[논문]레이더 위치에 따른 탄도미사일의 RCS 특성

박태용; 임재성

doi:10.7840/kics.2015.40.1.209

초록
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탄도미사일은 속도가 빠르고 발사지점에서 목표지점까지 비행시간이 짧아 탐지/추적 및 요격에 많은 제한이 있다. 탄도미사일의 요격 성공률을 높이기 위해서는 발사 이후 조기에 발견하여 비행 항적을 오랫동안 추적하는 것이 중요하다. 레이더로 표적을 탐지할 때 중요한 파라미터는 표적의 Radar Cross Section(RCS) 인데, 탄도미사일이 비행하는 궤적 동안 관측 방향에 따라 RCS 값이 크게 변화한다. 본 논문에서는 북한 동해안에서 우리나라로 탄도미사일이 발사되었을 경우를 가정하여 육상 특정 지점에서와 동해상 특정 해역에 전개한 함정에서 각각 미사일을 관측하였을 때 미사일의 RCS 특성을 비교 분석 하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

It is difficult to detect, track and intercept ballistic missile because of its high speed and short flight time from launching to target area. In order to increase the success rate of a ballistic missile interceptor, it is important to track the flight trajectory for a long time after the detection...

It is difficult to detect, track and intercept ballistic missile because of its high speed and short flight time from launching to target area. In order to increase the success rate of a ballistic missile interceptor, it is important to track the flight trajectory for a long time after the detection in the early launch. Radar Cross Section(RCS) of the target is important when the target to be detected by the radar, and the difference between the RCS value greatly changes depending on the viewing direction during the flight missile trajectory. In this paper, it is assumed that a ballistic missile is launched at east coast of North Korea, observe that missile by a land based radar and sea deployed radar. And it is analyzed and compared that RCS difference of ballistic missile.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구의 목적은 한반도 환경에서 레이더를 이용하여 탄도미사일을 탐지할 때 레이더의 위치에 따라 관측되는 RCS 값을 계산하고, 향후 탄도미사일 방어를 위한 효율적인 레이더 배치 방안의 연구에 활용함에 있다. 이를 위해 본 논문에서는 탄도미사일 특성 및 탄도미사일 방어 체계에 대해 조사하였고, 이를 바탕으로 탄도미사일 및 비행 특성을 모델링하여 레이더 위치에 따라 관측되는 RCS를 물리광학(PO : Physical Optics) 기법을 이용하여 계산하였다.
전후 냉전시대에 미국에서는 구소련의 미사일 기술에 대응하기 위해 탄도미사일 방어체계를 연구하기 시작하였는데, 최초의 연구는 1953년 링컨 연구소에서 시작한 AICBM(Anti- Intercontinental Ballistic Missile) 프로그램이었다. 본 프로그램의 목표는 적의 공격을 조기에 경보하기 위해 적 ICBM을 탐지하고 추적하는 방법을 연구하는 것이었다. 같은 목적으로 1956년에 조기경보 레이더의 원형이 되는 레이더 개발 계획이 수립되었는데, 1957년에 구소련이 ICBM의 시험발사에 성공하였다는 것을 공식 발표하고, 최초의 인공위성인 스푸트니크 1호를 성공적으로 발사함에 따라 탄도미사일 방어체계 연구에 속도를 내게 되었다^[7].

가설 설정

88도를 적용하였다. 또한 추진체의 소모율은 연소 시간 동안 일정한 것으로 가정하였다. 이를 통한 탄도미사일 비행 궤적 동안 미사일 탄도각의 변화는 그림 3과 같다.
탄도미사일의 발사 지점은 대전으로부터 북쪽으로 각각 300km, 500km 떨어진 곳으로 가정하고, 레이더-A는 대전에, 레이더-B는 대전 북쪽 200km 지점에서 동쪽으로 200km 떨어진 해상에 있는 것으로 설정하였다. 본 논문에서는 지구를 완전한 평면의 형태로 가정하였다.
탄도미사일의 발사 지점은 대전으로부터 북쪽으로 각각 300km, 500km 떨어진 곳으로 가정하고, 레이더-A는 대전에, 레이더-B는 대전 북쪽 200km 지점에서 동쪽으로 200km 떨어진 해상에 있는 것으로 설정하였다. 본 논문에서는 지구를 완전한 평면의 형태로 가정하였다.

제안 방법

본 논문의 구성과 내용은 다음과 같다. 2장에서는 탄도미사일의 일반적인 특성, 미사일 방어체계 및 RCS 등 배경 이론에 대해 기술하고, 3장에서는 한반도에서 실질적인 위협이 되고 있는 북한의 SCUD-B/C 탄도미사일의 RCS 특성을 계산하고, 사거리 300km와 500km일 때 미사일 탄도의 지상 경로에 배치된 레이더로 관측할 경우와 탄도의 지상 경로에서 벗어난 곳에 배치된 레이더에서 관측되는 RCS 값을 계산하여 비교하였다. 마지막으로 4장에서는 본 연구 내용에 대해 종합하고 결론을 맺는다.
레이더 위치에 따른 탄도미사일의 탐지 특성을 비교하기 위해 사거리 300km와 500km인 SCUD-B/C를 기준으로 그림 1과 같이 간략화 하여 모델링 하였다.
사거리 300km, 500km의 탄도미사일을 레이더-A에서 관측했을 때와 레이더-B에서 관측했을 때 각각의 탄도미사일 비행 구간 RCS 값의 변화는 그림 6과 같다. 위치에 따른 RCS값 계산은 탄도미사일의 지상이동거리 2km 간격으로 하였다.
본 연구의 목적은 한반도 환경에서 레이더를 이용하여 탄도미사일을 탐지할 때 레이더의 위치에 따라 관측되는 RCS 값을 계산하고, 향후 탄도미사일 방어를 위한 효율적인 레이더 배치 방안의 연구에 활용함에 있다. 이를 위해 본 논문에서는 탄도미사일 특성 및 탄도미사일 방어 체계에 대해 조사하였고, 이를 바탕으로 탄도미사일 및 비행 특성을 모델링하여 레이더 위치에 따라 관측되는 RCS를 물리광학(PO : Physical Optics) 기법을 이용하여 계산하였다. 그 결과 레이더 위치에 따라 관측되는 탄도미사일의 RCS 값이 크게 차이가 남을 알 수 있었다.

대상 데이터

북한은 1970년대에 탄도미사일 개발을 시작하였으며, 현재는 탄도미사일을 자체 생산할 수 있는 능력을 갖추고 있다. 1993년에 사거리 1,000km인 노동미사일을 시험 발사하였으며, 이후 16년이 지난 2009년 4월에는 사거리가 6배 증가된 개량형 탄도미사일 대포동 2호(우주발사체)를 시험 발사하였다^[2]. 또한 북한은 2012년 12월에 은하3호 로켓을 발사하여 발사체를 위성궤도에 진입시키는 것을 성공함으로써 사거리 10,000km 이상의 대륙간 탄도미사일(ICBM: Intercontinental Ballistic Missile)을 개발할 수 있는 능력을 보유하였음을 대내외에 과시했다.
ㆍTerminal High Altitude Area Defense(THAAD) :중/단거리 탄도미사일을 종말 단계(terminal phase) 대기권 부근에서 요격. 2013년 4월에 북한의 탄도미사일에 대응하기 위해 괌 기지에 배치.

성능/효과

이를 위해 본 논문에서는 탄도미사일 특성 및 탄도미사일 방어 체계에 대해 조사하였고, 이를 바탕으로 탄도미사일 및 비행 특성을 모델링하여 레이더 위치에 따라 관측되는 RCS를 물리광학(PO : Physical Optics) 기법을 이용하여 계산하였다. 그 결과 레이더 위치에 따라 관측되는 탄도미사일의 RCS 값이 크게 차이가 남을 알 수 있었다.
RCS는 표적의 표면에 입사된 전자파가 입사되면 유기되는 유도전류에 의해 생성되기 때문에 동일한 크기의 물체라면 전기가 잘 흐를수록 RCS가 크고, 동일한 전기적 특성이라면 물리적인 크기가 클수록 RCS가 크다. 또한 물체 표면의 법선 방향으로 RCS가 가장 크게 발생하므로 평면, 안으로 굽은 면, 바깥으로 굽은 면 등 기하학적 형상에 따라 전체 RCS가 차이가 나고, 레이더의 주파수가 높을수록 RCS가 크다. RCS는 동일한 표적이라도 관측하는 각도에 따라 그 크기가 크게 변화하는데 1m×1m 크기의 완전도체 평면을 10GHz의 레이더로 관측하였을 때 관측 각도에 따른 RCS의 크기는 표 2와 같다.
본 논문에서는 탄도미사일의 궤적을 이용하여 레이더 위치에 따른 탄도미사일의 관측각을 역으로 계산하였고, PO 기법을 이용하여 탄도미사일의 RCS를 계산하였으며, 실험 결과 레이더 위치에 따라 관측되는 탄도미사일의 RCS 값이 크게 차이나는 것을 확인할수 있었다. 레이더 방정식에 의하면 RCS가 100배 차이 나면 탐지거리는 약 3.
탄도미사일 정면, 측면, 후면 방향의 RCS 값은 각각 –18.8dBsm, 32.8dBsm, 26.7dBsm으로, 고깔 형태의 정면보다 표면적이 넓은 양 측면과 후면의 RCS가 크다는 것을 알 수 있다.

후속연구

따라서 탄도미사일을 조기에 탐지하고 지속적으로 추적하기 위해서는 미사일의 RCS가 크게 나타나는 위치에 레이더를 배치하는 것이 유리하다. 본 연구 내용을 응용 발전시켜 북한 탄도미사일의 정확한 비행특성과 RCS 특성, 레이더의 성능 등을 반영한다면 탄도미사일의 탐지 확률을 높이기 위한 레이더 위치를 산출하는데 도움이 될 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	탄도미사일에는 어떤 제한이 있는가?	탄도미사일은 속도가 빠르고 발사지점에서 목표지점까지 비행시간이 짧아 탐지/추적 및 요격에 많은 제한이 있다. 탄도미사일의 요격 성공률을 높이기 위해서는 발사 이후 조기에 발견하여 비행 항적을 오랫동안 추적하는 것이 중요하다.
	탄도미사일의 요격 성공률을 높히기 위해서 어떤 것이 중요한가?	탄도미사일은 속도가 빠르고 발사지점에서 목표지점까지 비행시간이 짧아 탐지/추적 및 요격에 많은 제한이 있다. 탄도미사일의 요격 성공률을 높이기 위해서는 발사 이후 조기에 발견하여 비행 항적을 오랫동안 추적하는 것이 중요하다. 레이더로 표적을 탐지할 때 중요한 파라미터는 표적의 Radar Cross Section(RCS) 인데, 탄도미사일이 비행하는 궤적 동안 관측 방향에 따라 RCS 값이 크게 변화한다.
	많은 국가들이 탄도미사일 관련 분야에 연구를 하고있는 이유는?	탄도미사일은 현대전에서 가장 위협이 되는 장거리 무기체계 중 하나이다. 미사일을 빨리 탐지(Early detection)하여 조기 경보(Pre-warning) 함으로써 미사일 요격 확률을 높일 수 있기 때문에 많은 국가에서 이에 관한 분야를 연구하고 있다[1].

참고문헌 (11)

P. Peng, C. Tong, J. Sun, D. Li, and W. Tong, "Dynamic RCS feature of ballistic missile for detection and classification in the boost phase," in Proc. Cross Strait Quad-Regional Radio Sci. and Wirel. Technol. Conf. (CSQRWC), pp. 427-430, Chengdu, China, Jul. 2013.
H. S. Kim, K. T. Kim, and G. Jeon, "A requirement assessment algorithm for antiballistic missile considering ballistic missile's flight characteristics," J. Korea Inst. Military Sci. Technol., vol. 14, no. 6, pp. 1009-1017, Dec. 2011.

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K. H. Lee, Y. S. Kwon, and J. W. Kim, "A study on the analysis of the RCS characteristics for aegis BMD," in Proc. The 7th Conf. National Defense Technol., pp. 92-102, Seoul, Republic of Korea, Jul. 2011.
L. Liu, Z. Wang, and W. Hu, "Precession period extraction of ballistic missile based on radar measurement," in Proc. 2006 CIE Int. Conf. Radar(CIE ICR '06), pp. 1-4, Shanghai, China, Oct. 2006.
Y. S. Kwon and B. S. Choi, "Analysis of the trajectory characteristics of ballistic missiles," J. Military Operation Res. Soc. Korea, vol. 32, no. 1, pp. 176-187, Jun. 2006.
M. Sankowski, T. Rutkowski, and P. Uruski, "Evaluation of multi-radar detection of ballistic missile," in Proc. IEEE Int. Radar Symp. (IRS 2006), pp. 1-4, Krakow, Poland, May 2006.
P. A. Ingwersen and W. Z. Lemnios, "Radars for ballistic missile defense research," Lincoln Lab. J., pp. 245-266, vol. 12, no. 2, 2000.
J. Masters, Your Pocket Guide to How U.S. M issile Defense Works(2014), Retrieved Aug. 1 9, 2014, from http://www. defenseone.com/technology/2014/08/your-pocket-guide-how-us-missile-defense-works/91742/.
T. G. Kim, D. S. Kim, and C. Sung, "Joint analysis of combat power and communication system via interoperation of war game simulator with communication network simulator," J. KICS, vol. 37C, no. 10, pp. 993-1003, Oct. 2012.

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H. Beak, J. Lim, J. Koo, J. Jin, P. Chun, and I. Oh, "Reliable dynamic TDMA scheme with new packing method for image transmission over link-16," J. KICS, vol. 37C, no. 11, pp. 1045-1053, Nov. 2012.

원문보기 상세보기
Y. Lee, S. Kim, and M. Lim, "Methology of interoperating link-K track number in multi TDLs," J. KICS, vol. 38C, no. 12, pp. 1186-1195, Dec. 2013.

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