본 논문은 한국형 발사체(KSLV-II)의 스킨 추적 성능 향상을 위해 모노스태틱 RCS와 바이스태틱 RCS를 계산하고 그 결과를 비교 분석하였다. EM수치해석을 이용하여 두 가지 경로(L, S)에 대해서, 발사체가 발사된 후 280~400초 구간에 대한 RCS 값을 계산하였다. RCS를 비교 분석한 결과, 바이스태틱 레이더 시스템을 이용할 경우 발사체를 L 경로로 발사할 경우는 제주추적소의 레이더를 수신기로 할 때 고흥추적소의 레이더를 수신기로 할 경우 보다 스킨 추적 성능이 우수하였고, S 경로로 발사한 경우는 고흥 추적소의 레이더로 수신할 때 제주 추적소에서 수신 할 경우보다 스킨 추적성능이 우수함을 알 수 있었다. 모노스태틱 시스템을 이용할 경우는 L 경로인 경우 고흥 추적소의 레이더를 사용할 경우가 제주 추적소 레이더를 사용하는 것보다 스킨 추적성능이 우수하며, S 경로인 경우는 제주 추적소의 레이더를 사용할 경우 고흥 추적소 레이더를 사용하는 것보다 스킨 추적 성능이 우수한 것을 알 수 있었다.
본 논문은 한국형 발사체(KSLV-II)의 스킨 추적 성능 향상을 위해 모노스태틱 RCS와 바이스태틱 RCS를 계산하고 그 결과를 비교 분석하였다. EM 수치해석을 이용하여 두 가지 경로(L, S)에 대해서, 발사체가 발사된 후 280~400초 구간에 대한 RCS 값을 계산하였다. RCS를 비교 분석한 결과, 바이스태틱 레이더 시스템을 이용할 경우 발사체를 L 경로로 발사할 경우는 제주추적소의 레이더를 수신기로 할 때 고흥추적소의 레이더를 수신기로 할 경우 보다 스킨 추적 성능이 우수하였고, S 경로로 발사한 경우는 고흥 추적소의 레이더로 수신할 때 제주 추적소에서 수신 할 경우보다 스킨 추적성능이 우수함을 알 수 있었다. 모노스태틱 시스템을 이용할 경우는 L 경로인 경우 고흥 추적소의 레이더를 사용할 경우가 제주 추적소 레이더를 사용하는 것보다 스킨 추적성능이 우수하며, S 경로인 경우는 제주 추적소의 레이더를 사용할 경우 고흥 추적소 레이더를 사용하는 것보다 스킨 추적 성능이 우수한 것을 알 수 있었다.
In this paper, we calculate monostatic RCS(Radar Cross Section) and bistatic RCS for improving the Performance of the skin tracking of KSLV-II and the results were compared. EM(Electromagnetic) simulator was used for numerical analysis. For the two paths(L, S), after the vehicle was launched, RCS wa...
In this paper, we calculate monostatic RCS(Radar Cross Section) and bistatic RCS for improving the Performance of the skin tracking of KSLV-II and the results were compared. EM(Electromagnetic) simulator was used for numerical analysis. For the two paths(L, S), after the vehicle was launched, RCS was calculated for region from 280 to 400 seconds. In the case of using the bistatic radar system, when the vehicle was launched to the L path, tracking performance was better when we receive RCS in Jeju than in Goheung. When the vehicle was launched to the S path, tracking performance was better when we receive RCS in Goheung than in Jeju. In the case of using the monostatic radar system, when the vehicle was launched to the L path, tracking performance was better when we receive RCS in Goheung than in Jeju. When the vehicle was launched to the S path, tracking performance was better when we receive RCS in Jeju than in Goheung.
In this paper, we calculate monostatic RCS(Radar Cross Section) and bistatic RCS for improving the Performance of the skin tracking of KSLV-II and the results were compared. EM(Electromagnetic) simulator was used for numerical analysis. For the two paths(L, S), after the vehicle was launched, RCS was calculated for region from 280 to 400 seconds. In the case of using the bistatic radar system, when the vehicle was launched to the L path, tracking performance was better when we receive RCS in Jeju than in Goheung. When the vehicle was launched to the S path, tracking performance was better when we receive RCS in Goheung than in Jeju. In the case of using the monostatic radar system, when the vehicle was launched to the L path, tracking performance was better when we receive RCS in Goheung than in Jeju. When the vehicle was launched to the S path, tracking performance was better when we receive RCS in Jeju than in Goheung.
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문제 정의
한국형 발사체의 스킨 추적에 있어 2단 발사체의 분리직전까지는 추적이 충분히 가능한것으로 알려져 있다. 따라서 본 논문에서는 한국형 발사체의 스킨 추적에 대해 가장 관심이 있는 2단 발사체 분리 후(발사 270초 후)의 모델에 대해 RCS를 구하였다.
또한 목표한 위치까지 발사체를 추적할 수 있는지를 검토하여 추적가능하도록 추적레이더의 하드웨어 및 소프트웨어의 성능 업그레이드를 위한 사전검토 자료로 사용할 수 있다. 본 논문에서는 스킨 추적향상을 위해 한국형 발사체 형상에 대한 모노스태틱 RCS와 바이스태틱 RCS 에 대해 계산하고 분석하였다.
제안 방법
현재 나로우주센터에는 고흥과 제주에 추적 레이더 2기가 운용 되고 있으므로 바이스태틱 RCS를 이용하여 발사체를 추적할 수 있다. 발사체의 경로는 현재 계획 중 인 두 가지 경로 L경로와 S경로 대해 RCS를 구했고, 발사체 발사 후 280초부터 400초까지 5초 단위로 RCS를 구하였다. 5초 단위로 계산한 이유는 발사체가 5초 이동할 때 Φ각이 약 1도씩 변화되었기 때문이다.
그림 4는 2단 분리후의 발사체 형상에 대해 설계한 3D 모델과 입사파 해석궤적을 나타낸 것이다. 발사체의 롤방향에 대해서는 균일한 특성을 가지므로 발사체의 기축 방향을 기준으로 Z축에서부터 각도 변화에 따른 모노스태틱 RCS를 시뮬레이션 하였다.
본 논문에서는 한국형 발사체의 스킨 추적 성능 향상을 위해 모노스태틱 RCS와 바이스태틱 RCS를 발사체 발사 후 280초～400초 까지 발사체 이동경로 L과 S 두 경로에 대해 EM수치해석 프로그램(newFasant)을 이용하여 계산하고 그 결과를 비교 분석 하였다. 분석 결과 L경로에 대해서는 그림 7과 같이 제주추적소에서 레이더를 수신할 때 바이스태틱 RCS가 모노스태틱 RCS 보다 확연히 큰 값을 가졌고, S 경로인 경우는 고흥 추적소에서 수신했을 때 바이스태틱 RCS가 모노스태틱 RCS 보다 대체적으로 큰 값을 가졌다.
한국형 발사체의 RCS를 계산하기 위하여 발사체의 각 형상을 근사화 모델링하였다. 그림 3은 한국형 발사체 형상에 대한 근사화 모델링을 보여준다.
대상 데이터
표 1은 시뮬레이션에 대한 기본 정보이다. 추적레이다의 주파수가 5.3GHz～5.8GHz 이므로 중심주파수는 5.5GHz를 사용했고, 입사파는 전계가 theta 방향으로 향하고 있는 평면파(theta polarization plane wave)를 사용했다. 그림 4는 2단 분리후의 발사체 형상에 대해 설계한 3D 모델과 입사파 해석궤적을 나타낸 것이다.
이론/모형
발사체의 RCS는 물체 주위의 전자기파 산란현상의 직접적인 결과로 이를 해석하기 위하여 전자기학의 기본 방정식인 Maxwell 방정식을 이용한다. Maxwell 방정식을 이용한 레이더 단면적을 예측하는 기법에는 두 가지로 나눌 수 있다.
직접 수치적으로 계산하는 Full-wave solution인 MOM 기법으로 한국형 발사체의 RCS를 해석하는 것은 시간과 시스템 메모리가 너무 많이 소요된다. 본 논문에서는 고주파 근사기법 중 일반적으로 가장 많이 사용되는 PO기법을 이용하였고, newFasant 수치 해석 툴을 사용하여 RCS를 계산하였다.[7]
성능/효과
모노스태틱 RCS가 바이스태틱 RCS보다 큰 값을 가진 경우는 그림 9와 같이 S경로, 제주 추적소에서 수신했을 때이다. 또한 바이스태틱 레이더 시스템을 사용하면서 발사체를 L 경로로 발사할 경우는 제주추적소의 레이더를 수신기로 하고 고흥추적소의 레이더는 송신기로 할 경우가 고흥추적소의 레이더를 수신기로 할 경우보다 스킨 추적 성능이 우수하며, S 경로로 발사한 경우는 고흥 추적소의 레이더로 수신할 때 제주 추적 소의 레이더를 수신기로 할 경우보다 스킨 추적 성능이 우수하다고 할 수 있다. 모노스태틱 시스템을 이용할 경우는 L 경로로 발사할 경우 고흥 추적소의 레이더를 수신기로 사용할 경우가 제주 추적소의 레이더를 수신기로 사용할 때 보다 스킨 추적성능이 우수하며, S 경로인 경우는 제주 추적소의 레이더를 수신기로 사용할 경우가 고흥 추적소의 레이더를 수신기로 사용할 때보다 스킨 추적 성능이 우수함을 알 수 있었다.
또한 바이스태틱 레이더 시스템을 사용하면서 발사체를 L 경로로 발사할 경우는 제주추적소의 레이더를 수신기로 하고 고흥추적소의 레이더는 송신기로 할 경우가 고흥추적소의 레이더를 수신기로 할 경우보다 스킨 추적 성능이 우수하며, S 경로로 발사한 경우는 고흥 추적소의 레이더로 수신할 때 제주 추적 소의 레이더를 수신기로 할 경우보다 스킨 추적 성능이 우수하다고 할 수 있다. 모노스태틱 시스템을 이용할 경우는 L 경로로 발사할 경우 고흥 추적소의 레이더를 수신기로 사용할 경우가 제주 추적소의 레이더를 수신기로 사용할 때 보다 스킨 추적성능이 우수하며, S 경로인 경우는 제주 추적소의 레이더를 수신기로 사용할 경우가 고흥 추적소의 레이더를 수신기로 사용할 때보다 스킨 추적 성능이 우수함을 알 수 있었다.
본 논문에서는 한국형 발사체의 스킨 추적 성능 향상을 위해 모노스태틱 RCS와 바이스태틱 RCS를 발사체 발사 후 280초～400초 까지 발사체 이동경로 L과 S 두 경로에 대해 EM수치해석 프로그램(newFasant)을 이용하여 계산하고 그 결과를 비교 분석 하였다. 분석 결과 L경로에 대해서는 그림 7과 같이 제주추적소에서 레이더를 수신할 때 바이스태틱 RCS가 모노스태틱 RCS 보다 확연히 큰 값을 가졌고, S 경로인 경우는 고흥 추적소에서 수신했을 때 바이스태틱 RCS가 모노스태틱 RCS 보다 대체적으로 큰 값을 가졌다. 모노스태틱 RCS가 바이스태틱 RCS보다 큰 값을 가진 경우는 그림 9와 같이 S경로, 제주 추적소에서 수신했을 때이다.
그림 8은 수신레이더 기준으로 고흥 추적소에서 측정했을 때 S 경로에 대한 모노스태틱과 바이스태틱 RCS를 비교한 그래프이다. 여기에서도 발사체 발사후 300초와 340초 부근을 제외하고 대체적으로 바이스태틱 RCS가 모노스태틱 RCS보다 큰 값을 가지는 것을 알 수 있으며, 특히 발사체 발사 후 360초 이후부터는 그 차이가 점점 커짐을 확인할 수 있다.
그림 9는 수신레이더 기준으로 제주 추적소에서 측정했을 때 S 경로에 대한 모노스태틱과 바이스태틱 RCS를 비교한 그래프이다. 이번에는모노스태틱 RCS가 바이스태틱 RCS보다 대체적으로 큰 값을 가짐을 확인 할 수 있다.
그림 7은 수신레이더 기준으로 제주 추적소에서 측정했을 때 L경로에 대한 모노스태틱과 바이스태틱 RCS를 비교한 그래프이다. 전체적으로 바이스태틱 RCS가 모노스태틱 RCS보다 큰 값을 가지는 것을 확인할 수 있다. 그림 8은 수신레이더 기준으로 고흥 추적소에서 측정했을 때 S 경로에 대한 모노스태틱과 바이스태틱 RCS를 비교한 그래프이다.
후속연구
컴퓨터 시뮬레이션을 통해 RCS 분석하고 이를 이용해 스킨 모드에서의 최대추적거리를 정확히 예측할 수 있다. 또한 목표한 위치까지 발사체를 추적할 수 있는지를 검토하여 추적가능하도록 추적레이더의 하드웨어 및 소프트웨어의 성능 업그레이드를 위한 사전검토 자료로 사용할 수 있다. 본 논문에서는 스킨 추적향상을 위해 한국형 발사체 형상에 대한 모노스태틱 RCS와 바이스태틱 RCS 에 대해 계산하고 분석하였다.
현재 나로우주센터 추적레이더는 스킨과 비콘 모드로 분류되어 있고, 두 모드 중 하나의 모드에서만 운용이 가능한 단일 모드 추적방식을 사용하고 있다. 향후 한국형발사체의 발사 임무 상황에서는 발사체를 보다 안정적으로 추적하기 위해 수신기 이중화 개선을 통해 스킨과 비콘 모드를 동시에 사용하는 이중 모드 추적방식을 사용할 계획이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
이중 모드 추적방식에서 RCS 분석이 필요한 이유는 무엇인가?
이중 모드 추적방식에서는 스킨 모드 추적방식에서의 면밀한 최대추적거리 도출이 필요하고 이에 대한 입력 값 중의 하나인 RCS 분석이 필요하다. 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 RCS 분석하고 이를 이용해 스킨 모드에서의 최대추적거리를 정확히 예측할 수 있다.
나로우주센터 추적레이더는 어떠한 모드로 분류되는가?
이를 위해 고난이도의 환경조건을 고려하고 비행체의 위치를 실시간으로 정확히 확인하기 위해 사용되는 추적레이더의 성능 및 기능 유지는 무엇보다도 중요하다. 현재 나로우주센터 추적레이더는 스킨과 비콘 모드로 분류되어 있고, 두 모드 중 하나의 모드에서만 운용이 가능한 단일 모드 추적방식을 사용하고 있다. 향후 한국형발사체의 발사 임무 상황에서는 발사체를 보다 안정적으로 추적하기 위해 수신기 이중화 개선을 통해 스킨과 비콘 모드를 동시에 사용하는 이중 모드 추적방식을 사용할 계획이다.
직접 수치해석 기법의 단점은 무엇인가?
그리고 복잡한 형상, 다양한 재질에서 계산이 가능한 장점이 있다. 하지만 해석시간이 길고 고사양의 컴퓨터 시스템의 필요로 하는 단점이 있다. 고주파 근사적 기법은 광학영역(Optical Region)에 가까운 고주파 영역에서만 해의 정확도를 보장하고 특정 물리적인 현상을 다룰 수 없어 제한적이지만 비교적 계산시간이 적게 걸리므로 비행체의 초기설계 단계에서 RCS가 고려되어야 할 때 많이 사용된다.
참고문헌 (7)
E. F. Knott, J. F. Schaeffer, M. T. Tuley, "Radar Cross Section, 2nd Edition", S. P., Inc., 2004
N. J. Wills, "Bistatic Radar, 2nd Edition", Scitech Pub. Inc., 2007
D. M. Pozar, "Microwave Engineering, 3rd Edition", New York: Wiley, ch. 7, pp. 748-750, 2005.
Seong-Wan Kim, Sang-Rae Lee, Jun-Yeon Kim, Geun-Su Ma, "RCS Prediction of KSLV-II Test Vehicle", KSAS vol.11, no. 2, pp. 1766-1769, 2012
S. J. Lee, I. S. Choi, "Performance Comparison for Radar Target Classification of Monostatic RCS and Bistatic RCS", KIEES, vol. 21, no. 12, pp. 1460-1466, Dep. 2010
K. S. Kim, J. H. Youn, H. G. Yang, Y. S. Chung, W. W. Lee, K. B. Bae, "M & S Tool for Analyzing the Detection Performance in Bistatic Radar", KIEES, vol. 22, no. 6, pp. 631-640, jun. 2011
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