[논문]다중 좌표계간 각도오차 보정을 통한 체계정렬 기법

하종수; 이의혁; 이현아; 박규철; 조규공

doi:10.9766/kimst.2014.17.3.342

문제 정의

xxmm로서 구성품 오차보다 정밀하므로 이를 반영하여 교전성능분석^[7]을 수행해도 성능의 저하가 거의 없는 것으로 분석되었다. 따라서 본 논문에서는 장착위치 정확도는 신뢰하고 장착각도 오차에 대해서만 보상을 수행한다. 구성품별 좌표계^[8] (X_L, Y_L, Z_L)와 기본 좌표계 (X_c, Y_c, Z_c)의 관계는 Fig.
본 논문에서는 다중 좌표계간 각도오차 보정을 통한 체계정렬 기법을 제안하였다. 기존의 정렬 기법을 적용하기 어려운 문제점을 분석하고 체계정렬을 위한 기본 개념을 수립하였다.

가설 설정

Fig. 11에서는 발사장치가 Y축 기준으로 30° 회전한 위치를 지향하고 있다고 가정하고 발사장치로부터 10m 떨어진 위치에 표적판을 설치한 것으로 가정하였다.

제안 방법

3D 작도 시뮬레이션을 통해 제안하는 기법의 타당성을 검증하였으며 실제 체계정렬 시험을 통해 전차 포탑에 장착된 각 구성품의 장착각도를 보상하였다. 이와 같이 체계정렬을 적용한 능동파괴체계에 대해 실제 교전성능시험을 통해 센서 간 정렬오차가 체계 정렬 오차 범위 내에 있음을 확인하였으며 발사장치 또한 수차례의 교전을 성공하였다.
본 논문에서는 다중 좌표계간 각도오차 보정을 통한 체계정렬 기법을 제안하였다. 기존의 정렬 기법을 적용하기 어려운 문제점을 분석하고 체계정렬을 위한 기본 개념을 수립하였다. 전차 포탑에 배치되는 각 구성품의 관계를 파악하고 정밀하게 가공되어 교전성능에 영향이 거의 없는 장착위치 오차는 배제하고 교전 성능에 영향이 큰 장착각도 오차인 Pitch, Yaw, Roll에 대해서만 보상하는 체계정렬 기법을 제안하였다.
6에 Pitch 각도오차 보상 개념도를 제시하였다. 본 논문에서는 발사장치의 Pitch 각도오차를 정렬하고 동일한 방법으로 탐지추적레이더와 IRT의 Pitch 각도오차를 정렬한다. 먼저 포탑을 회전하여 발사장치의 레이저포인터와 기준 표적판의 수평선을 일치시키는데, 발사장치의 Pitch 값에 오차가 없다면 레이저포인터가 기준 표적판의 D점을 지향하여야 하나 오차가 있다면 E점을 지향하게 되고 이때의 Pitch 값이 각도 오차 E_pitch가 되므로 식 (1)과 같이 각도 오차를 구할 수 있다.
본 논문에서는 포탑 회전면을 중심으로 좌표계를 설정한다. 이를 위해 전차 포신의 수평을 유지한 다음, 전차 조준경을 이용하여 전차 포신과 기준 표적판을 정렬시켜 전차 포신과 기준 표적판 사이의 수평거리 D_tg를 측정하고 포탑 중심으로부터 바닥면까지의 수직거리 H_cg를 측정한다.
앞서 구한 E_pitch를 반영하여 구성품의 Pitch 각도오차를 보정한 다음 포탑을 구성품과 기준 표적판을 정렬한 위치보다 순방향으로 20도 더 회전하고 구성품을 역방향으로 회전하여 구성품의 관측점과 기준 표적판을 정렬한다. 구성품 별 참조점을 점 1이라 할 때 새롭게 측정한 구성품 관측 장비의 참조점을 점 2라 하면, 두 점 간 차이 H_r을 구할 수 있으며, 구성품 관측 장비와 참조점의 거리 D_tu2와 구성품의 수평회전 각도 T₁을 이용하여 구성품의 수평구동거리 T₂를 식 (6)과 같이 구한다.
위와 같이 수행한 체계정렬 기법의 효용성을 확인하기 위해 능동파괴체계의 교전시험 결과를 분석하였다. Fig.
이들을 참고하여 능동파괴체계의 시험평가를 위해 시험치구전용 정렬기법을 개발하였다^[6]. 시험치구의 경우 각 구성품은 전차 주포와 조준경처럼 치구 중심에 몰려있고 동일방향을 지향하게 되는데, 위성체 체계정렬처럼 광파기를 이용하여 장착위치를 측정하고 각 구성품의 관측 장비의 지향점을 확인함으로써 각도오차를 보정할 수 있다는 장점이 있다.
제안하는 체계정렬 기법은 전차 중심을 기준으로 구성품이 설치된 위치에 대해 원 평면을 구성함으로써 시작되기 때문에 상기와 같이 평면 중 일부 각도에 대해서만 보정을 수행하면 전 방향에 대해 오차보정이 만족되어야 한다. 이러한 설계의 타당성을 검증하기 위해 3D 작도 프로그램을 이용하여 각도 보상 시뮬레이션을 수행하였다.
10에 탐지추적레이더의 Roll 각도오차 보상 개념도를 제시하였다. 이를 기준으로 탐지추적레이더의 Roll 각도오차 E_roll을 구하고 광파기를 이용하여 표적판을 탐지추적레이더의 관측 장비가 지향하는 3곳 중 2곳에 거리가 동일하도록 정렬한다.
4의 과정 (1)에서 전차 포신과 기준 표적판 간 정렬 및 거리 측정을 통해 수평거리 Dtc와 수직거리 H_cg를 구하고, 과정 (2)에서 탐지추적레이더와 기준 표적판 간 정렬 및 거리 측정을 통해 거리 D_e를 구하고 수직거리 오차 H_e를 구하여 Pitch 각도 오차 E_pitch를 구한다. 이를 바탕으로 수평거리 Dt_u를 구하여 Yaw 각도 오차 E_yaw를 구한다. 과정 (3)에서는 과정 (2)와 동일한 방법으로 IRT의 Pitch 각도 오차 E_pitch와 Yaw 각도 오차 E_yaw를, 과정 (4)에서는 발사장치의 Pitch 각도 오차 E_pitch와 Yaw 각도 오차 E_yaw를 구한다.
이를 위해 본 논문에서는 다중 좌표계간 각도오차보정을 통한 체계정렬 기법을 제안한다. 체계정렬 기법과 관련된 기존 연구와 오차요소를 분석하고, 체계정렬을 수행하기 위한 이론 및 기법을 제안하며, 실제 시험 결과를 통해 제안하는 기법의 효용성을 검증한다.
이러한 능동파괴체계의 체계정렬을 위해서는 광파기, 레이저포인터 및 조준경, 표적판을 이용하여 포탑 중심을 기준으로 원 평면을 구성하고, 설계사양 대비 각 구성품의 장착각도를 도출하여 보정하는 방법을 수립해야 한다. 이를 위해 본 논문에서는 회전 원주 상에 있는 각 구성품들의 장착 각도를 원과 관련된 수학식을 활용하여 보상한다.
본 논문에서는 포탑 회전면을 중심으로 좌표계를 설정한다. 이를 위해 전차 포신의 수평을 유지한 다음, 전차 조준경을 이용하여 전차 포신과 기준 표적판을 정렬시켜 전차 포신과 기준 표적판 사이의 수평거리 D_tg를 측정하고 포탑 중심으로부터 바닥면까지의 수직거리 H_cg를 측정한다. 이 때 수평중심거리 D_tc는 포신과 포탑 중심 사이의 설계값 D_gc와 측정값 D_tg의 합을 통해 구한다.
기존의 정렬 기법을 적용하기 어려운 문제점을 분석하고 체계정렬을 위한 기본 개념을 수립하였다. 전차 포탑에 배치되는 각 구성품의 관계를 파악하고 정밀하게 가공되어 교전성능에 영향이 거의 없는 장착위치 오차는 배제하고 교전 성능에 영향이 큰 장착각도 오차인 Pitch, Yaw, Roll에 대해서만 보상하는 체계정렬 기법을 제안하였다.
제안하는 체계정렬 기법은 전차 중심을 기준으로 구성품이 설치된 위치에 대해 원 평면을 구성함으로써 시작되기 때문에 상기와 같이 평면 중 일부 각도에 대해서만 보정을 수행하면 전 방향에 대해 오차보정이 만족되어야 한다. 이러한 설계의 타당성을 검증하기 위해 3D 작도 프로그램을 이용하여 각도 보상 시뮬레이션을 수행하였다.
이를 위해 본 논문에서는 다중 좌표계간 각도오차보정을 통한 체계정렬 기법을 제안한다. 체계정렬 기법과 관련된 기존 연구와 오차요소를 분석하고, 체계정렬을 수행하기 위한 이론 및 기법을 제안하며, 실제 시험 결과를 통해 제안하는 기법의 효용성을 검증한다.

데이터처리

위와 같이 제안하는 체계정렬 기법을 검증하고 이를 이용하여 Fig. 12와 같이 정렬시험을 수행하였다. 설계 초기 내재되어있던 설계 오류사항들은 수차례에 걸친 시뮬레이션과 시험을 통해 보완되었으며, Table 1에 최종적으로 설계한 제안하는 정렬 기법에 대한 정렬시험 결과를 제시하였다.

성능/효과

14의 (b)보다 정밀하지 못한 결과를 보여주고있다. 특히 그림 (b)의 장비 간 획득 정보의 차이가 체계정렬 오차 xx mil 내에 있음을 고려할 때 제안하는 기법이 매우 효율적임을 확인할 수 있다.
11에서는 발사장치가 Y축 기준으로 30° 회전한 위치를 지향하고 있다고 가정하고 발사장치로부터 10m 떨어진 위치에 표적판을 설치한 것으로 가정하였다. 이 때 발사장치에 각도오차를 설정하고 제안하는 정렬 기법을 이용하여 이를 보상했을 때 표적판에 투사되는 레이저포인터의 위치와 보상 전 레이저포인터 투사위치와의 거리차를 계산했을 때 설정된 각도오차와 동일한 지 확인함으로써 제안하는 기법의 타당성을 검증하였다. 여러 시나리오에 대해 이와 같은 시뮬레이션을 수행한 결과 모두 타당한 결과를 나타내었다.
3D 작도 시뮬레이션을 통해 제안하는 기법의 타당성을 검증하였으며 실제 체계정렬 시험을 통해 전차 포탑에 장착된 각 구성품의 장착각도를 보상하였다. 이와 같이 체계정렬을 적용한 능동파괴체계에 대해 실제 교전성능시험을 통해 센서 간 정렬오차가 체계 정렬 오차 범위 내에 있음을 확인하였으며 발사장치 또한 수차례의 교전을 성공하였다. 특히 정렬이 용이한 시험치구에 대해 수행한 정지교전시험 결과보다 전차 포탑과 같이 정렬이 어려운 구조에 대해 수행한 이동교전시험 결과가 더 좋은 정렬 성능을 보여줌을 확인함으로써 제안하는 체계정렬 기법의 효용성을 검증하였다.
이와 같이 체계정렬을 적용한 능동파괴체계에 대해 실제 교전성능시험을 통해 센서 간 정렬오차가 체계 정렬 오차 범위 내에 있음을 확인하였으며 발사장치 또한 수차례의 교전을 성공하였다. 특히 정렬이 용이한 시험치구에 대해 수행한 정지교전시험 결과보다 전차 포탑과 같이 정렬이 어려운 구조에 대해 수행한 이동교전시험 결과가 더 좋은 정렬 성능을 보여줌을 확인함으로써 제안하는 체계정렬 기법의 효용성을 검증하였다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	능동파괴체계 각 구성품들의 특징?	이 때 각 구성품들은 전차[2]에 분산 장착되어 각각의 독립적인 좌표계를 형성하며 그 기능을 수행한다. 3차원 센서인 탐지추적레이더는 거리․방위각․고각의 구 좌표계에서, 2차원 센서인 IRT는 열상 화면인 평면 좌표계에서 위협체를 탐지․추적하며, 사격통제 컴퓨터는 센서에서 획득한 데이터를 바탕으로 포탑좌표계를 기반으로 교전연산을 수행하여 발사장치에 발사장치 중심 직각 좌표계를 기반으로 구동 및 발사 명령을 내리고 발사장치는 이 명령을 수행한다.
	능동파괴체계의 목적?	능동파괴체계(Hard-Kill System)는 근거리 미사일/로켓 방어체계로서 전차에 탑재되어 위협체를 탐지․추적하고 대응탄을 발사하여 무력화시키는 것을 목적으로 하며, 탐지․추적센서인 탐지추적레이더와 열상추적기(IRT : InfraRed Tracker), 위협판단 및 대응을 통제하는 사격통제컴퓨터, 대응수단인 발사장치와 대응탄으로 구성된다[1].
	능동파괴체계의 구성요소?	능동파괴체계(Hard-Kill System)는 근거리 미사일/로켓 방어체계로서 전차에 탑재되어 위협체를 탐지․추적하고 대응탄을 발사하여 무력화시키는 것을 목적으로 하며, 탐지․추적센서인 탐지추적레이더와 열상추적기(IRT : InfraRed Tracker), 위협판단 및 대응을 통제하는 사격통제컴퓨터, 대응수단인 발사장치와 대응탄으로 구성된다[1].

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