북한은 단거리 탄도미사일에서부터 대륙간 탄도미사일에 이르기 까지 다양한 탄도미사일을 보유하고 있다. 단거리 탄도미사일의 위협에 직접적으로 노출되어 있는 우리나라는 이러한 위협에 대응하기 위해 다양한 미사일방어체계를 구축 중이며, 레이더는 표적을 탐지하기 위한 핵심 장비이다. 표적으로부터 레이더로 수신되는 전력에 영향을 미치는 요소에는 레이더의 송신전력, 안테나 이득, 운용 주파수, 표적의 RCS(Radar Cross Section), 표적과의 거리등이 있으며, 특히 표적의 RCS와 레이더-표적 간 거리는 레이더 고유의 성능이 아닌 외적 요인에 의해 결정되는 요소이다. 따라서 레이더의 표적 탐지율 향상을 위해서는 표적의 RCS가 크게 관측되는 위치와 표적까지의 거리를 함께 고려하여야한다. 본 논문에서는 SCUD-B 탄도미사일을 기준으로 RCS 패턴을 분석하고, 미사일 비행경로와 레이더 위치에 따른 레이더 수신 전력을 분석함으로써 최적의 레이더 배치 방안을 제안하였다.
북한은 단거리 탄도미사일에서부터 대륙간 탄도미사일에 이르기 까지 다양한 탄도미사일을 보유하고 있다. 단거리 탄도미사일의 위협에 직접적으로 노출되어 있는 우리나라는 이러한 위협에 대응하기 위해 다양한 미사일방어체계를 구축 중이며, 레이더는 표적을 탐지하기 위한 핵심 장비이다. 표적으로부터 레이더로 수신되는 전력에 영향을 미치는 요소에는 레이더의 송신전력, 안테나 이득, 운용 주파수, 표적의 RCS(Radar Cross Section), 표적과의 거리등이 있으며, 특히 표적의 RCS와 레이더-표적 간 거리는 레이더 고유의 성능이 아닌 외적 요인에 의해 결정되는 요소이다. 따라서 레이더의 표적 탐지율 향상을 위해서는 표적의 RCS가 크게 관측되는 위치와 표적까지의 거리를 함께 고려하여야한다. 본 논문에서는 SCUD-B 탄도미사일을 기준으로 RCS 패턴을 분석하고, 미사일 비행경로와 레이더 위치에 따른 레이더 수신 전력을 분석함으로써 최적의 레이더 배치 방안을 제안하였다.
North Korea has various ballistic missiles from short range to long range such as inter continental ballistic missiles. Short range ballistic missiles such as SCUD series are threatening to Korea peninsula. Therefore Korea is constructing various missile defense systems to protect country. Parameter...
North Korea has various ballistic missiles from short range to long range such as inter continental ballistic missiles. Short range ballistic missiles such as SCUD series are threatening to Korea peninsula. Therefore Korea is constructing various missile defense systems to protect country. Parameters influencing the received power from the target to the radar are transmitting power, antenna gain, carrier frequency, RCS(Radar Cross Section) of target and distance from radar to target. Especially, RCS and distance from target are not radar performance defined parameters but external parameters. Therefore radar deployment position that large RCS can be observed and target to radar distance should be considered in parallel to improve target detection probability. In this paper, RCS pattern of SCUD-B ballistic missile is calculated, received power is analyzed based on radar deployment position during ballistic missile trajectory and methode for optimum radar deployment position to improve target detection probability is suggested.
North Korea has various ballistic missiles from short range to long range such as inter continental ballistic missiles. Short range ballistic missiles such as SCUD series are threatening to Korea peninsula. Therefore Korea is constructing various missile defense systems to protect country. Parameters influencing the received power from the target to the radar are transmitting power, antenna gain, carrier frequency, RCS(Radar Cross Section) of target and distance from radar to target. Especially, RCS and distance from target are not radar performance defined parameters but external parameters. Therefore radar deployment position that large RCS can be observed and target to radar distance should be considered in parallel to improve target detection probability. In this paper, RCS pattern of SCUD-B ballistic missile is calculated, received power is analyzed based on radar deployment position during ballistic missile trajectory and methode for optimum radar deployment position to improve target detection probability is suggested.
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문제 정의
본 논문에서는 탄도미사일 탐지확률 향상을 위한 레이더 배치 방안을 도출하기 위해 PO 기법을 이용하여 SCUD-B의 RCS 패턴을 계산하고, 레이더 위치에서 표적 관측각에 따른 RCS값, 표적까지의 거리를 반영하여 표적으로부터 레이더로 수신되는 전력을 계산함으로써 표적 탐지 가능 여부를 확인하였다.
본 연구의 목적은 한반도에서 북한이 탄도미사일 도발을 할 경우 표적 탐지 확률이 높은 최적의 레이더 위치를 산출함에 있다. 이를 위해 본 논문에서는 탄도미사일 및 비행 특성을 모델링하여 레이더 위치에 따라 관측되는 RCS 값을 물리광학(PO : Physical Optics) 기법으로 계산하였고, 탄도미사일의 지상비행경로 50km 간격으로 표본 위치를 정하여 각 표본 위치에서 반경 300km까지 레이더로 표적탐지가 가능한 위치를 계산하여 평면에 도식화하였으며, 각각의 결과를 중첩하여 공통적으로 표적탐지가 가능한 위치를 확인함으로써 탄도미사일의 탐지확률이 가장 높은 위치를 산출하였다.
제안 방법
A지점은 큰 RCS 관측으로 인한 레이더 수신전력 측면에는 유리하지만, 지구 곡률에 의한 레이더 가시거리(LOS) 측면에서 제한이 없는지 검증하였다. 레이더 LOS는 식(7)에 의해 계산하였다.
이를 위해 본 논문에서는 탄도미사일 및 비행 특성을 모델링하여 레이더 위치에 따라 관측되는 RCS 값을 물리광학(PO : Physical Optics) 기법으로 계산하였고, 탄도미사일의 지상비행경로 50km 간격으로 표본 위치를 정하여 각 표본 위치에서 반경 300km까지 레이더로 표적탐지가 가능한 위치를 계산하여 평면에 도식화하였으며, 각각의 결과를 중첩하여 공통적으로 표적탐지가 가능한 위치를 확인함으로써 탄도미사일의 탐지확률이 가장 높은 위치를 산출하였다. 또한 거리에 따른 레이더 LOS(Line Of Sight), 레이더 빔 최대 고각 등 표적 탐지에 제한을 줄 수 있는 사항을 고려하였다.
예측되는 결과의 검증을 위해 그림 7에서 울릉도 인근 해역에 표시된 구역의 중심 부분에 레이더를 배치하였을 때 탄도미사일 전 비행구간의 레이더 수신 전력을 계산하였다. 해당 위치는 탄도미사일의 지상비행경로 상 북쪽에서 180km, 동쪽으로 260km 지점이며 그림 7에서 A지점이라 정의하였다.
본 연구의 목적은 한반도에서 북한이 탄도미사일 도발을 할 경우 표적 탐지 확률이 높은 최적의 레이더 위치를 산출함에 있다. 이를 위해 본 논문에서는 탄도미사일 및 비행 특성을 모델링하여 레이더 위치에 따라 관측되는 RCS 값을 물리광학(PO : Physical Optics) 기법으로 계산하였고, 탄도미사일의 지상비행경로 50km 간격으로 표본 위치를 정하여 각 표본 위치에서 반경 300km까지 레이더로 표적탐지가 가능한 위치를 계산하여 평면에 도식화하였으며, 각각의 결과를 중첩하여 공통적으로 표적탐지가 가능한 위치를 확인함으로써 탄도미사일의 탐지확률이 가장 높은 위치를 산출하였다. 또한 거리에 따른 레이더 LOS(Line Of Sight), 레이더 빔 최대 고각 등 표적 탐지에 제한을 줄 수 있는 사항을 고려하였다.
표본 위치에서 산출한 표적 탐지 가능 위치를 기점한 후 중첩하여 표적을 효과적으로 탐지할 수 있는 위치를 도출하였으며, 레이더 위치에 따른 레이더 LOS 및 레이더 빔 최대 고각에 의한 탐지 제한에 관한 사항도 고려하였다. 이러한 사항을 종합적으로 고려하였을 때 SCUD-B의 경우 지상비행경로 180km, 측면으로 260km 지점에 레이더를 배치하는 것이 표적 탐지에 가장 효율적임을 확인할 수 있었고, 탄도미사일의 지상비행구간에 레이더를 배치할 경우 레이더 빔 최대 고각에 의한 탐지 제한 구간이 발생하므로 표적 탐지에 불리한 요소로 작용할 수 있다는 것을 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 발사하였고, 이후 16년이 지난 2009년 4월에는 사거리가 6배 증가된 개량형 탄도미사일 대포동 2호(우주발사체)를 시험 발사하였다[1]. 북한은 사거리 300km의 SCUD-B에서부터 대포동-2호, 화성-13호와 같은 대륙간탄도미사일에 이르기까지 다양한 탄도미사일을 보유함으로써 우리나라와 주변국의 안보에 많은 위협이 되고 있다.
IRBM과 ICBM은 괌, 미국 본토 등 주변국을 겨냥한 탄도미사일이고, 한반도 안보에 직접적인 위협이 되는 탄도미사일은 SRBM 및 MRBM이 될 것이다. 따라서 본 논문에서는 사거리 300km인 SCUD-B를 대상으로 연구를 진행하였다.
이론/모형
SCUD-B의 탄도 특성은 식(3)과 같이 탄도를 비행체의 고도와 수평거리로 간략화 한 기존의 연구결과를 활용하였다. [1, 3, 5].
성능/효과
A지점에서 수신되는 전력을 계산한 결과는 그림 8과 같으며 실험결과 A지점에서 레이더에 수신되는 전력은 최소 –152dB, 최대 –111dB, 평균 –139dB로 수신기의 threshold인 –160dB를 여유 있게 상회하므로 안정적으로 표적탐지가 가능하고, 50km~250km 구간 까지 탐지 공백이 없음을 알 수 있다.
표본 위치에서 산출한 표적 탐지 가능 위치를 기점한 후 중첩하여 표적을 효과적으로 탐지할 수 있는 위치를 도출하였으며, 레이더 위치에 따른 레이더 LOS 및 레이더 빔 최대 고각에 의한 탐지 제한에 관한 사항도 고려하였다. 이러한 사항을 종합적으로 고려하였을 때 SCUD-B의 경우 지상비행경로 180km, 측면으로 260km 지점에 레이더를 배치하는 것이 표적 탐지에 가장 효율적임을 확인할 수 있었고, 탄도미사일의 지상비행구간에 레이더를 배치할 경우 레이더 빔 최대 고각에 의한 탐지 제한 구간이 발생하므로 표적 탐지에 불리한 요소로 작용할 수 있다는 것을 알 수 있었다. 또한 AN/SPY-1D와 같이 4면에 안테나가 설치되어 수평방향 전 방위로 빔을 방사할 수 있는 레이더는 표적이 레이더 상공을 통과하여 레이더 빔 최대 고각으로 인한 탐지 제한 구역을 지나가더라도 표적 소실 후 재 탐지 및 추적이 가능하지만, 한 개의 안테나가 특정방향을 지향하고 있는 레이더는 표적이 레이더 빔 최대 고각 지점을 통과한 이후부터는 표적의 탐지가 불가능하다는 점도 실제 레이더를 배치 및 운용함에 있어서 고려하여야한다.
그림 7에서 체크무늬로 표시된 삼각형 영역은 5개의 Solid 영역이 모두 중첩된 부분이다. 즉, 표시된 구역에서는 탄도미사일의 위치가 지상비행경로 50km, 100km, 150km, 200km, 250km 어디에 있더라도 탐지할 수 있다는 것을 의미하고, 해당 위치에 레이더를 배치하면 탄도미사일이 50~250km 구간 동안 비행하는 동안 지속적으로 탐지될 수 있다는 것을 예상할 수 있다.
후속연구
또한 AN/SPY-1D와 같이 4면에 안테나가 설치되어 수평방향 전 방위로 빔을 방사할 수 있는 레이더는 표적이 레이더 상공을 통과하여 레이더 빔 최대 고각으로 인한 탐지 제한 구역을 지나가더라도 표적 소실 후 재 탐지 및 추적이 가능하지만, 한 개의 안테나가 특정방향을 지향하고 있는 레이더는 표적이 레이더 빔 최대 고각 지점을 통과한 이후부터는 표적의 탐지가 불가능하다는 점도 실제 레이더를 배치 및 운용함에 있어서 고려하여야한다. 본 연구결과는 북한의 핵실험, 탄도미사일 발사 등 한반도 안보 환경이 위협받고 있는 현 상황에서 최소한의 탐지 수단으로 최적의 탐지 효과를 얻기 위한 레이더 배치 방안의 기초 자료로 활용할 수 있다. 또한 원거리에 분산된 탐지 및 요격 자산 간 실시간 정보공유와 합동작전을 위한 기반·응용 통신체계의 소요를 산출하기 위한 연구로 발전시킬 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
레이더란 무엇인가?
전자파를 송신하여 표적에 맞고 되돌아오는 신호를 감지하여 표적을 탐지하는 장비인 레이더는 군사적 목적으로 중요한 감시정찰 자산으로 운용되고 있다. 레이더가 표적을 인식하기 위해서는 수신기에 입력되는 수신전력이 최소한의 임계치(threshold)를 넘어야한다.
레이더 수신전력에 영향을 미치는 요소에는 무엇이 있는가?
예를 들어 레이더 수신기의 임계치, 즉 수신감도가 – 160dB일 경우 –160dB 이상의 크기로 수신되는 신호는 표적으로 인식하여 전시기에 전시 하고, -160dB보다 낮은 수신신호는 잡음으로 인식하여 제거한다. 레이더 수신전력에 영향을 미치는 요소에는 송신출력, 안테나이득, 표적의 RCS (Radar Cross Section), 반송파 주파수, 표적과 레이더 간의 거리 등이 있다. 이 중 송신출력, 안테나 이득, 반송파 주파수 등은 레이더의 성능에 의해 결정되는 요소인 반면 표적의 RCS, 표적과 레이더간 거리는 외적 요인에 의해 결정되는 요소이다.
북한의 탄도미사일 중에서 한반도 안보에 직접적으로 위협이 되는 것은 무엇인가?
북한은 사거리 300km의 SCUD-B에서부터 대포동-2호, 화성-13호와 같은 대륙간탄도미사일에 이르기까지 다양한 탄도미사일을 보유함으로써 우리나라와 주변국의 안보에 많은 위협이 되고 있다. 이 중 한반도 안보에 직접적으로 위협이 되는 탄도미사일은 사거리 300km에서 1,000km 내외의 SCUD-B, SCUD-C, 노동 미사일 등이며, 이에 대응하기 위해 우리 군에서는 한국형 미사일 방어(KAMD : Korea Air and Missile Defense) 체계를 구축하고 있다. KAMD 체계에서 탄도미사일의 주요 탐지 수단은 지상의 Green Pine 레이더, 해상의 AN/SPY-1D 레이더 등이며, 작전통제소(Air and Missile Defense-Cell)를 중심으로 대공 방공포대 등이 연동되어 있다.
참고문헌 (6)
Heung Seob Kim, Ki Tae Kim, Geonwook Jeon, "A requirement assessment algorithm for antiballistic missile considering ballistic missile's flight characteristics," Journal of the Korea Institute of Military Science and Technology, vol.14, no.6, pp. 1009-1017, Dec. 2011.
Charalampos Fougias, Charalampos Menychtas, "Netted LPI Radars," M.S. thesis, Naval Postgraduate School, Monterey, CA, 2011.
Tae-Yong Park, Yura Lee, "A Study on Radar Received Power based on Target Observing Position," Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, vol.18, no.12, pp. 3063-3068, Dec. 2014.
"Ballistic & Cruise Missile Threat," National Air and Space Intelligence Center(NASIC), Write-Patterson AFB, OH, Survey Report NASIC-1031-0985-13, 2013.
Tae-Yong Park, Jae-Sung Lim, "RCS of Ballistic Missile Based on Radar Position," Journal of the Korean Institute of Communication and Information Sciences, vol. 40, no. 1, pp. 209-216, Feb. 2015.
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