[논문]선유도어뢰 전술 효과도 분석을 위한 교전수준 모델 개발 연구

조현진

doi:10.9709/jkss.2018.27.1.033

선유도어뢰 전술 효과도 분석을 위한 교전수준 모델 개발 연구
Engagement Level Simulator Development for Wire-Guided Torpedo Performance Analysis 원문보기

한국시뮬레이션학회논문지 = Journal of the Korea Society for Simulation, v.27 no.1, 2018년, pp.33 - 38

조현진 (Department of Electrical Engineering, Korea Naval Academy)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 선유도 중어뢰의 전술 효과도 예측을 위하여 개발한 교전수준 시뮬레이터에 대해서 시뮬레이터 개발에 적용된 개념 및 구성요소 모델에 대해서 소개하고 있다. 특히 어뢰의 공격문제 해결을 위하여 기하학적 모델에 따른 해(Closed-form solution)를 도출하였고, 어뢰의 공격유도 방법에 비례항법 유도를 적용하여 구현하였다. 표적함에 대해서는 속도와 소음의 상충관계로 인한 피탐 가능성을 고려하였다. 어뢰의 초기위치에 따른 공격 소요 시간을 계산하고 이를 도시화하는 과정을 통하여 도출된 해의 정확성을 확인 할 수 있었고, 현실적인 공격유도 방법 및 소음원 모사를 통하여 시뮬레이터 충실도를 높일 수 있었다. 시뮬레이터는 다양한 전술상황을 가정하여 결과를 분석 할 수 있도록 자유도가 높게 개발되었으며, 구성요소 궤적 분석 및 전방위 요격 성공률 분석이 가능하여 전장 상황의 흐름을 파악하고 전술에 대한 이해를 높이는데 도움이 된다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper introduces the simulation concepts and technical approach of wire-guided torpedo performance analysis simulator, as a consequence, provide a framework for understanding overall attack procedures and effectiveness of tactics to torpedo operator. It described the mathematical models of simulation components and weapon engagement principle, especially it derived the closed-form solution of time consumption and leading angle problem of torpedo attack situation based on geographical assumption. In addition, it adopted the proportional navigation guidance at final stage of torpedo attack and also consider the tradeoff relation between target ship speed(propeller noise level) and detection probability, so that it improves the fidelity of physical realism. Simulator is developed with high degree of freedom in the perspective of tactical situation, and it helps user to understand the overall situation and tactical effectiveness.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 선유도 중어뢰 운용 중 발생 가능한 다양한 전술상황을 설정하고 공격성공률을 통한 전술효과도 예측 목적의 시뮬레이터 개발에 적용된 시뮬레이션 개념 및 모델을 소개하고자 한다. 우선 선유도 중어뢰가 가지는 공격단계를 외부유도 및 내부유도 단계로 구분하여 외부유도의 영향을 일정 부분 고려하였다.
본 논문에서는 선유도 중어뢰의 전술 효과도 예측을 위하여 개발한 시뮬레이터에 대한 개념 및 구성요소 모델링에 대해서 소개하였다. 특히, 어뢰 공격문제 해결을 위한 기하학적 모델링 과정에서 시간에 대한 방정식을 기초로 공격 소요시간 및 리드각에 대한 해를 유도하였다.
발사 플랫폼에서의 TMA 및 어뢰 내부유도 전환 시 공격침로의 결정은 기본적으로 충돌삼각형(Collision triangle) 형성을 목적으로 한다. 본 연구에서는 충돌삼각형을 시간 (t)에 관한 방정식으로 모델링하여 실현 가능한 공격상황을 수학적으로 기술하였다.
시뮬레이션은 중어뢰의 내부유도부터 공격종료까지의 과정에 한정하였다. 이는 발사 플랫폼 작동 수에 의한 외부유도 과정 중 순차적이고 상호 종속적으로 발생할 수 있는 Human error 영향을 배제하기 위한 목적이다. 대신 내부유도 전환 순간에 중어뢰가 제공 받는 표적정보에 대한 오차를 반영함으로서 인간 개입에 의한 오차 영향을 모사 하였다.
대신 내부유도 전환 순간에 중어뢰가 제공 받는 표적정보에 대한 오차를 반영함으로서 인간 개입에 의한 오차 영향을 모사 하였다. 주어진 오차 조건에서 어뢰 무기체계 자체의 성능 및 표적의 대응 전술에 따른 효과도 분석이 이루어질 수 있도록 실험이 수행되었다.

가설 설정

그 밖에 침로 변경 시 관성 및 유효타력 등에 의해 발생하는 종거, 횡거, 전술선회경 등의 개념(Pak, 2011)을 반영하였다. 기만기는 부유식 기만기 사용을 가정하였으며(Shin, 2007), 기만기의 투하 방위 역시 식 (7)에 따른 어뢰 발견방위에 따라 결정된다.
선유도 중어뢰의 공격성공률에 기인한 전술상황별 효과도 분석을 위하여 다음과 같은 시나리오를 가정하였다. 중어뢰 발사 플랫폼은 원거리에서 표적을 접촉하여 공격을 위한 TMA 수행 후 어뢰를 발사하였다.
세 변수에 대한 가우시안 확률은 식 (4)와 같으며, Covariance matrix(Σ)는 diagonal matrix 로 가정하였다.
표적함은 최초 원점 [0,0]에 위치하여 x축 방향으로 등속기동하는 것으로 가정하였다. 기동 중 어뢰발견 시 어뢰 대항전술을 수행하며 이는 회피기동과 기만기 투하로 구분된다.

제안 방법

중어뢰의 최초위치(내부유도가 시작되는 위치)는 시뮬레이터 운용자가 원점에 위치한 표적함을 기준으로 방위 및 거리를 결정함으로서 설정된다. 공격문제 해결 시 표적함의 침로(X_c), 속도(X_v), 거리(X_D)에 대한 오차를 가우시안 확률을 적용하여 묘사하였다. 세 변수에 대한 가우시안 확률은 식 (4)와 같으며, Covariance matrix(Σ)는 diagonal matrix 로 가정하였다.
이는 발사 플랫폼 작동 수에 의한 외부유도 과정 중 순차적이고 상호 종속적으로 발생할 수 있는 Human error 영향을 배제하기 위한 목적이다. 대신 내부유도 전환 순간에 중어뢰가 제공 받는 표적정보에 대한 오차를 반영함으로서 인간 개입에 의한 오차 영향을 모사 하였다. 주어진 오차 조건에서 어뢰 무기체계 자체의 성능 및 표적의 대응 전술에 따른 효과도 분석이 이루어질 수 있도록 실험이 수행되었다.
우선 선유도 중어뢰가 가지는 공격단계를 외부유도 및 내부유도 단계로 구분하여 외부유도의 영향을 일정 부분 고려하였다. 더불어 내부유도 중 직선 탐색기동을 가정하여 경어뢰의 사형, 나선형 탐색 등의 방법과 차별을 두었다. 특히 어뢰의 공격 문제와 관련된 기하학적 모델을 시간에 관한 방정식으로 유도함으로써 구성 변수들(속도, 거리, 방위)의 변화에 따른 공격 가능 상황(위치), 소요시간 및 리드각에 대한 일반화된 해를 도출하였다.
오차 반영에 따른 회피 침로의 가변성과 함께 회피기동 시 속도증속 여부 및 그 정도를 조정 할 수 있도록 하였다. 이에 따라 위험지역의 신속이탈과 함정 소음증가로 인한 피탐 가능성의 상충관계를 모사하였다.
본 논문에서는 선유도 중어뢰 운용 중 발생 가능한 다양한 전술상황을 설정하고 공격성공률을 통한 전술효과도 예측 목적의 시뮬레이터 개발에 적용된 시뮬레이션 개념 및 모델을 소개하고자 한다. 우선 선유도 중어뢰가 가지는 공격단계를 외부유도 및 내부유도 단계로 구분하여 외부유도의 영향을 일정 부분 고려하였다. 더불어 내부유도 중 직선 탐색기동을 가정하여 경어뢰의 사형, 나선형 탐색 등의 방법과 차별을 두었다.
오차 반영에 따른 회피 침로의 가변성과 함께 회피기동 시 속도증속 여부 및 그 정도를 조정 할 수 있도록 하였다. 이에 따라 위험지역의 신속이탈과 함정 소음증가로 인한 피탐 가능성의 상충관계를 모사하였다. 속도와 소음의 관계는 경험에 의해 만들어진 식 (8)에 따른다(Urick, 1983).
선유도 중어뢰의 공격성공률에 기인한 전술상황별 효과도 분석을 위하여 다음과 같은 시나리오를 가정하였다. 중어뢰 발사 플랫폼은 원거리에서 표적을 접촉하여 공격을 위한 TMA 수행 후 어뢰를 발사하였다. 선유도에 의한 어뢰 유도 중 표적 OOKm 인근에서 내부유도로 유도 방법이 전환 되었으며, TOSO(Torpedo SONAR)에 의한 표적 탐색 및 표적 획득 시 공격이 이루어진다.
더불어 내부유도 중 직선 탐색기동을 가정하여 경어뢰의 사형, 나선형 탐색 등의 방법과 차별을 두었다. 특히 어뢰의 공격 문제와 관련된 기하학적 모델을 시간에 관한 방정식으로 유도함으로써 구성 변수들(속도, 거리, 방위)의 변화에 따른 공격 가능 상황(위치), 소요시간 및 리드각에 대한 일반화된 해를 도출하였다. 표적 접촉 후 공격유도 방법에 있어서 비례항법 유도(PNG, Proportional Navigation Guidance) 방법(Zarchan, 2012)을 적용하여 보다 현실적인 모델로서 시뮬레이션이 가능하게 하였다.
본 논문에서는 선유도 중어뢰의 전술 효과도 예측을 위하여 개발한 시뮬레이터에 대한 개념 및 구성요소 모델링에 대해서 소개하였다. 특히, 어뢰 공격문제 해결을 위한 기하학적 모델링 과정에서 시간에 대한 방정식을 기초로 공격 소요시간 및 리드각에 대한 해를 유도하였다. 이와 함께 어뢰의 공격 알고리즘 및 표적함의 소음방사 모델에 있어서 시뮬레이터 충실도를 높였다.
선유도에 의한 어뢰 유도 중 표적 OOKm 인근에서 내부유도로 유도 방법이 전환 되었으며, TOSO(Torpedo SONAR)에 의한 표적 탐색 및 표적 획득 시 공격이 이루어진다. 표적함은 어뢰 발견시 회피기동 및 기만기 투하 등 대어뢰 회피전술을 수행한다.

이론/모형

어뢰발견에 따른 회피기동 침로는 앞선 연구결과(Ku, 2009) 의 것을 참조하였다. 다만, 센서 성능에 따른 어뢰 발견방위(ψ)의 모호성을 모사하기 위하여 가우시안 확률, 식 (7)에 따른 오차를 추가하였다.
특히 어뢰의 공격 문제와 관련된 기하학적 모델을 시간에 관한 방정식으로 유도함으로써 구성 변수들(속도, 거리, 방위)의 변화에 따른 공격 가능 상황(위치), 소요시간 및 리드각에 대한 일반화된 해를 도출하였다. 표적 접촉 후 공격유도 방법에 있어서 비례항법 유도(PNG, Proportional Navigation Guidance) 방법(Zarchan, 2012)을 적용하여 보다 현실적인 모델로서 시뮬레이션이 가능하게 하였다. 본 논문의 2장에서는 시뮬레이션에서 가정한 상황 및 제한사항 등 기본적인 시뮬레이션 개념에 대해서 언급하고, 3장에서 시뮬레이션을 구성하는 객체 모델 및 실험 방법에 대해서 설명한다.
함정과 기만기의 음원준위(SL) 기준값은 참고문헌(Urick, 1983) 10.6절의 내용을 활용하였다. 소음 방사패턴의 경우, 기만기는 무지향성(Omni-directional) 패턴을 적용하였지만, 함정의 경우 프로펠러가 위치한 함미에서 기준 SL이 측정되고 함수로 갈수록 그 수치가 줄어드는 Cardioid 패턴으로 모사하였다(Pak, 2008).

성능/효과

어뢰 공격문제 해결을 위한 기하학적 모델 방정식을 이용하여 임의의 조건에 대해 각 위치별 표적함 공격에 필요한 시간을 도시하면 Figure 3과 같다. 2.2절에서 언급한 바와 같이 어뢰와 표적함의 속도관계에 따라 다양한 형태로 해가 존재함을 확인 할 수 있다.
특히, 어뢰 공격문제 해결을 위한 기하학적 모델링 과정에서 시간에 대한 방정식을 기초로 공격 소요시간 및 리드각에 대한 해를 유도하였다. 이와 함께 어뢰의 공격 알고리즘 및 표적함의 소음방사 모델에 있어서 시뮬레이터 충실도를 높였다. 전술상황 표현에 있어 자유도가 높은 시뮬레이션을 개발함으로서, 전술에 대한 이해 및 효과도 예측에 도움을 줄 수 있을 것으로 기대된다.

후속연구

이와 함께 어뢰의 공격 알고리즘 및 표적함의 소음방사 모델에 있어서 시뮬레이터 충실도를 높였다. 전술상황 표현에 있어 자유도가 높은 시뮬레이션을 개발함으로서, 전술에 대한 이해 및 효과도 예측에 도움을 줄 수 있을 것으로 기대된다. 추후 연구 시 협대역 소음신호 분석 기능 및 해양 음파전달 환경 모사 기능을 추가 할 예정이다.
전술상황 표현에 있어 자유도가 높은 시뮬레이션을 개발함으로서, 전술에 대한 이해 및 효과도 예측에 도움을 줄 수 있을 것으로 기대된다. 추후 연구 시 협대역 소음신호 분석 기능 및 해양 음파전달 환경 모사 기능을 추가 할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	표적함에서 어뢰발견시 어떻게 구분하는가?	표적함은 최초 원점 [0,0]에 위치하여 x축 방향으로 등속기동하는 것으로 가정하였다. 기동 중 어뢰발견 시 어뢰 대항전술을 수행하며 이는 회피기동과 기만기 투하로 구분된다.
	군에서 활용되는 M&S는 어떤 형태가 존재하는가?	M&S(Modeling & Simulation)는 다양한 목적으로 많은 분야에서 이루어지고 있다. 특히 군에서 활용되는 M&S는 다루고자 하는 시뮬레이션의 규모(Hierarchy of M&S), 활용 단계(Functional Area), 구현 충실도(Degree of Physical Realism), 인간 참여도(Degree of Human Participation) 등의 분류 기준에 따라 다양한 형태가 존재한다(DoD, 1995; Piplani 1994).
	어뢰의 공격문제 해결을 위해 도출한 것은?	본 연구에서는 선유도 중어뢰의 전술 효과도 예측을 위하여 개발한 교전수준 시뮬레이터에 대해서 시뮬레이터 개발에 적용된 개념 및 구성요소 모델에 대해서 소개하고 있다. 특히 어뢰의 공격문제 해결을 위하여 기하학적 모델에 따른 해(Closed-form solution)를 도출하였고, 어뢰의 공격유도 방법에 비례항법 유도를 적용하여 구현하였다. 표적함에 대해서는 속도와 소음의 상충관계로 인한 피탐 가능성을 고려하였다.

참고문헌 (13)

DoD 5000.59 (1995), "Modeling and Simulation (M&S) Master plan"
Kim, Taekyoo (2014) "System Operational Performance Analysis for Wire-Guided Torpedo" Journal of the Korea Society for Simulation, 23(2), 7-15. (김태규. "선유도어뢰 체계운용성능분석 기법." 한국시뮬레이션학회논문지 23.2 (2014): 7-15.)

원문보기 상세보기
Ku, B., Y. Lee, J. Park, S. Chung, W. Hong, W. Kim, M. Lim and H. Ko, "Robust ship wake search method in the target evasion environment," Journal of the Korea Institute of Military Science and Technology, Vol.12, No.1, 2009, 8-17. (구본화, 이영현, 박정민, 정석문, 홍우영, 김우식, 임묘택, 고한석, "회피 기동에 강인한 수상 항적 탐색방법", 한국군사과학기술학회지, Vol.12, No.1,2009, 8-17)
Mjedle, A. (1977) "A Homing Torpedo: The Effect of the Tactical Situation and the Torpedo Parameters on the Torpedo Effectiveness", Master Thesis, Naval Postgraduate School (USA).
Pak, J.M. (2008) "Effectiveness Analysis of an Acoustic Homing Torpedo", Master Thesis, Korea University (박정민. "음향 유도 어뢰의 효과도 분석." 석사학위논문, 고려대학교 (2008))
Pak, Jung-Min, B. Ku, Y. Lee, D. Ryu, W. Hong, M. Lim, H. Ko. (2011). "Effectiveness Analysis for a Lightweight Torpedo Considering Evasive Maneuvering and TACM of a Target" Journal of the Korea Society for Simulation, 20(4), 1-11. (박정민, 구본화, 이영현, 류동기, 홍우영, 고한석, 임묘택, "표적 회피기동과 어뢰음향대항체계를 고려한 경어뢰의 효과도 분석", 한국시뮬레이션학회 논문지, Vol.20, No.4, 2011, 1-11))
Piplani, Lalit K., Joseph G. Mercer, and Richard O. Roop. "Systems Acquisition Manager's Guide for the Use of Models and Simulations", Report of the DSMC 1993-1994 Military Research Fellows. Defense Systems Management College Press, 1994.
Shin, Ji-hwan. (2007). "On the Development of Authoritative Representations of Torpedo Systems for Engagement Level Simulation". Journal of the Korea Society for Simulation, 16(3), 19-28. (신지환. (2007). 교전수준 어뢰체계 표준모델 개발 방안 연구. 한국시뮬레이션학회논문지, 16(3), 19-28.)
Shin, MyoungIn, H. Cho, J. Lee, J. Lim, S. Lee, W. Kim, W. Kim, W. Hong. (2016). "Effectiveness Analysis for Survival Probability of a Surface Warship Considering Static and Mobile Decoys" Journal of the Korea Society for Simulation, 25(3), 53-63. (신명인, 조현진, 이진호, 임준석, 이석진, 김완진, & 홍우영. (2016). 부유식 및 자항식 기만기의 혼합 운용을 고려한 수상함의 생존율에 대한 효과도 분석. 한국시뮬레이션학회 논문지, 25 (3), 53-63.)
Urick, R.J., Principles of underwater sound 3rd, MacGraw-Hill, 1983
Lee, Simyong, S.Go (2016) "Constructive Simulation and Experimentation for Supporting Light Weight Torpedo Operational Tactics Study" Journal of the Korea Institute of Military Science and Technology, 19(6), 769-778 (이심용, 고승렬, 경어뢰 운용전술연구지원을 위한 구성시뮬레이션 및 모의실험 / 군사과학기술학회지 / 2016.12)

원문보기 상세보기
Yoon, H, "A Study on the Detection Effectiveness of Torpedo", Report of Agency for Defence Development, NWSD-519-960331, 1996
Zarchan, Paul. Tactical and strategic missile guidance. American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2012.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증