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문제 정의
- Bardos, 1996)에 대한 연구로써 진행되었고, 함포 사격통제시스템을 정확히 시뮬레이션하기위한 연구는 이루어지지 않았다. 따라서, 본 연구에서는 함포 사격통제시스템 검증에 활용 가능한 높은 정확성을 갖는 시뮬레이션 환경을 구축하고, 이를 전투체계 각 개발단계별로 활용하는 방안에 대한 연구를 진행하였다.
- 본 논문에서는 수상함 전투체계의 함포 사격통제시스템을 검증하기 위한 시뮬레이션 환경을 구축하고, 구축한 시뮬레이션 환경을 활용하여 전투체계 개발 단계에 맞춘 효과적인 시뮬레이션 방법을 제안하였다. 연구된 시뮬레이션 방법은 유도탄고속함(PKG) 전투체계의 함포 사격통제시스템 개발 전과정에 적용되어, 각 단계별로 제한된 확보 데이터로도 검증이 가능하게 함으로써 시스템 개발시 발생가능한 오류 및 시행 착오를 최소화 하는데 기여하였다.
가설 설정
- 표적이 기동할 시에는 표적에 특정 방향으로 힘이 작용하여 표적의 기동이 변화한 것으로 가정하였다. 표적에 작용하는 힘의 크기가 A이고 표적 진행방향 기준 선회 및 고각 방향 각도가 각각 β, ε 일 때, 식 (2)과 같이 표적의 동체 중심 좌표계에서의 가속도(#)를 산출하여 힘의 작용을 반영하였다.
제안 방법
- BCU 시뮬레이터의 입력은 Sensor Log, 가상시나리오, BCU Log가 있으며, 그림 3과 같이 입력정보 통제 모듈을 두어 3가지 입력을 모두 입력받을 수 있도록 구성하여 입력되는 정보의 종류에 관계없이 동일한 사격제원계산모듈이 동작하도록 구성하였다.
- 본 연구를 통해 개발된 BCU 시뮬레이션 환경은 기존 BCU 실장비의 Sensor Log, BCU Log 및 분석 프로그램을 재사용 가능하도록 구성하였으며, 핵심적인 사격제원계산 모듈은 실장비와 시뮬레이터가 동일한 코드를 사용하여, 실장비와 시뮬레이터 환경의 계산 산출결과가 일치하도록 하였다. BCU 시뮬레이터의 입력은 실제 환경에서 CSDB 분석을 위하여 저장한 CSDB의 Sensor Log를 입력받아 BCU 실장비와 동일한 정보를 받을 수 있도록 하였으며, BCU Log에 포함된 Sensor Data로도 시뮬레이션이 구동될 수 있도록 하였다. 이를 통해 BCU 실장비의 입력/출력 데이터(Sensor Log /BCU Log)를 모두 입력받아 시뮬레이션이 가능하도록 함으로써 두 결과의 비교를 통해 BCU 실장비의 문제여부의 판단을 용이하게 하였다.
- 따라서 BCU Log만으로도 CSDB상의 정보를 얻을 수 있어 시뮬레이션 수행이 가능하다. 가상 시나리오를 이용하는 경우에는 해당 정보를 모두 가상으로 시뮬레이터 상에서 구현하여 사격제원계산 모듈의 입력으로 사용하였으며, 실제 표적정보의 특성을 반영하기 위하여 다음과 같이 표적기동, 표적궤적, 센서특성을 모델링하여 시나리오에 반영하였다.
- 가상 시나리오를 활용하기 때문에 그림 8에 표시된 자함과 표적 궤적의 예와 같이 실제 상황에서 지원세력 제약이나 안정성 문제로 획득하기 어려운 다양한 궤적을 생성하고 이를 활용하여 알고리즘의 표적 대응 능력을 확인하였다. 그림 8에서 (a)는 자함 주변을 선회하는 표적의 궤적을, (b)는 가속도의 방향을 바꿔가며 원운동을 수행하는 궤적을, (c)는 직선-곡선-직선 형태로 연속적인 기동변화가 일어나는 궤적을, (d)는 측면에서 저공으로 접근하는 미사일 표적의 예를 각각 보여준다.
- 특히 (d)와 같이 자함을 향해 충돌코스로 빠르게 접근하는 미사일 표적의 경우에는 자함의 안정성 이유로 현실적으로 해상환경에서 표적 정보를 획득이 불가하여 시뮬레이션 상으로만 그대응 능력을 확인할 수 있다. 그 밖에도 수십가지의 대함/대공 시나리오를 통해 탑재하고자 하는 알고리즘 성능 비교 및 검증을 수행하고 다양한 상황에 대한 안정성을 확보하였다.
- 알고리즘 및 기능들을 설계하고 구현하는 단계에서는 개발하고자하는 함정의 자함정보 및 탑재되는 센서의 표적정보를 획득하는 것은 불가능하다. 따라서 표적/자함/환경 정보 모두 가상의 시나리오로 구성하여 시뮬레이션을 수행하였다.
- 각종 추적센서를 실제로 장착하여 표적정보를 획득할 수 있으나, 육상에 시설이 있는 구조적한계로 인하여 자함자세정보와 환경정보는 실제 정보를 얻지 못한다. 따라서, 본 연구에서는 실제 장비를 통해 획득 가능한 표적정보는 그대로 사용하고 자함자세 정보와 환경정보는 가상시나리오를 사용하는 실제-가상 정보의 조합을 통하여 시뮬레이션을 수행하였다. 그림 9는 육상시험체계에서 실제로 획득한 궤적을 개발한 시뮬레이터를 이용하여 도시한 것으로 (a)는 대함표적, (b)는 대공표적의 궤적이다.
- 분석은 배윤지 외(2008)과 윤동식 외(2008)의 방법에 따라 추적필터와 탄도계산의 성능을 확인할 수 있도록 수행하였다. 또한, 효과적인 결과 출력을 위하여 표적정보와 사격제원계산결과를 함께 3D 화면에 도시함으로써 시각적으로 비교 분석이 가능하게 하였다.
- 실제 함정으로 해상에서 시험을 진행하는 경우 다수의 인원이 배에 탑승하여 시험해역까지 항해한 이후에 시험을 수행하고 다시 돌아오는 과정을 거쳐야 하기 때문에, 시험에 많은 시간/장소/예산의 제약이 발생한다. 문제 발생시 문제점이 발생한 당시와 동일한 조건을 만드는 것 또한 같은 제약이 존재하기 때문에, 본 연구에서는 그림 10과 같이 시뮬레이터를 활용하여 제약이 따르는 해상에서의 재시험 대신 육상에서 시뮬레이션을 활용하여 문제점의 수정 및 검증을 수행하였으며 그 절차는 다음과 같다. 우선 함상에서 실제 표적의 정보를 획득하면 Sensor Log 및 BCU Log를 통해 시뮬레이터에서 당시의 상황을 그대로 재연한다.
- 본 연구를 통해 개발된 BCU 시뮬레이션 환경은 기존 BCU 실장비의 Sensor Log, BCU Log 및 분석 프로그램을 재사용 가능하도록 구성하였으며, 핵심적인 사격제원계산 모듈은 실장비와 시뮬레이터가 동일한 코드를 사용하여, 실장비와 시뮬레이터 환경의 계산 산출결과가 일치하도록 하였다. BCU 시뮬레이터의 입력은 실제 환경에서 CSDB 분석을 위하여 저장한 CSDB의 Sensor Log를 입력받아 BCU 실장비와 동일한 정보를 받을 수 있도록 하였으며, BCU Log에 포함된 Sensor Data로도 시뮬레이션이 구동될 수 있도록 하였다.
- 가상 시나리오의 신뢰성 확보를 위해서는 표적의 기동이 실제와 유사하게 생성되어야 한다. 본 연구에서는 표적의 상태정보를 식 (1)과 같이 표적의 속도, 위치, Euler angle로 정의하고 수치해석적으로 물리량을 산출함으로써 표적의 궤적을 생성하였다.
- 언급된 실제 환경에서 획득한 Sensor Log 및 BCU Log외에도 시뮬레이터 자체에서 생성한 가상시나리오에 의한 시뮬레이션도 가능하게 하여 실제 환경에서 시험 불가능한 표적의 움직임이나 상황도 시뮬레이션이 가능하게 하였다. 시뮬레이터의 수행 결과는 BCU 실장비와 동일한 형태의 Log로 남게하여 BCU 실장비를 분석할 때 사용하는 분석프로그램을 그대로 활용하여 BCU 시뮬레이터 결과 또한 분석 가능하도록 하였다. 시뮬레이터 환경에서 입력과 출력 정보의 상세 구성 방법은 다음과 같다.
- 시뮬레이터의 출력은 BCU 실장비와의 통일성을 유지하면서 시뮬레이션 수행결과를 보여줄 수 있도록 구성하였다. 사격제원계산장치 실장비에서 BCU Log는 Ethernet 망을 통해 Logging을 수행하는 PC로 저장되며, 실장비와 동일한 코드를 갖고 있는 BCU 시뮬레이터의 사격제원계산 모듈 또한 Log를 Ethernet에 Packet 형태로 출력한다.
- 본 논문에서는 수상함 전투체계의 함포 사격통제시스템을 검증하기 위한 시뮬레이션 환경을 구축하고, 구축한 시뮬레이션 환경을 활용하여 전투체계 개발 단계에 맞춘 효과적인 시뮬레이션 방법을 제안하였다. 연구된 시뮬레이션 방법은 유도탄고속함(PKG) 전투체계의 함포 사격통제시스템 개발 전과정에 적용되어, 각 단계별로 제한된 확보 데이터로도 검증이 가능하게 함으로써 시스템 개발시 발생가능한 오류 및 시행 착오를 최소화 하는데 기여하였다. 또한, 실제 시스템과 동일한 시뮬레이션 환경을 PC상 구축하여 해상 시험평가시 실제 함포 사격 없이도 사격 결과를 예측 가능하게 하여 시스템 검증 및 문제점개선에 소요되는 시간/장소/예산의 절약을 가능하게 하였다.
- 분석도구를 이용하여 분석한 결과, 문제점이 파악되면 BCU 시뮬레이터를 활용하여 SW를 수정한 후 다시 재연하여 문제점이 수정된 것을 확인한다. 이 경우 한가지 Log에 대해서만 정상 동작을 확인한 것이기 때문에 다양한 상황 하에서 검증을 하기 위해 축적된 과거의 Log들과 가상 시나리오를 통해 검증을 수행한다. 시뮬레이터 상에서 검증이 완료되면 시뮬레이터와 실장비의 사격제원계산 모듈이 Code Level에서 완전히 동일하기 때문에 실장비에 바로 탑재한 후 해당 OS에서 정상동작 여부등의 최소한의 확인절차를 거쳐 문제점 수정 및 검증을 완료한다.
- 사격제원계산장치 실장비에서 BCU Log는 Ethernet 망을 통해 Logging을 수행하는 PC로 저장되며, 실장비와 동일한 코드를 갖고 있는 BCU 시뮬레이터의 사격제원계산 모듈 또한 Log를 Ethernet에 Packet 형태로 출력한다. 이를 Ethernet 망으로 전송할 경우 결과를 보기 위해서는 Ethernet 망 내의 다른 PC로 확인해야 하기 때문에 본 연구에서 개발한 시뮬레이터에서는 그림 6과 같이 소켓 프로그램에서 이를 Packet으로 전송하지 않고 PC 내의 파일 형태로 저장하도록 구성하여 단일 PC 내에서 시뮬레이션 수행 및 결과 저장이 가능하도록 하였다.
- 그림 5는 센서 특성 모델링의 방법 및 결과를 나타낸다. 자함의 흔들림 보상 오차에서 기인한 센서의 직교좌표계상의 오차는 거리에 비례하는 주기함수로써 모델링되었으며, 고각 및 방위각 방향에 대해 각각 모델링하였다. 그림 5(a)는 고각 방향의 모델링 개념을 보여주며, 그림 5(b)는 모델링된 센서 특성을 고각방향에 적용한 예를 구현된 시뮬레이터를 통해 전시한 것으로 근거리일 때 보다 원거리에서 보다 큰 오차를 갖는 것을 확인할 수 있다.
- 저장된 BCU Log 파일은 실제 사격제원계산장치의 Log와 동일한 형태를 갖으며 실장비 분석시 사용하는 프로그램과 동일한 프로그램을 사용하여 분석을 수행하였다. 분석은 배윤지 외(2008)과 윤동식 외(2008)의 방법에 따라 추적필터와 탄도계산의 성능을 확인할 수 있도록 수행하였다.
- 추적센서는 실제 장비를 활용하기 때문에 센서의 추적성능 및 정보의 특성을 해상시험 이전에 파악하여 알고리즘의 개선에 활용하였으며, 센서 특성에 따른 함포의 교전 효과도 및 명중률 분석을 수행하였다.
- 그림 4(a)는 대공 표적의 궤적 모델링 개념도이다. 표적의 진행방향의 수직 및 수평방향에 대한 주기함수로써 표적궤적의 흔들림을 모델링하였으며, 대함 표적의 경우에는 해상에서 존재하기 때문에 수평방향의 흔들림만 모델링 하였다. 그림 4(b)는 대공 표적 궤적을 모델링한 결과의 예를 구현된 시뮬레이터 상에서 전시한 것으로, 표적의 궤적이 전체적으로는 자함을 향해 돌진하는 직선궤적이나 표적 자체가 흔들리는 것을 확인할 수 있다.
- 해상 시험 평가 단계에서는 실제적으로 구현이 완료된 단계로 모든 장비가 함상에 탑재된 단계이기 때문에 모든 실장비 정보를 활용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 육상시험 평가 단계와는 달리 자함자세 정보 획득이 가능하여 해상의 파도 및 조류에 의한 자함자세 변화에 따른 함포구동 명령의 안정성을 파악할 수 있으며, 자함자세 변화에 따른 추적센서의 특성 변화 또한 시뮬레이션 및 분석을 통해 고려함으로써 사격제원계산 알고리즘의 보완이 가능하다.
대상 데이터
- 함포 사격통제시스템’에서 언급된 내용 중 함포 사격제원계산장치 내에서 장비간 데이터 변환 등을 제외한 실제 계산을 수행하는 부분만을 시뮬레이션대상으로 하였으며, 이는 그림 2에 ‘사격제원계산 모듈’로 표시하였다.
이론/모형
- 저장된 BCU Log 파일은 실제 사격제원계산장치의 Log와 동일한 형태를 갖으며 실장비 분석시 사용하는 프로그램과 동일한 프로그램을 사용하여 분석을 수행하였다. 분석은 배윤지 외(2008)과 윤동식 외(2008)의 방법에 따라 추적필터와 탄도계산의 성능을 확인할 수 있도록 수행하였다. 또한, 효과적인 결과 출력을 위하여 표적정보와 사격제원계산결과를 함께 3D 화면에 도시함으로써 시각적으로 비교 분석이 가능하게 하였다.
- 특히, 수상함의 시험평가 사격시 사격대상이 되는 대함/대공 표적은 예인함/예인기에 연결되어 자체동력 없이 끌려가는 형태의 예인 표적이기 때문에 더욱 변화가 심한 표적특성을 갖게 된다. 이러한 표적의 흔들림 특성을 모델링하기 위하여 김의진 외(2010a, 2010b)의 방법을 적용하여 모델링을 수행하였다.
성능/효과
- 그러나 탄이 발사되어 PHP(Predicted Hitting Point)까지 탄이 날아가는 데 걸리는 수초에서 수십초에 이르는 탄의 비과시간(TOF : Time of Flight) 동안에 발생하는 환경 변화로 인하여, 시뮬레이션 결과는 비과시간에 비선형적으로 비례하는 오차를 내포하게 된다. 따라서 시뮬레이션은 실제 사격에 따른 시간/장소/예산을 절감시키는 보조 수단일뿐, 실제 사격만이 사격통제시스템의 유일한 검증방법이라 할 수 있다. 본 연구의 검증 대상이 되는 유도탄고속함(검독수리-A급) 전투체계 사격통제시스템의 경우 대공 및 대함에 대해 실사격을 통한 시험평가가 진행되었으며, 김기성 외(2008)에서와 같이 우수한 사격결과를 얻었다.
- 연구된 시뮬레이션 방법은 유도탄고속함(PKG) 전투체계의 함포 사격통제시스템 개발 전과정에 적용되어, 각 단계별로 제한된 확보 데이터로도 검증이 가능하게 함으로써 시스템 개발시 발생가능한 오류 및 시행 착오를 최소화 하는데 기여하였다. 또한, 실제 시스템과 동일한 시뮬레이션 환경을 PC상 구축하여 해상 시험평가시 실제 함포 사격 없이도 사격 결과를 예측 가능하게 하여 시스템 검증 및 문제점개선에 소요되는 시간/장소/예산의 절약을 가능하게 하였다. 시뮬레이션을 통해 검증된 사격통제시스템이 해상 실사격 평가에서 우수한 결과를 획득함으로써 제안된 시뮬레이션 방법의 정확도 및 신뢰성이 검증되었다.
- 이 경우 해당 단계에서는 매우 높은 활용성을 보일 수 있으나, 해당 단계가 지나면 시뮬레이터의 업그레이드가 원활히 진행되지 않는 유지보수 등의 문제로 실제 개발 완료된 장비와 현실적으로 다른 형상을 갖게 되어 지속적인 활용이 어렵게 된다. 본 연구를 통해 개발된 시뮬레이터는 실장비와 동일한 알고리즘 모듈을 활용함으로써 유지보수를 용이하게 하였으며, 다양한 입력을 받을 수 있도록 구성함으로써 그림 7와 같이 개발 진행단계에 따라 입력을 달리하여 각 단계별로 가용한 실장비의 정보를 최대한 활용할 수 있도록 구성하여 시뮬레이션의 효과를 극대화 시켰다. 상세한 각 단계별 적용은 다음과 같다.
- 우선 함상에서 실제 표적의 정보를 획득하면 Sensor Log 및 BCU Log를 통해 시뮬레이터에서 당시의 상황을 그대로 재연한다. 분석도구를 이용하여 분석한 결과, 문제점이 파악되면 BCU 시뮬레이터를 활용하여 SW를 수정한 후 다시 재연하여 문제점이 수정된 것을 확인한다. 이 경우 한가지 Log에 대해서만 정상 동작을 확인한 것이기 때문에 다양한 상황 하에서 검증을 하기 위해 축적된 과거의 Log들과 가상 시나리오를 통해 검증을 수행한다.
- 또한, 실제 시스템과 동일한 시뮬레이션 환경을 PC상 구축하여 해상 시험평가시 실제 함포 사격 없이도 사격 결과를 예측 가능하게 하여 시스템 검증 및 문제점개선에 소요되는 시간/장소/예산의 절약을 가능하게 하였다. 시뮬레이션을 통해 검증된 사격통제시스템이 해상 실사격 평가에서 우수한 결과를 획득함으로써 제안된 시뮬레이션 방법의 정확도 및 신뢰성이 검증되었다.
- 해상 시험 평가 단계에서는 실제적으로 구현이 완료된 단계로 모든 장비가 함상에 탑재된 단계이기 때문에 모든 실장비 정보를 활용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 육상시험 평가 단계와는 달리 자함자세 정보 획득이 가능하여 해상의 파도 및 조류에 의한 자함자세 변화에 따른 함포구동 명령의 안정성을 파악할 수 있으며, 자함자세 변화에 따른 추적센서의 특성 변화 또한 시뮬레이션 및 분석을 통해 고려함으로써 사격제원계산 알고리즘의 보완이 가능하다.
- BCU 시뮬레이터의 입력은 실제 환경에서 CSDB 분석을 위하여 저장한 CSDB의 Sensor Log를 입력받아 BCU 실장비와 동일한 정보를 받을 수 있도록 하였으며, BCU Log에 포함된 Sensor Data로도 시뮬레이션이 구동될 수 있도록 하였다. 이를 통해 BCU 실장비의 입력/출력 데이터(Sensor Log /BCU Log)를 모두 입력받아 시뮬레이션이 가능하도록 함으로써 두 결과의 비교를 통해 BCU 실장비의 문제여부의 판단을 용이하게 하였다. 예를 들어 Sensor Data는 동일한데 BCU 실장비와 시뮬레이터의 수행결과가 상이할 경우 BCU 실장비에 오류가 있음을 판단할 수 있으며, BCU 실장비와 시뮬레이터의 Sensor Data와 BCU Log가 모두 동일한 경우 최초의 입력데이터인 Sensor Data 자체에 오류가 있다고 판단하고 오류 분석 및 수정을 진행할 수 있다.
- 기준 값은 사거리와 함포의 종류에 따라 다르며, 표 2는 기준치를 100%로 보았을 때, 획득된 탄착의 평균과 분산을 나타낸다. 전 기준치에 걸쳐 합격조건의 절반을 하회하는 매우 우수한 결과를 갖음을 확인할 수 있다.
후속연구
- 연구된 시뮬레이션 환경은 현재 특정 수상함에 탑재된 사격통제시스템에만 적용이 가능하나, 이를 기반으로 다양한 무장 및 센서에 대한 모델링을 수행한다면 시뮬레이션 가능한 영역을 확장하여 범용적인 함포 사격통제시스템 시뮬레이션 환경 구축이 가능하다. 범용적인 함포 시격통제시스템 시뮬레이션이 개발되면 이동훈 외(2007)이나 황근철(2007)과 같은 교전급 시뮬레이터에서 한 단계 개선된 공학적 정확도를 갖는 시뮬레이터 개발이 가능할 것으로 판단된다.
- CSDB상에 존재하는 Sensor Data는 실시간으로 전송되기 때문에 BCU 실장비의 입력을 확인하기 위해서는 별로의 PC를 CSDB에 연결하여 CSDB 정보를 Log 형태로 저장해야한다. 사격제원계산장치의 정보처리 과정 및 결과 또한 BCU Log 형태로 저장되며, 이를 사후에 별도의 분석프로그램을 통해 분석함으로써 사격제원계산 결과의 정확도 분석 및 오류 분석등을 수행하는 것이 가능하다.
- 연구된 시뮬레이션 환경은 현재 특정 수상함에 탑재된 사격통제시스템에만 적용이 가능하나, 이를 기반으로 다양한 무장 및 센서에 대한 모델링을 수행한다면 시뮬레이션 가능한 영역을 확장하여 범용적인 함포 사격통제시스템 시뮬레이션 환경 구축이 가능하다. 범용적인 함포 시격통제시스템 시뮬레이션이 개발되면 이동훈 외(2007)이나 황근철(2007)과 같은 교전급 시뮬레이터에서 한 단계 개선된 공학적 정확도를 갖는 시뮬레이터 개발이 가능할 것으로 판단된다.
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