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문제 정의
- 본 논문에서는 국내에서 개발된 기본형 Link-K 모듈을 소형화 및 경량화 하며, 현 대한민국 공군에서 운용 중인 KGGB(Korea GPS guided bomb) 유도키트를 최대한 활용하여 항공투하용MK-82 일반 목적탄 내부에 장착 가능하고, 유도조종 모듈과 연동할 수있는소형 UHF 수신모듈 설계 및 제작 방법을 제안하였다. 본론에서는 수신 모듈의 구성품별 특징을 살펴본 후, 기 개발된 기본형 Link-K 모듈과의 통합 시험을 통해 실시간목표물 변경기술의 도입 가능성을 검증하였다.
- 본 논문에서는 국내에서 개발된 기본형 Link-K 모듈을 소형화 및 경량화 하며, 현 대한민국 공군에서 운용 중인 KGGB(Korea GPS guided bomb) 유도키트를 최대한 활용하여 항공투하용MK-82 일반 목적탄 내부에 장착 가능하고, 유도조종 모듈과 연동할 수있는소형 UHF 수신모듈 설계 및 제작 방법을 제안하였다. 본론에서는 수신 모듈의 구성품별 특징을 살펴본 후, 기 개발된 기본형 Link-K 모듈과의 통합 시험을 통해 실시간목표물 변경기술의 도입 가능성을 검증하였다.
제안 방법
- 제작된 소형 UHF 수신 모듈을 시험하기 위해 전원 DC +28 V를 입력하고, 기존 개발된 기본형 Link-K 송신기를 활용하여 UHF 수신반 입력단자에 연결한다. Link-K 메시지를 처리한 후 유도조종 모듈과 통신하기 위하여 RS-232 어댑터를 모듈과 연결하고, 모듈의 내부 상태 및 메시지 내용을 확인하기 위해 점검프로그램을 연결한다.
- WTMC는 Link-K 메시지를 모뎀으로부터 수신하여 WTMS로 전달하며, WTMS로부터의 재 표적 정보를 유도조종 모듈로 전송한다. WTMC 및 WTMS 간의 메시지 교환은 UDP 통신방식으로 인터페이스를 구성하였으며, WTMC와 유도조종 모듈 간에는 RS232 통신 인터페이스를 적용하였다.
- 하부 제어반은 UHF 수신반과의 인터페이스 커넥터, 상부 제어반과의 인터페이스 커넥터, 두 개의 ADC, Clock Distributor 등으로 구성되어 있다. 고속 샘플링을 위한 Clock을 제공하기 위하여 VCO(Voltage Controlled Oscillator)가 내장된 Clock Conditioner를 사용하여 Phase Noise 성능이 우수한 Clock을 ADC 에 공급한다. 저 잡음의 데이터 획득 및 출력을 위하여 ADC 별도의 분리된 LDO(linear drop output) Regulator 를 사용하여 전원 노이즈를 최소화하였다.
- 국소 발생부는 20 MHz의 기준 주파수를 적용한 Fractional-N PLL(phase lock loop) 소자를 적용하였으며, 이득 증폭기, 저역 통과 필터, 전력 분배기를 포함하여 구성하였다. 제어부는 수신부와 국소발생부에 대한 제어 및 상태를 확인하고, 외부 연동을 위해 GPIO(General-purpose in/output)/DAC (digital-to-analog converter)/ADC(digital-to-analog converter) 등이 내장된 컨트롤러를 사용하였다.
- AM 복조는 구현 요소가 단순하고 입력에 민감하지 않은 “Asynchronous complex wnvelope detection” 방법을 사용해서 구현하였고, 그 구조는 그림 6 과 같다. 기본형 Link-K 모뎀 수신부는 소형 FPGA 용량에 문제가 없도록 5가지의 전송률 구조 중 9 kbps, QPSK 3/4를 선택하여 구현하였다.[5] AM 복조 이후에 복조된 QPSK 신호는 Synchronizer, Frequency Offset, time offset, Resampler, Phase descrambler, Phase tracker, Demapper, Viterbi coder, depuncturing, CTC(convolutional turbo code) decoder, deinterleaver 등을 거쳐 데이터의 정상 여부를 판단하고, SoC 내부에 탑재 되어 있는 프로세서로 lightweight 인터페이스 방식을 통해 전달한다.
- ADS5560 단일채널의 16 Bit급 ADC로써 최대 80 Msps의 샘플링을 지원하며, 최소 84 dBFs 의 SNR(signal-to-noise ratio) 및 85 dBc 의 SFDR (Spurious-free dynamic range)을 지원한다. 또한 LVDS (Low-Voltage Differential Signaling) 인터페이스방식을사용하여 변환된 고속 디지털 데이터 안정적으로 FPGA에 수신될 수있도록설계하였다.
- 외부장치와의 연동을 위하여 RS-232, Ethernet통신 인터페이스를 지원하며, 로그 데이터 저장을위한 외장형 마이크로 micro SD(Secure Digital) 카드를 사용한다. 상부 제어반은 소형화 및 효율적인 전력 사용을 위하여 Triple Output Step-Down DC/DC를 사용하였으며, 발열구조를 분석을 통하여 최적화하여 설계하였다.
- 소형 UHF 수신 모듈은 1,000 cm 3 이내의 크기로 제작하여 기존에 제작된 KGGB 유도키트 내에 장착 가능하고, 지상 CAS(close air support) 작전 수행 시 TACP (Tactical Air Control Party) 와 전투기간 작전거리 기준인 50 Km를 충족하며, 기본형 무선 Link-K 메시지를 수신할 수 있는 구조를 기본 설계의 개념으로 정의하였다. 이에 하드웨어는 소형화 및 기능 구조에 적합하도록 UHF 수신반, 제어반, 전원분배반으로 구성하여 설계 및 제작하였다.
- 그림 2는 UHF 수신반의 구조를 나타내고 있으며, 두 개의 수신부, 국소 발생부로 구성이 된다. 소형 및 낮은 소비전력을 구현하기위하여낮은IF를 가지고 있는 직접변환구조(low IF direct conversion)로 설계되었다. 이중화된 수신구조 간의 영향 성을 최소화하기 위하여 국부 발진 신호 위상을 90 o 차이를 만족하도록 설계하였다.
- 그림 20은 추출한 데이터로 효율적인 전술 통제 및 표적 재설정에 대한 효과 분석 시뮬레이터이며, 그림 21은 시뮬레이터의 데이터를 Simdis 프로그램을 활용하여 가시화한 그림이다. 시뮬레이터를 통해 데이터링크 유도폭탄의 표적변경 시 이동 및 변경 가능한 경로를 확인하고, 탄착군 형성을 통해 효과를검증하였다.
- 이와 같은 시나리오가 가능하기 위해서는 실시간으로 목표물을 변경이 가능해야 한다. 이를 위해 기본형 Link-K 개발 시에 설계된 무장 데이터 링크 모듈 소프트웨어(WTMS;weapon tactical data link Module Software)를 수정 설계하고, 표적정보를 재전송할 수 있는 무장 데이터 링크 모듈 제어 소프트웨어 (WTMC;weapon tactical data link module control software)를 추가 설계하여야한다.
- 소형 UHF 수신 모듈은 1,000 cm 3 이내의 크기로 제작하여 기존에 제작된 KGGB 유도키트 내에 장착 가능하고, 지상 CAS(close air support) 작전 수행 시 TACP (Tactical Air Control Party) 와 전투기간 작전거리 기준인 50 Km를 충족하며, 기본형 무선 Link-K 메시지를 수신할 수 있는 구조를 기본 설계의 개념으로 정의하였다. 이에 하드웨어는 소형화 및 기능 구조에 적합하도록 UHF 수신반, 제어반, 전원분배반으로 구성하여 설계 및 제작하였다. 제어반에 탑재하여 운영되는 소프트웨어는 WTMS 와 WTMC로 구성된다.
- 소형 및 낮은 소비전력을 구현하기위하여낮은IF를 가지고 있는 직접변환구조(low IF direct conversion)로 설계되었다. 이중화된 수신구조 간의 영향 성을 최소화하기 위하여 국부 발진 신호 위상을 90 o 차이를 만족하도록 설계하였다. 특히 높은 수신 선택도를 만족하기 위하여 협대역 채널 필터를 적용하여 그림 3과 같이 Fc ± 50 KHz 에서약– 60 dBc 이하의 수신 선택도 특성을 만족하였다.
- 고속 샘플링을 위한 Clock을 제공하기 위하여 VCO(Voltage Controlled Oscillator)가 내장된 Clock Conditioner를 사용하여 Phase Noise 성능이 우수한 Clock을 ADC 에 공급한다. 저 잡음의 데이터 획득 및 출력을 위하여 ADC 별도의 분리된 LDO(linear drop output) Regulator 를 사용하여 전원 노이즈를 최소화하였다.
- 전 방향성 특성을 만족하기 위하여 상하부에 장착된 2개의 안테나에 대응하여 UHF 수신부는 이중화하여 설계되었다. UHF 수신반의 주요기능은 다음과 같다.
- 현재 군에서 사용하고 있는 Link-K 전술데이터링크는 전술 상황을 공유하고, 실시간으로 지휘 통제가 가능하지만, 목표물 변경에는구조적인 제한을 가진다. 제안된 방법은 국내에서 개발된 기본형 Link-K 모듈을 소형화 및 경량화하는 것을 목표로 현 공군에서 운용 중인 KGGB 유도키트를 활용하여, 항공 투하용 MK-82 일반 목적탄 내부에 장착 가능하고, 유도조종 모듈과 연동할 수 있는 소형 UHF 수신 모듈을 설계 및 시제품을 제작하였다. 이를 통해 실시간 목표물 변경이 가능한 것을 확인하였다.
- 그림 13은 소형 UHF 수신 모듈을 시험하는 환경 구성을 도시하였다. 제작된 소형 UHF 수신 모듈을 시험하기 위해 전원 DC +28 V를 입력하고, 기존 개발된 기본형 Link-K 송신기를 활용하여 UHF 수신반 입력단자에 연결한다. Link-K 메시지를 처리한 후 유도조종 모듈과 통신하기 위하여 RS-232 어댑터를 모듈과 연결하고, 모듈의 내부 상태 및 메시지 내용을 확인하기 위해 점검프로그램을 연결한다.
- 7 V의 전원을 내부에 공급한다. 특히 부하 전력에 따른 발열 해석을 통하여 고온 및 저온에 환경에서 안정적인 전원 공급이 고려하여 설계되었다.
대상 데이터
- 그림 9. ADS5560의 구조.
- 그림 10. LMK01000의 구조.
- 5 T)와 FR-4 에폭시를 결합한 세라믹 다층기판을 사용하였다. UHF 수신반의 기구물은 수신부 간의 격리도 확보하고 방열 및 차폐기능을 제공하기 위하여 알루미늄 합금 재질인 AL6061T6으로 가공하여 제작하였다.
- 제어반은 FPGA 및 ADC와 같은 고정밀의 clock 을 기반으로 동작하는 디바이스로 구성되어 있으며, 이러한 정밀 클럭을 공급하기 위하여 단일의 TCXO(temperature compensated crystal oscillator)로부터 클럭을 공급받아 FPGA 및 ADC에서 필요로 하는 클럭을 공급하는 Clock Distributor인 Texas Instrument社의 LMK01000을적용하였다.
- 제작된 PCB 크기는 94 mm ×94 mm 이며, 총 4 층 기판에 두께는 1.6 mm 이며, 재질은 RO4350B(0.5 T)와 FR-4 에폭시를 결합한 세라믹 다층기판을 사용하였다.
이론/모형
- AM 복조는 구현 요소가 단순하고 입력에 민감하지 않은 “Asynchronous complex wnvelope detection” 방법을 사용해서 구현하였고, 그 구조는 그림 6 과 같다.
- IF신호를 디지털 데이터로 변환하기 위하여 Texas Instruments社의 ADS5560을 적용하였다. ADS5560 단일채널의 16 Bit급 ADC로써 최대 80 Msps의 샘플링을 지원하며, 최소 84 dBFs 의 SNR(signal-to-noise ratio) 및 85 dBc 의 SFDR (Spurious-free dynamic range)을 지원한다.
성능/효과
- 특히 높은 수신 선택도를 만족하기 위하여 협대역 채널 필터를 적용하여 그림 3과 같이 Fc ± 50 KHz 에서약– 60 dBc 이하의 수신 선택도 특성을 만족하였다.
후속연구
- 이를 통해 실시간 목표물 변경이 가능한 것을 확인하였다. 또한, 현재 개발된 규격에서 수신뿐만 아니라 송신도 가능한 소형 Link-K 모듈을 개발하여 키트 내부에 탑재 할 수 있도록 한다면 더욱 효율적인 전술데이터링크 운용 및 실시간 지휘 통제가 가능할 것이라 판단된다.
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