[논문]방향탐지장비의 삼차원 최적 배치

이호주; 김창근; 강성수

doi:10.6109/jkiice.2011.15.4.765

[국내논문] 방향탐지장비의 삼차원 최적 배치
3-D Optimal Disposition of Direction Finders 원문보기

한국해양정보통신학회논문지 = The journal of the Korea Institute of Maritime Information & Communication Sciences, v.15 no.4, 2011년, pp.765 - 772

이호주 (국방과학연구소) , 김창근 (경남과학기술대학교) , 강성수 (경남과학기술대학교)

초록
AI-Helper

본 논문은 삼차원 공간에서 방향정보를 이용하여 위치측정을 위한 방향탐지장비의 최적배치 방법을 제시한다. 방향탐지장비는 전파를 발신하는 적의 위치를 탐지하는 장비로써 현재 육군에서 전력화되어 운용 중에 있다. 위치측정을 위해서는 두 대 이상의 장비를 동시에 운용해야 한다. 만일 한 대 이상의 장비를 공중에서 운용할 경우, 보다 나은 장비배치 형상을 이룸으로써 위치측정 정확도를 향상시킬 수 있다. 제안된 방법에서는 이차원 위치측정 알고리즘을 비선형계획법을 활용하여 삼차원으로 확장하고 수리적으로 그 해를 구하였다. 삼차원 위치측정 알고리즘을 토대로 시뮬레이션 기법과 탐색 기법을 융합한 최적배치 알고리즘을 고안하였다. 실험을 통하여 제안된 최적배치 방법은 적이 존재하는 지역에 대한 위치측정 정확도를 향상시킴으로써 방향탐지장비의 운용효과를 증대시킬 수 있음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a simulation-based method is presented to dispose direction finders in three dimensional space for locating targets using the directional data. A direction finder(DF) is a military weapon that is used to find locations of targets that emit radio frequencies by operating two or more DFs simultaneously. If one or more DFs are operated in the air, the accuracy of location estimation can be enhanced by disposing them in a better configuration. By extending the line method, which is a well-known algorithm for 2-D location estimation, into 3-D space, the problem of 3-D location estimation is defined as an nonlinear programming form and solved analytically. Then the optimal disposition of DFs is considered with the presented method in which methods of simulation and search technique are combined. With the suggested algorithm for 3-D disposition of DFs, regions in which targets exist can be effectively covered so that the operation effect of DF be increased.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 한 대 이상의 방향탐지장비를 공중 운용하기 위하여 삼차원 위치측정 알고리즘을 기반으로 삼차원 최적배치 방법을 제안하였다. 제안된 방법의 고안을 위하여 방향정보의 분포 특성을 고려한 에러-시나리오를 활용한 시뮬레이션 방법과 탐색기법을 융합하였다.

가설 설정

각 장비의 기계적 정확도(σi 및 #)는 일률적으로 1˚로 가정하고 각 장비에 대한 에러-시나리오를 생성하였다.
문제의 단순화 차원에서 표적의 출현이 예상되는 위치측정 대상지역(Aj, j=1,···,J)은 1개(J=1)로 가정하였으며, 점 (30, 30, 0.3)으로 Aj을 대신하였다.

제안 방법

3-D AM의 해를 3-D LM과 유사하게 분석적으로 구하기 위하여 근사적인 해법을 제안한다. 먼저 작은 각(angle)에 대해서 sin(∆q_i)의 값은 ∆q_i으로 대치될 수 있다는 사실을 적용하고, 식 (17)의 분모에 있는 미지점 t'를 없애는 방법으로 d(f_i,t') 대신 상수 δ_i를 대입하면 3D-AM는 식 (18)∼(19)와 같이 3D-AM'로 재정의할 수 있으며, 그 해를 분석적으로 구할 수 있다.
이는 DF의 위치를 수십 내지 수백m 변동시키더라도 위치측정 정확도에 미치는 결과가 미미할 수 있기 때문이다. 따라서, 삼차원 DF 배치문제를 해결함에 있어서 삼차원 공간을 단순화하기 위하여 적정 크기의 셀들로 재구성, 격자화함으로써 탐색기법의 효과적인 적용이 가능한 방법을 제안한다. 적용된 탐색기법은 시뮬레이션 기법과 결합된 Cyclic coordinate descent method으로 비선형 문제에서 흔히 사용된다[5].
본 논문에서는 비선형 계획법(Nonlinear Programming)을 활용하여 이차원 위치측정 문제를 삼차원으로 확장하여 재정의한 후, 그것을 토대로 시뮬레이션 및 탐색기법을 융합한 방향탐지장비의 삼차원 최적배치 방법을 제안한다. 제안된 삼차원 위치측정 알고리즘과 최적배치 방법론은 실험을 통하여 평가하였다.
삼차원 공간으로 확장된 LM(이하 ‘3-D LM’)을 정의하기 위하여 비선형계획법(NLP: nonlinear programming)에 기반한 방법을 제안한다.
설정된 Aj를 대신하는 점 (30, 30, 0.3)에 대하여 공중 운용 장비(DF3)의 최적배치를 결정하기 위하여 3D-AM′ 알고리즘을 적용하고, 탐색 간격은 모든 탐색루프에 대하여 일괄적으로 5km를 적용하였다.
본 논문에서는 한 대 이상의 방향탐지장비를 공중 운용하기 위하여 삼차원 위치측정 알고리즘을 기반으로 삼차원 최적배치 방법을 제안하였다. 제안된 방법의 고안을 위하여 방향정보의 분포 특성을 고려한 에러-시나리오를 활용한 시뮬레이션 방법과 탐색기법을 융합하였다. 방향탐지장비의 최적배치 문제는 그 복잡도가 높고 분석적으로 해결할 수 없음을 감안할 때, 본 논문에서 제안되는 방법론은 다수의 표적(또는 지역)에 대한 위치측정의 정확도를 최대화하는 삼차원 장비배치를 결정해 줌으로써 방향탐지장비의 운용효과 증대에 획기적으로 기여할 수 있을 것이다.
본 논문에서는 비선형 계획법(Nonlinear Programming)을 활용하여 이차원 위치측정 문제를 삼차원으로 확장하여 재정의한 후, 그것을 토대로 시뮬레이션 및 탐색기법을 융합한 방향탐지장비의 삼차원 최적배치 방법을 제안한다. 제안된 삼차원 위치측정 알고리즘과 최적배치 방법론은 실험을 통하여 평가하였다.

데이터처리

제안된 삼차원 위치측정 알고리즘 및 최적배치 방법은 예제를 통하여 비교 평가되었다. 실제 야전에 배치되어 운용되고 전자전장비는 3대의 DF들로 구성되어 있음을 감안하여, 예제에서도 지상에서 운용되는 2대의 장비와 1대의 공중에서 운용되는 장비를 고려하였다.

이론/모형

어떤 장비배치 대하여 표적에 대한 위치측정 정확도는 시뮬레이션을 이용하여 평가되는데, 보다 나은 DF의 최적 위치(좌표)를 탐색함에 있어서 LOB 측정 간에 발생되는 오차의 영향을 배제하기 위하여 ‘에러-시나리오(error-scenario)’의 개념을 도입하였다.
주변 셀을 정의함에 있어서는 다양한 방법이 있을 수 있다. 일례로, 그림 1과 같이 동, 서, 남, 북 및 상, 하의 6개 방향으로 탐색 간격만큼 이격된 셀들을 정의함으로써 탐색기법(Cyclic coordinate descent method)을 적용할 수 있다. 더 이상 나은 주변 셀을 더 이상 찾을 수 없으면, 그 DF를 고정하고 또 다른 DF를 대상으로 같은 과정을 반복한다.

성능/효과

추가적으로, DF가 초기배치 고도(=1km)에 비해서 높은 고도(=6km)에서 운용될 때 위치측정 정확도가 향상되는 것을 확인할 수 있는데, DF3가 (30.0, 30.0, 1.0)에 위치할 경우(고도 1km), Q값은 3D-LM, 3D-AM 및 3D-AM ′ 에 대하여 각각 41.2%, 98.7%, 96.3%로 측정되었고, 만일 고도를 11km로 높이면 오히려 39.8%, 97.7%, 95.8%로 정확도가 감소된다.

후속연구

만일 다수의 Aj(j > 1)를 고려할 경우, 공중 운용 장비가 모든 Aj에 대하여 직상공에 위치하기가 제한됨에 따라 제안된 알고리즘을 이용한 장비배치 최적화가 더욱 요구된다.
제안된 방법의 고안을 위하여 방향정보의 분포 특성을 고려한 에러-시나리오를 활용한 시뮬레이션 방법과 탐색기법을 융합하였다. 방향탐지장비의 최적배치 문제는 그 복잡도가 높고 분석적으로 해결할 수 없음을 감안할 때, 본 논문에서 제안되는 방법론은 다수의 표적(또는 지역)에 대한 위치측정의 정확도를 최대화하는 삼차원 장비배치를 결정해 줌으로써 방향탐지장비의 운용효과 증대에 획기적으로 기여할 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	군사작전 수행에 있어서 반드시 필요한 핵심 정보는?	적에 대한 위치정보는 군사작전 수행에 있어서 반드시 필요한 핵심 정보이다. 표적의 위치 정보를 획득하는 방법 중 하나는 방향정보(LOB : Line Of Bearing)를 이용하는 것인데, 표적이 발신한 신호(전자파)에 대한 도래방향을 측정하여 결정할 수있다.
	방향정보는 적이 발신한 신호에 대하여 공간상에서 두 개의 각도로 정의되는데, 이것은 무엇인가?	삼차원 위치측정은 기존의 이차원 알고리즘을 삼차원으로 확장함으로써 가능하다. 이 때 방향정보는 적이 발신한 신호에 대하여 공간상에서 두 개의 각도로 정의되는데, 방위각(azimuth angle)과 고도각(elevation angle)이다.
	이차원 위치측정 알고리즘 중 Angle method의 단점은?	대표적인 이차원 위치측정 알고리즘으로는 Line to Point transformation method, Point method, Line method, Angle method 등이 있다[1]. 이 중 Angle method(AM)가 가장 정확한 위치측정 결과를 주지만, 분석적(수리적)인 방법으로 그 해를 계산할 수가 없으므로 탐색 기법을 사용해야 하는 단점이 있다. 반면, Line method(LM)는 신속한 계산은 물론 그 정확도가 높은 편이므로 가장 널리 사용된다[2,3].

참고문헌 (5)

J.Li, and S.A.Quek, "Locating a target from directional data," Naval Research Logistics, vol. 45, no.4, pp. 354-364, 1998.
M.G.Sklar and S.P.Ladany, "Properties of a source location estimator in the plane," Naval Research Logistics, Vol. 40, no.2, pp. 211-228, 1993.

상세보기
A.R.Washburn, Search and Detection 4thedition, INFORMS: Arlington, VA, 2002.
R.Poisel, Introduction to Communication Electronic Warfare SystemsArtech House: Norwood, 2002.
D.P.Bertsekas, Nonlinear programming, MA: Athena Scientific, 1995.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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