잠수함 탐지 효과도 증대를 위한 대잠 헬기 임무 할당 방안 연구 Modeling and Simulation for Evaluating the Submarine Detection Capability of ASW Missions for an Anti Submarine Helicopter원문보기
본 연구에서는 함정에 탑재돼 운용되는 대잠헬기의 잠수함 탐지능력 증대시키기 위한 임무 할당 방안을 제안하였다. 이를 위해 대잠헬기가 대잠 탐색 임무 중에 수행하는 행동 및 행동들 간의 연간관계를 분석하여 모델링하였다. 또한 대잠 헬기가 수행하는 대잠 탐색 임무의 효과도를 정량적으로 측정하기 위한 지표들을 정의하였다. 설계된 모델링 결과를 이용해 효과도를 분석하기 위한 시나리오를 구성하였으며, 시나리오 및 대잠 탐색 임무 시 대잠 헬기와 상호작용하는 아군 수상함 및 적 잠수함과 관련된 주요 설정값을 적용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 결과를 활용해 임무의 효과도에 영향을 줄 수 있는 대잠 헬기 디핑 소나의 운용 간격, 반복적인 탐색 임무 수행 시의 패턴에 따른 효과도를 분석하여, 효과적인 대잠 탐색 임무 할당 방안을 제안하였다.
본 연구에서는 함정에 탑재돼 운용되는 대잠헬기의 잠수함 탐지능력 증대시키기 위한 임무 할당 방안을 제안하였다. 이를 위해 대잠헬기가 대잠 탐색 임무 중에 수행하는 행동 및 행동들 간의 연간관계를 분석하여 모델링하였다. 또한 대잠 헬기가 수행하는 대잠 탐색 임무의 효과도를 정량적으로 측정하기 위한 지표들을 정의하였다. 설계된 모델링 결과를 이용해 효과도를 분석하기 위한 시나리오를 구성하였으며, 시나리오 및 대잠 탐색 임무 시 대잠 헬기와 상호작용하는 아군 수상함 및 적 잠수함과 관련된 주요 설정값을 적용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 결과를 활용해 임무의 효과도에 영향을 줄 수 있는 대잠 헬기 디핑 소나의 운용 간격, 반복적인 탐색 임무 수행 시의 패턴에 따른 효과도를 분석하여, 효과적인 대잠 탐색 임무 할당 방안을 제안하였다.
In this paper, a method to allocate a submarine search mission to an ASW(Anti-Submarine Warfare) helicopter is proposed. The aim of the proposed method is to increase the submarine detection capability. For this purpose, we modeled the behaviors that the ASW helicopter conduct during the search miss...
In this paper, a method to allocate a submarine search mission to an ASW(Anti-Submarine Warfare) helicopter is proposed. The aim of the proposed method is to increase the submarine detection capability. For this purpose, we modeled the behaviors that the ASW helicopter conduct during the search mission, and the relations between the behaviors are also modeled. To measure quantitatively the effectiveness of ASW search mission, the measure of effectiveness(MOP) is defined. Scenarios are designed to analyze the effectiveness utilizing the ASW mission model. We conducted simulations applying the designed scenarios and some parameters concerned with the friendly ship and the enemy submarine interacting each other in the ASW missions. We analyzed the result of simulation depending on the dipping interval and the pattern of dipping positions in the situation that the helicopter operates for a long time and should resupply several times on the friendly ship. From the analyzed data, we suggested the practical value of ratio between the detectable range of the sonar and the dipping interval to improve the effectiveness of ASW mission.
In this paper, a method to allocate a submarine search mission to an ASW(Anti-Submarine Warfare) helicopter is proposed. The aim of the proposed method is to increase the submarine detection capability. For this purpose, we modeled the behaviors that the ASW helicopter conduct during the search mission, and the relations between the behaviors are also modeled. To measure quantitatively the effectiveness of ASW search mission, the measure of effectiveness(MOP) is defined. Scenarios are designed to analyze the effectiveness utilizing the ASW mission model. We conducted simulations applying the designed scenarios and some parameters concerned with the friendly ship and the enemy submarine interacting each other in the ASW missions. We analyzed the result of simulation depending on the dipping interval and the pattern of dipping positions in the situation that the helicopter operates for a long time and should resupply several times on the friendly ship. From the analyzed data, we suggested the practical value of ratio between the detectable range of the sonar and the dipping interval to improve the effectiveness of ASW mission.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 대잠헬기가 수행하는 대잠 탐색 임무를 대상으로, 대잠 헬기의 임무 흐름을 분석하고 이를 수학적으로 모델링 하였다. 이러한 모델링 결과를 이용해 원거리에서 접근하는 잠수함에 대한 대잠헬기 탐색임무의 효과도를 분석하였으며, 분석 결과를 바탕으로 효율적인 임무할당 방안을 제안하였다.
본 연구에서는 대잠헬기의 잠수함 탐색 임무를 분석하여 탐지 효과도를 증대시키기 위한 임무 할당 방안을 제안하였다. 이를 위해 대잠헬기의 임무 흐름을 분석하여 모델링하였으며, 대잠 헬기가 수행하는 대잠 탐색 임무의 효과도를 측정하기 위한 지표들을 정의하였다.
본 연구에서는 이와 같은 두 가지 측정 지표를 기준으로 대잠 탐색 임무의 효과도를 분석하기 위해 다음과 같 이 사나리오를 설계하고 시뮬레이션을 수행하였다.
가설 설정
운용전 함정에 대기 중인 헬기는 대잠 탐색 ‘임무할당’을 받고 탐색 목표 지점으로 ‘기동’한다. 대잠헬기의 첫 임무할당 지점은 헬기의 최대 작전반경 내에 위치하는 것으로 가정한다. 목표 지점으로 이동한 헬기는 할당된 탐색임무를 수행한다.
본 연구에서는 대잠 탐색 임무 외에 시뮬레이션 결과에 영향을 줄 수 있는 기타 환경 요인을 제거하기 위해 ‘디핑소나 탐지 반경’ 변수를 정의하였다. 디핑 소나의 경위도 좌표는 헬기의 좌표와 동일하며, 디핑 소나 탐지 반경 내에 존재하는 잠수함은 100% 탐지되는 것으로 설정하였다. 이외에도 디핑 소나를 운용하기 위해 소요되는 전개 및 회수 시간을 정의하였으며, 디핑 소나는 전개 완료된 이후에 단위 시뮬레이션 시간 동안 탐지 기능을 수행하는 것으로 설정하였다.
모델의 단순화를 위해 대잠헬기 및 대잠헬기 모함은 1차원 기동을 수행함을 가정한다.
본 연구에서 대잠헬기 임무 패턴의 수학적 모델링을 위해 구성한 대잠헬기의 대잠탐색임무 흐름은 그림 1과 같다. 실제 대잠 헬기가 수행 할 수 있는 잠수함 공격 기능은 본 연구의 범위에서 제외하며, 적 잠수함을 탐지한 대잠 헬기는 모함으로 귀환 하는 것으로 가정한다. 운용전 함정에 대기 중인 헬기는 대잠 탐색 ‘임무할당’을 받고 탐색 목표 지점으로 ‘기동’한다.
의 속력으로 아군 함정을 향해 적 잠수함이 기동하는 상황을 그림 3와 같이 모델링하였다. 적 잠수함 역시 아군 함정을 향해 직선 기동하는 것으로 가정하였다.
제안 방법
시뮬레이션 상의 잠수함과 대잠 헬기가 이륙하는 아군 수상함 간의 초기위치에 따라 대잠 헬기가 잠수함을 탐지하는데 소요시간이 변경될 수 있으며, 잠수함 탐지확률에도 영향을 주게 된다. 따라서 본 시뮬레이션에서는 적 잠수함의 초기위치에 따른 영향을 최소화하기 위해, 각 시뮬레이션케이스 별로 적 잠수함의 초기위치를 다양화하여, 100회의 배치(Batch) 시뮬레이션을 수행하였다. 4장에서 제시한 잠수함 탐지 확률 및 잠수함 탐지 시 ‘수상함-잠수함’ 간 거리를 이와 같은 반복 시험 결과들의 평균값이다.
이를 위해 대잠헬기의 임무 흐름을 분석하여 모델링하였으며, 대잠 헬기가 수행하는 대잠 탐색 임무의 효과도를 측정하기 위한 지표들을 정의하였다. 또한 정의된 지표를 활용해 효과도를 분석하기 위한 시나리오를 구성하여 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 결과를 분석하여 대잠 헬기 디핑 소나의 운용 간격과 탐지 효과도 간의 상관관계를 도출하였으며, 반복적인 탐색 임무 수행 시 탐색 방안에 따른 탐색 임무 효과도의 변화를 분석하여 방안 간의 장단점을 도출하였다.
본 연구에서는 대잠 탐색 임무 외에 시뮬레이션 결과에 영향을 줄 수 있는 기타 환경 요인을 제거하기 위해 ‘디핑소나 탐지 반경’ 변수를 정의하였다.
본 연구에서는 대잠 탐색 임무의 효과도를 측정하기 위한 지표로 ‘대잠 헬기의 잠수함 탐지확률’ 및 ‘탐지 시 함정과 잠수함 간의 거리’를 적용하였다.
본 연구에서는 시뮬레이션 수행을 위해 무기 체계의 성능과 관련된 변수들을 정의하고 값을 지정하였다. 하지만 이 값들은 실제 무기체계의 성능 사양과 차이가 있으며, 이에 따라 시뮬레이션 결과의 절대적인 수치도 실제 무기체계의 운용에 적용하기에는 한계가 있다.
또한 정의된 지표를 활용해 효과도를 분석하기 위한 시나리오를 구성하여 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 결과를 분석하여 대잠 헬기 디핑 소나의 운용 간격과 탐지 효과도 간의 상관관계를 도출하였으며, 반복적인 탐색 임무 수행 시 탐색 방안에 따른 탐색 임무 효과도의 변화를 분석하여 방안 간의 장단점을 도출하였다. 분석 결과에 따르면 대잠 헬기의 디핑 간격 및 반복 임무 수행 시의 디핑 패턴은 잠수함 탐지 확률 및 탐지 거리와 같은 임무 효과도를 결정하는 중요한 요인이며, 전장 환경 및 탐색 임무의 최우선 목표에 따라 효과도에 영향을 미치는 패턴 및 변수들에 대한 조정이 이루어져야 함을 알 수 있다.
따라서 본 연구에서는 대잠헬기가 수행하는 대잠 탐색 임무를 대상으로, 대잠 헬기의 임무 흐름을 분석하고 이를 수학적으로 모델링 하였다. 이러한 모델링 결과를 이용해 원거리에서 접근하는 잠수함에 대한 대잠헬기 탐색임무의 효과도를 분석하였으며, 분석 결과를 바탕으로 효율적인 임무할당 방안을 제안하였다.
본 연구에서는 대잠헬기의 잠수함 탐색 임무를 분석하여 탐지 효과도를 증대시키기 위한 임무 할당 방안을 제안하였다. 이를 위해 대잠헬기의 임무 흐름을 분석하여 모델링하였으며, 대잠 헬기가 수행하는 대잠 탐색 임무의 효과도를 측정하기 위한 지표들을 정의하였다. 또한 정의된 지표를 활용해 효과도를 분석하기 위한 시나리오를 구성하여 시뮬레이션을 수행하였다.
이와 같은 대잠 탐색 임무의 모델링 결과를 활용한 효과도 분석 시뮬레이션 수행을 위해, 탐지 반경이 rd인 디핑 소나를 탑재한 대잠 헬기가 대잠 작전을 시작하는 시점에, vsub의 속력으로 아군 함정을 향해 적 잠수함이 기동하는 상황을 그림 3와 같이 모델링하였다. 적 잠수함 역시 아군 함정을 향해 직선 기동하는 것으로 가정하였다.
이론/모형
본 연구에서 설계한 대잠헬기의 대잠 탐색 임무 모델을 적용하여 시뮬레이션을 수행하기 위해서는 실제 전장과 유사한 시뮬레이션 환경을 제공해주는 해양 환경 모델 및 모델 간 상호작용을 처리할 수 있는 기반 시뮬레이션 체계가 지원되어야 한다. 이를 위해 본 연구에서는 함정전투체계 체계검증용 시뮬레이터를 이용하였다[7-10]. 함정전투체계 효과도 분석 및 체계개발 중 검증/입증 활동을 지원하기 위해 개발된 이 시뮬레이터는 시뮬레이션 수행을 위한 기반 체계로 환경 모델을 지원할 뿐 만 아니라, 시나리오 설계 및 결과 분석 기능을 제공한다.
성능/효과
두 번째 방법(방법2)은, 재보급 이전에 계획되었지만 탐색을 수행하지 못한 지점을 재보급 이후의 첫 탐색 지점으로 하여 탐색 임무를 지속하는 방법이다. 두 번째 탐색 방법은 기존에 탐색된 지점에 대한 중복 탐색 없이 임무를 진행하므로 첫 번째 탐색 방법에 비해 원거리를 조기에 탐지할 수 있으나, 재보급 기간 중 적 잠수함이 기존에 탐색된 지점을 지나칠 경우 잠수함 탐지가 불가능하다는 단점이 있다.
분석 결과에 따르면 대잠 헬기의 디핑 간격 및 반복 임무 수행 시의 디핑 패턴은 잠수함 탐지 확률 및 탐지 거리와 같은 임무 효과도를 결정하는 중요한 요인이며, 전장 환경 및 탐색 임무의 최우선 목표에 따라 효과도에 영향을 미치는 패턴 및 변수들에 대한 조정이 이루어져야 함을 알 수 있다.
시뮬레이션 결과에 따르면 대잠 헬기가 잠수함을 탐지 했을 때의 ‘수상함-잠수함’간 거리는 디핑간격이 넓어질수록 일정하게 증가하지만, 잠수함 탐지확률은 점차 감소함을 알 수 있다.
5배 이내로 유지할 경우 약 90% 이상의 확률로 원거리의 적 잠수함을 탐지해날 수 있다. 종합적으로 분석해 볼 때, 높은 탐지확률을 유지해야 하는 작전 환경에서는 방법1이 유리하나, 적 잠수함의 접근 전 원거리에서 적을 탐지하기 위해서는 방법2가 유리함을 알 수 있다. 즉 평시 작전 시 빠른 시간내에 광범위한 지역을 탐지하기 위해서는 방법2를 적용하여 임무를 수행하고, 전시에 근거리에 잠수함이 침투한 징후가 포착되었을 시에는 방법1을 동원하여 작전의 효율성을 높일 수 있을 것으로 판단된다.
종합적으로 분석해 볼 때, 높은 탐지확률을 유지해야 하는 작전 환경에서는 방법1이 유리하나, 적 잠수함의 접근 전 원거리에서 적을 탐지하기 위해서는 방법2가 유리함을 알 수 있다. 즉 평시 작전 시 빠른 시간내에 광범위한 지역을 탐지하기 위해서는 방법2를 적용하여 임무를 수행하고, 전시에 근거리에 잠수함이 침투한 징후가 포착되었을 시에는 방법1을 동원하여 작전의 효율성을 높일 수 있을 것으로 판단된다.
후속연구
등은 대잠 항공기 운용자들을 훈련시키기 위한 시스템 아키텍처를 제안하였다. 두 연구결과 모두 대잠헬기 임무의 시뮬레이션을 위한 시스템 구축에 기여한 바가 크지만 본 연구에서 논의하고자 하는 임무 효과도 분석 측면의 연구를 위한 방법으로 활용하기에는 한계가 있다.
본 연구에서 설계한 대잠헬기의 대잠 탐색 임무 모델을 적용하여 시뮬레이션을 수행하기 위해서는 실제 전장과 유사한 시뮬레이션 환경을 제공해주는 해양 환경 모델 및 모델 간 상호작용을 처리할 수 있는 기반 시뮬레이션 체계가 지원되어야 한다. 이를 위해 본 연구에서는 함정전투체계 체계검증용 시뮬레이터를 이용하였다[7-10].
하지만 이 값들은 실제 무기체계의 성능 사양과 차이가 있으며, 이에 따라 시뮬레이션 결과의 절대적인 수치도 실제 무기체계의 운용에 적용하기에는 한계가 있다. 하지만 본 연구를 통해 얻는 시뮬레이션 결과상에 나타나는 효과도 변화 추이는 여전히 유효하며, 본 연구에서 설계한 대잠탐색 모델에 실제 무기체계의 사양을 적용해 시뮬레이션을 수행한다면, 현재 운용 중인 무기체계의 임무 효과도 분석에 적용할 수 있을 것으로 예상된다. 향후 대잠 관련 세력 모델 및 임무의 흐름을 구체화하고 다양한 전장상황의 변화 양상을 고려한 대잠 탐색 임무 효과도 분석 연구를 진행하고자 한다.
함정에 탑재되는 지휘무장통제체계는 함탑재 센서로부터 수신한 표적 정보를 처리하고, 함탑재 무장을 사용해 효율적인 교전이 가능하도록, 지휘관의 지휘무장통제 임무를 지원하는 시스템으로, 주어진 작전 환경 하에서 효과적인 대잠 작전 수행이 가능하도록, 대잠 헬기의 임무를 계획하고 통제 가능하게 하는 기능이 포함되어 있다. 함정에 탑재되는 대잠 헬기 역시 타 무기체계와 마찬가지로 제한된 작전 반경 내에서 제한된 시간 동안 임무를 수행할 수 있음을 고려해 볼 때, 대잠 헬기의 효율적인 운용을 위해서는 지휘통제를 지원하는 지휘무장통제체계에서 예정된 대잠 임무에 대한 정량적 효과도 분석이 지원되어야 한다. 하지만 최근까지 개발된 지휘무장통제체계는 대잠 작전 환경을 분석하고 지휘관의 지휘통제명령을 가시화해 전시하며, 통신 체계를 통해 대잠 헬기로 전송하는 기능을 할 뿐, 계획된 임무에 대한 분석 기능이 제한적인 것이 현실이다.
하지만 본 연구를 통해 얻는 시뮬레이션 결과상에 나타나는 효과도 변화 추이는 여전히 유효하며, 본 연구에서 설계한 대잠탐색 모델에 실제 무기체계의 사양을 적용해 시뮬레이션을 수행한다면, 현재 운용 중인 무기체계의 임무 효과도 분석에 적용할 수 있을 것으로 예상된다. 향후 대잠 관련 세력 모델 및 임무의 흐름을 구체화하고 다양한 전장상황의 변화 양상을 고려한 대잠 탐색 임무 효과도 분석 연구를 진행하고자 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
TASS, HMS, TACM 등 함정에 탑재되는 주요 수중 센서체계들은 어떤 역할을 하는가?
수상함은 적의 수중 세력으로부터 자함을 보호하기 위해 각종 수중 음향센서를 탑재한다. 선체고정형음탐기체계(Hull Mounted Sonar, HMS), 예인선배열소나(Towed Array Sonar System, TASS) 및 어뢰음향대항체계(Torpedo Acoustic Counter Measure, TACM)는 함정에 탑재되는 주요 수중 센서체계로 자함 근방의 적 잠수함 및 어뢰를 탐지하는 역할을 수행하지만, 소음, 해양환경 및 수중 음향전달특성 등의 영향으로 실질적인 탐지 거리는 자함 주변의 영역으로 제한된다[1]. 이러한 탐지능력의 한계를 보완하기 위해 일정 톤 수 이상의 수상함은 대잠헬기를 탑재하여 운용한다.
한 번 탐색 작전을 마치고 함정으로 귀환한 헬기가 재탐색 임무를 시작할 때 탐색 위치를 결정하는 두 가지 방법은 무엇인가?
한 번의 탐색 작전을 마치고 함정으로 귀환한 헬기가 재탐색 임무를 시작할 때 탐색 위치는 다음의 두 가지 방법에 따라 결정될 수 있다. 첫 번째 방법(방법1)은 헬기가 재보급 후 다시 기동을 시작하는 시점의 위치를 그림 3에서의 초기 위치로 재설정하여 탐색 위치를 계산하는 방법이다. 이 계산 방법에 따르면 재보급 이후의 탐색 지점은 재보급 이전의 탐색 위치와 관계없이 계산되며, 함정으로 일정한 간격으로 탐색 지점이 재계산 된다. 두 번째 방법(방법2)은, 재보급 이전에 계획되었지만 탐색을 수행하지 못한 지점을 재보급 이후의 첫 탐색 지점으로 하여 탐색 임무를 지속하는 방법이다. 두 번째 탐색 방법은 기존에 탐색된 지점에 대한 중복 탐색 없이 임무를 진행하므로 첫 번째 탐색 방법에 비해 원거리를 조기에 탐지할 수 있으나, 재보급 기간 중 적 잠수함이 기존에 탐색된 지점을 지나칠 경우 잠수함 탐지가 불가능하다는 단점이 있다.
수상함이 각종 수중 음향센서를 탑재하는 이유는?
수상함은 적의 수중 세력으로부터 자함을 보호하기 위해 각종 수중 음향센서를 탑재한다. 선체고정형음탐기체계(Hull Mounted Sonar, HMS), 예인선배열소나(Towed Array Sonar System, TASS) 및 어뢰음향대항체계(Torpedo Acoustic Counter Measure, TACM)는 함정에 탑재되는 주요 수중 센서체계로 자함 근방의 적 잠수함 및 어뢰를 탐지하는 역할을 수행하지만, 소음, 해양환경 및 수중 음향전달특성 등의 영향으로 실질적인 탐지 거리는 자함 주변의 영역으로 제한된다[1].
참고문헌 (10)
R. J. Urick, principles of underwater sound, 3rd edition, Mc-Graw-Hill, 1983.
이동희, 고용석, 류기열, "TASS 운용효과도 분석용 시뮬레이션 모델 연구", 국방과학연구소, NWSD-513- 981354, 1998.
김정훈, "고정형 선배열 음탐기 체계를 위한 효과도 분석 기법 연구", 한국군사기술학회지, 제7권 제2호, pp. 32-40, 2004.
김탁곤, 나영인, "대어뢰전 복합 운용 전술 효과도 분석", 국방과학연구소, ADDR-417-090376, 2008.
Hu Zheng-tao and Liu Jian, "The Research of ASW Helicopter ACGF Construction Based on CXBR", IEEE International Conference on Computational Intelligence and Security Workshops, pp. 132-135, 2007.
H. Howells, A. Davies, B. Macauley, R. Zancanato, "Knowledge based decision support TDPs for Maritime Air Mission Systems", RTO SCI Symposium on the Application of Information Technologies to Mission Systems, 1998.
정영란, 한웅기, 김철호, 김재익, "울산-I급 전투체계 체계검증용 시뮬레이터 모의논리 설계(지휘 및 통제 모델)", 국방과학연구소, ADDR-525-100491, 2010.
정영란, 한웅기, 김철호, 김재익, "울산-I급 전투체계 체계검증용 시뮬레이터 모델 설계(지휘 및 통제 모델)", 국방과학연구소, ADDR-525-100477, 2010.
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