하는 방식인 최량선형비편향추정(Best Linear Unbiased Estimation, BLUE)을 고려할 수 있다[10,11]. 최량선형비편향추정을 이용해 가중치를 인가했을 경우의 위치 추정 오차와 잡음 분산이 가장 작은 첫 번째 레이더의 위치 추정 오차를 비교하였다. 추정 오차는 RMSE(Root Mean Square Error) 방식으로 다음과 같이 계산하였다.
여기서 N은 시뮬레이션의 반복 횟수이다. 100회 반복실험을 통해 데이터 융합 기법에 따른 unscented 칼만 필터의 RMSE를 시뮬레이션 하였다.
합성 환경에서 전술객체 위치 표현을 위한 TSPI 데이터의 변수 및 데이터 타입 등을 연구하기 위해 TENA의 TSPI 객체 모델을 참고하였다. 데이터링크를 통한 전술객체의 위치정보 전송을 연구하기 위해 전술데이터링크 표준 중의 하나인 링크 16의 PPLI 메시지의 특성을 알아보았다. 움직이는 전술객체의 위치 추적을 위해 칼만 필터, 확장형 칼만 필터, unscented 칼만 필터 등을 알아보았다.
데이터링크를 통한 전술객체의 위치정보 전송을 연구하기 위해 전술데이터링크 표준 중의 하나인 링크 16의 PPLI 메시지의 특성을 알아보았다. 움직이는 전술객체의 위치 추적을 위해 칼만 필터, 확장형 칼만 필터, unscented 칼만 필터 등을 알아보았다. 지능형 고속 운동체의 일종인 탄도 미사일의 위치를 추적하기 위해 탄도 미사일의 운동 방정식의 운동 방정식과 레이더의 측정 방정식을 모델링 하였다.
움직이는 전술객체의 위치 추적을 위해 칼만 필터, 확장형 칼만 필터, unscented 칼만 필터 등을 알아보았다. 지능형 고속 운동체의 일종인 탄도 미사일의 위치를 추적하기 위해 탄도 미사일의 운동 방정식의 운동 방정식과 레이더의 측정 방정식을 모델링 하였다. 비선형시스템을 위한 unscented 칼만 필터와 데이터 융합 기법을 이용하여 레이더의 개수에 따른 탄도 미사일의 고도, 경도, 위도 추정 오차를 시뮬레이션 하였다.
지능형 고속 운동체의 일종인 탄도 미사일의 위치를 추적하기 위해 탄도 미사일의 운동 방정식의 운동 방정식과 레이더의 측정 방정식을 모델링 하였다. 비선형시스템을 위한 unscented 칼만 필터와 데이터 융합 기법을 이용하여 레이더의 개수에 따른 탄도 미사일의 고도, 경도, 위도 추정 오차를 시뮬레이션 하였다.
대상 데이터
논리 범위 데이터 보관소(Logical Range Data Archive, LRDA)는 시나리오 데이터와 일련의 사건 동안 수집한 데이터와 요약 정보를 기록하고 보존한다. 논리 범위 데이터 보관소는 지역(local) 데이터 보관소, 공용(public) 데이터 보관소, 데이터 보관소 인덱스 서버로 구성되어 있다. 미들웨어를 통해 전달 받은 지역 데이터는 지역 데이터 보관소에 저장하고, 논리 범위 객체 모델의 데이터는 공용 데이터 보관소에 저장한다.
이론/모형
TSPI 개념은 합성 환경으로 들어오는 모든 TSPI 정보를 통합하여 일괄적으로 관리 및 표현할 수 있도록 설계해야 한다. 보다 효과적인 설계를 위해서 미 국방성에서 시험, 훈련, 평가 시스템을 연동하기 위해 개발한 TENA(Test and Training Enabling Architecture)의 TSPI 객체 모델을 참고하였다.
최량선형비편향추정을 이용해 가중치를 인가했을 경우의 위치 추정 오차와 잡음 분산이 가장 작은 첫 번째 레이더의 위치 추정 오차를 비교하였다. 추정 오차는 RMSE(Root Mean Square Error) 방식으로 다음과 같이 계산하였다.
합성 환경에서 전술객체 위치 표현을 위한 TSPI 데이터의 변수 및 데이터 타입 등을 연구하기 위해 TENA의 TSPI 객체 모델을 참고하였다. 데이터링크를 통한 전술객체의 위치정보 전송을 연구하기 위해 전술데이터링크 표준 중의 하나인 링크 16의 PPLI 메시지의 특성을 알아보았다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
전술 데이터란 무엇인가?
전술 데이터(tactical data)는 전술적 수준의 작전을 계획하고 수행하기 위해 요구하거나 우군의 즉각 조치가 필요한 긴박한 위협에 관련된 자료를 의미한다. 이러한 전술 데이터는 전장 공간의 환경 및 물리적 특성에 관련한 자료, 적의 취약성 식별 및 표적 설정을 위해 필요한 자료, 우군 세력에 대한 위협 및 위협 진행 관련 자료, 피아 전력/배치 정보, 피아 해상/공중 항적 정보, 무기/센서 상태, 표적 정보, 식별 자료, 항법 자료 등을 포함한다.
합성 환경 내에서 객체 위치는 무엇으로 표현되는가?
합성 환경/실험 체계 전술객체 표현 기술 연구는 전술객체의 위치를 실시간으로 탐지․ 추적하고 이를 가상현실 내에서 모의하기 위한 기초/기반 기술 확보를 목적으로 한다. 합성 환경 내에서 객체 위치는 TSPI(Time, Space and Position Information)로 표현된다. TSPI 개념은 합성 환경으로 들어오는 모든 TSPI 정보를 통합하여 일괄적으로 관리 및 표현할 수 있도록 설계해야 한다.
탄도미사일의 추적 정밀도를 향상하기 위해서 추적 필터를 구성해야하는 이유는 무엇인가?
탄도 미사일의 궤적 추적은 탄도 미사일 방어 시스템(Ballistic Missile Defense, BMD) 구축에 있어서 필수적인 요소이다. 탄도 미사일의 궤적 추적에 사용하는 레이더는 고유의 신호 특성은 물론 탄도탄의 거리 및 Radar Cross Section(RCS)에 따라 그 정보가 크게 오염되어 있다. 따라서 추적 정밀도를 향상하기 위해서는 추적 필터를 구성해야 한다.
참고문헌 (11)
URL "https://www.tena-sda.org"
전병욱, 김의순, "한국군 전술데이터링크 체계 구축을 위한 제언," 국방정책연구, 61, pp. 167-190, 2003년 가을.
B. Saulson and K. Chang, "Comparison of nonlinear estimation for ballistic missile tracking," Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, vol. 5096, pp. 13-24. Oct. 2003.
J.-J. Xiao, A. Ribeiro, Z.-Q. Luo, and G.B. Giannakis, "Distributed compression-estimation using wireless sensor networks," IEEE Signal Processing Magazine, vol. 23, no. 4, pp. 27-41. Jul. 2006.
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