[논문]2축 김발 위에 장착된 비축탐색기를 위한 시선각속도 계산

김정훈; 박국권; 유창경

doi:10.5139/jksas.2019.47.3.187

2축 김발 위에 장착된 비축탐색기를 위한 시선각속도 계산
Line-of-Sight Rate for Off-axis Seeker on a 2-axis Gimbal 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.47 no.3, 2019년, pp.187 - 194

김정훈 (Inha University) , 박국권 (Inha University) , 유창경 (Inha University)

초록
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비축 적외선 탐색기는 공력 가열에 의한 열 차폐 효과를 완화시키기 위해 대공 고속 유도탄의 노즈콘 측면에 장착된다. 탐색기 출력은 표적을 지속적으로 추적하기 위한 유도탄의 롤 기동이 관여되었을 때 더 이상 시선각속도로 간주할 수 없다. 본 논문에서는 2축 김발 위에 장착된 비축탐색기를 위한 시선각속도 계산 방식을 제안한다. 첫째로, 실제 시선각속도 방정식은 해석적으로 도출되지만 조준각 오차 변화율을 측정할 수 없어 구현할 수 없다. 그에 따라 조준각 오차 변화율을 획득하기 위해 1차 지연 근사화를 제안한다. 제안한 시선각속도 계산 방식은 유도탄과 김발의 회전을 고려하여 커플링 효과를 보상할 수 있다. 제안한 방식의 성능을 비선형 6 자유도 시뮬레이션을 통해 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The off-axis Infra-Red(IR) seeker is mounted on the nose cone side of the anti-air high speed missile to alleviate thermal shield effect due to aerodynamic heating. The seeker output can not be regarded as the Line-of-Sight(LOS) rate any more as missile's roll motion to keep the target tracking is associated. In this paper, we propose a method to calculate the LOS rate for off-axis seeker on a 2-axis gimbal. Firstly, true LOS rate equations are analytically derived but not implementable because boresight error rate is not measurable. And then the first order lag approximation to obtain boresight error rate is proposed. The proposed LOS rate calculation method can compensate the coupling effect by considering the rotations of missile and gimbal. The performance of the proposed method is verified via full nonlinear 6-DOF(Degree of Freedom) simulations.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 2축 김발에 장착된 비축 탐색기를 위한 시선각속도 방정식의 정식화를 위해 시스템 상태변수를 기술하기 위한 좌표계를 정의하였다. 다음으로 시선각속도 계산에 필요한 실제 시선각 방정식을 유도하였으며 종/횡 방향 커플링 효과가 보상된 실제 시선각속도 방정식을 유도하였고 시선각속도 계산에 필요한 요구 변수들의 획득 방안을 제시하였다.

가설 설정

1과 같이 x_I , y_I , z_I축으로 구성되며 시선각과 동체 자세각을 정의하기 위한 기준 좌표계이다. 종말 요격 단계에서는 표적과의 상대거리가 초기나 중기 유도 단계에 비해 짧고 빠른 시간 안에 요격이 이루어지기 때문에 관성 좌표계는 지구의 곡률을 고려하지 않은 평평한 지구(Flat earth)에서의 좌표계로 가정한다.
표적 탐지 범위가 50~100km인 유도탄의 종말호밍단계에서의 비행거리는 약 15~30km이므로 유도탄과 표적의 초기 상대거리를 20, 25,30km로 설정하였다[3]. 표적은 초기 속도와 중력만 고려하여 기동이 없다고 가정하였으며 사거리가 약 1000km 정도인 준중거리 탄도탄 표적을 선정하였으며 사거리 1000km인 비행체의 재진입 속도는 약 2.8km/sec이므로 표적의 종말교전 초기 속도는 2.6,2.7, 2.8km/sec로 설정하였다[9]. 유도탄의 종말교전 초기 속도는 THAAD 요격탄의 속도 제원을 참조하였으며 초기 속도는 2.

제안 방법

본 논문에서는 2축 김발에 장착된 비축 탐색기를 위한 시선각속도 방정식의 정식화를 위해 시스템 상태변수를 기술하기 위한 좌표계를 정의하였다. 다음으로 시선각속도 계산에 필요한 실제 시선각 방정식을 유도하였으며 종/횡 방향 커플링 효과가 보상된 실제 시선각속도 방정식을 유도하였고 시선각속도 계산에 필요한 요구 변수들의 획득 방안을 제시하였다. 요구 변수들 중 조준각 오차와 조준각 오차 변화율은 1차 지연으로 근사하였다.
종말호밍단계에서유도탄과 표적 간의 다양한 초기 조우 조건에 대해 시뮬레이션을 수행하였고 헤딩 오차의 변화에 따른 시선각속도 추정의 정확도를 분석하였다. 마지막으로조준각 오차의 1차 지연 시상수의 크기에 따라 시선각속도의 추정에 미치는 영향을 분석한 후 제안한 시선각속도의 계산 방식을 검증하였다.
Figure 5는 비례항법 유도명령 산출 과정을 보여주며 조준각 오차 근사화, 시선각 계산, 시선각속도 추정, 유도명령 산출 시 필요한 각도 정보들의 입출력 관계를 나타낸다. 본 논문에서 제시한 시선각속도 산출과정은 외부 Uplink 정보가 필요하지 않고 유도탄에 탑재된 센서들로부터 각도 정보만을 이용하여 시선각속도를 추정한다. 먼저 조준각 오차 근사화는 탐색기 조준각 오차 출력에 대한 1차 지연 근사화된조준각 오차와 조준각 오차 변화율이 시선각 계산과 시선각속도 추정에 사용된다.
본 논문에서는 2축 김발에 장착된 비축탐색기를 가진 유도탄의 시선각속도 계산 방법을 제시하였으며 비선형 6자유도 시뮬레이션을 통해 실제 시선각속도와 비교하여 제안한 방법을 검증하였다. 시선각속도를 정식화하기 위해 먼저 시스템의 좌표계를 정의하였으며 유도탄의 자세변화와 김발의 회전에 의한 커플링 효과를 보상할 수 있는 시선각속도 방정식을 도출하였다.
본 절에서는 유도탄과 김발 탐색기가 회전함에 따라 발생하는 커플링 효과를 보상할 수 있는 시선각속도 방정식을 정식화한다. 적외선 탐색기를 사용할 경우 라디오 주파수 탐색기와 달리 유도탄과 표적 사이의 상대거리를 알 수 없기 때문에 각도 정보만을 이용하여 시선각속도를 도출해야한다.
본 논문에서는 2축 김발에 장착된 비축탐색기를 가진 유도탄의 시선각속도 계산 방법을 제시하였으며 비선형 6자유도 시뮬레이션을 통해 실제 시선각속도와 비교하여 제안한 방법을 검증하였다. 시선각속도를 정식화하기 위해 먼저 시스템의 좌표계를 정의하였으며 유도탄의 자세변화와 김발의 회전에 의한 커플링 효과를 보상할 수 있는 시선각속도 방정식을 도출하였다. 제안한 시선각속도 방정식 계산을 위해 필요한 요구 변수들의 획득 방안을 제시하였으며 조준각 오차 변화율은 1차 지연 근사하여 적용하였고 추정 시선각속도를 3차원 PPN 유도기법에 적용하여 표적에 대한 상대거리 및 상대속도의 정보 없이 유도명령을 생성할 수 있다.
8km/sec로 설정하였다[9]. 유도탄의 종말교전 초기 속도는 THAAD 요격탄의 속도 제원을 참조하였으며 초기 속도는 2.5, 2.6, 2.7km/sec로 설정하였다[3]. 다양한 조우 조건에서 검증하기 위하여 표적과 유도탄의 초기 속도 벡터 사이각(비행경로각, 헤딩각)을 Table 1~3과 같이 설정하였다.
시선각속도를 정식화하기 위해 먼저 시스템의 좌표계를 정의하였으며 유도탄의 자세변화와 김발의 회전에 의한 커플링 효과를 보상할 수 있는 시선각속도 방정식을 도출하였다. 제안한 시선각속도 방정식 계산을 위해 필요한 요구 변수들의 획득 방안을 제시하였으며 조준각 오차 변화율은 1차 지연 근사하여 적용하였고 추정 시선각속도를 3차원 PPN 유도기법에 적용하여 표적에 대한 상대거리 및 상대속도의 정보 없이 유도명령을 생성할 수 있다. 종말호밍단계에서유도탄과 표적 간의 다양한 초기 조우 조건에 대해 시뮬레이션을 수행하였고 헤딩 오차의 변화에 따른 시선각속도 추정의 정확도를 분석하였다.
제안한 시선각속도 방정식 계산을 위해 필요한 요구 변수들의 획득 방안을 제시하였으며 조준각 오차 변화율은 1차 지연 근사하여 적용하였고 추정 시선각속도를 3차원 PPN 유도기법에 적용하여 표적에 대한 상대거리 및 상대속도의 정보 없이 유도명령을 생성할 수 있다. 종말호밍단계에서유도탄과 표적 간의 다양한 초기 조우 조건에 대해 시뮬레이션을 수행하였고 헤딩 오차의 변화에 따른 시선각속도 추정의 정확도를 분석하였다. 마지막으로조준각 오차의 1차 지연 시상수의 크기에 따라 시선각속도의 추정에 미치는 영향을 분석한 후 제안한 시선각속도의 계산 방식을 검증하였다.
2장에서 제안한 시선각속도 계산 방식의 성능을 검증하기 위해 비선형 6자유도 시뮬레이션을 수행하였다. 종말호밍단계에서의 탄도탄 표적 요격에 대한 시뮬레이션을 수행하였으며 3가지 경우로 초기 교전 조건을 설정하여 실제 시선각속도와 추정 시선각속도를 비교하였다. 표적 탐지 범위가 50~100km인 유도탄의 종말호밍단계에서의 비행거리는 약 15~30km이므로 유도탄과 표적의 초기 상대거리를 20, 25,30km로 설정하였다[3].
종말호밍단계에서의 탄도탄 표적 요격에 대한 시뮬레이션을 수행하였으며 3가지 경우로 초기 교전 조건을 설정하여 실제 시선각속도와 추정 시선각속도를 비교하였다. 표적 탐지 범위가 50~100km인 유도탄의 종말호밍단계에서의 비행거리는 약 15~30km이므로 유도탄과 표적의 초기 상대거리를 20, 25,30km로 설정하였다[3]. 표적은 초기 속도와 중력만 고려하여 기동이 없다고 가정하였으며 사거리가 약 1000km 정도인 준중거리 탄도탄 표적을 선정하였으며 사거리 1000km인 비행체의 재진입 속도는 약 2.

데이터처리

2장에서 제안한 시선각속도 계산 방식의 성능을 검증하기 위해 비선형 6자유도 시뮬레이션을 수행하였다. 종말호밍단계에서의 탄도탄 표적 요격에 대한 시뮬레이션을 수행하였으며 3가지 경우로 초기 교전 조건을 설정하여 실제 시선각속도와 추정 시선각속도를 비교하였다.
요구 변수들 중 조준각 오차와 조준각 오차 변화율은 1차 지연으로 근사하였다. 마지막으로 제안한 시선각속도 계산 방식을 검증하기 위해 다양한 초기 조우 조건에서 비선형 6자유도 시뮬레이션을 통해 실제 시선각속도와 추정 시선각속도를 비교하였다.

성능/효과

CASE 2에서는 헤딩 오차가 15°에서 시선각속도의 오차가 수렴하지 않았으며 CASE 3에서는 모든 경우에서 시선각속도의 오차가 0deg/s에 근접하게 수렴하여 추정이 정확하다. PPN 유도를 적용하여 제안한 방식으로 임의의 교전 조건에서 시뮬레이션을 수행해 보았을 때 특정 헤딩 오차 이상이 되면 시선각속도의 추정이 부정확함을 보인다. 그 원인은 조준각 오차 및 조준각 오차 변화율의 1차 지연의 영향이 수치적 오차를 발생시켜 시선각속도의 추정이 부정확해질 수 있다.
11은 본 논문에서 제안한 1차 지연 근사화의 영향을 나타내며 CASE 1에서 헤딩 오차가 10°일 때 시상수 의 값에 따른 시선각속도의 오차를 나타낸다. 시상수가 1msec일 때를 제외한 5msec 이상의 지연이 있을 때시선각속도의 추정이 부정확함을 확인할 수 있으며 이는 특정 교전 조건에서 시선각속도 추정 시 적절한 시상수를 선정해야함을 보여준다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	비축 적외선 탐색기란?	비축 적외선 탐색기는 공력 가열에 의한 열 차폐 효과를 완화시키기 위해 대공 고속 유도탄의 노즈콘 측면에 장착된다. 탐색기 출력은 표적을 지속적으로 추적하기 위한 유도탄의 롤 기동이 관여되었을 때 더 이상 시선각속도로 간주할 수 없다.
	대공 유도탄이 2축 김발 탐색기를 많이 사용되는 이유는?	탄도탄 표적 요격을 위해 종말호밍유도에서 비례 항법유도를 수행하는 대공 유도탄은 효과적인 시선 각속도 정보를 제공하는 2축 김발 탐색기를 많이 사용한다. 또한 대상 탄도탄의 공력 가열 현상에 의해 탄도탄의 표면 온도가 상승하기 때문에 적외선 탐색기가 많이 사용된다.
	왜 탐색기의 성능 저하를 방지하기 위하여 외부에 냉각 가스를 분사하거나 비축 탐색기를 사용하는가?	일반적으로 2축 김발 탐색기는 유도탄의 종축과 일치하도록 유도탄의 노즈팁에 장착된다. 그러나 적외선 탐색기를 장착한 대공 유도탄의 경우 대기를 초음속으로 통과하면서 대기에 의한 공력 가열로 탐색기 창에 발생하는 열 차폐 현상이나 탐색기 창 전면부에 발생하는 충격파의 영향으로 탐색기의 성능이 저하된다[1]. 따라서 탐색기의 성능 저하를 방지하기 위하여 탐색기 창의 외부에 냉각 가스를 분사하거나 내부에 대류냉각 방식을 통해 탐색기 창의 온도를 낮추어 주며 유도탄의 노즈콘 측면에 장착되는 비축 탐색기를 사용한다[2].

참고문헌 (10)

Leite, C. D. F., "Aerothermal Effects on the Infrared Seeker Staring Sensor Performance of High Supersonic Missiles," Master's thesis, Naval Postgraduate School Monterey, 1995, pp.1-3.
Li, C. C., Huang, D. W., Su, Y. C., and Tasi, L. C., "Study of Aero-thermal Effects with Heat Radiation in Optical Side Window," World Academy of Science, Engineering and Technology International Journal of Aerospace and Mechanical Engineering, Vol. 6, No. 5, 2012, pp.943-947.
Yingbo, H., and Yong, Q., "THAAD-Like High Altitude Theater Missile Defense: Strategic Defense Capability and Certain Countermeasures Analysis," Science & Global Security, Vol. 11, No. 2, 2010, pp.151-202.
Liu, L., Yan, L., Zhao, H., Dai., X., and Zhang, T., "Correction of Aeroheating-Induced Intensity Nonuniformity in Infrared Images," Infrared Physics & Technology, Vol. 76, May 2016, pp.235-241.

상세보기
Palumbo, N. F., Blauwkamp, R. A., and Lloyd, J. M., "Basic Principles of Homing Guidance," Johns Hopkins APT Technical Digest, Vol. 29, No. 1, 2010, pp.25-41.
Whang, I. H., and Hwang, T. W., "A LOS Rate Estimator for Homing Seekers with 2 Axis Gimbal System," Journal of Institute of Control, Vol. 7, No. 12, December 2001, pp.1024-1030.
Stevens, B. L., and Lewis, F. L., Aircraft Control and Simulation, 2nd Ed., WILEY, 2016, pp.27-29.
Moharampour, A., Poshtan, J., and Sedigh, A. K., "A Modified Proportional Navigation Guidance for Accurate Target Hitting," Iranian Journal of Electrical and Electronic Engineering, Vol. 6, No. 1, 2010, pp.20-28.
Spencer, J. K., Gosling, T. W., and Christian, W. C., "Ballistic Missile Defense: Information on Theater High Altitude Area Defense(THAAD) System," U.S. General Accounting Office(GAO), 1994.
Kim, J. H., Hong, J. H., Park, K. K., and Ryoo, C. K., "Line-of-Sight Rate Analysis for a Missile with Two-Axes Gimbal Seeker Mounted on the Nose Cone Platform," Proceedings of the SICE Annual Conference, September 2017, pp.458-463.

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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