[논문]수동 호밍 유도탄의 충돌각 제어를 위한 복합 유도법칙

박봉균; 김태훈; 탁민제; 김윤환

doi:10.5139/jksas.2014.42.1.20

수동 호밍 유도탄의 충돌각 제어를 위한 복합 유도법칙
Composite Guidance Law for Impact Angle Control of Passive Homing Missiles 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.42 no.1, 2014년, pp.20 - 28

박봉균 (LIG Nex1) , 김태훈 (Agency for Defense Development) , 탁민제 (Korea Advanced Institute of Science and Technology) , 김윤환 (LIG Nex1)

초록
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본 논문에서는 비례항법 유도의 특성을 이용하여 수동 호밍 유도탄을 위해 탐색기의 lock-on 조건을 유지하면서 충돌각 제어를 할 수 있는 복합 유도법칙을 제안한다. 제안된 유도법칙은 두 가지 형태의 유도명령으로 구성되어 있다. 첫 번째 유도명령은 초기 유도단계에서 탐색기의 지향각(look angle)을 일정하게 유지키기 위한 것이고, 두 번째는 비례항법 유도명령으로서 특정 시선각 조건을 만족시킨 후 적용하여 원하는 충돌각으로 표적을 타격시키게 된다. 제안된 유도법칙은 유도탄의 탐색기 field-of-view(FOV)와 가속도 제한을 동시에 고려하고, 유도명령을 생성시키기 위해 표적 거리정보와 잔여비행시간(time-to-go) 정보가 필요하지 않기 때문에 수동 호밍 유도탄에 직접 적용할 수 있다. 다양한 비선형 시뮬레이션 결과를 통해서 제안된 유도법칙의 특성 및 성능 분석을 수행한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, based on the characteristics of proportional navigation, a composite guidance law is proposed for impact angle control of passive homing missiles maintaining the lock-on condition of the seeker. The proposed law is composed of two guidance commands: the first command is to keep the look angle constant after converging to the specific look angle of the seeker, and the second is to impact the target with terminal angle constraint and is implemented after satisfying the specific line of sight(LOS) angle. Because the proposed law considers the seeker's filed-of-view(FOV) and acceleration limits simultaneously and requires neither time-to-go estimation nor relative range information, it can be easily applied to passive homing missiles. The performance and characteristics of the proposed law are investigated through nonlinear simulations with various engagement conditions.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러므로 본 논문에서는 탐색기의 FOV 제한을 고려하고, 원하는 충돌각을 만족하면서 표적을 타격할 수 있는 복합 유도법칙을 제안한다. 제안된 유도법칙은 비례항법 유도의 시선각 변화율과 지향각(look angle) 변화의 특성을 활용하여 총 두 가지 형태의 유도명령을 생성하게 된다.
본 장에서는 앞서 기술한 비례항법의 특성을 이용하여 충돌각 제어를 위한 복합 유도법칙을 제안한다. 또한 유도탄의 조건에 따라 달성 가능한 최대 충돌각을 계산하는 방법에 대해서 기술한다.
본 논문에서는 수동형 탐색기를 장착한 유도탄의 충돌각 제어를 위한 복합 유도법칙을 제안하였다. 제안된 유도법칙은 호밍 유도단계 동안 총 두 가지의 가속도 명령을 생성하게 된다.
다양한 충돌각 조건과 속도변화가 있는 운동 모델에 대한 비선형 시뮬레이션을 수행하였고, 무시할 수 있는 거리 오차와 충돌각 오차가 발생하는 것을 확인하였다. 향후 정지된 표적뿐만 아니라 움직이는 표적에 대해서도 lock-on 조건을 유지하면서 원하는 충돌각으로 표적을 타격할 수 있는 유도법칙에 대해서 연구를 수행하고자 한다.

가설 설정

먼저 정지된 표적을 타격하기 위하여 비례항법 유도를 적용한다고 가정하자. 이때 비례항법유도법칙은
유도탄의 공력 모델은 참고문헌 [12]를 이용하여, 최대 속도는 약 275 m/s, 평균 속도는 약 200 m/s 정도가 되도록 수정하여 사용하였다. 유도탄은 표적과의 상대거리가 30 m 이내가 되면 표적은 탐색기 화면에 blind되어 더 이상 추적이 불가능하다고 가정하여, 이후에는 유도명령을 마지막 값으로 유지하도록 하였다. 실제 교전 환경에는 중력 g이 작용하기 때문에 gcosγ 항을 보상해서 식 (24)를 적용하였고, K와 γ_f,max는 평균 속도를 기준으로 하여 각각 계산하였다.

제안 방법

본 장에서는 비례항법의 특성에 대해서 기술한다. 먼저 최대 가속도 제한을 다루기 위하여 시선각 변화율에 대해서 분석하고, 다음으로 탐색기의 lock-on 조건을 유지하는 유도법칙을 유도하기 위하여 지향각 변화의 특성에 대해서 논의하도록 한다.
본 장에서는 앞서 기술한 비례항법의 특성을 이용하여 충돌각 제어를 위한 복합 유도법칙을 제안한다. 또한 유도탄의 조건에 따라 달성 가능한 최대 충돌각을 계산하는 방법에 대해서 기술한다.
본 장에서는 제안된 복합 유도법칙의 성능 및 특성 분석을 위하여 총 두 가지 경우에 대한 비선형 시뮬레이션을 수행하도록 한다. 첫 번째는 참고문헌 [7]에서 제시된 유도기법과의 성능비교를 수행하고, 두 번째는 현실적인 유도탄에 적용하기 위하여 속도변화를 고려한 운동 모델에 대하여 시뮬레이션을 수행하였다.
비선형 시뮬레이션을 위하여 초기 상대거리는 r0 = 4000m, 초기 발사각 및 탐색기 지향각은 γ0 = σ0 = 15°, 충돌각은 γf =- 90°, 기동 가속도 제한은 amax = 80m/s2, 속도는 V = 200m/s, 그리고 탐색기의 FOV 제한은 σd = σmax = 45°으로 설정하였다.
제안된 유도법칙을 현실적인 유도탄 모델에 적용하기 위하여 속도변화를 고려한 운동 모델에 대해서 비선형 시뮬레이션을 수행하였다. 유도탄의 공력 모델은 참고문헌 [12]를 이용하여, 최대 속도는 약 275 m/s, 평균 속도는 약 200 m/s 정도가 되도록 수정하여 사용하였다. 유도탄은 표적과의 상대거리가 30 m 이내가 되면 표적은 탐색기 화면에 blind되어 더 이상 추적이 불가능하다고 가정하여, 이후에는 유도명령을 마지막 값으로 유지하도록 하였다.
이 유도법칙은 제안된 유도법칙과 유사하게 비례항법의 특성을 활용한 것으로 0°부터 -180°까지의 충돌각을 맞추기 위하여 초기 유도단계를 위한 orientation 유도법칙을 제안하였다.
그러므로 본 논문에서는 탐색기의 FOV 제한을 고려하고, 원하는 충돌각을 만족하면서 표적을 타격할 수 있는 복합 유도법칙을 제안한다. 제안된 유도법칙은 비례항법 유도의 시선각 변화율과 지향각(look angle) 변화의 특성을 활용하여 총 두 가지 형태의 유도명령을 생성하게 된다. 첫 번째 유도명령은 탐색기 지향각을 일정하게 유지시키기 위한 것이고, 두 번째는 비례항법 유도명령으로서 특정 시선각 조건을 만족시킨 후 적용하여 표적을 타격하면서 동시에 충돌각을 만족시킬 수 있도록 한다.
본 논문에서는 수동형 탐색기를 장착한 유도탄의 충돌각 제어를 위한 복합 유도법칙을 제안하였다. 제안된 유도법칙은 호밍 유도단계 동안 총 두 가지의 가속도 명령을 생성하게 된다. 첫번째 명령은 탐색기의 지향각을 일정하게 유지시키기 위한 것이고, 두 번째는 교전 전에 결정된 충돌각으로 표적을 타격하기 위한 비례항법 유도 명령이다.
제안된 유도법칙을 현실적인 유도탄 모델에 적용하기 위하여 속도변화를 고려한 운동 모델에 대해서 비선형 시뮬레이션을 수행하였다. 유도탄의 공력 모델은 참고문헌 [12]를 이용하여, 최대 속도는 약 275 m/s, 평균 속도는 약 200 m/s 정도가 되도록 수정하여 사용하였다.
본 장에서는 제안된 복합 유도법칙의 성능 및 특성 분석을 위하여 총 두 가지 경우에 대한 비선형 시뮬레이션을 수행하도록 한다. 첫 번째는 참고문헌 [7]에서 제시된 유도기법과의 성능비교를 수행하고, 두 번째는 현실적인 유도탄에 적용하기 위하여 속도변화를 고려한 운동 모델에 대하여 시뮬레이션을 수행하였다.

이론/모형

성능비교를 위하여 참고문헌 [7]에서 제안된 충돌각 제어를 위한 복합 유도법칙을 활용하였다. 이 유도법칙은 제안된 유도법칙과 유사하게 비례항법의 특성을 활용한 것으로 0°부터 -180°까지의 충돌각을 맞추기 위하여 초기 유도단계를 위한 orientation 유도법칙을 제안하였다.

성능/효과

또한, 유도단계 동안 가속도 명령 생성을 위해서는 지향각, 시선각, 시선각 변화율 정보만 필요하기 때문에 수동 호밍 유도탄에도 쉽게 적용할 수 있을 것으로 판단된다. 다양한 충돌각 조건과 속도변화가 있는 운동 모델에 대한 비선형 시뮬레이션을 수행하였고, 무시할 수 있는 거리 오차와 충돌각 오차가 발생하는 것을 확인하였다. 향후 정지된 표적뿐만 아니라 움직이는 표적에 대해서도 lock-on 조건을 유지하면서 원하는 충돌각으로 표적을 타격할 수 있는 유도법칙에 대해서 연구를 수행하고자 한다.
5로부터 제안된 유도법칙과 Ratnoo et al. 모두 표적을 잘 타격하는 것을 확인할 수 있고, 특히 제안된 유도법칙인 경우 초기 유도단계에서 비행 궤적이 크게 변화는 것을 알 수 있다. 이 결과는 초기 유도단계에서 제안된 유도법칙이 탐색기의 지향각을 최대값으로 유지하면서 비행고도가 상승하기 때문이다.
의 경우 유도단계 전환 근처에서 표적이 탐색기의 FOV에서 벗어나는 상황이 발생하여 실제 교전 시 임무 달성에 실패할 수 있을 것이다. 위의 결과들로부터 제안된 유도법칙은 제한된 기동 가속도 내에서 탐색기의 lock-on 조건을 유지하면서 원하는 충돌각으로 표적을 정확히 타격하는 것을 확인할 수 있다.
13으로부터 무시할 수 있는 충돌각 오차를 가지는 것을 알 수 있다. 이러한 결과들로부터 제안된 유도법칙은 제한된 유도탄의 성능을 가지고 현실적인 환경에서도 만족할 만한 성능을 달성하는 것을 알 수 있다.
또한 유도탄의 기동 가속도 제한을 고려하여 달성 가능한 최대 충돌각 계산 방법을 제안하고, 교전 전에 원하는 충돌각 설정 시 유용하게 적용할 수 있다. 제안된 유도법칙은 가속도 명령을 생성시키기 위해서 지향각, 시선각, 시선각 변화율만 필요하고, 표적 거리 및 잔여비행시간 추정이 필요 없기 때문에 방향 정보만 측정할 수 있는 수동형 탐색기를 장착한 유도탄에 쉽게 적용할 수 있다. 본 논문은 문제 정의를 Ⅱ장에서 정리하였고, 비례항법의 시선각 변화율과 지향각 변화에 대한 특성을 Ⅲ장에서 기술하였다.
그리고 두 유도단계의 전환은 비례항법 이득, 충돌각, 원하는 지향각을 이용하여 계산된 특정 시선각에 도달하면 이루어진다. 제안된 유도법칙은 탐색기의 FOV 제한을 고려하여 유도단계 동안 lock-on 조건을 계속 유지할 수 있고, 기동 가속도 제한에 따른 최대 충돌각을 교전 전에 분석할 수 있는 해석적인 방안을 제시하여 원하는 충돌각을 설정하는데 유용하게 적용할 수 있다. 또한, 유도단계 동안 가속도 명령 생성을 위해서는 지향각, 시선각, 시선각 변화율 정보만 필요하기 때문에 수동 호밍 유도탄에도 쉽게 적용할 수 있을 것으로 판단된다.

후속연구

첫 번째 유도명령은 탐색기 지향각을 일정하게 유지시키기 위한 것이고, 두 번째는 비례항법 유도명령으로서 특정 시선각 조건을 만족시킨 후 적용하여 표적을 타격하면서 동시에 충돌각을 만족시킬 수 있도록 한다. 또한 유도탄의 기동 가속도 제한을 고려하여 달성 가능한 최대 충돌각 계산 방법을 제안하고, 교전 전에 원하는 충돌각 설정 시 유용하게 적용할 수 있다. 제안된 유도법칙은 가속도 명령을 생성시키기 위해서 지향각, 시선각, 시선각 변화율만 필요하고, 표적 거리 및 잔여비행시간 추정이 필요 없기 때문에 방향 정보만 측정할 수 있는 수동형 탐색기를 장착한 유도탄에 쉽게 적용할 수 있다.
제안된 유도법칙은 탐색기의 FOV 제한을 고려하여 유도단계 동안 lock-on 조건을 계속 유지할 수 있고, 기동 가속도 제한에 따른 최대 충돌각을 교전 전에 분석할 수 있는 해석적인 방안을 제시하여 원하는 충돌각을 설정하는데 유용하게 적용할 수 있다. 또한, 유도단계 동안 가속도 명령 생성을 위해서는 지향각, 시선각, 시선각 변화율 정보만 필요하기 때문에 수동 호밍 유도탄에도 쉽게 적용할 수 있을 것으로 판단된다. 다양한 충돌각 조건과 속도변화가 있는 운동 모델에 대한 비선형 시뮬레이션을 수행하였고, 무시할 수 있는 거리 오차와 충돌각 오차가 발생하는 것을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	최적 제어이론을 이용한 유도법칙이란 어떠한 방법인가	충돌각 제어 유도법칙은 크게 최적 제어이론을 기반으로 한 유도법칙[1-5]과 비례항법(proportional navigation)을 활용한 유도법칙[6-9]이 많이 연구되었다. 최적 제어이론을 이용한 유도법칙은 가속도 명령을 성능지수로 하여 에너지를 최소화하면서 충돌각 구속조건을 만족하도록 하는 방법이다[1-3]. 참고문헌 [4]에서는 충돌각 뿐만 아니라 종말 가속도 조건을 만족할 수 있는 유도법칙을 제안하였고, 참고문헌 [5]에서는 가속도 명령의 성능지수에 잔여비행시간(time-to-go)을 고려하여 다양한 형태의 최적 유도명령을 생성 시킬 수 있는 유도법칙을 제안하였다.
	충돌각 제어에 대한 요구가 많아지는 이유는 무엇인가	현대의 대전차 및 함대함 유도탄의 경우 표적의 취약한 부분을 공격하여 요격 확률을 최대화하기 위해 충돌각 제어에 대한 요구를 많이 하고있다. 이러한 이유로 충돌각 제어에 대한 연구가 과거부터 현재가 많이 진행되어오고 있다.
	최적 제어이론을 이용한 유도법칙의 단점은 무엇인가	참고문헌 [4]에서는 충돌각 뿐만 아니라 종말 가속도 조건을 만족할 수 있는 유도법칙을 제안하였고, 참고문헌 [5]에서는 가속도 명령의 성능지수에 잔여비행시간(time-to-go)을 고려하여 다양한 형태의 최적 유도명령을 생성 시킬 수 있는 유도법칙을 제안하였다. 최적 제어이론을 바탕으로 한 충돌각 제어 유도법칙의 경우 가속도 명령을 생성시키기 위해 표적의 거리정보 또는 잔여비행시간을 추정하는 필터 설계가 필요한 단점을 가지고 있다.

참고문헌 (12)

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상세보기
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상세보기
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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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