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문제 정의
- 본 논문에서는 근거리 다중경로환경의 잠수함에서 탐지되는 이중허위표적 현상을 이용하여 표적의 거리를 추정하는 알고리즘을 제안하였다. 본 논문에서는 근거리 다중경로환경의 기하학적 특성을 수학적으로 분석하여 관계식을 유도하고 이로부터 표적의 거리를 추정하였다.
- 본 논문에서는 다중경로 환경에서 잠수함의 선배열소나를 이용하여 잠수함 운용수가 확인할 수 있는 이중허위표적의 입사각 정보만으로 표적의 거리를 추정할 수 있는 기법을 제안한다. 해군의 잠수함 승조원들은 잠수함 운용 중 이와 같은 다중경로에 의한 수신 원추각 차이로 인해 실표적 궤적 근처에 실표적과 유사한 형태의 궤적이 나타나는 이중허위표적(Ghost target) 현상이 나타남을 확인하고 이를 실제 거리 추정에 이용하고 있다.
- 이러한 현상을 잠수함 승조원들은 이중허위표적이라 칭하고 있다. 본 논문에서는 이러한 이중허위표적 정보를 이용하여 표적신호의 수신경로를 산출하고, 이로부터 표적까지의 수평거리를 산출하는 기법을 제안하고자 한다.
- 제안 알고리즘은 원추각을 분리할 수 없는 90° 부근을 제외하고는 비교적 만족할 만한 오차범위에 수렴하는 거리 추정 결과를 보였으며, 실제 잠수함에서 간단한 연산으로 표적 거리 산출을 위한 초기치 확보 및 TMA 등의 보조적 수단으로의 적용 가능성을 확인할 수 있었다. 본 논문은 기존에 이중허위표적에 의한 표적의 거리를 잠수함 승조원들이 경험적 지식을 근거로 산출하던 것을 수학적 이론에 기반하여 해석적으로 표적의 거리를 산출할 수 있게 하는데 그 의의를 가진다 판단된다. 추후에는 본 기법을 수심에 따라 음속이 변화하는 비균일 음속 환경에 대한 적용하여 보다 실제적인 거리추정 기법에 대한 연구를 진행하고자 한다.
가설 설정
- 실제 해양환경에서는 수심에 따라 음속이 다양하게 변화하나, 본 논문에서는 음속이 일정하다고 가정한다. 다중경로는 해저면 반사손실을 감안, 직접 전달경로와 해저면에 1회 반사되는 경로만을 고려하며, 해역의 해저면은 평평하다고 가정한다. 해역의 수심은 H이며, 잠수함인 자함은 해저면으로 부터의 고도 D에 위치하고, 수상함인 표적은 자함으로부터 수평거리 R에 위치하고 있다.
- 그러나 이와 같은 처리를 위해서는 실제 센서 레벨의 원 데이터(Raw Data)가 획득되어야 하며, 일정한 관측시간 동안 연속적으로 자료가 축적되어야 하므로, 실제 잠수함 임무 중에 직접 적용하기에는 많은 제약조건이 따른다. 따라서 본 논문에서는 별도의 원추각 추정 알고리즘의 추가적인 적용 없이 콘솔 운용자화면의 Waterfall 다이어그램 상에 Fig. 2와 같은 형태로 나타나는 실표적과 이중허위표적의 방위각 차이를 운용자가 직접 확인하여 값을 입력하는 것으로 운용개념을 가정하였다.
- 본 논문에서는 선배열센서를 이용하여 근거리 표적에서 각 경로를 통하여 도달하는 신호들의 입사각이 다르므로 센서에서 추정되는 원추각도 서로 상이하다는 점을 이용하였으며, 경로별 원추각 정보를 이용하여 표적의 거리를 추정하였다. 본 논문에서 고려하는 표적은 잠수함의 주요 표적인 수상함으로 가정하였다. 추정한 원추각 정보와 표적의 거리에 대한 관계식을 다중경로의 기하학적 구조를 통해 수학적으로 유도하였으며, 이러한 기하학적 방정식의 해를 구함으로써 표적의 거리를 산출하였다.
- 실제 해양환경에서는 수심에 따라 음속이 다양하게 변화하나, 본 논문에서는 음속이 일정하다고 가정한다. 다중경로는 해저면 반사손실을 감안, 직접 전달경로와 해저면에 1회 반사되는 경로만을 고려하며, 해역의 해저면은 평평하다고 가정한다.
- 본 절에서는 제안한 거리추정 알고리즘의 성능을 분석하기 위한 모의실험 결과를 설명하였다. 자함은 수심 400 m 해역에 해수면 기준 200 m 심도에서 잠항중인 잠수함이며, 자함의 소나는 센서가 등간격으로 배치된 선배열센서를 가정하였다. 표적은 자함으로부터 수평거리 1200 m 떨어진 지점에 위치하는 수상함으로 설정하였으며 표적의 방위각에 따른 거리추정 성능 분석을 위해 자함의 헤딩기준 상대방위 40°와 80°로 표적 방위를 다르게 하여 모의실험을 수행하였다.
- 제안 알고리즘은 다중경로신호의 원추각 추정 및 표적의 거리 추정으로 구성된다. 표적의 원추각 추정의 경우 본 논문에서는 실제 잠수함 운용상황에서 별도의 부가적인 처리 없이 Waterfall 다이어그램 상의 방위각 차이 확인을 통해 추정되는 것으로 가정하였다. 그리고 추정된 원추각 및 자함정보 및 해역 수심 등의 정보로 부터 표적의 위치추정을 위한 기하학적 방정식을 유도하고 해를 구함으로써 표적의 위치를 추정한다.
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