선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 그러나 사격제원계산장치는 각 구성 알고리즘들이 통합된 하나의 체계로, 개별 성능뿐만 아니라 통합 성능에 대한 가시화 분석도구가 필요하다. 다음과 같은 분석도구를 개발하여 각 알고리즘의 성능검증 및 결과분석이 가능하도록 하였다.
- 따라서 본 연구에서는 Fig. 5와 같이 항력이 고려된 수치해석적 기법으로 오차기울기벡터를 계산하는 알고리즘을 개발하였다. 가상공간에서 적절한 고각 차이를 둔 두 개의 포명령을 이용하여 탄 궤적을 계산하고, 수치적 difference를 통해 오차방향 기울기벡터를 산출한다.
- 윤영하급 전투체계 사격제원계산장치는 국내 최초로 개발된 대함/대공 사격이 가능한 사격통제장치이며, 차기호위함 전투체계 사격제원계산장치는 대함/대공/대지 사격이 가능한 선진국 수준 동등 이상의 중구경 함포 사격통제장치이다. 본 논문에서는 차기호위함 전투체계에 탑재된 5인치 함포 사격제원계산장치 설계 기술에 대해 논하도록 하겠다.
- 본론에서는 차기호위함 전투체계의 사격제원계산장치에 대한 일반적인 사항을 기술하고 구성 기술을 소개하겠으며, 기존의 사격제원계산장치 대비 향상된 설계 결과에 대해 논하도록 하겠다.
제안 방법
- M&S에서 흔히 이용되는 간략화된 모델 기반 시뮬레이션은 실제 장비와의 차이점이 존재할 수 있으며, 사격제원계산장치를 위한 시뮬레이션은 실제 장비와의 동일성이 필요하기 때문에 일반 PC상에 실장비와 동일하게 수행 되는 Emulation 환경을 구성하고 반복적인 Simulation 을 통하여 개발 시스템의 검증 및 최적화를 수행하였다.
- 5와 같이 항력이 고려된 수치해석적 기법으로 오차기울기벡터를 계산하는 알고리즘을 개발하였다. 가상공간에서 적절한 고각 차이를 둔 두 개의 포명령을 이용하여 탄 궤적을 계산하고, 수치적 difference를 통해 오차방향 기울기벡터를 산출한다. 오차기울기벡터와 사거리 방향(∆RS) 및 고각 방향(RT∆θ)의 탄착오차를 이용하여 고각 및 비과 시간 수정이 이루어지고, 수정값이 합산되어 최종 포명령이 산출된다.
- 기존의 일반적 IMM 추적필터의 경우 추정치 산출을 위해 다중 모델을 결합함에 있어 선형적인 방법이 이용되나 명중률 제고 및 포명령 안정성 확보를 위해 비선형 확률제어 기법이 개발되어 적용되었다. 각 모델의 모드 확률로 대변되는 모델 정확도를 기준으로 선형적으로 조합되는 기존의 IMM 추적필터와는 달리 선형구간 및 비선형구간을 나누어 모델간 조합된 추정치를 사용함으로써 추적성능 및 포명령 안정성을 극대화 할 수 있도록 설계되었다[4]. 포명령 안정성 확보는 사격제원계산장치 함포통제기술로 분류가 가능하다.
- 개발된 차기호위함 전투체계 사격제원계산장치의 해상 사격시험이 실시되었다. 사격채널은 대함 3채널과 대공 2채널이며, 대함 사격채널의 추적센서에는 탐색 레이더, 추적레이더, 전자광학추적장비가 있고 대공사격채널에는 추적레이더와 전자광학추적장비가 있다.
- 또한 고사격시에는 탄의 비과시간이 최대사거리의 경우보다 길어져 탄도계산은 저사격 대비 비교적 정확하게 산출되어야 한다. 계산속도 및 정확도 향상을 위해, H-P Adaptive 기법을 사용하여 수치해석을 위한 계산 간격을 일정한 오차 이내가 되도록 조절하여 계산속도를 향상시켰으며 수치해석적 차수를 높여 계산정확도를 높였다[2].
- 분석을 통해 문제점이 식별되거나 각종 알고리즘이 수정 및 개선된 경우에는 Simulation 환경에서 Software를 수정 및 확인한다. 단, 당일 획득된 Logging으로만 사격제원계산장치의 안정성 확보에 한계가 있기 때문에 다수의 가상시나리오 및 다양한 실제 Logging 정보를 통해 최종 검증을 수행한다. 수정된 Simulation상의 사격제원계산 Software는 Real Time OS를 사용하는 실장비와 Code level에서 완전히 동일하기 때문에 기본적인 추가 확인을 거쳐 함정 탑재가 가능하다.
- 사격제원계산장치가 함포로 인가하는 포명령 정보를 전자광학추적장비로 인가함으로써, 마치 포배열카메라가 함포가 지향하는 방향을 관찰할 수 있는 것처럼 전자광학추적장비가 함포가 지향하는 방향을 관찰하는 기능으로 실시간 배열 확인이 가능하다. 또한 함포 조준모드에 예상명중점을 조준하도록 하는 기능을 개발하여 전자광학추적장비가 탄의 비과시간 이후의 예상되는 표적 위치를 지향하게 함으로써 사격제원계산 정확도 분석이 가능하다.
- 매 주기별로 산출되는 포명령을 두 단계 예측하고 현재 포명령, 한 단계 이후 포명령과 두 단계 이후 포명령을 기반으로 Spline 기법을 사용하여 시간에 대한 포명령값의 1차 미분이 연속이 될 수 있도록 Fig. 6과 같이 설계하여, 급격한 포명령 변경을 방지할 수 있는 알고리즘을 개발하였다. 본 알고리즘은 포의 요구사항 한계치에 따라 예측 주기수를 이용하여 적절한 여유도를 산정하고 포명령 가속 노이즈를 제어할 수 있으며 개발된 알고리즘이 적용된 포명령 안정화 결과는 Fig.
- 사격제원계산장치가 정밀한 사격제원을 계산할 수 있도록 추적레이더, 탐색레이더, 전자광학추적장비, 함자이로, 함속계, GPS, 기온기압계, 습도계, 등과 연동되어 있다. 사격제원 계산장치는 추적레이더, 탐색레이더, 전자광학추적장비로부터 표적의 위치를 수신하여 표적의 현재 상태(위치/속도/가속도/기동형태)를 추정하고, 추정된 현재 표적의 상태를 바탕으로 표적의 예상명중점이 산출되며 산출된 예상명중점으로 포탄을 보내기 위한 탄도계산을 수행한다. 수행된 탄도계산 결과는 함자이로로부터 수신된 자함 자세정보를 이용하여 함자세 보상을 통해 안정화된 포명령이 산출되며, 안정화된 포명령은 함포로 전달되어 함포 발사를 통해 표적에 대한 정밀 타격이 가능해진다.
- 자이로 전송지연이 정확하게 보상된 경우 함포가 바라보는 영상의 상하 흔들림이 최소화되며 설정 초기치를 이용하여 주변값을 검색함으로써 최적의 값을 추출할 수 있다[9]. 영상 정보에 대한 분석을 위해 영상정보분석기를 설계하였고, 선택된 window내의 pixel 단위 영상추적을 실시하여 기준영상대비 상하 흔들림 크기를 추출하였다. Fig.
- 표적추적에 있어 일반적으로 자함이 원점인 좌표계를 사용하며 재밍에 의해 원점이 흔들리는 상황에서는 사격 성능에 지대한 영향을 받게 된다. 위성항법장치 재밍에 무관한 항법장치는 3축 가속도 측정치 정보 및 처리된 속도 정보를 제공하며, 사격제원계산장치는 제공된 자함 정보를 정적분하여 자함의 위치를 산출함으로써 항 재밍 기능을 갖추었다. 또한 차기호위함 전투체계는 위성항법장치 재밍시에도 자함이 추적하는 표적에 대한 교전 능력을 가질 수 있도록 설계되었으며, 나아가 사격제원계산장치는 자함이 추적하는 표적뿐만 아니라 네트웍을 통해 전송되는 지상 또는 해상 표적까지도 대응할 수 있도록 설계되었다[11].
- 정확한 포명령은 탄의 초기 위치 및 포구초속으로 비행시간 이후에 탄이 예상명중점에 위치하게 한다. 일반적으로 닫힌해가 존재하지 않기 때문에 shooting 기법을 이용하여 포명령을 초기화하고 비행 시간 이후의 탄과 예상명중점 사이에는 탄착오차가 발생하며, 그 탄착오차를 보상하기 위해 오차기울기벡터를 추출하고 오차만큼의 크기를 오차기울기방향으로 보상하는 알고리즘을 개발하였다[2,6]. 오차기울기벡터를 계산하는 기존 방법으로는 항력을 고려하지 않는 진공근사법이 있으며, 탄착오차가 발생하는 좁은 공간에서의 탄 궤적을 진공환경으로 근사하여 오차기울기벡터를 닫힌해 형태로 추출하기 때문에 항력을 무시함으로써 발생하는 오차가 항상 존재하게 된다.
- 일발필중의 교전성능 확보를 위해서 보조적 실시간 탄착 수정 기술을 개발하였다. 사격 이전에 표적 추적 정보와 짧은 탄비과시간에 대한 예상명중점 정보를 이용하여 실제 사격 이전에 사격제원계산 결과의 수렴 여부와 사격시 예상되는 사격오차를 사전에 인지할 수 있다.
- 추적센서의 표적정보 제공 주기는 일반적으로 10～20Hz 대역에 있으며 함포 서보의 반응 주파수 내에 존재하기 때문에 설계시 각별한 주의가 요구된다. 적절한 시간지연을 이용하여 포명령의 1차 미분이 연속이 되도록 설계함으로써 추적센서에 의한 포명령 떨림을 제거하였다. 표적의 흔들림은 표적과 배경 사이에 간섭이 존재하거나 고속으로 기동하는 표적 자체에 의한 glint 효과에 의해 발생되며 개발된 알고리즘에 의해 제어가 가능하다.
- 차기호위함 전투체계 사격제원계산장치 개발을 위해, 기개발 완료되어 운용중인 윤영하급 전투체계 사격제원계산장치 개발을 통해 축적된 기반기술을 사용하였으며, 새로운 성능 및 기능 요구사항을 만족하기 위해 명중률과 관련된 성능을 향상시키고 추가 기능들을 개발하였다. 해군에 의한 해상시험평가를 통해 그 성능과 기능이 검증되었으며 해군에 인도되었다[12].
- 탄도해는 일반적으로 고 고각 해인 고사격해와 저 고각 해인 저사격해로 나누어진다. 차기호위함 전투체계 사격제원계산장치는 사정표가 아닌 수치해석적 실시간 탄도계산을 수행하는 것을 바탕으로 은폐된 표적에 대한 사격이 가능하도록 고사격해에 대한 탄도 계산이 가능하도록 설계되었다.
- 최근 증가하고 있는 북한의 전자전 위협에 대응하기 위하여, 사격제원계산장치는 GPS 정보 이외에 자함의 항법장치가 제공하는 측정치를 바탕으로 자함의 항적을 산출함으로써 위성항법장치 재밍시에도 5인치 함포의 주된 목적 중 하나인 해상화력지원이 가능하도록 설계되었다. 표적추적에 있어 일반적으로 자함이 원점인 좌표계를 사용하며 재밍에 의해 원점이 흔들리는 상황에서는 사격 성능에 지대한 영향을 받게 된다.
- 8과 같이 이루어진다. 해상에서 전투체계 운용시 가용한 모든 정보를 Logging하여 저장하고, Simulation상에서 이를 재연 하여 사격 결과를 예측/분석한다. 분석을 통해 문제점이 식별되거나 각종 알고리즘이 수정 및 개선된 경우에는 Simulation 환경에서 Software를 수정 및 확인한다.
대상 데이터
- 윤영하급 함정에 장착된 76mm 및 40mm 함포는 비교적 소구경에 해당하며 운용개념에 부합되어 사용되는 탄종은 제한적이나, 인첨함급 함정에 장착되는 5인치 함포는 중구경에 해당하며 그 탄종은 수십 종에 이른다. 한국 해군에서 운용중인 5인치 함포는 구축함 급인 KDX-I/II/III에서 운용중이며, 함포는 이탈리아의 오토멜라라와 현대위아가 공급하였고 함포탄은 오토 멜라라, BAE Systems 및 풍산이 공급하였다. 구축함 급의 사격제원계산장치 역시 네델란드의 TNNL과 LockheedMartin이 공급하였기 때문에 KDX-I/II/III에서 사용가능한 탄종 목록은 서로 상이하며 모두 40여종에 이른다.
데이터처리
- 사격채널은 대함 3채널과 대공 2채널이며, 대함 사격채널의 추적센서에는 탐색 레이더, 추적레이더, 전자광학추적장비가 있고 대공사격채널에는 추적레이더와 전자광학추적장비가 있다. 대함사격 평가 기준으로는 평균오차 표준편차가 이용되었고, 대공 사격 평가 기준으로는 명중률이 이용되었다.
성능/효과
- M&S에서 흔히 이용되는 간략화된 모델 기반 시뮬레이션은 실제 장비와의 차이점이 존재할 수 있으며, 사격제원계산장치를 위한 시뮬레이션은 실제 장비와의 동일성이 필요하기 때문에 일반 PC상에 실장비와 동일하게 수행 되는 Emulation 환경을 구성하고 반복적인 Simulation 을 통하여 개발 시스템의 검증 및 최적화를 수행하였다. Simulation 기반 분석 환경을 구축하여 운용함으로써 해상 시험평가 비용 절감, 기간 단축 및 교전 성능극대화가 가능하였다.
- 3은 포탄 자체의 탄착 분산을 고려한 타원 단축반경 25m/50m/25m/100m에서의 대함 표적에 대한 탄착도이다. 가상공간에서 탄도계산 및 함자세 보상 성능은 추적필터 성능 대비 무시할 만하여 탄착도 자체가 추적필터 성능에 직결되기 때문에 탄착도를 통한 추적필터 성능 향상 결과를 확인할 수 있다. 윤영하급 전투체계 사격제원계산장치는 함포사격통제를 위한 추적필터에 있어 세계 최초로 IMM 추적필터를 적용하였으며, 차기호위함 전투체계 사격 제원계산장치를 통해 기동환경에서의 추적성이 향상되었다.
- 중형급 함정 이상에 대한 자함의 흔들림은 비교적 직류성에 가까운 저주파 특성을 가지며 함포 서보 반응 함수 내에 존재하여 문제가 되지 않는다. 사격제원계산장치의 주기는 함포 서보 반응 함수 주파수 외에 존재하도록 설계되었으며 내에 존재하더라도 제안된 알고리즘에 의해 극복이 가능하다.
- 이러한 실제 정보를 이용한 사후 Simulation 과정을 통해, 실사격 없이도 사격 결과를 예측하여 분석하고 문제점에 대한 수정 및 최적화는 물론 검증까지 수행 가능하다. 실사격 이전에 모든 위험요소를 제거하고 최적화 과정을 통해 정확도를 향상시켜, 모든 실사격 평가에서 선진국 도입 유사 사격제원계산장치(KDX)의 사격평가 기준을 상회하는 성능을 입증하였다.
- 가상공간에서 탄도계산 및 함자세 보상 성능은 추적필터 성능 대비 무시할 만하여 탄착도 자체가 추적필터 성능에 직결되기 때문에 탄착도를 통한 추적필터 성능 향상 결과를 확인할 수 있다. 윤영하급 전투체계 사격제원계산장치는 함포사격통제를 위한 추적필터에 있어 세계 최초로 IMM 추적필터를 적용하였으며, 차기호위함 전투체계 사격 제원계산장치를 통해 기동환경에서의 추적성이 향상되었다.
- 추적필터는 기본적으로 칼만필터 가정에 따르며, 전처리필터는 칼만필터 가정에 부합되는 측정치를 재생산 하여야 한다. 첫째, 표적정보는 확률적이며 해석적인 안정성이 보장되어야하며, 이를 위해 수상함의 능동형 추적 센서가 제공하는 표적정보는 추적필터의 상태변수의 가관측성을 보장하기 때문에 안정적인 표적정보 재생산은 Fig. 2와 같이 스파이크성 또는 불연속적 측정치 제거를 통해 가능하다. Fig.
- 대공 사격 평가 기준은 발사된 탄이 표적으로부터 일정 거리 이내에 특정 명중률 이상으로 탄착을 이루는 것이다. 추적레이더를 이용한 사격결과는 평가 기준 대비 40% 향상되었으며, 전자광학추적장비를 이용한 사격결과는 평가 기준 대비 20% 향상 되었다.
- 특정 알고리즘의 성능저하, SW 오류발생에 대한 문제 식별 및 오류수정 결과 확인을 위해, 사격제원계산 장치 내부 흐름의 전 과정에 대한 효과적인 가시화 및 분석이 가능하다. 사격제원계산장치에 연동되어 사격을 위해 허용되는 주요장비는 표적 추적센서, 자함정보 측정센서, 함포가 있으며, 이러한 연동대상 장비는 상호 독립적으로 본연의 역할을 수행하고, 사격제원계산장치는 최종 사격성능 확보를 위해 모든 연동 대상 장비를 유기적으로 결합하여야 한다.
- 사격제원계산장치에 연동되어 사격을 위해 허용되는 주요장비는 표적 추적센서, 자함정보 측정센서, 함포가 있으며, 이러한 연동대상 장비는 상호 독립적으로 본연의 역할을 수행하고, 사격제원계산장치는 최종 사격성능 확보를 위해 모든 연동 대상 장비를 유기적으로 결합하여야 한다. 특히, 사격 제원계산장치의 상태 및 성능 분석뿐만 아니라 연동 대상 장비의 부분적 상태 및 성능 분석이 가능하여, 규격화된 장비의 개선사항 식별이 가능하고 개발 단계 장비의 문제점 식별이 가능하다. 개발된 분석도구는 Fig.
후속연구
- 이러한 실제 정보를 이용한 사후 Simulation 과정을 통해, 실사격 없이도 사격 결과를 예측하여 분석하고 문제점에 대한 수정 및 최적화는 물론 검증까지 수행 가능하다. 실사격 이전에 모든 위험요소를 제거하고 최적화 과정을 통해 정확도를 향상시켜, 모든 실사격 평가에서 선진국 도입 유사 사격제원계산장치(KDX)의 사격평가 기준을 상회하는 성능을 입증하였다.
- 이러한 현 상황을 고려할 때 선전국 의존적이었던 사격제원계산장치 설계기술을 국내 독자개발하고 국제 및 국내 환경 변화에 민감하게 대처할 수 있는 기능 개발 및 성능 향상이 필요하다. 한국 해군은 21세기 해군전력 증강을 위해 함정 전투체계 도입 사업으로부터 국내개발 전투체계 개발 사업으로의 전환을 꾀하였으며, 국방과학연구소 주관의 연구개발을 토대로 독도함, 윤영하함, 차기호위함 등의 전투체계가 성공적으로 국내개발 되었다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.