[논문]무인항공기 탑재 가시선 데이터링크 방향성 안테나 위치 최적화

김지훈; 최재원; 정을호

doi:10.5573/ieie.2014.51.4.018

무인항공기 탑재 가시선 데이터링크 방향성 안테나 위치 최적화
Placement Optimization of Airborne Line-Of-Sight Datalink Directional Antenna in UAV 원문보기

Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers = 전자공학회논문지, v.51 no.4, 2014년, pp.18 - 24

김지훈 (국방과학연구소 제7기술연구본부 UAV 체계 개발단) , 최재원 (국방과학연구소 제7기술연구본부 UAV 체계 개발단) , 정을호 (국방과학연구소 제7기술연구본부 UAV 체계 개발단)

초록
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본 논문에서는 무인항공기의 운용 범위 내에서 데이터링크 두절을 최소화할 수 있는 탑재 가시선 데이터링크 방향성 안테나의 최적 위치를 EM(Electromagnetic) 시뮬레이션을 통하여 분석하였다. 무인항공기의 급격한 거동 시 동체 Blockage로 인한 전자파 왜곡 및 손실로 데이터링크 두절이 발생할 수 있다. 이와 같은 데이터링크 두절을 방지하기 위하여 무인항공기의 거동범위를 제한하면 선회 반경이 커지게 되고, 이로 인하여 임무 수행에 많은 제약이 발생할 수 있다. 이를 해결하기 위하여 1축 방향성 안테나의 동체 상/하부 장착을 고려한 최적위치에 대하여 EM시뮬레이션을 수행하였다. 장착된 방향성 안테나는 수직빔폭이 넓은 1축 안테나를 적용하여 수직 빔폭 만큼 무인항공기가 데이터링크 두절 없이 거동할 수 있도록 설계하였다. 또한, 2축이 아닌 1축 안테나 탑재로 인하여 탑재 중량도 크게 줄일 수 있는 장점을 갖고 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the optimum placement of airborne line-of-sight (LOS) datalink directional antenna to minimize the datalink loss within the operation range of unmanned aerial vehicle (UAV) is analyzed by using the electromagnetic (EM) simulation. In quick banking of UAV, the datalink loss is occurred due to the electromagnetic distortion and transmission loss by the fuselage blockage. In general, the banking angle of UAV is limited to prevent the datalink loss. However, in this case, there is the problem that the mission performance ability is largely limited by the banking radius increase. To solve this problem, the optimum placement to mount the airborne LOS datalink 1-axis directional antenna on both the top and bottom surfaces of fuselage is analyzed by using EM simulation. The 1-axis antenna with large vertical beamwidth is used because the banking angle of UAV is dependent on the vertical beamwidth of antenna. Also, there is the benefit to reduce largely the weight because the 1-axis antenna can be mounted instead of the 2-axis one.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

분석결과, 무인항공기 기동 범위 내에서의 정상적인 임무수행이 가능하도록 탑재 가시선데이터링크 방향성 안테나를 비행체 상/하부에 적용하는 방안을 분석 및 제시하였다. 또한, 비행체 전후방 동체에 의한 간섭으로 발생하는 안테나 이득 감쇄 문제를 해결하기 위하여 탑재 가시선데이터링크 방향성 안테나의 높이를 최적화하는 방안을 분석 및 제시하였다.

제안 방법

본 장에서는 탑재 방향성 안테나를 비행체 상/하부에 동시 적용할 경우의 비행체 거동 범위에 대하여 분석하였다. EM 분석은 탑재 방향성 안테나를 단일로 적용한 경우와 동일한 조건으로 수행하였다. 분석에 사용한 비행체 장착 전 단일 안테나 특성은 표 2와 같다.
위의 분석 결과들을 종합하여, 탑재 방향성 안테나를 비행체 상/하부에 동시 적용하였을 경우, 안테나의 3dB 수직 빔폭 만큼 데이터링크 두절 없이 거동할 수 있고, 탑재 중량도 절반으로 줄일 수 있는 것으로 분석 되었다. 또한, 비행체 전후방 동체에 의한 간섭으로 생긴 null 영역 발생 문제는 탑재 방향성 안테나의 높이를 최적화함으로써 해결하였다.
무인항공기의 급격한 거동 시 동체 Blockage로 인한 전자파 왜곡 및 손실로 데이터링크 두절이 발생할 수 있다. 무인항공기의 거동 상황 하에서도 데이터링크 두절을 막을 수 있는 탑재 가시선데이터링크 방향성 안테나의 최적위치를 EM 시뮬레이션을 통하여 분석하였다. 분석결과, 무인항공기 기동 범위 내에서의 정상적인 임무수행이 가능하도록 탑재 가시선데이터링크 방향성 안테나를 비행체 상/하부에 적용하는 방안을 분석 및 제시하였다.
이 결과를 기반으로 무인항공기가 Blockage 없이 더 큰 Roll/Pitch 각으로 거동할 수 있도록 탑재 방향성 안테나를 동체 상/하부에 장착하였다. 무인항공기의 거동범위에서도 데이터링크 두절 없이 정상적인 임무 수행이 가능하도록 탑재 방향성 안테나 위치를 EM 분석을 통하여 최적화하였다.
본 논문에서는 무인항공기의 거동 중 Blockage가 심하게 발생하는 날개와 동체 전/후방 방향에 대해서 데이터링크 두절이 발생하는 Roll/Pitch 각을 분석하였다. 이 결과를 기반으로 무인항공기가 Blockage 없이 더 큰 Roll/Pitch 각으로 거동할 수 있도록 탑재 방향성 안테나를 동체 상/하부에 장착하였다.
본 장에서는 단일 탑재 방향성 안테나를 적용하였을 경우 비행체 거동에 따른 동체 Blockage로 발생하는 Roll/Pitch 제한 각 분석을 수행하였다. 분석을 위한 무인항공기 전체 모델은 그림 1에 나와 있다.
본 장에서는 탑재 방향성 안테나를 비행체 상/하부에 동시 적용할 경우의 비행체 거동 범위에 대하여 분석하였다. EM 분석은 탑재 방향성 안테나를 단일로 적용한 경우와 동일한 조건으로 수행하였다.
무인항공기의 거동 상황 하에서도 데이터링크 두절을 막을 수 있는 탑재 가시선데이터링크 방향성 안테나의 최적위치를 EM 시뮬레이션을 통하여 분석하였다. 분석결과, 무인항공기 기동 범위 내에서의 정상적인 임무수행이 가능하도록 탑재 가시선데이터링크 방향성 안테나를 비행체 상/하부에 적용하는 방안을 분석 및 제시하였다. 또한, 비행체 전후방 동체에 의한 간섭으로 발생하는 안테나 이득 감쇄 문제를 해결하기 위하여 탑재 가시선데이터링크 방향성 안테나의 높이를 최적화하는 방안을 분석 및 제시하였다.
이 경우에는 날개가 동체 중간에 위치하므로 3dB 수직 빔폭의 가장자리가 날개에 영향을 받지 않는 것을 확인할 수 있다. 비행체 전후방 상하부 동체에 의해 안테나 이득이 감소되는 문제를 해결하기 위하여 안테나 높이에 따른 방사 패턴의 변화를 분석하였다. 그림 4는 비행체 상부에 장착된 탑재 방향성 안테나의 높이에 따른 방사 패턴을 보여준다.
EM 시뮬레이션을 위하여 FEKO를 이용하였다. 시뮬레이션의 복잡도를 줄이고 분석 시간과 메모리 이용도를 최소화하기 위하여 비행체의 복합체 구조를 레이돔구조를 제외하고 PEC 모델로 간략화 하였다^[7]. 분석 기법은 Physical Optics (PO) 방식을 사용하여 분석하였다.

대상 데이터

군사적 용도로는 전술, 전략, 특수임무 무인항공기로 구분한다. 본 논문에서 분석된 무인항공기는 Predator, Grey Eagle과 같은 전술급 이상의 대형 무인항공기이다. 최근 무인항공기는 수많은 감시, 정찰, 통신 장비들을 장착하고 있고, 그 외에도 항법, 통신링크, 데이터링크, 이외의 다른 응용분야들을 위한 더 많은 안테나들을 요구한다.

이론/모형

이는 Link Budget 분석을 통하여 산출한 기준 값이다. EM 시뮬레이션을 위하여 FEKO를 이용하였다. 시뮬레이션의 복잡도를 줄이고 분석 시간과 메모리 이용도를 최소화하기 위하여 비행체의 복합체 구조를 레이돔구조를 제외하고 PEC 모델로 간략화 하였다^[7].
시뮬레이션의 복잡도를 줄이고 분석 시간과 메모리 이용도를 최소화하기 위하여 비행체의 복합체 구조를 레이돔구조를 제외하고 PEC 모델로 간략화 하였다^[7]. 분석 기법은 Physical Optics (PO) 방식을 사용하여 분석하였다.

성능/효과

(a)와 (b)와 각각 비교하였을 때, 탑재 방향성 안테나의 높이를 위/아래로 각각 60mm씩 올리고 내린 경우, 비행체 전후방 동체에 의한 간섭으로 생긴 null 영역이 상당 부분 사라진 것을 확인할 수 있다. 위의 분석 결과들을 종합하여, 탑재 방향성 안테나를 비행체 상/하부에 동시 적용하였을 경우, 안테나의 3dB 수직 빔폭 만큼 데이터링크 두절 없이 거동할 수 있고, 탑재 중량도 절반으로 줄일 수 있는 것으로 분석 되었다. 또한, 비행체 전후방 동체에 의한 간섭으로 생긴 null 영역 발생 문제는 탑재 방향성 안테나의 높이를 최적화함으로써 해결하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	탑재 가시선 데이터링크 방향성 안테나가 2축인 경우 방위각, 고각 방향으로 구동하는데, 이는 어떤 문제를 일으킬 수 있는가?	탑재 가시선 데이터링크 방향성 안테나는 2축인 경우 비행체의 거동에 따라 지상 안테나를 지향하기 위하여 방위각/고각 방향으로 계속해서 구동한다. 하지만 비행체의 전/후방 동체와 날개 등에 의하여 Blockage가 발생한다. 즉, 무인항공기가 거동하는 동안 탑재 방향성 안테나가 지상 안테나를 지향하는 것을 비행체 동체가 막는 경우가 발생할 수 있다. 특히, 비행체 거동이 커질수록 Blockage가 크게 발생하고, 이는 전파 왜곡 및 손실을 유발하여 데이터링크 두절을 유발하게 된다.
	무인항공기는 어떻게 분류되는가?	무인항공기는 작전반경, 운용고도, 체공시간 등에 따라 근거리, 단거리, 중거리, 장거리 무인항공기 혹은 저고도, 중고도, 고고도 무인항공기 등으로 분류한다. 군사적 용도로는 전술, 전략, 특수임무 무인항공기로 구분한다. 본 논문에서 분석된 무인항공기는 Predator, Grey Eagle과 같은 전술급 이상의 대형 무인항공기이다.
	탑재 가시선 데이터링크 방향성 안테나는 어떤 역할을 수행하는가?	특히, 데이터링크는 비행체의 상태정보 및 영상정보와 비행체 제어명령 등을 송수신하는 역할을 수행하여 무인항공기의 생존성과 큰 연관성을 갖고 있기 때문에 더욱 더 중요하다. 특히, 탑재 가시선 데이터링크 방향성 안테나의 경우, 임무영상과 전방주시영상을 지상으로 전송하는 중요한 역할을 하기 때문에 임무와 비행 조종 측면에서 중요한 요소이다. 하지만 무인항공기는 안테나의 최적 성능을 낼 수 있기에는 매우 제한된 면적을 제공한다.

참고문헌 (7)

A. Patrovsky and R. Sekora, "Structural integration of a thin conformal annular slot antenna for UAV applications," Loughborough Antennas & Propagation Conference, pp. 229-232, 2010.
B. T. Strojny and R. G. Rojas, "Integration of conformal GPS and VHF/UHF communication antennas for small UAV applications," European Conference on Antennas and Propagation, pp. 2488-2492, 2009.
R. C. Hansen, "Fundamental limitations in antennas," Proceedings of the IEEE, Vol. 69, No. 2, pp. 170-182, 1981.

상세보기
M. S. Sharawi, O. A. Rawashdeh, and D. N. Aloi, "Performance of an embedded monopole antenna array in a UAV wing structure," IEEE Mediterranean Electrotechnical Conference, pp. 835-838, 2010.
D. Gray, "Placement of broad beam beacon antennas within wing of HALE UAV," Proceedings of International Symposium on Antenna and Propagation, pp. 503-506, 2012.
C. Kim, J. Kim, K. Kyon, and D. Chung, "An efficient Method of Antenna Placement considering EMI between equipments on UAV," Journal of the Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, vol. 39, no. 10, pp. 987-994, 2011.

원문보기 상세보기
S. D. Keller, W. O. Coburn, S. J. Weiss, "Efficient electromagnetic modeling of bent monopole antenna on aircraft wing using FEKO," European Conference on Antenna and Propagation, pp. 2226-2228, 2009.

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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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