본 논문에서는 전투기에 탑재되어 지상표적을 추적하고 레이저를 조사하여 레이저유도 폭탄을 유도하는 등의 기능을 수행하는 타겟팅파드의 성능분석 및 검증을 위한 HILS(Hardware In-the-Loop Simulation) 시스템 구축에 대하여설명한다. 타겟팅파드의실시간 성능분석을위해서는 주간카메라와IR카메라의 모의영상생성기술, 서보제어기술 및 레이저 전달 특성 분석기술이 필요하다. 실시간 모의 영상생성과 레이저 전달 특성 분석에는 검증된 상용 소프트웨어 개발 키트(SDK)인 OKTAL-SE를 활용하였고, 서보구동은 실제 유사과제에서 적용된 서보구동의 메커니즘을 적용하여 정확도를 높였다. 또한, 실제 전투기 인터페이스와 동일한 조건의 성능분석을 위하여 1553B, ARINK818 등의 인터페이스를 실제 구현하여 적용하였다. 본 논문에서 구축한 HILS 시스템을 적용하면 현재 운용되는 전투기 장착 탑재전자체의 성능분석과 검증은 물론 실제 장비 개발 중 각 모듈의 성능이 시스템 전체 성능에 미치는 영향도 분석가능하다. 향후 다양한 비행체의 비행역학을 적용하여 광범위한 분야에 활용가능 함으로 개발요구사항 도출 및 개발 위험을 줄이는 데 큰 기여를 할 수 있을 것으로 예상된다.
본 논문에서는 전투기에 탑재되어 지상표적을 추적하고 레이저를 조사하여 레이저유도 폭탄을 유도하는 등의 기능을 수행하는 타겟팅파드의 성능분석 및 검증을 위한 HILS(Hardware In-the-Loop Simulation) 시스템 구축에 대하여설명한다. 타겟팅파드의실시간 성능분석을위해서는 주간카메라와IR카메라의 모의영상생성기술, 서보제어기술 및 레이저 전달 특성 분석기술이 필요하다. 실시간 모의 영상생성과 레이저 전달 특성 분석에는 검증된 상용 소프트웨어 개발 키트(SDK)인 OKTAL-SE를 활용하였고, 서보구동은 실제 유사과제에서 적용된 서보구동의 메커니즘을 적용하여 정확도를 높였다. 또한, 실제 전투기 인터페이스와 동일한 조건의 성능분석을 위하여 1553B, ARINK818 등의 인터페이스를 실제 구현하여 적용하였다. 본 논문에서 구축한 HILS 시스템을 적용하면 현재 운용되는 전투기 장착 탑재전자체의 성능분석과 검증은 물론 실제 장비 개발 중 각 모듈의 성능이 시스템 전체 성능에 미치는 영향도 분석가능하다. 향후 다양한 비행체의 비행역학을 적용하여 광범위한 분야에 활용가능 함으로 개발요구사항 도출 및 개발 위험을 줄이는 데 큰 기여를 할 수 있을 것으로 예상된다.
In this paper, the HILS (Hardware In-the-Loop Simulation) system to analyze and to verify the performance of the targeting pod is addressed. The main functions of the targeting pod is acquiring and tracking targets to guide a LGB (Laser Guided Bomb) to the targets. For the analysis of targeting pod,...
In this paper, the HILS (Hardware In-the-Loop Simulation) system to analyze and to verify the performance of the targeting pod is addressed. The main functions of the targeting pod is acquiring and tracking targets to guide a LGB (Laser Guided Bomb) to the targets. For the analysis of targeting pod, the real time simulate images generation of IR and daylight cameras, sever control technology, and the analysis of laser transfer characteristics are necessary. For the real time image generation and the laser transfer characteristics analysis, off-the-shelf SDK(Software Development Kit) OKTAL-SE is used. For the servo controller, well-proven mechanism in the previous program is applied to increase servo control accuracy. To analyze the performance of a targeting pod in a realistic environment, 1553B, ARINK818 interface and etc. which are actually implemented in real combat aircrafts are applied in the system. By using the developed HILS system, the performance of currently operating targeting pods in real combat aircrafts can be analyzed and predicted. Additionally, the relationship between overall system performance and each module performance can be analyzed, the currently developed HILS system is expected to be a very useful tool to generate system development requirements of targeting pods and to reduce any possible future development risks.
In this paper, the HILS (Hardware In-the-Loop Simulation) system to analyze and to verify the performance of the targeting pod is addressed. The main functions of the targeting pod is acquiring and tracking targets to guide a LGB (Laser Guided Bomb) to the targets. For the analysis of targeting pod, the real time simulate images generation of IR and daylight cameras, sever control technology, and the analysis of laser transfer characteristics are necessary. For the real time image generation and the laser transfer characteristics analysis, off-the-shelf SDK(Software Development Kit) OKTAL-SE is used. For the servo controller, well-proven mechanism in the previous program is applied to increase servo control accuracy. To analyze the performance of a targeting pod in a realistic environment, 1553B, ARINK818 interface and etc. which are actually implemented in real combat aircrafts are applied in the system. By using the developed HILS system, the performance of currently operating targeting pods in real combat aircrafts can be analyzed and predicted. Additionally, the relationship between overall system performance and each module performance can be analyzed, the currently developed HILS system is expected to be a very useful tool to generate system development requirements of targeting pods and to reduce any possible future development risks.
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문제 정의
본 논문에서는 EOTS HILS 시스템 구축에 관한 내용을 상세 기술하였고 그 중에서도 핵심기능인 모의영상생성기, 카메라구동부 및 레이저모듈을 중점적으로 설명하였다. 모의영상생성기는 검증된 소프트웨어를 이용하여 수 많은 파라미터를 설정함으로서 실영상과 비슷한 EO/IR 영상이 생성가능하였고 그로 인해 실험실에서 항공기 장착시험이 가능하였다.
본 논문에서는 개발된 EOTS HILS의 핵심 기능인 모의영상 생성기, 카메라 구동 모델링, 레이저모듈 모델링에 대해 자세히 설명한다.
본 논문에서는 설계된 제어기를 바탕으로 구동성능을 분석하였다. Yaw/Roll 구동 속도 5.
본 논문에서는 항공기용 EOTS(Electro Optical Targeting System)의 성능분석 및 검증을 위한 HILS시스템 구축에 관한 내용을 기술한다. 항공기용 EOTS는 주/야간 임무환경에서 표적에 대한 영상 제공 및 이를 추적하기 위하여 주간 및 적외선 카메라와 표적 또는 특정좌표를 정확히 지향할 수 있는 구동기가 함께 장착되어 있다.
본 장에서는 전투기의 실제 운용 환경과 비슷한 가상의 운용환경에서 다양한 레이저 유도폭탄을 운용할 때, 레이저 지시기의 규격에 따른 레이저 탐지 영역을 예측하는 HILS 장비를 개발하고, 이를 이용한 시스템 성능 분석에 대해 기술하였다.
사전 DB전처리 과정에서 표면의 재질과 색을 구체적으로 분류함으로 정확한 적외선 영상생성이 가능하다. 뿐만 아니라 대기온도, 날씨 등의 여러 가지 파라미터를 변경 가능하여 표적별 탐지/인지 및 추적성능에 미치는 영향을 분석할 수 있다. 또한, 외란에 의한 시선 흔들림(Jitter)과 대기투과도에 따른 영향까지 확인 할 수 있도록구현하였다.
이러한 시뮬레이터에 실제 적용 가능한 EOTS 탑재전자모의기를 설계 및 제작하고, 연동함으로써 EOTS에서 요구되는 하드웨어적 성능 및 운용 소프트웨어의 기능을 사전에 검증할 수 있으며 체계 개발 시, 시험평가 단계에서는 EOTS 시험결과를 분석하고 효과적으로 결함을 파악할 수 있는 장비로 활용이 가능할 것이다[1][2][3]. 항공기용 EOTS 개발을 위한 선행연구로서 요구사항 분석, 시스템 설계 및 지상/비행시험단계의 EOTS 성능 분석 및 검증 시 활용 가능한 HILS를 개발하여 향후, 체계 개발에 대한 리스크를 완화하고자 한다[1][2][3].
제안 방법
본 논문에서는 OKTAL-SE와 기 정의된 국내 특정 도시 및 산악 지형을 모델링한 3차원 DB를 활용하여 가상의 공간을 생성하였다. 3차원 DB는 기본적으로 지형과 건물 및 수목 등으로 이루어져 있으며, 가상의 표적을 정의하고, 전투기의 움직임을 모사하고, 실시간으로 LADAR 방정식을 풀어서, 레이저 분포도를 계산하였다. OKTAL-SE를 활용하여 레이저 분포도를 계산하는 절차는 그림 13과 같다.
그림 1에서 전기용 EOTS는 항공기에 탑재되는 EO/IR센서, 서보 및 레이저 모듈을 포함하는 탑재센서로 본 개발에서 실제 개발되고 항공기의 특성과 외란을 모사 가능한 6자유도 비행역학을 적용하여 모의영상뿐만 아니라 실제 영상과 서보 및 레이저로 시험이 가능한 구조이다. 6자유도 비행역학적용 시 그림 2와 같이 기본적인 6자유도 비행역학 모델에 기본 비행 패턴의 성능차트를 기준으로 공력데이터를 튜닝 하여 실제와 유사한 비행특성을 갖도록 구현했다[1].
EO/IR 모의영상생성기는 주간 및 적외선 모의영상을 생성하는 장비로 oktal-se라는 소프트웨어와 한반도 일부지역에 대한 위성영상을 활용하여 구현하였다.
EO/IR모의 영상생성기는 가상의 주간 및 적외선 영상을 생성해주는 장비로 위성영상 데이터베이스를 활용하여 실제와 유사한 환경에서의 표적에 대한 탐지/인지/추적이 가능한 환경을 제공해 주고 실제 EOTS 장비를 제어하고 영상을 획득 할 수 있는 기능을 구현하여 향후, 지상 검증시험에서 활용 할 수 있도록 개발하였다.
EOTS 비행운용모의기의 주요기능은 항공기의 특성을 이용하여 실험실에서 항공기에 탑재하여 시험하는 효과를 제공해 주는 장비로 본 논문에서는 고등훈련기 T-50 시뮬레이터의 비행 모델을 적용하여 실제와 유사한 비행특성으로 조종사 영상(OTW)을 생성하고 탑재전자모의부에 비행기 자세와 고도 등의 비행정보도 제공 할 수 있도록 개발하였다. 부가 기능으로는 운용자 인터페이스인 조종간과 MFD가 장착되어 제어명령을 탑재전자모의기에 전달하는 기능을 담당한다.
EOTS 탑재전자모의기는 실제 항공기에 장착되어 탑재센서제어, 레이저 신호처리 및 추적 등의 모든 신호처리를 담당하는 탑재전자부를 모의한 장비이다. 또 다른 주요기능으로 탑재센서제어 기능을 통하여 모의 영상의 FOV, 카메라 파장대역, 카메라구동부 제어를 수행한다. 추적기능으로 Point Track, Area Track, Inertial Track 및 Cued Track이 적용 되었다.
이에 안정화 구동을 위한 관성센서, Roll, Pitch, Yaw 구동을 하는 구동모듈과 연동하는 연동기능을 갖추고 있다. 또한 구동기의성능 모의를 통한 설계 반영을 위한 구동기 성능 제한 기능을 추가하였다. 그림 5는 서보 및 김발의 제어블록도로, 입력된 운용모드 및 시선 이동 명령에 따라 모의된 Roll, Pitch, Yaw 각도정보를 제공하며 최대 구동각속도 및 각 가속도에 따른 구동 성능을 분석할 수 있다.
또한, Inertial Track[5]은 미리 제공된 표적의 위치정보와 항공기의 현재위치/자세/속도 정보를 활용하여 지정된 좌표에 시선을 지향하는 추적 방식이고 Cued Track은 탑재 레이더와 같은 다른 센서로부터 제공되는 지향정보에 따라 시선을 이동하며 추적하는 방식이다. 또한 본 논문에서는 체계개발 시 적용 가능하도록 개방형구조의 H/W 및 S/W로 제작 하였으며, EOTS사용자 운용명령, 센서 제어 기능과 추적기능 및 실시간 영상정보 저장기능을 제공한다. 이를 통해 체계 개발 시 필요한 탑재전자모의기 하드웨어의 성능과 운용 소프트웨어 기능에 대한 사전 검증이 가능하며, 비행 시험 시 저장된 영상/비행정보 데이터를 지상에서 분석하는 디브리핑 시 활용 할 수 있다.
뿐만 아니라 대기온도, 날씨 등의 여러 가지 파라미터를 변경 가능하여 표적별 탐지/인지 및 추적성능에 미치는 영향을 분석할 수 있다. 또한, 외란에 의한 시선 흔들림(Jitter)과 대기투과도에 따른 영향까지 확인 할 수 있도록구현하였다.
전술한 바와 같이 전투기 타겟팅 파드 (Targeting Pod)는 레이저 유도 폭탄(LGB)의 정밀 유도를 위한 레이저표적조사기(Laser Target Designator)를 구비하고 있다. 레이지표적조사기는 각 나라 및 연합국 규약에 의거한 특정 펄스형태와 특정 주기의 레이저 펄스를 조사하고, 레이저 유도 폭탄은 그에 따라 정밀 유도 되도록 설계되었다. 그림 11은 레이저표적조사기와 레이저 유도폭탄의 운용개념을 도시하고 있다.
본 논문에서는 OKTAL-SE와 기 정의된 국내 특정 도시 및 산악 지형을 모델링한 3차원 DB를 활용하여 가상의 공간을 생성하였다. 3차원 DB는 기본적으로 지형과 건물 및 수목 등으로 이루어져 있으며, 가상의 표적을 정의하고, 전투기의 움직임을 모사하고, 실시간으로 LADAR 방정식을 풀어서, 레이저 분포도를 계산하였다.
적외선 모의영상 생성에는 2가지 모드가 있는데 비 실시간으로 한 프레임씩 정밀하게 영상을 만드는 RAY-IR모드와 실시간으로 영상을 생성하는 FAST-IR모드가 있다. 본 논문에서는 하드웨어 인더 루프로 제어가 되어야 함으로 실시간 적외선 영상모델인 FAST-IR모드를 활용하였고 특징으로는 고속 영상생성을 위해 각 3D DB를 사전에 전처리를 수행하여 전처리 DB를 확보하는 과정이 추가로 필요하다.
이를 위하여, 먼저 일반적인 대기 중 레이저의 전달 특성 및 표적에 의한 반사 특성을 그림 12와 같이 모델링하였다[9][10].
입력받은 데이터를 이용하여 1kHz 속도로 구동성능 모의기가 실행되고, 그 결과로 LOS 위치 및 김발의 구동각속도를 출력한다.
또 다른 주요기능으로 탑재센서제어 기능을 통하여 모의 영상의 FOV, 카메라 파장대역, 카메라구동부 제어를 수행한다. 추적기능으로 Point Track, Area Track, Inertial Track 및 Cued Track이 적용 되었다. Point Track은 화면 내 관심 표적을 추적하는 방법으로 영상 프레임간의 상관도가 높은 곳을 추정하는 알고리즘이며, Area Track은 화면내 Global Motion을 추정하여 관심 화면을 유지하는 알고리즘이다.
이론/모형
LADAR 방정식을 풀기 위해서는 LADAR 방정식 내 다양한 변수에 대한 정보가 필요한데, 이를 위해서 본 논문에서는 전자광학 영상 모사 소프트웨어 개발자 키트인OKTAL-SE를 활용하였다.
카메라 구동성능 모의기는 MATLAB / Simulink를 이용하여 설계하고, Realtime workshop embedded coder를이용하여 C++ 코드로 변환하여 사용하였다[1][6]. 카메라 구동성능 모의기는 탑재 전자부로부터 구동모드 및 구동명령, 성능제한 데이터, Roll 보상을 위한 De-Roll 각도, 카메라의 시야각 등을 입력받는다.
성능/효과
5rad/s 까지 각속도 구동제어가 가능함을 확인하였고, 또한 구동각 추종 제어 성능도 그림 9 및 그림 10과 같이 확인하였다. Yaw/Roll의 경우 2rad의 구동각 명령에 약 1.6초 후에 수렴했고, Pitch의 경우 0.5rad의 구동각 명령에 약 1초 후에 수렴하는 것을 확인하였다.
별도로 구성된 전투기 시뮬레이터로부터 전투기의 위치와시선정보를 입력 받고, 이로부터 3차원 공간 DB 상에서 전투기 시선 방향의 표적에 대한 거리, 반사율, 표면의 반사각도, 대기 투과도 등 LADAR 방정식을 풀기 위한 변수를 획득하여, 최종적으로 특정 위치에서의 레이저 분포도를 얻을 수 있다.
후속연구
개발된 EOTS HILS는 실제 적용 가능한 EOTS 탑재전자모의기를 설계 및 제작 및 연동함으로서 EOTS 성능을 사전에 검증하여 개발리스크를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 개발된 EOTS의 지상 및 비행시험 단계에서 시험결과를 분석하고 효과적으로 결함을 파악할 수 있도록 영상 및 신호처리 전 과정 데이터의 저장 및 재생기능을 제공함으로써 디브리핑 뿐만 아니라 개발단계 디버깅에도 많은 활용이 예상된다.
본 논문에서는 항공기용 EOTS 개발을 위한 선행연구로 탑재전자모의기의 외부 인터페이스 및 활용방안에 관한 연구로 비행시험 이전 단계에서 개발 리스크를 완화할 수 있고 EOTS에서 요구되는 하드웨어적 성능 및 운용 소프트웨어의기능을 사전에 검증과 분석하고 효과적으로 결함을 파악할 수 있는 장비로 활용이 가능할 것으로 기대 된다. 그림 16은 EOTS 탑재전자모의기의 외부 인터페이스 및 활용방안을 보여주고 있다[1].
이러한 시뮬레이터에 실제 적용 가능한 EOTS 탑재전자모의기를 설계 및 제작하고, 연동함으로써 EOTS에서 요구되는 하드웨어적 성능 및 운용 소프트웨어의 기능을 사전에 검증할 수 있으며 체계 개발 시, 시험평가 단계에서는 EOTS 시험결과를 분석하고 효과적으로 결함을 파악할 수 있는 장비로 활용이 가능할 것이다[1][2][3]. 항공기용 EOTS 개발을 위한 선행연구로서 요구사항 분석, 시스템 설계 및 지상/비행시험단계의 EOTS 성능 분석 및 검증 시 활용 가능한 HILS를 개발하여 향후, 체계 개발에 대한 리스크를 완화하고자 한다[1][2][3].
또한 본 논문에서는 체계개발 시 적용 가능하도록 개방형구조의 H/W 및 S/W로 제작 하였으며, EOTS사용자 운용명령, 센서 제어 기능과 추적기능 및 실시간 영상정보 저장기능을 제공한다. 이를 통해 체계 개발 시 필요한 탑재전자모의기 하드웨어의 성능과 운용 소프트웨어 기능에 대한 사전 검증이 가능하며, 비행 시험 시 저장된 영상/비행정보 데이터를 지상에서 분석하는 디브리핑 시 활용 할 수 있다. EOTS 탑재전자모의기의 주요사항은 다음의 표 1과 같다[1].
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
EOTS 탑재전자모의기는 어떤 장비인가?
EOTS 탑재전자모의기는 실제 항공기에 장착되어 탑재센서제어, 레이저 신호처리 및 추적 등의 모든 신호처리를 담당하는 탑재전자부를 모의한 장비이다. 또 다른 주요기능으로 탑재센서제어 기능을 통하여 모의 영상의 FOV, 카메라 파장대역, 카메라구동부 제어를 수행한다.
개발된 EOTS HILS 시스템은 향후 어떤 기여를 할 수 있을 것으로 예상되는가?
본 논문에서 구축한 HILS 시스템을 적용하면 현재 운용되는 전투기 장착 탑재전자체의 성능분석과 검증은 물론 실제 장비 개발 중 각 모듈의 성능이 시스템 전체 성능에 미치는 영향도 분석가능하다. 향후 다양한 비행체의 비행역학을 적용하여 광범위한 분야에 활용가능 함으로 개발요구사항 도출 및 개발 위험을 줄이는 데 큰 기여를 할 수 있을 것으로 예상된다.
항공기용 EOTS 이란?
본 논문에서는 항공기용 EOTS(Electro Optical Targeting System)의 성능분석 및 검증을 위한 HILS시스템 구축에 관한 내용을 기술한다. 항공기용 EOTS는 주/야간 임무환경에서 표적에 대한 영상 제공 및 이를 추적하기 위하여 주간 및 적외선 카메라와 표적 또는 특정좌표를 정확히 지향할 수 있는 구동기가 함께 장착되어 있다. 또한 표적에 대한 추적을 할 수 있는 영상처리보드와 거리측정, LGB 유도를 위한 레이저 조사장비 및 레이저빔 추적기(LST)를 모두 포함한 첨단 전자광학 타겟팅장비이다. 이러한 첨단 복합임무장비의 성능은 장착될 항공기의 비행특성(비행자세/속도, 하중, 진동) 및 임무시나리오 뿐 아니라 타 장비로부터 제공되는 연동 센서정보(항공기 위치/자세, 큐)에 영향을 받게 된다.
참고문헌 (11)
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The MathWorks, "Real-Time Workshop Embedded Coder for Production Code Generation," The MathWorks, 2009.
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Slava G. Turyshev, Detection of Optical Radiation, http://www.fi.infn.it/GGI-grav-space/EGS_s/html/PDF/turyshev-L2.pdf
Y, Jo, J. Ha, J. Yang, J. Kim, "The Design of Parallel Processing S/W Using CUDA for Realtime 3D Laser Ladar Imaging System," Transaction of Korean Society of Computer Information 1598-849X Vol.18, No.1, pp.1-10 1598-849X, 2013.
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