일반적인 전술유도탄에서 표적획득 센서로 사용되는 김발형 탐색기(Gimballed Seeker) 는 탐색기의 표적획득부가 유도탄의 동체운동과는 독립적으로 관성좌표계 상에서 표적을 지향하게 하여 비례항법 유도명령 생성에 필요한 유도탄/표적간의 시선 각속도 정보를 직접 제공한다. 반면 최근에는 탐색기 전체가 유도탄 동체에 고정됨으로써 정비보수 용이, 고장수리 감소, 단가감소 측면 등에서 유리한 동체고정 탐색기(Strapdown Seeker)에 대한 연구가 부분적으로 수행되고 있다. 그런데 동체고정 탐색기에서는 비례항법에 필요한 시선각속도가 직접주어지지 않고 탐색기 영상 평면에 맺힌 표적영상으로부터 유도명령생성에 필요한 정보를 추출하여야 한다. 본 연구에서는 먼저 스트랩다운 탐색기로부터 주어지는 표적정보를 바탕으로 언센티드 칼만필터(Unscented Kalman Filter, UKF)를 적용하여 유도탄과 표적간의 상대운동을 추정한다. 추정된 상대운동 정보를 이용하여 유도명령을 생성하고 유도탄과 표적간의 조우운동을 시뮬레이션을 통하여 검증하였다.
일반적인 전술유도탄에서 표적획득 센서로 사용되는 김발형 탐색기(Gimballed Seeker) 는 탐색기의 표적획득부가 유도탄의 동체운동과는 독립적으로 관성좌표계 상에서 표적을 지향하게 하여 비례항법 유도명령 생성에 필요한 유도탄/표적간의 시선 각속도 정보를 직접 제공한다. 반면 최근에는 탐색기 전체가 유도탄 동체에 고정됨으로써 정비보수 용이, 고장수리 감소, 단가감소 측면 등에서 유리한 동체고정 탐색기(Strapdown Seeker)에 대한 연구가 부분적으로 수행되고 있다. 그런데 동체고정 탐색기에서는 비례항법에 필요한 시선각속도가 직접주어지지 않고 탐색기 영상 평면에 맺힌 표적영상으로부터 유도명령생성에 필요한 정보를 추출하여야 한다. 본 연구에서는 먼저 스트랩다운 탐색기로부터 주어지는 표적정보를 바탕으로 언센티드 칼만필터(Unscented Kalman Filter, UKF)를 적용하여 유도탄과 표적간의 상대운동을 추정한다. 추정된 상대운동 정보를 이용하여 유도명령을 생성하고 유도탄과 표적간의 조우운동을 시뮬레이션을 통하여 검증하였다.
Recent development in seeker technology explores a new seeker design in which, with larger field-of-view (FOV), optical parts are strapped down to a body (hence, called as a body-fixed seeker or a strapdown seeker). This design has several advantages such as comparatively easier maintenance and cali...
Recent development in seeker technology explores a new seeker design in which, with larger field-of-view (FOV), optical parts are strapped down to a body (hence, called as a body-fixed seeker or a strapdown seeker). This design has several advantages such as comparatively easier maintenance and calibration by removing complex mechanical moving parts, increasing reliability, and cost savings. On the other hand, the strapdown seeker involves difficulties in implementing guidance laws since it does not directly provide inertial LOS rates. Instead, information for generating guidance commands should be extracted by estimating missile/target relative motion utilizing target images on the image plane of a strapdown seeker. In this research, a new framework based on an unscented Kalman filter is developed for estimating missile/target relative motion on the simplified assumption of a point source target. Performance of a terminal guidance algorithm, in which guidance command is generated based on the estimated relative motion, is demonstrated by a missile/target engagement simulation.
Recent development in seeker technology explores a new seeker design in which, with larger field-of-view (FOV), optical parts are strapped down to a body (hence, called as a body-fixed seeker or a strapdown seeker). This design has several advantages such as comparatively easier maintenance and calibration by removing complex mechanical moving parts, increasing reliability, and cost savings. On the other hand, the strapdown seeker involves difficulties in implementing guidance laws since it does not directly provide inertial LOS rates. Instead, information for generating guidance commands should be extracted by estimating missile/target relative motion utilizing target images on the image plane of a strapdown seeker. In this research, a new framework based on an unscented Kalman filter is developed for estimating missile/target relative motion on the simplified assumption of a point source target. Performance of a terminal guidance algorithm, in which guidance command is generated based on the estimated relative motion, is demonstrated by a missile/target engagement simulation.
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문제 정의
본 논문을 우리나라 초기 항공우주공학의 터전을 마련하셨고, 저를 포함하여 비행역학 및 제어 분야의 많은 후학들을 지도해 주신 故 위상규(魏祥奎) 교수님의 영전에 바칩니다.
언센티드 칼만필터는 계산시간은 약간 증가하나 확장칼만필터(Extended Kalman Filter, EKF)에 비해 추정모델들의 강한 비선형성 등의 경우에도 필터 정확도를 향상하고 자코비언(Jacobian) 등의 계산이 필요 없어 사용도 용이함으로 최근에 활발한 연구가 수행되고 있다[6]. 본 연구에서는 스트랩다운 탐색기로부터 주어지는 정보를 바탕으로 언센티드 칼만필터(Unscented Kalman Filter, UKF)를 이용하여 유도탄과 표적간의 상대 운동을 추정하고 이 정보를 이용하여 유도명령을 생성하는 기법에 대하여 알아 보았다.
본 절에서는 스트랩다운 탐색기 정보를 이용하여 표적과 유도탄간의 상대적인 운동을 추정하기 위한 알고리듬에 대하여 기술한다. 먼저 스트랩다운 탐색기 정보를 측정치로 하여 표적과 유도탄간의 상대적인 운동을 추정할 수 있는 필터를 설계한다.
가설 설정
유도탄은 초기고도 400 m (초기 방위각 : -10도, 초기 고각 : -5도)이며 표적의 초기위치 (3500 m, -1000 m, 0 m)에서 방위각 135도 방향으로 15 m/sec 속도로 움직인다. 표적이 해면에서 움직이는 경우를 고려하여 표적 가속도식인 식 (3)에서 수평면 운동만 고려하였고, 필터의 초기 오차는 초기 위치오차 ( 150 m, 150 m, 0 m ), 초기 속도오차 ( 5 m/sec, 5 m/sec, 0 m/sec )로 가정하였다. 상대운동 추정필터의 상태변수 초기 공분산 행렬 P(0), 프로세서노이즈 공분산 행렬 Q, 측정노이즈 공분산 행렬 R 은 각각 다음과 같이 결정하였다.
제안 방법
본 절에서는 스트랩다운 탐색기 정보를 이용하여 표적과 유도탄간의 상대적인 운동을 추정하기 위한 알고리듬에 대하여 기술한다. 먼저 스트랩다운 탐색기 정보를 측정치로 하여 표적과 유도탄간의 상대적인 운동을 추정할 수 있는 필터를 설계한다. 그림 1은 유도탄과 표적간의 상대 운동을 항법좌표계에서 표현한 것이다.
스트랩다운 탐색기를 적용한 전술유도탄에서 비례항법으로 유도명령을 생성하기 위해서는 유도탄과 표적간의 상대운동을 추정하기 위한 필터가 필요하다. 본 연구에서 적용된 문제와 같이 강한 비선형성이 있는 경우에도 최소한 2차의 정확도를 얻을 수 있는 UKF[6,7]를 적용하여 유도탄/표적 간의 상대운동 추정필터를 설계하고 시뮬레이션을 통하여 성능을 검증하였다. 또한 추정된 유도탄과 표적간의 상대운동을 바탕으로 종말유도 알고리듬을 적용하여 유도탄/표적간의 조우운동을 시뮬레이션으로 확인할 수 있었다.
유도탄과 표적간의 상대운동을 추정하기 위한 필터의 성능을 검토해 보기 위하여 유도탄/표적 조우 시뮬레이션을 수행하고 상대운동 추정필터를 적용하였다. 그림 4, 5는 각각 수직면 및 수평면상의 궤적 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다.
발사후 망각(Fire-and-forget) 방식의 대부분의 단거리 전술유도탄들은 주야간 교전능력을 확보 할 수 있도록 적외선 탐색기를 장착하고 있다. 적외선 탐색기로부터 획득된 표적정보를 바탕으로 비례항법 유도기법에 기반한 알고리듬을 이용하여 표적을 추적/요격한다. 이때 김발형 적외선 탐색기(Gimballed IR Seeker)는 탐색기가 유도탄의 동체운동과는 독립적으로 관성좌표계 상에서 표적을 지향할 수 있는 구조를 가지고 있어 비례 항법 유도명령 생성에 필요한 유도탄/표적간의 시선 각속도 정보를 직접 제공한다.
이론/모형
스트랩다운 탐색기 정보를 이용하여 표적과 유도탄간의 상대운동을 추정하기 위한 필터로서는 자코비언(Jacobian) 행렬을 계산할 필요가 없고 비선형 필터링 성능이 우수한 UKF를 사용한다. 이 필터는 Julier 등이 최근에 개발하여 많은 주목을 받고 있으며 여러 가지 변형필터들이 Merwe 등에 의해 개발되고 있다[6,7].
표적가속도에 대한 1차 Markov 모델의 시정수 τ 는 비교적 느리게 운동하는 (lazy turn) 해상표적을 고려하여 참고문헌[9]에 따라 τ = 60초로 정하였다.
성능/효과
각각의 초기 위치오차 150 m에서 오차크기가 ±1σ 이내에서 빠르게 오차를 줄이며 수렴함을 확인할 수 있다.
본 연구에서 적용된 문제와 같이 강한 비선형성이 있는 경우에도 최소한 2차의 정확도를 얻을 수 있는 UKF[6,7]를 적용하여 유도탄/표적 간의 상대운동 추정필터를 설계하고 시뮬레이션을 통하여 성능을 검증하였다. 또한 추정된 유도탄과 표적간의 상대운동을 바탕으로 종말유도 알고리듬을 적용하여 유도탄/표적간의 조우운동을 시뮬레이션으로 확인할 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
동체고정 탐색기에서 유도명령생성에 필요한 정보를 추출하는 방법은 무엇인가?
반면 최근에는 탐색기 전체가 유도탄 동체에 고정됨으로써 정비보수 용이, 고장수리 감소, 단가감소 측면 등에서 유리한 동체고정 탐색기(Strapdown Seeker)에 대한 연구가 부분적으로 수행되고 있다. 그런데 동체고정 탐색기에서는 비례항법에 필요한 시선각속도가 직접주어지지 않고 탐색기 영상 평면에 맺힌 표적영상으로부터 유도명령생성에 필요한 정보를 추출하여야 한다. 본 연구에서는 먼저 스트랩다운 탐색기로부터 주어지는 표적정보를 바탕으로 언센티드 칼만필터(Unscented Kalman Filter, UKF)를 적용하여 유도탄과 표적간의 상대운동을 추정한다.
발사후 망각의 표적 추적 방식은 무엇인가?
발사후 망각(Fire-and-forget) 방식의 대부분의 단거리 전술유도탄들은 주야간 교전능력을 확보 할 수 있도록 적외선 탐색기를 장착하고 있다. 적외선 탐색기로부터 획득된 표적정보를 바탕으로 비례항법 유도기법에 기반한 알고리듬을 이용하여 표적을 추적/요격한다. 이때 김발형 적외선 탐색기(Gimballed IR Seeker)는 탐색기가 유도탄의 동체운동과는 독립적으로 관성좌표계 상에서 표적을 지향할 수 있는 구조를 가지고 있어 비례 항법 유도명령 생성에 필요한 유도탄/표적간의 시선 각속도 정보를 직접 제공한다.
전술유도탄에서 표적획득 센서로 활용되는 동체고정 탐색기는 어떤 장점이 있는가?
일반적인 전술유도탄에서 표적획득 센서로 사용되는 김발형 탐색기(Gimballed Seeker) 는 탐색기의 표적획득부가 유도탄의 동체운동과는 독립적으로 관성좌표계 상에서 표적을 지향하게 하여 비례항법 유도명령 생성에 필요한 유도탄/표적간의 시선 각속도 정보를 직접 제공한다. 반면 최근에는 탐색기 전체가 유도탄 동체에 고정됨으로써 정비보수 용이, 고장수리 감소, 단가감소 측면 등에서 유리한 동체고정 탐색기(Strapdown Seeker)에 대한 연구가 부분적으로 수행되고 있다. 그런데 동체고정 탐색기에서는 비례항법에 필요한 시선각속도가 직접주어지지 않고 탐색기 영상 평면에 맺힌 표적영상으로부터 유도명령생성에 필요한 정보를 추출하여야 한다.
참고문헌 (9)
Ehrich, R. D. and Vergez, P., "Strapdown Seeker Technology for the Terminal Guidance of Tactical Weapons", AGARD Guidance and Control Aspects of Tactical Air-launched Missiles, AGARD-CP-292, N81-16092 07-15, 1980, pp. 11-1-11-15.
Callen, T. R., "Guidance Law Design for Tactical Weapons with Strapdown Seekers", AIAA Guidance and Control Conference, AIAA-1979-1732, Aug. 1979, pp. 281-293.
Vergez, P. L. and McClendon, J. R., "Optimal Control and Estimation for Strapdown Seeker Guidance of Tactical Missiles", J. Guidance, Vol. 5, No. 3, May-June 1982, pp. 225-226.
Julier, S. J. and Uhlmann, J. K., "A New Extension of the Kalman Filter to Nonlinear Systems", the 11th int. symposium on aerospace/defense sensing, simulation and controls, Orlando, Florida, Aug. 1997.
Wan, E. A. and Merwe, R. van der, "Chapter 7. The Unscented Kalman Filter", in Kalman Filtering and Neural Networks (S. HayKin ed.), New York, John Wiley & Sons, 2001.
Mehra, R. K. and Ehrich, R. D., "Air-To-Air Missile Guidance for Strapdown Seekers", Proc. Of 23rd Conference on Decision And Control, Dec. 1984.
Li, X. R. and Jilkov, V. P., "Survey of Maneuvering Target Tracking-Part I: Dynamic Models", IEEE Trans. on Aerospace and Electronic Systems, Vol. 39, Oct. 2003, pp. 1333-1364.
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