[논문]전자전훈련지원체계와 해상작전위성통신체계 간 전자기 간섭 개선을 위한 최적배치에 대한 연구

이지혁; 조규룡; 서형필

doi:10.5762/kais.2019.20.4.15

전자전훈련지원체계와 해상작전위성통신체계 간 전자기 간섭 개선을 위한 최적배치에 대한 연구
A Study on the optimal design of MOSCOS arrangement to solve the EMI between EWT and MOSCOS 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.20 no.4, 2019년, pp.15 - 24

이지혁 (국방기술품질원) , 조규룡 (국방기술품질원) , 서형필 (국방기술품질원)

초록
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다목적훈련지원정(MTB)에 탑재되는 전자전훈련지원체계(EWT) 송신 신호에 의해 MOSCOS 간 전자기간섭 문제점을 해결하기 위한 안테나 최적 위치에 대한 연구를 수행하였다. 이를 위해 4M1E에 근거한 Fishbone Diagram을 이용하여 7가지의 원인을 식별하였으며 Friis 전달공식을 통해 고려해야 할 요소를 식별하고 기존 함정에서 발생한 유사 문제점을 분석한 후, 두 개의 최적 배치 후보를 선정하였다. 두 개의 설치 위치에 대해 전자기 수신 레벨을 측정하여 최적배치(안)을 수립한 후, 본 개선사항에 대한 실선 시험을 통해 전자기 간섭 개선 효과를 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The optimum solutions of MOSCOS antenna arrangement were studied to solve the EMI between it and EWT mounted on an MTB. Two candidates of optimal place for MOSCOS antenna were determined by using a fishbone diagram to determine seven reasons based on 4M1E, to identify the design factors on Friis equations, and to analyze the case study of EMI related to MOSCOS. MOSCOS antenna was rearranged by the final optimal position, which was selected by measuring the Power Spectral Density (PSD) at two locations, and the proposed improvement was tested on board to determine its efficiency.

주제어

표/그림 (18)

그림 Fig. 1. MOSCOS configuration
표 Table 1. MOSCOS Specification
그림 Fig. 2. EWT Operating Concept
그림 Fig. 3. EMC determination flow diagram
그림 Fig. 4. Fishbone diagram of EMI
그림 Fig. 5. MOSCOS and EWT Antenna Placement
그림 Fig. 6. MOSCOS wave propagation model
그림 Fig. 7. EMI Characteristics on E1D mode
그림 Fig. 8. Top view of MOSCOS and EWT
그림 Fig. 9. The location of E-field for MOSCOS
표 Table 2. The candidates for optimal solution
그림 Fig. 10. The PSD of left-sided ANT. locationon E1C and E1D mode
그림 Fig. 11. The PSD of right-sided ANT. locationon E1C and E1D mode
표 Table 3. The improvement of two candidates
그림 Fig. 12. Improvement of MOSCOS location
그림 Fig. 13. The final improvement of MOSCOS
표 Table 4. The evaluation results of three candidates
표 Table 5. The test results after improvement

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 MOSCOS 안테나 설치가 가능한 구역은 O-1 level이다. O-1 level로 이동 설치하는 것만으로도 수식 (6)에 의해 안테나 간 고도차에 의한 간섭 현상 개선은 가능하나 최적화된 위치 선정을 위해 위성통신 수신 감도가 높으며 EWT의 전자파 간섭을 최소화 할 수 있는 최적의 위치 선정에 대한 연구를 수행하였다. 우선 원활한 위성통신을 위한 고각 방향 43~48°도 유지를 하면서 O-1 level에서 기 설치된 구조물에 간섭을 최소로 받는 위치에 대한 조사를 수행하였다.
1 위치와 감소효과가 있는지 실선에서 측정하였다. 강조하면 No.1 위치의 간 섭 값을 기준으로 No. 2와 No. 3 위치의 간섭 값을 비교 하여 간섭 개선 효과를 평가하여 두 개의 위치 사이에 우위에 있는 것으로 나타난 것을 최적의 위치로 판단하고자 하였다.
본 연구에서는 다목적훈련지원정에 탑재된 EWT에 의해 전자전 송신 훈련 시 MOSCOS 장비에 전자기 간섭 현상이 발생하여 위성통신이 제한되는 문제점을 해결 하기 위해 원인분석을 수행하고 MOSCOS 최적 배치안을 연구하였다.
본 연구에서는 전자전 훈련을 수행하기 위해 전파를 훈련함으로 송신 시, EWT 후부에 설치된 해상작전위성 통신체계(Maritime Operation Satellite COmmunication System, 이하 MOSCOS) 안테나가 간섭을 받아 통신이 두절되는 현상이 발생하여, 이를 해결하기 위하여 연구를 수행하였다.
본 연구의 목적인 전자전훈련체계와 MOSCOS 간 간섭현상을 해소하기 위하여 산업공학 분야에서 널리 사용 되고 있는 Fishbone Diagram을 적용하여 주요 원인을 식별하였으며 가장 큰 원인으로 선정된 EWT와 MOSCOS 안테나 간 근접거리 문제점을 해결하기 위한 최적배치 설계에 대한 연구를 수행하였다. 이를 위해 기존 함정에서 발생하였던 전자전 장비와 MOSCOS 간섭 현상 사례를 검토하였고[7], 전자기 간섭의 원인이 되는 EWT 안테나의 수신감도 측정, Friis 전달공식에 따른 수신레벨 계산 및 MOSCOS에 대한 재밍 송신기의 영향 성 검토를 수행하여 최적배치(안)을 수립한 후 본 개선 사항에 대한 실선 시험을 통해 MOSCOS 최적배치에 따른 전자기 간섭 개선 효과를 확인하였다.

제안 방법

1) 육상에서 배에 전력을 공급하고, 배에 탑재된 ‘sensitive-noisy’ 쌍에 대하여 시험한다.
3) 1, 2 단계에서 동작에 이상(deviation)이 발견된 ‘sensitive' 장비에 대하여 주위 전자파 잡음레벨 (Ambient Noise Level)이 낮은 해상위에서 시험 한다.
MOSCOS 안테나가 좌우 대칭인 점을 고려하여 No. 2 위치의 경우 좌현만 측정하고, No. 3 위치의 경우 우현만 측정하여 기존 위치 전계강도와 비교하였다. 측정 결과, 좌현 안테나 설치 위치의 경우, Fig.
2 위치가 후보로 선정되 었다. 또한 EWT 직접파에 의한 영향을 최소화하기 위 해 수식 (5)에 의해 O-1 level에서 가장 먼 거리에 위치 해야 가장 큰 효과를 볼 수 있으므로 O-1 level 함미 쪽 에서 가장 외곽인 No. 3 위치도 후보로 고려하여 두 군 데 위치를 측정하여 원 위치인 No. 1 위치와 감소효과가 있는지 실선에서 측정하였다. 강조하면 No.
어골도(漁骨圖)라고 불리는 Fishbone Diagram은 문제를 일으킬만한 원인과 조건에 이르기까지의 단계를 탐 구하고 문제를 일으킬 가능성이 잇는 원인들에 대해서 생각하며 각각의 원인들을 분석 및 결과를 도출하는데 사용된다[12]. 본 연구에서는 품질문제점 원인 분석을 위해 통상적으로 사용되는 4M1E(Man, Material, Method, Machine, Environment) 요인으로 구분하여 예상 원인 7가지를 식별하였으며 Fig. 4와 같이 표현된다.
수식 (4), (5)에 의한 반사파의 전력의 영향은 Ray Tracing과 같은 해석적 방법으로 더욱 정확한 계산 값을 얻을 수 있으나 본함의 경우 두 안테나 간 거리가 근접 하여 직접파에 의한 영향이 큰 것으로 볼 수 있으므로 직접파에 의한 영향을 분석하였다.
우선 기존 함정에서 발생하였던 전자전 장비와 MOSCOS 간섭 현상 사례를 조사하고 Friis 공식에 따른 이론적 전파 방사 원리 탐구를 통해 고려해야할 요소들에 대해 검토하였으며 본 함의 경우 두 안테나 간 거리가 근접하여 직접파에 의한 영향이 큰 것으로 볼 수 있 으므로 직접파에 의한 영향을 분석하였다. 전자기 수신 레벨 측정을 통해 EWT의 E1C와 E1D 모드에서 MOSCOS와 간섭 현상이 심각함을 확인할 수 있었으며 최적위치 선정을 위해 본 함의 구조를 검토하여 기존 설치되어 있는 O-2 level에서 O-1 level로 이전 설치가 최적의 대안으로 제시되었으며 O-1 level에서 위성통신을 수행하기에 원활한 위치로 No.
우선 원활한 위성통신을 위한 고각 방향 43~48°도 유지를 하면서 O-1 level에서 기 설치된 구조물에 간섭을 최소로 받는 위치에 대한 조사를 수행하였다.
이를 위해 4M1E 요인을 중심으로 Fishbone Diagram 을 적용하여 예상 원인 7가지를 식별하였으며 그 중 환 경 관련 안테나가 근접하여 설치되어 있는 것이 가장 큰 문제점으로 식별하였으며 안테나 간 이격을 위한 최적배치 연구를 수행하였다.
본 연구의 목적인 전자전훈련체계와 MOSCOS 간 간섭현상을 해소하기 위하여 산업공학 분야에서 널리 사용 되고 있는 Fishbone Diagram을 적용하여 주요 원인을 식별하였으며 가장 큰 원인으로 선정된 EWT와 MOSCOS 안테나 간 근접거리 문제점을 해결하기 위한 최적배치 설계에 대한 연구를 수행하였다. 이를 위해 기존 함정에서 발생하였던 전자전 장비와 MOSCOS 간섭 현상 사례를 검토하였고[7], 전자기 간섭의 원인이 되는 EWT 안테나의 수신감도 측정, Friis 전달공식에 따른 수신레벨 계산 및 MOSCOS에 대한 재밍 송신기의 영향 성 검토를 수행하여 최적배치(안)을 수립한 후 본 개선 사항에 대한 실선 시험을 통해 MOSCOS 최적배치에 따른 전자기 간섭 개선 효과를 확인하였다.
8과 같이 EWT 안테나와 MOSCOS 안테나는 근접하여 배치되어 있을 뿐만 아니라 같은 층(O-2 Level) 에 위치하고 있어 전자파 간섭에 취약한 환경에 위치하 고 있어 MOSCOS 안테나 설치 위치를 변경하기 위해 전자기 간섭 대상 안테나들의 정확한 최적배치를 위해 MOSCOS의 빔폭, 부엽레벨 파악이 필요하므로 고각 및 방위각별 송신레벨을 측정이 필요하다. 이를 위해 기존에 동일 장비가 탑재된 함정의 사례를 조사하였으며, 동일 장비에 대해 수행된 MOSCOS의 송신레벨 측정 결과를 참조하여 최적위치 설계에 반영하였다[15-16]. MOSCOS의 방사 패턴은 고각과 방위각의 주빔(Main lobe) 기준으로 대략적인 3㏈ Bandwidth는 대략 고각이 ±0.
우선 기존 함정에서 발생하였던 전자전 장비와 MOSCOS 간섭 현상 사례를 조사하고 Friis 공식에 따른 이론적 전파 방사 원리 탐구를 통해 고려해야할 요소들에 대해 검토하였으며 본 함의 경우 두 안테나 간 거리가 근접하여 직접파에 의한 영향이 큰 것으로 볼 수 있 으므로 직접파에 의한 영향을 분석하였다. 전자기 수신 레벨 측정을 통해 EWT의 E1C와 E1D 모드에서 MOSCOS와 간섭 현상이 심각함을 확인할 수 있었으며 최적위치 선정을 위해 본 함의 구조를 검토하여 기존 설치되어 있는 O-2 level에서 O-1 level로 이전 설치가 최적의 대안으로 제시되었으며 O-1 level에서 위성통신을 수행하기에 원활한 위치로 No. 2와 EWT에서 가장 가시 거리가 먼 No. 3 위치를 최적위치 후보로 선정하고 원 위치인 No. 1 위치와 비교하여 개선효과가 있는지 실선에서 측정하였다. 측정결과, No.
추가적으로 실선 계측결과 E1D 모드에서 일부 방위 각 방향으로 좌현 안테나가 간섭을 받는 현상을 해소하기 위해 방사방향으로 전자파 차폐판을 설치한 후, No.2 위치로 MOSCOS 안테나를 이동 배치 한 후 Fig. 13와 같이 적용하였다.

대상 데이터

마지막으로 환경(Environment) 관련 안테나간의 근접 거리와 가혹한 전자기적 환경이 원인으로 식별되었다. 본 연구 대상인 MTB는 Fig. 5와 같이 함 상부갑판에 EWT안테나, MOSCOS 안테나뿐만 아니라 다수의 안테나가 밀집 배치되어 전자기 간섭에 취약한 환경을 가지고 있다. 특히 EWT 안테나 바로 뒤에 MOSCOS 안테나가 설치되어 송신 시 발생되는 광대역 노이즈에 의해 전자기간섭이 예상되었다.
본 함은 Fig. 9와 같이 EWT 송신 안테나와 MOSCOS 안테나가 설치된 O-2 level과 O-1 level 및 갑 판으로 구성되어 있다. 현재 설치된 위치 O-2 level에서 는 공간이 협소하여 이전설치가 불가한 것으로 확인되었 으며, 갑판의 경우 함미에 구명정 등에 의해 구조물 간섭이 심하여 위성 통신이 가능한 지역이 없는 것으로 확인 되었다.
우선 원활한 위성통신을 위한 고각 방향 43~48°도 유지를 하면서 O-1 level에서 기 설치된 구조물에 간섭을 최소로 받는 위치에 대한 조사를 수행하였다. 조사결과, O-1 level 상부 갑판은 크레인 등의 구조물이 설치되어 설치 가능 위치가 제한되었고 최종 두 개의 위치가 후보로 선정되었다. 기존 위치는 두 개의 위치 이동시 개선효과를 확인하기 위하여 총 세 개의 위치를 후보로 선정하였으며 Table 2는 Fig 9.

이론/모형

EWT와 MOSCOS 간 전자기 간섭 문제의 주요 원인 분석을 수행하기 위하여 산업분야에서 널리 사용되고 있는 Fishbone Diagram을 적용하였다.

성능/효과

E1C, E1D 모드의 운용 주파수는 MOSCOS 운용 주파수 대역과 겹치게 되며 E1C의 경우 E1D보다 출력이 약 9dBm 높아서 E1C 송신 시 MOSCOS 전 대역 간섭이 발생하여 간섭 현상이 심각함을 확인할 수 있었다. Fig.
MOSCOS의 방사 패턴은 고각과 방위각의 주빔(Main lobe) 기준으로 대략적인 3㏈ Bandwidth는 대략 고각이 ±0.5o이내 정도이며 방위각은 ±1.5° 이내로[16] 빔 폭이 매우 좁은 특성을 가지고 있어 전파의 직진성이 강한 특 성을 가지고 있는 것으로 확인되었고 주로 직접파에 의 한 영향성을 검토하는 것으로 본 연구를 수행하였다.
그러나 두 개의 안테나가 동시에 Searching 상태인 경우는 없으며 이는 MOSCOS 운용상의 장애 상황이 발생한 것은 아니다. 따라서 MOSCOS 위치 변경을 통해 EWT 송신신호에 의한 간섭신호 문제는 개선되었음을 확인할 수 있다.
우현 안테나에 비해 좌현 안테나에서 간섭 현상이 심각한 이유는 EWT의 내 부 안테나 배치가 정확히 좌우대칭은 아니기 때문이다. 따라서 MOSCOS 좌현 안테나가 EWT에 의해 더 영향을 받고 있음이 나타났다.
본 개선사항에 대한 전자기 간섭 개선 효과를 확인하기 위해 No. 2 위치로 MOSCOS 안테나를 이동 배치 한 후 실선 시험을 통해 수행하였으며 결과는 일부 대역에 서 MOSCOS 안테나가 Tracking 상태에서 Searching 상태로 전환됨이 관찰되었으나 이는 MOSCOS 운용상의 장애 상황이 발생한 것은 아니며 MOSCOS 위치 변경을 통해 EWT 송신신호에 의한 간섭신호 문제는 개선효과가 있으며 운용상 문제가 없음이 입증되었다.
우현 안테나 설치 위치의 경우, Fig. 11과 같이 No. 1 과 No. 3 위치의 측정 PSD(Power Spectral Density) 값 이 E1C mode의 경우 전 대역에 걸쳐 –1 ~ -8dBm 값 의 감소 효과가 있음을 확인할 수 있으며 E1D mode의 경우 –5 ~ -11dBm 값의 감소효과가 관찰되었으나 ◇ ㎓에서는 감소효과가 –1.871dBm으로 감소효과가 전혀 없어 수식(2)와 (5)에 의해 가시거리가 No. 2보다 No. 3 가 멀어 간섭 효과 감소가 클 것으로는 이론적으로 예측 된 사항과는 상이한 결과가 나온 것을 확인할 수 있었다.
우선 인력(Man)과 관련하여 일솜씨 부족과 설치 시 숙련도 부족은 실제 설치검사 결과 일부 미흡한 사항이 식별되었으나 품질검사 과정에서 보완되어 설치되었기 때문에 영향이 적은 것으로 나타났다. 자재(Material) 관련해서는 불량 RF 부품 사용과 지나치게 민감한 안테나 수신감도가 식별되었으나 국방 규격품으로 정상 납품한 장비이며 수신감도는 규격에 적합한 제품으로 확인되었다. 방법(Method) 관련하여 부적절한 시험 절차 수행 및 간섭 현상에도 불구하고 운용 가능한지에 대한 점이 고려되었다.
전자기간섭 시험은 승인된 시험절차에 따라 외부 기관이 객관적으로 수행하여 부적절한 시험 절차로 볼 수 없었으며 EWT의 특정 송신 주파수가 MOSCOS 운용 대역과 겹쳐있어 현재 운용에 상당한 지장이 있는 것으로 파악되어 문제해결이 필요한 것으로 분석되었다.
측정 결과, 좌현 안테나 설치 위치의 경우, Fig. 10과 같이 No. 1과 No. 2 위치의 측정 PSD(Power Spectral Density) 값이 E1C mode의 경우 전 대역에 걸쳐 –11 ~ -17dBm 값의 감소 효과가 있음을 확인할 수 있으며 E1D mode의 경우 –15 ~ -27dBm 값의 감소효과가 관찰되어 더욱 큰 효과가 있음을 확인할 수 있었다.
1 위치와 비교하여 개선효과가 있는지 실선에서 측정하였다. 측정결과, No. 2 위치에 설치하는 것 이 No. 3보다 전자기 간섭 개선 효과가 뛰어난 것으로 확인되었으며 이는 조타실 상부 갑판에 의해 직접파 경로가 차단되어 전자파 간섭 효과가 강화되는 효과가 있는 것으로 나타났다

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전자파 간섭의 발생 원인은?	[2-3]. 전자파 간섭의 원인은 협소한 공간 내 고출력 및 고감도 통신장비의 밀집, 장비 간 주파수 대역 간섭, 구조물로 인한 반사파 등 다양한 원인들로 인하여 전자기 간섭이 발생하게 된다[4-5].
	다목적훈련지원정의 운용 특징은?	다목적훈련지원정(이하 MTB)은 000톤 규모의 수상함으로 각종 해상훈련을 지원할 목적으로 건조되어 함포 사격훈련, 대공유도탄 발사훈련 및 전자전 훈련 등을 지원할 수 있는 함정이다[1]. 위와 같은 임무 수행을 위해 다수의 통신 장비, 레이더 및 센서를 탑재하고 있으며 제한된 공간에 무선통신장비들이 밀집되어 탑재되어 있어 전파 간섭 및 수신 불량 등의 전자파 간섭 문제가 발생 할 수 있기 때문에, 타 함정의 경우처럼 장비 운용 시 전자기 간섭 문제를 최소화하기 위한 위치에 배치된다. [2-3].
	다목적훈련지원정이란?	다목적훈련지원정(이하 MTB)은 000톤 규모의 수상함으로 각종 해상훈련을 지원할 목적으로 건조되어 함포 사격훈련, 대공유도탄 발사훈련 및 전자전 훈련 등을 지원할 수 있는 함정이다[1]. 위와 같은 임무 수행을 위해 다수의 통신 장비, 레이더 및 센서를 탑재하고 있으며 제한된 공간에 무선통신장비들이 밀집되어 탑재되어 있어 전파 간섭 및 수신 불량 등의 전자파 간섭 문제가 발생 할 수 있기 때문에, 타 함정의 경우처럼 장비 운용 시 전자기 간섭 문제를 최소화하기 위한 위치에 배치된다.

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