[논문]해안방어 무기체계 효과분석 방법론: 사례연구를 중심으로

신상욱; 최봉완; 오천균; 조한무

doi:10.9766/kimst.2019.22.1.124

해안방어 무기체계 효과분석 방법론: 사례연구를 중심으로
A Case Study on Analysis Methodology of Costal Defence Weapon System 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.22 no.1, 2019년, pp.124 - 134

신상욱 (한남대학교 산업공학과) , 최봉완 (한남대학교 산업공학과) , 오천균 (LIG넥스원(주) 유도무기1연구소) , 조한무 (LIG넥스원(주) 유도무기1연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

As the types of North Korea's provocation are diverse and unexpectable in the costal area, ROK navy needs to develop countermeasures, such as costal defence guided rockets. Recently ROK navy developed the PKX-B which is equipped with the new 130 mm guided rocket. The most popular rockets are LOGIR for short range targets, 130 mm guided rocket for middle range targets and Spike-NLOS for long range targets. As various guided rockets are developed, it is required to develop a guided rocket analysis model and it's analysis methodology. In addition, these guided rockets can be installed on any platforms; ground vehicle, aircraft and warship. The paper proposes systematic methodology to estimate the operational effectiveness of costal defence guided rockets. A case study exploiting the ARENA simulation model is explained to demonstrate the implementation of the proposed methodology.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. 130 mm rocket and launcher system
그림 Fig. 2. Weapon system analysis process
그림 Fig. 3. US Navy LCAC maneuvers
그림 Fig. 4. US Navy LCAC vulnerability analysis model
그림 Fig. 5. Simulation logic of combat system
표 Table 1. Input data summary of guided rockets
그림 Fig. 6. Simulation logic by Pd and Ph^[21]
그림 Fig. 7. ARENA user interface of weapon system analysis model
그림 Fig. 8. Probability of attack success
그림 Fig. 9. Survivability of LCAC

AI 본문요약
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문제 정의

3장에서 함정 및 차량탑재용 해안방어 유도로켓 개발현황을 살펴보고, 4장에서 다양한 플랫폼 탑재용 해안방어 유도로켓 분석 방법론을 제시한다. 5장에서는 제시된 유도로켓 분석 방법론을 적용하여 유도로켓 분석 사례연구를 수행하고 결과를 제시하여 향후 운용개념정립, 획득방안수립시 활용 가능토록 제시하고자 한다.
적군의 위협변화와 연안 위주의 전장환경은 무기체계 교전효과가 뛰어나며 비교적 저비용인 유도로켓의 발전을 지속적으로 요구되고 있다. 본 논문은 이러한 유도로켓의 운용개념을 고도화하여, 설치 플랫폼의 다양화 등을 고려한 해안방어용 유도로켓을 보다 발전시키고 전장에서 효율적으로 사용할 수 있는 모의논리와 분석방법론을 제시하고자 한다.
본 논문은 플랫폼 탑재 혹은 고정형 해안방어용 유도로켓 분석 방법론을 제시하였다. 유도로켓 분석은 5 단계로 이루어진다.
북한의 위협은 해안포, 공기부양정, 특수부대 등이 있으나, 대상륙작전의 직․간접적인 최대위협요소인 공기부양정에 대하여 살펴보고자 한다. 북한 공기부양정은 길이 21 m로 최대속력 시속 74~96 km인 ‘공방Ⅱ’ (35 t급)와 길이 18 m로 최대속력 시속 96 km인 ‘공방Ⅲ’(20 t급) 등 두 종류가 있으며, 주임무는 전쟁 발발 직전이나 비정규전을 목표로 특수부대원들을 싣고 고속으로 우리 동·서 해안에 침투하여 특수부대원들을 신속하게 해안에 상륙시키는 역할을 수행한다^[8].
유도로켓 효과도 분석은 ARENA 유도로켓 분석모 델을 활용하여 유도로켓 종류별 입력제원에 따른 작전효과에 대한 사례연구를 보고한다. 모의시나리오는 작전종심이 40 km 되는 접적해역에서 적군 공기부양정 100척이 동시다발적 기습상륙을 시도할 때, 해안에 설치되어 있는 유도로켓 종류별로 작전효과를 분석한다.

제안 방법

1단계 교전효과요소 및 입력데이터 분석, 2단계 모의시나리오 발전, 3단계 시뮬레이션을 위한 모의 핵심 변수 분석, 4단계 모델링 및 시뮬레이션, 5단계 유도 로켓 효과도 분석으로 구성된다.
4단계 모델링 및 시뮬레이션은 ARENA 소프트웨어를 이용 해서 해안방어용 유도로켓 분석모델을 발전시킨다. 5 단계 유도로켓 효과도 분석은 유도로켓의 종류에 따라 유도로켓의 공격성공률과 공기부양정의 상륙성공률을 바탕으로 평균과 표준편차를 분석한다.
ARENA 시뮬레이션 소프트웨어를 활용하여 유도로켓 분석모델을 프로그래밍하고 이를 시뮬레이션 한다. ARENA 시뮬레이션에서 유도로켓 교전을 묘사하기 위해서 두 가지 모의논리를 적용한다.
ARENA 유도로켓 분석모델을 이용해서 적군 및 아군의 투입전력에 따른 교전결과를 산출한다. 이때 ARENA 유도로켓 분석모델은 아군의 유도로켓 종류에 따른 적군의 투입전력 손실량을 정량적으로 산정 하여 유도로켓별 작전효과도를 세부적으로 분석한다.
하지만, 현실적으로 모든 상륙함정을 동시에 동원하여 작전을 하는 것은 지리적으로 제한되기 때문에, 전술적·지리적 상황을 고려해서 모의시나리오에는 적군 공기부양정 100척이 NLL 접적해역에서 동시에 기습상륙을 시도하는 것으로 상정하고 이에 대응하는 유도로켓의 종류별 작전효과도를 모의분석한다. 가정사항으로 북한의 공기부양정에 대한 세부 제원 확보가 제한되기 때문에 공개자료인 미해군의 공기부양정(LCAC) 데이터를 적용하여 모의분석한다. 적군의 공기부양정이 해안으로 상륙을 시도하는 패턴(진형 및 간격)은 다수의 공기부양정이 동시다발적으로 기습상륙을 시도하는 것을 상정하고, 진형 및 간격은 임의난수(Random number)를 발생시켜 특정 패턴 없이 임의 진형과 간격 하에서 시뮬레이션 구현한다.
유도로켓 효과도 분석은 ARENA 유도로켓 분석모 델을 활용하여 유도로켓 종류별 입력제원에 따른 작전효과에 대한 사례연구를 보고한다. 모의시나리오는 작전종심이 40 km 되는 접적해역에서 적군 공기부양정 100척이 동시다발적 기습상륙을 시도할 때, 해안에 설치되어 있는 유도로켓 종류별로 작전효과를 분석한다. 5.
현재 다양한 플랫폼 탑재 혹은 고정형 해안방어용 유도로켓이 개발되고 있으며 유도로켓별로 무기체계 특성과 장·단점을 보유하고 있다. 본 논문에서 제시한 유도로켓 분석방법론은 공기부양정 손상률 연구를 통한 작전효과도 판단 핵심변수와 AHP기법을 활용한 작전효과 변수의 가중치, 그리고 무기체계 운용자를 중심으로 한 시나리오 설정 방법론을 적용하여 유도 로켓별로 실전 상황에서 어느 정도의 작전효과도를 발휘 할 수 있는지를 정량적으로 제시한다. 이는 무기체계 소요제기 및 획득 과정에서 과학적이고 체계적인 분석결과를 제공할 수 있어 아군의 전장환경에 적합한 무기체계 획득에 크게 기여할 수 있을 것이다.
75 inch LOGIR), 중거리 유도로켓(130 mm 유도로켓), 장거리 유도로켓(SPIKE NLOS)로 구분된다. 본 연구에서는 Fig. 4와 같이 저자의 선행연구인 공기부양정 취약성분석을 통한 교전방법 및 무기체계효과에 따른 공기부양정 손상률을 판단하는 연구^[4]에서 적용하여 검증된 효과요소와 AHP 분석을 통한 변수 중요도 결과를 바탕으로 유도로켓 별로 무기체계 성능(사거리, 탐지율, 명중률, 파괴율), 무기체계 프로세스 처리시간, 무기체계 발사간격(재장전 시간 포함) 등을 입력 변수로 선정하였다.
적군은 연안에서 기습도발전술(Hit and Run)을 구사할 것이며, 이때 활용되는 기습상륙전력은 공기부양정이 해당된다. 사례연구는 적군의 기습상륙을 시도하는 과정에서 해안에 설치된 유도로켓의 종류에 따라 작전효과도를 모의분석하는 방식으로 진행한다.
모델링 및 시뮬레이션은 ARENA 시뮬레이션 소프트웨어를 활용한다. 센서 탐지율, 무기체계 명중률, 표적 파괴율, 무기체계 프로세스 처리시간 및 무기체계 발사간격 등의 모의 핵심변수를 활용하여 확률형 무기체계 분석모델을 개발한다. 다양한 소프트웨어를 통해 분석모델을 개발할 수 있으나, 본 논문에서 ARENA 소트프웨어를 활용한 이유는 수리적 모형, 알고리즘 모델링과 시스템 프로세스 분석 등이 용이하고 사용자 운용화면(User interface)이 발달되어 프로그램 접근성이 우수하기 때문이다.
이때 ARENA 유도로켓 분석모델은 아군의 유도로켓 종류에 따른 적군의 투입전력 손실량을 정량적으로 산정 하여 유도로켓별 작전효과도를 세부적으로 분석한다. 유도로켓의 작전효과도는 공격성공률과 공기부양정의 목표해안 상륙성공률을 기준으로 분석하고, 확률형 모델의 특성을 고려해서 무기체계 종류별 100회 시뮬레이션을 통해 공격성공률과 상륙성공률에 대한 평균 및 표준편차를 산정한다. 공격성공률은 적군 공기부양 정에 대한 타격을 통해 무력화되는 확률을 이르고, 상륙성공률은 적군 공기부양정이 목표해안에 안전하게 상륙할 수 있는 확률을 이른다.
유도무기체계 모의 핵심변수는 공기부양정 손상율 판단 연구를 통해 검증된 효과요소인 센서체계 탐지율, 무기체계 명중률, 플랫폼의 파괴율로 구성된다. 첫째, 센서체계 탐지율은 레이더 방정식^[17]을 활용하며 식 (1)과 같다.
ARENA 유도로켓 분석모델을 이용해서 적군 및 아군의 투입전력에 따른 교전결과를 산출한다. 이때 ARENA 유도로켓 분석모델은 아군의 유도로켓 종류에 따른 적군의 투입전력 손실량을 정량적으로 산정 하여 유도로켓별 작전효과도를 세부적으로 분석한다. 유도로켓의 작전효과도는 공격성공률과 공기부양정의 목표해안 상륙성공률을 기준으로 분석하고, 확률형 모델의 특성을 고려해서 무기체계 종류별 100회 시뮬레이션을 통해 공격성공률과 상륙성공률에 대한 평균 및 표준편차를 산정한다.
아군 무기체계 변수는 기존 장비운용 정보의 평균값을 활용하여 변수에 입력 한다. 하지만 본 논문은 실험적 분석절차를 제시하는 목적과 비밀공개 제한성 등을 고려 레이더 탐지방정식, 무기체계 명중률 방정식, 플랫폼 파괴율 방정식, 가상의 무기체계 프로세스 처리시간 및 무기체계 발사간격을 모의 핵심변수에 입력한다.
하지만, 현실적으로 모든 상륙함정을 동시에 동원하여 작전을 하는 것은 지리적으로 제한되기 때문에, 전술적·지리적 상황을 고려해서 모의시나리오에는 적군 공기부양정 100척이 NLL 접적해역에서 동시에 기습상륙을 시도하는 것으로 상정하고 이에 대응하는 유도로켓의 종류별 작전효과도를 모의분석한다.
아군의 해안방어용 무기체계에 대한 효과요소 및 입력데이터는 무기체계의 탐지율, 명중률, 파괴율, 무기체계 프로세스 처리시간 및 발사간격 등이다. 효과변수 및 입력데이터 분석 시 AHP 분석을 통해 분야별 효과요 소와 입력데이터의 중요도를 세부적으로 식별하고 변수와 입력데이터 분야를 모형화하였다^[13,14]. 유도무기 체계의 경우에는 효과요소 및 입력데이터 분석 분야를 전투효과, 운용효과, 군수지원효과, 경제적 파급효과 등으로 구분하여 무기체계의 전반적인 분야를 사전에 식별하고 본 연구에서 중점적으로 필요한 전투 효과분야의 효과요소와 가중치결정, 모의분석을 위한 주요 입력데이터를 선별하여 모의핵심변수 선정절차를 수행한다.

대상 데이터

130 mm 유도로켓은 LIGNex1 및 한화디펜스에서 합작 개발한 대함용 130 mm 유도로켓으로 2016년에 취역한 신형 고속정에 탑재하고 있다. 130 mm 유도로켓은 연안에서 적군 공기부양정을 격퇴하기 위해 디자인 되었다.
130 mm 유도로켓은 LIGNex1 및 한화디펜스에서 합작 개발한 대함용 130 mm 유도로켓으로 2016년에 취역한 신형 고속정에 탑재하고 있다. 130 mm 유도로켓은 연안에서 적군 공기부양정을 격퇴하기 위해 디자인 되었다. 130 mm 유도로켓은 유효사정거리 3~20 km이며, 탄두중량 8 kg의 파괴력을 보유하고 있다.
7 mm machine gun 2문을 보유하고 있다. 추진체계는 TF-40B 가스터빈 4대를 이용하는데 2대의 가스터빈은 추진력을 발생시키는 프로펠러에 연결되어 16,000HP의 추진력을 발생시킨다. 나머지 2대의 가스터빈은 공기 부양(Air cushion)을 위한 용도로 운용된다.
해군은 해상에서 경비중인 함정과 도서 기지에 전진 배치되어있는 고속함정 등으로 해상에서 대상륙작전을 수행한다. 해병대는 서북도서에 배치되어있는 부대의 해안방어용 무기체계로 대상륙작전을 수행할 것이다.

이론/모형

모델링 및 시뮬레이션은 ARENA 시뮬레이션 소프트웨어를 활용한다. 센서 탐지율, 무기체계 명중률, 표적 파괴율, 무기체계 프로세스 처리시간 및 무기체계 발사간격 등의 모의 핵심변수를 활용하여 확률형 무기체계 분석모델을 개발한다.
4절의 핵심변수 확률방정 식에 의해 구현된다. 위협순위 평가 및 교전은 ｢First Come, First Service｣ 원리를 적용한다.
유도무기체계 모의 핵심변수는 공기부양정 손상율 판단 연구를 통해 검증된 효과요소인 센서체계 탐지율, 무기체계 명중률, 플랫폼의 파괴율로 구성된다. 첫째, 센서체계 탐지율은 레이더 방정식^[17]을 활용하며 식 (1)과 같다. 탐지율에 영향을 주는 탐색기(Seeker)의종류는 적외선 유도방식, 이미지 및 적외선 유도방식, 전자영상 유도방식으로 구분된다.

성능/효과

Rocket B 는 양호한 명중률과 파괴율을 보유하고 있고 중거리 표적대응 간 공격실패 시 재공격 등이 가능하였다. 100회 시뮬레이션 간 공격성공률이 평균 0.693 수준으로 나타나고, 표준편차는 0.041으로 다른 유도로켓에 비해 안정적인 공격성공률을 보이고 있다. Rocket C는양호한 명중률과 파괴율을 보유하고 있으나, 무기체계 프로세스 처리시간과 탄약 재장전 등 무장 발사에 소요되는 시간이 다른 유도로켓에 비해 많이 소요되어 다수 표적대응 간 공격성공률이 평균 0.
본 논문에서 플랫폼 탑재 혹은 고정형 해안방어용 유도로켓 분석결과와 아군의 전장환경을 고려 시 안정된 명중률과 파괴율뿐만 아니라 공격결과 판단 후재공격을 가할 수 있는 중·장거리 공격성능을 갖춘 유도로켓이 필요하고, 무기체계 프로세스 처리시간과 재장전 등 발사간격도 유도로켓 선정 시 중요한 요구 조건임을 알 수 있었다.
상기 유도로켓의 공격성공률과 공기부양정의 상륙 성공률 등을 종합분석결과, 짧은 종심의 전장환경과 다수의 공기부양정에 의한 동시다발적 기습상륙작전 에 대응하는 효과적 해안방어용 유도로켓은 ① Rocket B(중거리 유도로켓), ② Rocket A(단거리 유도로켓), ③ Rocket C(장거리 유도로켓) 순으로 분석된다.
공기부양정의 RCS 및 레이더 반사파가 동일하다고 가정할 경우, 레이더 출력 및 안테나 이득에 관한 변수값(P_TG²_T)이 증가하면 탐지율이 향상된다. 탐색기의 경험적 데이터를 기준으로 판단시 이미지 및 적외선 유도방식이 적외선 유도방식보다 탐지율이 약 10 % 향상되고, 전자영상 유도방식은 적외선 유도방식 보다 약 20 % 향상된다.

후속연구

따라서 아군의 해안방어용 무기체계는 서북도서기지 및 해안방어부대에 배치하여 원거리에서 기습상륙하는 표적을 정밀타격하여 격멸하고, 아군 함정 및 해안방어전력에 위협이 되는 적군 해안방어 체계(해안포, 지휘시설, 해안방어유도탄)를 효과적으로 무력화 할 수 있는지에 대해 모의시나리오를 구체화하여 발전시키는 것이 필요하다. 또한 주변국위협을 고려한 울릉도, 마라도 등 핵심분쟁 발생가능 도서에 플랫폼 탑재 혹은 해안배치용 유도로켓을 운용하는 시나리오도 분석 대상이 될 수 있다
본 논문은 해안방어용 유도로켓 분석 방법론 재정립, 유도로켓 분석 사례연구와 상용 시뮬레이션 프로 그램을 활용한 다양한 유도로켓 분석모델 개발의 가능성을 제시하여, 해안방어용 유도로켓 개발 연구에 기여할 것으로 예상된다. 향후 연구과제로 유도로켓 종류별로 조합(예 : 장거리/중거리, 단거리/중거리/장거리, 등)해서 공격성공률과 상륙성공률에 대해 분석할 경우, 무기체계 획득 과정에서 보다 현실성 높은 분석 결과 산출이 가능할 수 있을 것으로 사료된다.
본 논문에서 제시한 유도로켓 분석방법론은 공기부양정 손상률 연구를 통한 작전효과도 판단 핵심변수와 AHP기법을 활용한 작전효과 변수의 가중치, 그리고 무기체계 운용자를 중심으로 한 시나리오 설정 방법론을 적용하여 유도 로켓별로 실전 상황에서 어느 정도의 작전효과도를 발휘 할 수 있는지를 정량적으로 제시한다. 이는 무기체계 소요제기 및 획득 과정에서 과학적이고 체계적인 분석결과를 제공할 수 있어 아군의 전장환경에 적합한 무기체계 획득에 크게 기여할 수 있을 것이다.
본 논문은 해안방어용 유도로켓 분석 방법론 재정립, 유도로켓 분석 사례연구와 상용 시뮬레이션 프로 그램을 활용한 다양한 유도로켓 분석모델 개발의 가능성을 제시하여, 해안방어용 유도로켓 개발 연구에 기여할 것으로 예상된다. 향후 연구과제로 유도로켓 종류별로 조합(예 : 장거리/중거리, 단거리/중거리/장거리, 등)해서 공격성공률과 상륙성공률에 대해 분석할 경우, 무기체계 획득 과정에서 보다 현실성 높은 분석 결과 산출이 가능할 수 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	공기부양정이란?	적군이 사용 가능한 대표적 기습상륙전력은 공기부 양정(LCAC : Landing Craft Air Cushion)이다. 공기부양정은 무기체계, 장비, 화물, 전투병력을 연안에서 상륙해안으로 수심의 제한 없이 신속하게 이송할 수 있는 함정이다. 공기부양정은 많은 나라에서 유사한 종류의 공기부양정을 운용 중에 있다.
	공기부양정의 장점 대비 단점은?	공기부양정의 고속기동력과 수심제한을 받지 않는 강력한 장점 대비 단점은 기동 중에 피격을 받을 경우 추진동력 상실에 따라 기동에 심각한 제한을 받는다. 공기부양정의 생존성을 높이기 위해서는 최단시간내 상륙해안에 도착해서 전투병력 및 화물을 하역하고 상륙해안을 이탈하는 것이 최선의 방책이 된다.
	SPIKE NLOS의 특징은?	SPIKE NLOS(Hitting non-line of site target)는 이스라엘 Rafael사에서 개발한 유도로켓이다. 최대사정거리 25 km이며, 전자영상(Electro-optical) 유도방식이기 때문에 수평선 뒤쪽에 있는 원거리 표적에 대해 영상으로 보면서 유도하여 정밀타격을 할 수 있다. 발사 플랫폼은 육·해·공 모든 플랫폼에 탑재가 가능하다.

저자의 다른 논문 :

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].

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