[논문]공대공 유도탄의 동적발사영역(DLZ) 산출 알고리듬

박상섭; 김도완; 홍주현; 유창경

doi:10.5139/jksas.2014.42.9.762

공대공 유도탄의 동적발사영역(DLZ) 산출 알고리듬
Computation Algorithm for Dynamic Launch Zone of Air-to-Air Missiles 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.42 no.9, 2014년, pp.762 - 772

박상섭 (Department of Aerospace Engineering, Inha University) , 김도완 (Department of Aerospace Engineering, Inha University) , 홍주현 (Department of Aerospace Engineering, Inha University) , 유창경 (Department of Aerospace Engineering, Inha University)

초록
AI-Helper

전투기 탑재용 무장제어 알고리듬은 교전상황에서 전투기의 임무 수행 및 생존과 직결된다. 무장제어 알고리듬은 조종사에게 DLZ라 불리는 표적 격추 가능 범위를 HUD에 전시해 준다. DLZ는 교전거리 계산 알고리듬을 이용하여 생성된다. 본 논문에서는 AIM-9과 AIM-120 공대공 유도탄의 DLZ 구성요소에 대해 소개하였다. 다음으로 가상 6-자유도 실시간 시뮬레이션 프로그램에 기반한 DLZ 산출 알고리듬에 관한 내용을 다루었다. 다양한 교전 시나리오 하에서 공대공 유도탄의 DLZ 산출 알고리듬 운용상의 특징을 시뮬레이션을 통해 조사하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A weapon control algorithm equipped on a fighter is closely related to the mission accomplishment and fighter survivability during engagement. The weapon control algorithm typically provides a pilot the dynamic launch zone(DLZ), the target shoot-down range of air-to-air missiles, in the head-up display(HUD). DLZ is produced by an engagement range computation algorithm. In this paper, the components of DLZ for AIM-9 and AIM-120 air-to-air missiles are introduced. The real-time computation algorithm for DLZ based on the pseudo 6-DOF program is then addressed The operational aspects of DLZ algorithm for the air-to-air missiles to various engagement scenarios is investigated vis simulations.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 3자유도 질점 운동 방정식을 기반으로 하는 Pseudo 6자유도 운동 모델을 이용한 모의 프로그램을 개발한다. Pseudo 6자유도 운동 모델이란 기존 3자유도 질점 운동 방정식 중, 유도 가속도 명령으로부터 받음각을 가정하여 가상의 자세각을 출력할 수 있는 모델이다.
이러한 정보들을 산출하기 위해서 가장 우선적으로 수행되어야 하는 것은 유도탄의 궤적을 모의할수 있는 프로그램을 만드는 것이다. 따라서 본 연구에서는 공대공 유도탄 운동 모의를 위해서 Pseudo 6자유도 모델을 개발하고, 이를 바탕으로 공대공 유도탄의 DLZ 산출 알고리듬을 연구하여 대상 유도탄의 DLZ를 산출한다.
본 연구에서는 AIM-9, AIM-120 유도탄의 운용을 모의하고 DLZ 요소들에 대해 분석 및 산출하였다. 이를 위하여 Pseudo 6자유도 모델을 연구하여 교전모의 시뮬레이션 프로그램을 개발 하였다.
본 연구의 핵심은 현재 한국에서 운용중인 전투기에 탑재되는 공대공 유도탄[2] AIM-9 Sidewinder와 AIM-120 AMRAAM의 표적 격추 가능성을 판단하고 격추 가능 범위를 제공하여, 유도탄 발사 모기가 표적 격추 가능 범위에 위치하게 하기 위한 전시 정보들을 실시간으로 산출하는 것과 교전을 모의하여 검증하는 것이다. 이러한 정보들을 산출하기 위해서 가장 우선적으로 수행되어야 하는 것은 유도탄의 궤적을 모의할수 있는 프로그램을 만드는 것이다.
이러한 Pseudo 6자유도 프로그램은 외보 입력 파라미터를 변경 함으로써 하나의 프로그램 구조로도 여러 종류의 유도탄을 모의할 수 있도록 개발하였다. 이를 바탕으로 공대공 유도탄의 최대/최소 교전거리 계산 알고리듬인 DLZ 산출 알고리듬에 대하여 연구하였다. 최대 교전 거리는 오차 거리의 기울기만큼 오차 거리를 보상하며 계산하고, 최소 교전 거리는 Bi-section 방식을 이용하여 계산한다.

가설 설정

표적은 전투기를 대상으로 하고, 표적의 가속도는 선회가속도 뿐이라고 가정한다. 따라서 표적의 초기 속도와 가속도에 의해 정의된 Fig.

제안 방법

Pseudo 6자유도 시뮬레이션 프로그램에서 사용하는 공력 데이터는 각 유도탄의 2차원 평면도를 스케일링하여 Missile DATCOM[11]을 통해마하수와 받음각의 테이블 형태로 구성하였다. 따라서 마하수를 알고 필요한 양력 계수를 알면, 양력 계수를 생성하는데 필요한 유도받음각 명령을 계산할 수 있다.
따라서 프로그램의 실시간성을 위하여 iteration 횟수와 사거리에 따른 오차 거리의 분석을 통하여 그에 따른 경향성을 도출하고, 이를 바탕으로 Newton‘s 기법[6]을 통해 Fig. 8과 같이 사거리에 따른 오차 거리의 기울기만큼 보상하여 실시간성을 보장하였다.
본 연구에서 AIM-120의 중기유도는 경로점을 거쳐 표적으로 유도되도록 궤적 성형을 수행하였다. 장거리를 비행하는 유도탄의 궤적은 발사 초기 부스팅을 통해 높은 고도까지 도달하여 위치 에너지를 높게 만든 후, 위치에너지를 운동에너지로 변화시켜가며 최종 표적에 도달했을 때 높은 속도 상태인 궤적을 가진다.
12와 같다. 본 연구에서는 유도 조종 구간을 무유도 구간, 중기유도 구간, 종말유도 구간의 세 구간으로 나눈다. 무유도 구간은 표적을 격추하기 위해서 유도탄을 발사할 때 발사 모기에서 분리되어 추진 제가 점화하기 전까지 유도탄이 자유낙하 하는 구간이다.
DLZ 산출 알고리듬이란 강체의 운동을 모의할 수 있는 모델을 바탕으로 공대공 유도탄의 교전 가능 범위 및 전투기 HUD에 필요한 DLZ 정보 들을 산출하는 알고리듬이다. 이 알고리듬을 적용하여 Pseudo 6자유도 시뮬레이션 프로그램에서 유도탄과 가상 표적을 교전시킴으로써 전투기에 탑재되는 공대공 유도탄의 최대 교전 거리와 최소 교전 거리를 분리해서 계산하여 교전 가능 범위를 계산한다. 최대 교전 거리 계산 알고리듬이 표적 요격이 불가능한 조건으로부터 오차 거리를 보상해가며 요격 가능한 조건의 교전 가능 거리를 판단하는 알고리듬이라면, 최소 교전 거리 계산 알고리듬은 표적 요격이 가능한 조건으로부터 요격 불가능한 조건을 찾아나가는 방식이다.
모의대상 유도탄에 따른 입력 파라미터는 Table 8과 같다[12-14]. 이를 바탕으로 Pseudo 6자유도 시뮬레이션 프로그램과 최대, 최소 교전 거리 계산 알고리듬을 통하여, Table 7과 같은 초기 조건에서 교전 모의 시뮬레이션을 수행하였다. 이 때, 표적의 초기 고도, 초기 속도, 초기 방위각을 변화 시켜가며 구한 AIM-9 DLZ는 Fig.
본 연구에서는 AIM-9, AIM-120 유도탄의 운용을 모의하고 DLZ 요소들에 대해 분석 및 산출하였다. 이를 위하여 Pseudo 6자유도 모델을 연구하여 교전모의 시뮬레이션 프로그램을 개발 하였다. Pseudo 6자유도 모델은 3자유도 질점 운동방정식 기반으로 유도 가속도 명령으로부터 받음각을 가정하여 가상의 자세각을 계산함으로써, 3자유도 모델의 신속성과 6자유도 모델의 자세 계산이라는 장점을 갖추고 있다.

이론/모형

이를 바탕으로 공대공 유도탄의 최대/최소 교전거리 계산 알고리듬인 DLZ 산출 알고리듬에 대하여 연구하였다. 최대 교전 거리는 오차 거리의 기울기만큼 오차 거리를 보상하며 계산하고, 최소 교전 거리는 Bi-section 방식을 이용하여 계산한다.
탐색기 lock-on 이후 종말유도 단계에서 유탄의 유도법칙으로는 PPN(Pure Proportional Navigation) 유도 법칙을 구성하여 적용하였다. 따라서 유도 명령은 유도탄 속도벡터에 수직한 방향으로 나타나고, 그에 따른 유도가속도는 식 (5)와 같이 정의된다[10]

성능/효과

개발한 프로그램을 바탕으로 입력 파라미터 대체를 통하여 공대공 유도탄 외에도, 한국에서 운용중인 전투기에 탑재되는 공대지 유도탄에 대한 전시 정보를 산출할 수 있다. 이를 통하여 전투기 MFD(Multi Function Display) 상에 도시되는 LAR(Launch Acceptable Region) Footprint의 도출을 모색할 수 있다.

후속연구

그러나 이러한 무장제어 알고리듬은 전투기의 항전장비에 함께 탑재되어 일괄적으로 도입되므로 그 세부적인 사항들을 알 수 없고, 전투기는 물론 통상 기밀사항으로 취급되는 공대공 유도탄의 운용 및 제원과 관련된 사항들이 포함되어 있어 관련 기술을 이전 받거나 도입 하는 것이 불가능하다. 따라서 향후 국산 전투기에 탑재될 무장제어 알고리듬에 관한 연구를 국내에서 자체적으로 수행할 필요가 있으며, 이러한 선행 연구를 통해 실제 운용 무장제어 알고리듬 기술개발의 초석을 마련할 필요가 있다.
탐색기 모듈에서는 종말유도 단계에서 탐색기의 lock-on 여부에 대해 판단한다. 또한 유도탄과 표적의 위치, 속도를 통해 유도 조종 모듈에서 사용할 시선각 변화율을 계산하는 유도탄의 탐색기 역할을 모의한다. 그에 따른 탐색기 모듈의 흐름도는 Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전투기 탑재용 무장제어 알고리듬은 교전상황에서 무엇과 직결되는가?	전투기 탑재용 무장제어 알고리듬은 교전상황에서 전투기의 임무 수행 및 생존과 직결된다. 무장제어 알고리듬은 조종사에게 DLZ라 불리는 표적 격추 가능 범위를 HUD에 전시해 준다.
	무장제어 알고리듬은 조종사에게 어떤 범위를 HUD에 전시해주는가?	전투기 탑재용 무장제어 알고리듬은 교전상황에서 전투기의 임무 수행 및 생존과 직결된다. 무장제어 알고리듬은 조종사에게 DLZ라 불리는 표적 격추 가능 범위를 HUD에 전시해 준다. DLZ는 교전거리 계산 알고리듬을 이용하여 생성된다.
	DLZ 산출 알고리듬을 Pseudo 6자유도 시뮬레이션 프로그램에 적용한 이점은?	DLZ 산출 알고리듬이란 강체의 운동을 모의할수 있는 모델을 바탕으로 공대공 유도탄의 교전 가능 범위 및 전투기 HUD에 필요한 DLZ 정보 들을 산출하는 알고리듬이다. 이 알고리듬을 적용하여 Pseudo 6자유도 시뮬레이션 프로그램에서 유도탄과 가상 표적을 교전시킴으로써 전투기에 탑재되는 공대공 유도탄의 최대 교전 거리와 최소 교전 거리를 분리해서 계산하여 교전 가능 범위를 계산한다. 최대 교전 거리 계산 알고리듬이 표적 요격이 불가능한 조건으로부터 오차 거리를 보상해가며 요격 가능한 조건의 교전 가능 거리를 판단하는 알고리듬이라면, 최소 교전 거리 계산 알고리듬은 표적 요격이 가능한 조건으로부터 요격 불가능한 조건을 찾아나가는 방식이다.

참고문헌 (14)

O. Goteman, K. Smith, and S. Dekker, "HUD with a Velocity(Flight-Path) Vector Reduces Lateral Error During Landing in Restricted Visibility," International Journal of Aviation Psychology, Vol. 17, 2007, pp.91-108.

상세보기
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J. M. Sung, B. S. Kim, and B. H. Shin, "Development of a Air-to-Air Missile Simulation Program for the Lethality Evaluation," Journal of KSAS, Vol. 38, No. 3, 2010, pp.288-293.

원문보기 상세보기
E. L. Fleeman, "Technologies for Future Precision Strike Missile Systems-Missile /Aircraft Integration," Defense Technical Information Center Compilation Part Notice, ADP010957, 2001.
U.S. Air Force, http://www.af.mil/

저자의 다른 논문 :

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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