[논문]선유도어뢰 체계운용성능분석 기법

김태규

doi:10.9709/jkss.2014.23.2.007

선유도어뢰 체계운용성능분석 기법
System Operational Performance Analysis for Wire-Guided Torpedo 원문보기

한국시뮬레이션학회논문지 = Journal of the Korea Society for Simulation, v.23 no.2, 2014년, pp.7 - 15

김태규 (국방과학연구소 어뢰체계개발단)

초록
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선유도어뢰 체계운용성능분석은 요구분석 및 개발을 위한 기술적 분석 자료를 제공하는 것을 목표로 하며, 결과적으로 선유도어뢰 체계공학에서 요구정의 활동을 지원한다. 본 논문에서는 문제정의, 정식화, 모델링, 시뮬레이션, 분석 결과 등 체계운용 성능분석을 위한 기술적 접근 방법과 분석 사례를 소개한다.

System operational performance analysis for wire-guided torpedo is intended to provide technical analysis data for requirements analysis and development, which, as a consequence, supports the requirements definition activity for systems engineering. Technical approach and analysis example are presented including problem definition, formulation, modeling, simulation and analysis results that are applied to the on-going Next Generation Torpedo project.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 선유도어뢰 체계운용성능분석 기법에 대해 기술하였다. 문제 정의에서 분석 결과에 이르기까지 기술적 접근과 방법, 소요되는 모델링, 시뮬레이션 및 분석 결과들을 소개하였다.
본 논문에서는 한국형 선유도어뢰의 개발 과정에서 개발 및 적용한 체계운용성능분석 기법을 소개한다^{[6, 9}]. 앞서 기술한 바와 같이 이것은 기존의 발사후망각 방식의 어뢰분석 기법과 차이를 가지고 있다.
앞서 기술한 바와 같이 이것은 기존의 발사후망각 방식의 어뢰분석 기법과 차이를 가지고 있다. 분석 기법의 핵심은 선유도어뢰의 운용 및 체계 특성에 대해 분석문제를 명확히 정의하는 것인데, 본 논문은 기술적 접근과 일부 분석사례를 소개함으로써 이에 대한 정보를 제공하고자 한다. 상용도구인 ODIN은 선유도 어뢰의 성능분석 기능을 제공하는데, 도구의 기술적 구현을 위한 학술적 자료를 찾기 어렵다^[10].
우선 최상위 핵심성능지수인 명중률에 영향을 끼치는 파라미터, 즉 교전상황, 환경 및 대응규칙 등과 관련한 전술변수, 그리고 어뢰 기동능력, 탐지성능, 유도성능 등의 기술변수를 선정한다. 분석의 목표는 전술변수의 변화를 고려하여 최선의 기술변수가 결정될 수 있도록 하는 것이다. 이것은 체계 제약조건 및 비용분석과 연결되어 상쇄분석으로 귀결된다.
상기 연구 결과들의 대부분은 발사후망각 방식 어뢰의 분석에 주안을 두고 있다. 이것은 어뢰의 표적탐색 패턴과 음향탐지모델을 기반으로 표적정보의 확률적 불확실성에 따른 탐지성공율을 산출함으로써 운용효과를 평가하고자 하는 것이다. 이와 대비하여, 운용함에서 지령유도를 하는 선유도어뢰는 발사후망각 방식의 어뢰와 운용형태부터 전혀 다르다.
다른 유도무기체계와 마찬가지로 선유도어뢰의 체계운용성능의 기술적인 최상위 핵심성능지수는 명중률이다. 이를 최대화하기 위한 기술적 파라미터들 간의 조율, 나아가 비용을 포함하는 상쇄연구지원이 체계운용성능분석의 궁극적 목표이다. 체계공학 측면에서 이것은 곧 핵심성능지수의 결정으로 귀결된다.
차기중어뢰 연구개발에서의 분석 사례를 소개한다.

가설 설정

소음원 j는 다음의 조건을 만족시킬 경우 탐지되었다고 가정한다.

제안 방법

이것은 체계 제약조건 및 비용분석과 연결되어 상쇄분석으로 귀결된다. 기술적으로는 2.1에 정의된 분석 문제에 따라 고정변수와 실험변수, 그리고 실험공간을 선정하여 모의실험 수행하고 명중률과 같은 척도를 수집함으로써 실험변수 각각의 최적값을 도출한다. 하나의 실험은 실험공간에 대한 반복 시뮬레이션이 수행된다.
본 논문에서는 선유도어뢰 체계운용성능분석 기법에 대해 기술하였다. 문제 정의에서 분석 결과에 이르기까지 기술적 접근과 방법, 소요되는 모델링, 시뮬레이션 및 분석 결과들을 소개하였다. 이러한 체계운용분석 결과는 임무소요에 대해 기존의 발사후망각 어뢰 대신 선유도어뢰를 획득하여야 하는 이유, 운용성능에 영향을 미치는 핵심변수의 식별, 제안된 설계 및 획득 대안들의 장단점 등에 대한 의사판단 결과를 제공함으로써 현재 개발 중인 한국형 선유도어뢰 개발의 적용되었다.
운용자는 발사함의 음향탐지결과와 선유도어뢰가 발사함으로 전달하는 정보를 종합, 판단하여 선유도어뢰에 명령을 내린다. 본 논문에서는 일반적인 운용자의 무장통제방식을 모델링하여 발사함 무장통제모델을 아래와 같이 구현하였다.
본 논문의 시뮬레이션에 사용된 모델은 크게 논리도로 표현이 가능한 논리모델과 수식에 따라 계산되는 수학모델로 구분된다. 논리모델은 발사함의 무장통제모델, 선유도어뢰의 유도통제모델, 표적함의 대항체계운용 및 회피논리 모델, 대항체계의 운용논리모델이 있다.
본 사례에서는 설계대안 별, 선유도어뢰의 운용능력을 비교 분석하였다. 실험은 Table 8에 기술된 것과 같이 설계되었으며, 시나리오는 4.
본 사례에서는 소프트킬(softkill) 어뢰대항체계를 갖춘 표적함이 어뢰방어를 수행하는 경우에 대한 발사후망각 대비 선유도어뢰의 성능을 비교 분석하였다. 실험은 Table 6에 기술된 것과 같이 설계되었으며 시나리오는 다음과 같다.
본 사례에서는 어뢰운용속력에 따른 명중률을 분석하 였다. 실험은 Table 7에 기술된 것과 같이 설계되었으며 시나리오는 다음과 같다.
1에서의 어뢰모델과 동일한 모델이 적용 가능하다. 본 연구에서는 실적선 자료를 기반으로 모델 파라미터들을 결정하였다.
시뮬레이션 프로그램은 MS-Windows 그래픽 기반의 사용자인터페이스(GUI)와 실험기(experimentor) 및 모의기(simulator), 그리고 전술객체들의 수학모델들이 객체기반으로 구현되었다.
1은 실험기와 모의기를 포함하여 모의실험을 통제하는 시뮬레이션 환경 및 통제모듈과 전술객체 모델들의 개략적 구성을 보여준다. 어뢰 유도, 탐색, 및 추적, 그리고 센서동작 및 신호처리 등 물리적 과정에 대한 수학 모델의 시뮬레이션과 소요 정보들의 수집이 용이하도록 일정 주기로 정보를 갱신하는 이산시간 기반의 시뮬레이션이 구현되었다.
우선 최상위 핵심성능지수인 명중률에 영향을 끼치는 파라미터, 즉 교전상황, 환경 및 대응규칙 등과 관련한 전술변수, 그리고 어뢰 기동능력, 탐지성능, 유도성능 등의 기술변수를 선정한다. 분석의 목표는 전술변수의 변화를 고려하여 최선의 기술변수가 결정될 수 있도록 하는 것이다.
문제 정의에서 분석 결과에 이르기까지 기술적 접근과 방법, 소요되는 모델링, 시뮬레이션 및 분석 결과들을 소개하였다. 이러한 체계운용분석 결과는 임무소요에 대해 기존의 발사후망각 어뢰 대신 선유도어뢰를 획득하여야 하는 이유, 운용성능에 영향을 미치는 핵심변수의 식별, 제안된 설계 및 획득 대안들의 장단점 등에 대한 의사판단 결과를 제공함으로써 현재 개발 중인 한국형 선유도어뢰 개발의 적용되었다.
운용성 확인은 무기체계 탐색개발에서 최종 결심을 뒷받침하는 매우 중요한 판단 근거가 되는데, 체계운용성능분석은 선유도어뢰의 운용성능 및 전투효과를 예측함으로써 체계 획득 및 기술 대안에 대한 비교 분석을 지원한다. 체계개발 초기단계에서 제한적 정보와 지식, 부분적 시제에 의한 실험 및 시험 결과 등을 기반으로 체계성능 파라미터들을 식별하고, 이로부터 운용 측면에서의 체계성능을 예측한다. 모델과 시뮬레이션을 이용한 모의실험 및 분석은 이를 위한 중요한 방법론이자 도구가 된다.
위의 그래프는 설계대안에 따라 표적기준 초기 공격지점 별 공격 성공여부를 보여준다. 표적기준 초기 공격지점에 따른 실험공간을 형성하고 각 실험공간에서 공격이 성공할 경우 표시하고 그 외의 경우에는 빈칸으로 남겨두었을 때 결과를 도시해 보았다. 아래의 그래프는 위의 세 설계대안에 대해 공격거리대비 공격성공률을 보여준다.
하나의 실험은 실험공간에 대한 반복 시뮬레이션이 수행된다. 하나의 시뮬레이션은 교전상황 및 환경에 의한 교전 시작조건 부여 후 어뢰발사에서부터 표적명중 또는 주행종료에 이르기까지 수행되고 척도 산정을 위한 분석정보를 수집한다. 이 때 어뢰, 표적, 어뢰대항체계 등의 전투객체들은 설정된 논리에 따라 자율적으로 동작한다.

대상 데이터

논리모델은 발사함의 무장통제모델, 선유도어뢰의 유도통제모델, 표적함의 대항체계운용 및 회피논리 모델, 대항체계의 운용논리모델이 있다. 수학모델은 잠수함, 수상함, 어뢰의 기동 및 음향탐지모델이 있다. 각 모델들은 Fig.

이론/모형

기존 어뢰 개발에서 검증 및 활용된 수동 및 능동소나 방정식 기반의 모델 적용하였다. 모델의 형태는^[5] 또는^[3]와 유사하다.
선유도어뢰에 주로 적용되는 방위편승법과 충돌침로법에 따른 유도 및 조종법칙을 적용하였다.
실험설계와 관련하여, 본 연구에서는, 주어진 개발기간과 전산시간의 부하를 고려하여 효율적 실험이 수행될 수 있도록, 세분화된 분석문제에 따라 단일요소분석법, 계승 실험법, 부분계승실험법 등이 혼용되었다.
상용도구인 ODIN은 선유도 어뢰의 성능분석 기능을 제공하는데, 도구의 기술적 구현을 위한 학술적 자료를 찾기 어렵다^[10]. 음향 탐지환경을 중심으로 수중/수상 무기의 시뮬레이션 환경을 제공하는 THOR 모델은 ODIN을 구현하기 위한 기반 모델로 알려져 있는데^[2], 본 논문에서는 함소나 모델에 이를 참조하였다.
회피논리 모델은 ‘파이차트회피법’을 참고하였다[4, 7].

성능/효과

ii) SE*값이 0보다 크거나, 또는 min{SEI, SER} – SE*값이 특정 상수 C2 보다 크면 두 소음원 L과 R은 분리 가능한 것으로 간주한다.

후속연구

이러한 방법론은 유사 무기체계와 상용체계의 연구개발에 확장 적용될 수 있을 것으로 판단된다. 만일 체계 및 기술적 성능분석을 위한 분석으로 확장하고자 한다면 모델의 정밀도와 정확도를 높여야 할 것이다. 무기체계 운용지원을 위한 작전술 개발에도 동일한 방법론이 적용될 수 있을 것이다.
이러한 방법론은 유사 무기체계와 상용체계의 연구개발에 확장 적용될 수 있을 것으로 판단된다. 만일 체계 및 기술적 성능분석을 위한 분석으로 확장하고자 한다면 모델의 정밀도와 정확도를 높여야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	체계요구정의란?	체계운용성능분석은 요구분석 및 개발을 포함하는 체계요구정의 활동과 체계능력 및 효과도 예측 등 운용성 확인을 지원한다. 체계요구정의는 무기체계 개발 초기단계에서 최상위요구를 분석, 정제하고 체계요구를 개발하는 일련의 공학활동인데, 체계운용성능분석은 체계 및 부체계의 사양 결정을 지원한다. 운용성 확인은 무기체계 탐색개발에서 최종 결심을 뒷받침하는 매우 중요한 판단 근거가 되는데, 체계운용성능분석은 선유도어뢰의 운용성능 및 전투효과를 예측함으로써 체계 획득 및 기술 대안에 대한 비교 분석을 지원한다.
	체계운용성능분석은 무엇을 지원하나?	체계운용성능분석은 요구분석 및 개발을 포함하는 체계요구정의 활동과 체계능력 및 효과도 예측 등 운용성 확인을 지원한다. 체계요구정의는 무기체계 개발 초기단계에서 최상위요구를 분석, 정제하고 체계요구를 개발하는 일련의 공학활동인데, 체계운용성능분석은 체계 및 부체계의 사양 결정을 지원한다.
	선유도어뢰의 체계요구 정의를 위한 분석문제는?	· 운용능력 분석: 발사후망각 대비 선유도 방식의 전술적 효과 비교 분석, 즉 기존체계 대비 신규체계 획득의 타당성과 효용성 확인 · 핵심성능지수의 타당성 분석: 요구 최대속력, 주행 거리 등의 핵심성능지수의 결정 · 체계대안 분석: 획득, 설계, 구현 등 기술적 대안들에 대한 비교분석

참고문헌 (10)

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원문보기 상세보기
J. Shin, "On the Development of Authoritative Representations of Torpedo Systems for Engagement Level Simulation", Journal fo the Korea Society for Simulation, Vol. 16, No. 3, pp. 19-28, 2007.
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T. Kim, S. Lee, "System Operational Performance Analysis Method for the Next Generation Torpedo", Report of Agency for Defence Development, ADDR-416-121000, 2012.
T. Robinson, "ODIN-an underwater warfare simulation environment," Proceedings of the Winter Simulation Conference, Vol. 1, pp. 672-679, 2001.

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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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