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문제 정의
- 이 논문에서는 유도탄 및 항공제어에 적용되어 검증된 3차원 유도조종 기법을 화포발사 탄약에 그대로 적용하였을 경우 성능변화를 분석한 후 문제점을 파악하여 성능개선을 위한 기법을 제안 하였다.
- 이 논문에서는 유도탄에 적용하여 검증된 3차원 유도법칙이 포발사 탄약에도 적용 가능함을 확인하였으며 탄약에 탑재된 관성센서의 계측값을 일정구간 평균하여 유도알고리즘에 전달함으로써 탄약의 유도조종 성능을 개선하는 기법을 제안하였다. 이 기법의 적용으로 탄약의 운동특성에 따른 탄착정확도 개선 효과가 있음을 모의시험을 통해 검증하였다.
제안 방법
- 이 논문에서는 유도탄 및 항공제어에 적용되어 검증된 3차원 유도조종 기법을 화포발사 탄약에 그대로 적용하였을 경우 성능변화를 분석한 후 문제점을 파악하여 성능개선을 위한 기법을 제안 하였다. 본 논문에서 제안하는 기법은 탄의 운동특성분석 없이 현재의 탄자세 예측수준에서 최대한 오차를 줄여 탄약의 표적오차를 줄이기 위해 고안한 기법으로 탄약의 회전 및 탄약 유도조종에 방해가 되는 노이즈성 세차운동에 따른 탄내 장착 관성센서의 출력 변동폭을 줄이기 위해 신호처리 기법으로 많이 사용되는 이동평균필터 기법을 적절히 응용하여 관성센서 출력값을 보정하는 기법이다. 단순히 3차원 유도조종 기법을 적용한 경우와 개선기법을 포함하여 적용한 기법의 성능을 비교하기 위해 탄착오차(표적과 탄착점 사이의 거리)와 원형공산오차(Circular Error Provability, CEP)를 이용하였으며, 명확한 성능개선을 확인하였다.
- 본 논문에서 제안하는 기법은 탄의 운동특성분석 없이 현재의 탄자세 예측수준에서 최대한 오차를 줄여 탄약의 표적오차를 줄이기 위해 고안한 기법으로 탄약의 회전 및 탄약 유도조종에 방해가 되는 노이즈성 세차운동에 따른 탄내 장착 관성센서의 출력 변동폭을 줄이기 위해 신호처리 기법으로 많이 사용되는 이동평균필터 기법을 적절히 응용하여 관성센서 출력값을 보정하는 기법이다. 단순히 3차원 유도조종 기법을 적용한 경우와 개선기법을 포함하여 적용한 기법의 성능을 비교하기 위해 탄착오차(표적과 탄착점 사이의 거리)와 원형공산오차(Circular Error Provability, CEP)를 이용하였으며, 명확한 성능개선을 확인하였다.
- CNG 적용가능성을 확인하기 위해 날개가 장착된 탄약의 형상에 대한 6자유도 운동모델을 설계하였으며 풍동시험을 통해 구축된 공력DB를 적용하여 시뮬레이션 환경을 구축하였다. 이때 6 자유도 운동모델은 일반적으로 많이 사용되는 가장 기본적인 모델을 이용하였으므로 별도의 설명 등은 생략한다.
- 가상으로 편각 30deg로 발사된 탄약이 표적거리 12Km의 표적을 타격하는 시나리오를 구성하고, 유도입력의 크기는 10m/s2으로 제한하였으며, 그 외 조건은 가장 이상적인 값으로 하였다.
- 실제적인 환경에서 3차원 유도법칙이 탄약의 유도조종 환경에 어떠한 영향을 미치는지 확인하기 위해 Fig. 4의 시뮬레이션구성에서 IMU model 과 GPS model에 오차 성분을 추가하고 시뮬레이션을 수행하였다. ‘Acceleration’에서 CNG 유도법칙의 유도입력을 제공하며, 이를 동체좌표계 기준으로 변환하여 ‘Autopilot’에 제공한다.
- 오토파일럿을 통해 유도입력을 잘 추종하는지 확인하기 위해 항법 입력은 실제값을 사용하고 시뮬레이션을 수행하였다. 편각 0°로 발사된 경우 약 4.
- 항법에서 추정한 값을 통해서도 유도입력을 잘 추종하는지 확인하기 위해서 최종적으로 오토파일럿과 항법을 연동하여 CNG의 유도성능을 확인 하였다. 탄약의 특성상 발사전 항법관련 데이터를 초기화할 수 없으므로 포발사 후 항법 Hot-Start 및 GPS를 통한 롤각 추정을 통해 항법초기화를 수행하며, 이후 IMU 데이터를 연동하여 통합항법을 수행하며 이를 통해 항법 추정값을 얻는다.
- 포 발사 시 표적대비 10°의 편각을 설정하고 x 축 직선 방향으로 12km의 표적으로 3차원 CNG 유도법칙을 적용하여 평균적으로 발생하는 원형 공산오차(Circular Error Probability, CEP)를 100회 몬테칼로 시뮬레이션을 통해 확인하였다.
- 탄약의 비행특성상 실제 가속도 변이의 발생은 필수 불가결할 수 있지만 노이즈와의 공진으로 과도한 변이의 발생을 막을 필요는 있다. 이 논문에서는 가속도 센서의 측정 데이터에 Fig. 8과 같이 이동 평균 필터 (Moving Average Filter, MAF)를 적용하여 이러한 노이즈 공진성 변이를 줄이는 방법을 제안 하였고, 모의실험을 통해 성능 개선을 확인하였다. 이동 평균 필터는 일반적으로 사용하는 배치적 기법을 적용하였으며 개념도 및 기본식은 다음과 같다.
- 이 논문에서는 유도탄에 적용하여 검증된 3차원 유도법칙이 포발사 탄약에도 적용 가능함을 확인하였으며 탄약에 탑재된 관성센서의 계측값을 일정구간 평균하여 유도알고리즘에 전달함으로써 탄약의 유도조종 성능을 개선하는 기법을 제안하였다. 이 기법의 적용으로 탄약의 운동특성에 따른 탄착정확도 개선 효과가 있음을 모의시험을 통해 검증하였다.
- 항법에서 추정한 값을 통해서도 유도입력을 잘 추종하는지 확인하기 위해서 최종적으로 오토파일럿과 항법을 연동하여 CNG의 유도성능을 확인 하였다. 탄약의 특성상 발사전 항법관련 데이터를 초기화할 수 없으므로 포발사 후 항법 Hot-Start 및 GPS를 통한 롤각 추정을 통해 항법초기화를 수행하며, 이후 IMU 데이터를 연동하여 통합항법을 수행하며 이를 통해 항법 추정값을 얻는다. 편각 0°로 발사된 경우 약 22.
데이터처리
- ‘Acceleration’에서 CNG 유도법칙의 유도입력을 제공하며, 이를 동체좌표계 기준으로 변환하여 ‘Autopilot’에 제공한다. 시뮬레이션은 12km 거리의 표적을 가상하여 수행하였으며 오토파일럿을 통해 알고리즘을 적용하고 항법은 참값을 사용한 경우와 필터를 통해 추측된 값을 사용한 경우로 수행하여 결과를 비교하였다.
- 이 때 표적거리를 12km로 고정한 것은 포발사 탄약에 가해지는 외력의 영향을 동일하게 하기 위한 것이다. 실제 환경과 최대한 유사하게 설정하기 위해 가속도 센서 계측 오차를 크게 하여 3차원 CNG 유도법칙을 수행한 결과와 비교하였으며, 이 논문에서 제안한 기법을 사용한 경우 탄착 오차의 변화를 같이 확인하였다. 우선 Table 1과 같은 시나리오로 시뮬레이션을 수행하였다.
이론/모형
- 이 논문에서는 탄약의 3차원 유도제어를 위하여 탄과 표적 그리고 종말 속도 벡터를 포함하는 원을 정의하고 이원을 추종하게 함으로써 3차원 제어를 가능하게 하는 원형 항법 제어(Circular Navigation Guidance, CNG)를 적용하였다[9]. 2차원 평면제어와 달리 3차원 제어를 하게 되면 바람과 같은 환경적인 요인에 의한 탄도왜곡이 개선될 수 있으며, 적을 기만하기 위해 의도적으로 편각 사격을 수행하는 것이 가능해진다.
- 8과 같이 이동 평균 필터 (Moving Average Filter, MAF)를 적용하여 이러한 노이즈 공진성 변이를 줄이는 방법을 제안 하였고, 모의실험을 통해 성능 개선을 확인하였다. 이동 평균 필터는 일반적으로 사용하는 배치적 기법을 적용하였으며 개념도 및 기본식은 다음과 같다. 3축 가속도 센서 출력값을 각각 수집 하여 n-1개의 과거 데이터와 n번째 데이터를 평균하여 출력함으로써 Fig.
성능/효과
- 2.4.1과 2.4.2에서 CNG 유도기법을 적용한 결과 편각이 없이 화포에서 발사된 탄약의 경우 탄착오차가 4.5m와 22.5m로 오차가 크게 증가하지는 않는 것을 확인할 수 있었다. 하지만 편각을 10deg로 설정한 경우 4.
- 5m로 오차가 크게 증가하지는 않는 것을 확인할 수 있었다. 하지만 편각을 10deg로 설정한 경우 4.2에서 항법필터의 추정값을 사용하면 탄착오차가 116.4m로 크게 증가하여, 이 경우는 CNG기법을 그대로 탄약에 적용하는 것은 문제가 있다는 것을 확인하였다. 항법필터의 값을 결정하는 주요한 역할을 하는 가속도 센서 값을 확인한 결과 Fig.
- 항법오차의 평균은 Table 3과 같이 편각이 없는 경우는 모든 경우 큰 차이가 없으나, 편각을 10°로 설정하고 노이즈를 인가하여 3차원 CNG 기법만을 적용한 경우 탄착오차가 423m로 크게 증가하는 것을 확인할 수 있다.
- 항법오차의 평균은 Table 3과 같이 편각이 없는 경우는 모든 경우 큰 차이가 없으나, 편각을 10°로 설정하고 노이즈를 인가하여 3차원 CNG 기법만을 적용한 경우 탄착오차가 423m로 크게 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이 논문에서 제안한 이동 평균 필터를 적용한 경우 탄착오차를 97m까지 크게 줄일 수 있었다.
- 그러므로 유도탄에 적용하여 검증된 3차원 유도기법을 포발사 탄약에 적용하는 것이 가능하지만 탄약의 운동특성에 따라 발생하는 노이즈를 저감하지 않는 경우 탄착 오차가 크게 증가함으로 적절한 대책이 필요하며, 본 논문에서 제안한 이동평균 필터 기법의 적용이 효과가 있음을 확인할 수 있다.
후속연구
- 또한 탄약의 유도조종은 국내에서 실제 개발 및 검증된 사례가 없으며 2차원 유도제어에 대한 연구만 수행 중에 있다. 그러므로 여러 가지 기법에 대한 비교분석 이전에 포발사 탄약의 성격과 가장 유사한 유도탄의 유도조종 기법의 적용방안에 대한 연구가 필요하다.
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