본 논문에서는 고속의 단거리 탄도탄과 항공기 등의 표적을 탐지 추적할 수 있는 밀리미터파 탐색기의 종합성능 시험을 위해 개발한 HILS(Hardware-In-the-Loop Simulation)와 시험 장비를 설명한다. 이 시스템은 다양한 종류의 표적과 고속, 고기동 이동 표적의 궤적을 모사하기 위해 141개의 혼 안테나 배열, 배열 안테나 스위칭과 이득 및 위상 제어 알고리즘을 이용한다. 또한, 표적에 대한 속도, 거리뿐만 아니라, 클러터와 재밍 환경을 모사한다. 시스템 전체 구성과 표적 운동 모의기, 모의 신호 발생기, 고속 데이터 획득 장치, 통제 제어기 등과 같은 주요 구성품들의 구현과 측정 결과를 설명하였다. 이 통합 시스템은 동적 실시간 탐지/추적에 대한 밀리미터파 탐색기의 성능을 모의 비행 시나리오 기반으로 시험할 수 있다.
본 논문에서는 고속의 단거리 탄도탄과 항공기 등의 표적을 탐지 추적할 수 있는 밀리미터파 탐색기의 종합성능 시험을 위해 개발한 HILS(Hardware-In-the-Loop Simulation)와 시험 장비를 설명한다. 이 시스템은 다양한 종류의 표적과 고속, 고기동 이동 표적의 궤적을 모사하기 위해 141개의 혼 안테나 배열, 배열 안테나 스위칭과 이득 및 위상 제어 알고리즘을 이용한다. 또한, 표적에 대한 속도, 거리뿐만 아니라, 클러터와 재밍 환경을 모사한다. 시스템 전체 구성과 표적 운동 모의기, 모의 신호 발생기, 고속 데이터 획득 장치, 통제 제어기 등과 같은 주요 구성품들의 구현과 측정 결과를 설명하였다. 이 통합 시스템은 동적 실시간 탐지/추적에 대한 밀리미터파 탐색기의 성능을 모의 비행 시나리오 기반으로 시험할 수 있다.
This paper describes the developed HILS and test equipment in order to test the performances of MMW(Millimeter-Wave) seeker which can detect and track a high speed of short-range ballistic missile and aircraft. This system is used to 141 horn antenna array, array switching, and gain and phase contro...
This paper describes the developed HILS and test equipment in order to test the performances of MMW(Millimeter-Wave) seeker which can detect and track a high speed of short-range ballistic missile and aircraft. This system is used to 141 horn antenna array, array switching, and gain and phase control algorithm to simulate various kind of targets and trajectory of high speed and maneuver moving target. In addition, it simulates not only velocity and range for these targets but also clutter and jamming environments. System configuration and implementation and the measurement results of major subsystems such as target motion simulator, simulation signal generator, high speed data aquisition unit, and central control unit are presented. These systems could verify the detection and tracking performance of MMW seeker through dynamic real-time test based on simulation flight scenario.
This paper describes the developed HILS and test equipment in order to test the performances of MMW(Millimeter-Wave) seeker which can detect and track a high speed of short-range ballistic missile and aircraft. This system is used to 141 horn antenna array, array switching, and gain and phase control algorithm to simulate various kind of targets and trajectory of high speed and maneuver moving target. In addition, it simulates not only velocity and range for these targets but also clutter and jamming environments. System configuration and implementation and the measurement results of major subsystems such as target motion simulator, simulation signal generator, high speed data aquisition unit, and central control unit are presented. These systems could verify the detection and tracking performance of MMW seeker through dynamic real-time test based on simulation flight scenario.
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문제 정의
본 논문에서는 밀리미터파 탐색기 시험 평가를 위한 HILS와 시험 장비를 개발하였다. 고속/고기동 표적 각도 모사를 위해 141개 혼 안테나의 계획 배열과 표적 운동 모의기를 적용하였으며, 유도탄 비행궤적을 모사할 수 있는 3축 비행 자세 제어기를 제작하였다.
본 논문에서는 여러 회피 기술 및 기동성 향상 기술을 적용한 새로운 단거리 탄도탄을 전자식으로 표적 구현할 수 있는 하나의 통합된 HILS 시스템을 제안한다. 참고문헌 [4]에 나타나 있는 밀리미터파 탐색기용 HILS는 하나의 혼 안테나와 구동 레일에 의한 기계적 표적 운동 모사 방식으로 구현 방법이 비교적 간단한 대신에 기동 속도가 느리고 직선 운동을 하는 표적 모사만 가능하다.
제안 방법
그림 12는 통제 제어기와 표적 운동 모의기 사이의 갱신주기를 측정한 결과이다. 2개의 표적 각도만 반복적으로 변경시키면서 하나의 표적 각도가 최소로 유지되는 시간을 측정하였다. 오실로스코프로 측정된 표적 각도 스위칭속도는 571 μs 이하로 고속의 표적 각도 변경이 가능하다.
그림 2는 표적 각도를 모사하기 위한 혼 안테나 기본 배열 구조이다. 3개의 혼 안테나가 삼각형의 기본배열 구조를 이루어 각각의 혼 안테나로 입력되는 신호의 크기를 조절하여 표적 각도를 변화시킨다. 이때 위상은 보정을 통해 일정 오차 범위내로 유지시킨다.
데이터 획득 장치는 밀리미터파 탐색기의 신호처리기의 A/D 원시 데이터(raw data)를 외부 저장 장치에 저장하기 위한 장치이다. 대량의 데이터를 고속 실시간으로 전송하기 위해 sFPDP(serial Front Panel Data Port) 통신 방식과 광 케이블을 이용하여 전송한다. 탐색기 신호처리기의 4채널 A/D데이터를 하나의 광 채널로 전송하며, 전송 속도는 2.
통제 제어기는 모의 신호 발생기와 표적 운동 모의기에 각각 모의 표적 신호와 표적 위치를 구현하기 위한 제어 명령과 상태 정보를 통신한다. 또한, 밀리미터파 탐색기로부터 측정된 모의 표적에 대한 각도, 속도, 거리 정보를 수신하여 실제 모의한 표적 정보와 비교분석하고, 데이터 획득 장치로 저장된 밀리미터파 탐색기 신호처리기의 A/D 원시 데이터를 중앙컴퓨터에 저장한다. 유도탄의 모의 비행 시나리오에 따라 비행 자세 모의기의 동작을 제어 및 운용 상태를 감시한다.
모의 신호 발생기를 개발하여 탄도탄 및 항공기 표적에 대한 거리와 속도, 클러터 및 전자전 환경을 모사하고, 모사된 표적을 탐지/추적하는 밀리미터 탐색기의 성능을 분석하기 위해 신호처리기의 A/D 데이터를 고속/대용량 데이터 획득 장치로 저장한다. 마지막으로 통제 제어기는 HILS 및 시험 장비를 다양한 시험 시나리오에 따라 모든 제어 명령을 관할하며, 밀리미터파 탐색기와 통신하여 그 성능을 분석한다.
그림 5는 표적 운동 모의기의 구성도로서, RF부와 제어부로 구성된다. 모의 신호 발생기로부터 입력되는 표적의 모의 신호를 RF부에서 각 경로별 3개의 안테나에 대한 신호의 크기를 조절하여 모의 신호의 무게 중심점 설정 및 위상 보정 기능을 수행하고, RF 경로를 확장하여 혼 안테나를 선택한다. 또한, 재밍 신호 세기 가변 및 4개의 재머 안테나 중에 1개의 안테나를 선택하는 기능을 수행한다.
고속/고기동 표적 각도 모사를 위해 141개 혼 안테나의 계획 배열과 표적 운동 모의기를 적용하였으며, 유도탄 비행궤적을 모사할 수 있는 3축 비행 자세 제어기를 제작하였다. 모의 신호 발생기를 개발하여 탄도탄 및 항공기 표적에 대한 거리와 속도, 클러터 및 전자전 환경을 모사하고, 모사된 표적을 탐지/추적하는 밀리미터 탐색기의 성능을 분석하기 위해 신호처리기의 A/D 데이터를 고속/대용량 데이터 획득 장치로 저장한다. 마지막으로 통제 제어기는 HILS 및 시험 장비를 다양한 시험 시나리오에 따라 모든 제어 명령을 관할하며, 밀리미터파 탐색기와 통신하여 그 성능을 분석한다.
그림 11은 방위각과 고각에 대한 표적 각도 생성 범위와 최대 EIPR의 평탄도 특성을 나타낸다. 비행 자세 모의기에 혼 안테나를 설치하여 각각의 표적 각도에서 송신하는 전력을 측정하였다.
통제제어기는 중앙컴퓨터와 하부 구성품간의 인터페이스를 위한 랙으로 제작되었고, 표적 운동 모의기는 2개의 랙으로 구성되어 있으며, 3개의 혼 안테나 그룹으로 가상의 표적 각도를 합성하기 위한 신호를 제공한다.
통제제어기의 소프트웨어는 시험 시나리오에 따른 전체 HILS 시뮬레이션과 시험절차 및 방법을 관리하며, 수집된 데이터와 모의비행 궤적 정보를 비교 분석하여 밀리미터파 탐색기의 성능을 평가한다. 통제제어기의 주요 소프트웨어 기능은: ① 밀리미터 탐색기와 비행 자세 모의기 정렬, ② 탐색기 안테나 모노 펄스 기울기 측정, ③ 송신 파형 종류 선택, 모사할 표적, 재밍 및 클러터에 대한 파라미터 설정, ④ 다른 하부 구성품들과의 통신, 명령 전송 및 데이터 수신, ⑤ 모의 표적에 대한 비행 궤적 데이터 생성, ⑥ 모든 데이터, 파라미터 획득 및 저장, ⑦ 실시간 데이터 처리 및 모의 표적에 대한 비행 궤적과 탐색기 추적 결과 표시, 밀리미터파 탐색기의 HILS 시뮬레이션의 순서도는 그림 8과 같다.
대상 데이터
본 논문에서는 밀리미터파 탐색기 시험 평가를 위한 HILS와 시험 장비를 개발하였다. 고속/고기동 표적 각도 모사를 위해 141개 혼 안테나의 계획 배열과 표적 운동 모의기를 적용하였으며, 유도탄 비행궤적을 모사할 수 있는 3축 비행 자세 제어기를 제작하였다. 모의 신호 발생기를 개발하여 탄도탄 및 항공기 표적에 대한 거리와 속도, 클러터 및 전자전 환경을 모사하고, 모사된 표적을 탐지/추적하는 밀리미터 탐색기의 성능을 분석하기 위해 신호처리기의 A/D 데이터를 고속/대용량 데이터 획득 장치로 저장한다.
그림 16은 밀리미터파 탐색기의 신호처리기 A/D 데이터를 고속/대용량으로 저장할 수 있는 데이터 획득 장치 제작 형상이다. 데이터 획득 장치는 SBC(Single Board Computer)와 sFPDP I/O 모듈, 그리고 SSD 디스크(64 Gbyte)로 구성되어 제작되었다.
이론/모형
통제제어기와 다른 하부 구성품과의 인터페이스는 그림 7과 같다. 표적 운동 모의기 및 비행 자세 모의기와의 링크를 구현하기 위한 인터페이스는 실시간 네트워크인 RM(Reflective Memory)를 사용한다. 밀리미터파 탐색기, 모의 신호 발생기, 데이터 획득 장치와의 데이터 송수신를 위해 RS-422를 사용한다.
또한, 광대역 잡음 재밍 신호는 주파수 합성 모듈에서 직접 밀리미터파 대역으로 발생시켜 표적 운동 모의기로 전송된다. 표적에 대한 속도(도플러 주파수)와 거리(지연 시간)는 DDS 제어를 통해 구현하며, 표적, 클러터, 재밍 신호의 크기 조절은 디지털 가변 감쇄기(DCA: Digital Controlled Attenuator)를 이용한다.
성능/효과
HILS 시스템의 표적 각도 정확도는 Ka 대역 1 GHz 전 대역폭에서 ±0.08° 이하의 우수한 특성을 보였으며, 표적 각도 제어 속도와 해상도는 각각 571 μs와 0.025°로 측정되었다.
후속연구
개발 완료된 HILS 및 시험 장비는 밀리미터파 탐색기의 종합 성능 시험을 위한 최적의 시험 환경을 제공하리라 기대되며, 표적에 대한 비행 궤적을 다양하게 모사할 수 있도록 향후 혼 안테나 배열을 확장할 계획이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
하나의 가상 표적은 무엇으로부터 합성되는가?
그림 3은 두 개의 혼 안테나와 밀리미터파 탐색기 안테나 사이의 기하학 구조이다. 하나의 가상 표적은 두 개의 혼 안테나부터 방사되는 신호 세기로부터 합성되고, 복사 전계는 다음과 같은 식으로 표현할 수 있다.
밀리미터파 탐색기의 성능 확인을 위한 시험 장비의 구성은?
HILS 시스템은 그림 1과 같이 유도탄 자세를 모사할 수 있는 비행 자세 모의기, 무반향 챔버실, 전자식 표적을 모사하는 혼 안테나 배열과 표적 운동 모의기로 구성되고, 시험 장비는 모의 신호 발생기와 데이터 획득 장치로 구성되며, HILS 시스템과 시험 장비를 통합 제어하는 통제제어기로 구성된다.
표적 각도를 모사하기 위한 혼 안테나 기본 배열 구조는?
그림 2는 표적 각도를 모사하기 위한 혼 안테나 기본 배열 구조이다. 3개의 혼 안테나가 삼각형의 기본배열 구조를 이루어 각각의 혼 안테나로 입력되는 신호의 크기를 조절하여 표적 각도를 변화시킨다. 이때 위상은 보정을 통해 일정 오차 범위내로 유지시킨다.
참고문헌 (5)
D. A. James, Radar Homing Guidance for Tactical Missile, Macmillan, 1986.
Clifton S. Fox, Active Electro-Optical Systems, SPIE PRESS, pp. 117-118, 1993.
L. P. Cecchini, E. Pizzingrilli, S. Russo, and U. F. D'Elia, "MMW active phased array seeker project for Hit To Kill engagement", Radar Conference, RADAR '08. IEEE, pp. 1-6, 2008.
Wei Zhang, Hou-jun Sun, and Xin Lv, "Hardwarein- the-loop simulation and testing system for millimeter- wave seeker", International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology, vol. 2, pp. 630-633, 2008.
Emil J. Echblatt, Jr., Test and Evaluation of the Tactical Missile, SPIE PRESS, pp. 117-118, 1993.
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