[논문]유도무기 비행시험 시스템을 위한 모델 기반 운용절차의 설계 및 개선

박웅; 이재천

doi:10.5762/kais.2019.20.4.479

유도무기 비행시험 시스템을 위한 모델 기반 운용절차의 설계 및 개선
Model-Based Design and Enhancement of Operational Procedure for Guided Missile Flight Test System 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.20 no.4, 2019년, pp.479 - 488

박웅 (방과학연구소 제8기술연구본부) , 이재천 (아주대학교 시스템공학과)

초록
AI-Helper

비행시험 운용절차는 유도무기 비행시험 시스템 설계 및 구현을 위한 중요 산출물의 하나로서 비행시험 진행 단계별 임무계획, 수행방법, 안전대책 등을 포함한다. 유도무기체계 개발이 첨단화, 전략화 됨에 따라서 유도무기 비행시험은 점차 복잡화, 광역화 되고 있다. 이에 따라 시험안전을 확보하기 위해서는 비행시험 운용절차의 신뢰성 증대가 요구되었다. 특히, 새로운 개념의 비행시험 수행을 위해서 시험 전 불확실성을 예측하고 대비할 수 있도록 비행시험 운용절차 설계에서 M&S 기법의 적용을 통한 검증이 필요하게 되었다. 관련 연구로서 비행시험의 최적 프레임워크 개발 연구와 비행시험 프로세스 모델기반 개선 연구들이 발표되었지만, 상위 개념의 프로세스를 중심으로 한 결과로서 하위 수준의 비행시험 자원과 연동하는 비행시험 운용절차에 직접 적용하기에는 구체성이 부족하였다. 또한, 기존의 문서기반으로 구성된 비행시험 운용절차는 시험자원의 거동과 성능에 대한 분석능력의 한계로 시험자원의 중복과 누락, 직관적이지 않는 표현으로 운용자 간의 의사소통 저하, 그리고 다수의 비행시험에 적용하기 위한 확장성 부족 등의 문제가 발생하였다. 이를 개선하기 위해 본 논문에서는 모델기반 시스템공학(MBSE) 기법의 적용을 통한 유도무기 비행시험 운용절차의 설계 방법을 제안하였다. 구체적으로 이전의 비행시험 정보를 기반으로 비행시험 진행 단계와 수행방안을 정의한 후, 요구사항으로부터 시험자원의 임무수행을 SysML 모델 기반으로 구성한 템플릿으로 제공하였다. 또한 시뮬레이션 분석을 통해서 정상상황과 비상상황에 대한 최적의 수행절차를 도출하였으며, 사례 적용을 통해서 검증하였다. 본 연구를 통해서 시험자원의 거동과 성능에 대한 분석능력의 증대로 신뢰성이 향상되었고, 다수의 비행시험에 적용할 수 있는 확장성으로 효율성이 증대되었으며, 향후 개발 예정인 유도 무기 비행시험에도 지속적으로 활용할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

The flight test operational procedure artifact includes mission planning, execution methods, and safety measures for each step of test progress. As the development of guided missiles has become more advanced and strategic, flight test has become increasingly complex and broadened. Therefore, increased reliability of the flight test operation procedures was required to ensure test safety. Particularly, the design of the flight test operational procedures required verification through M&S to predict and prepare for the uncertainty in a new test. The relevant studies have published the optimal framework development for flight tests and the model-based improvements of flight test processes, but they lacked the specificity to be applied directly to the flight test operational procedures. In addition, the flight test operational procedures, which consist of document bases, have caused problems such as limitations of analysis capabilities, insensitive expressions, and lack of scalability for the behavior and performance analysis of test resources. To improve these problems, this paper proposes how to design operational procedure of guided missile flight test system by applying MBSE(Model-based Systems Engineering). This research has improved reliability by increasing the ability to analyze the behavior and performance of test resources, and increased efficiency with the scalability applicable to multiple flight tests. That can be also used continuously for the guided missile flight tests that will be developed in the future.

주제어

표/그림 (17)

그림 Fig. 1. Proposed M&S templates by applying MBSE
그림 Fig. 2. Model organization
그림 Fig. 4. Modeling of requirements
그림 Fig. 3. Modeling of CONOPS
그림 Fig. 5. Modeling of progress phase
그림 Fig. 6. Functional modeling of TSPI readiness
그림 Fig. 7. Functional modeling of flight safety judgement
그림 Fig. 8. Functional modeling of hand over
그림 Fig. 9. Calculation of missile position
그림 Fig. 10. Performance modeling of LOS
그림 Fig. 11. Performance modeling of SNR
그림 Fig. 12. Performance modeling of link budget
그림 Fig. 13. Simulation of RADAR LOS
그림 Fig. 14. Simulation of RADAR SNR
그림 Fig. 15. Updated modeling of hand over
그림 Fig. 16. Simulation of FTS link budget
그림 Fig. 17. Executing self destruction

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

따라서 본 논문에서는 MBSE를 적용하여 유도무기 비행시험 운용절차의 신뢰성과 효율성을 개선하는 것을 연구목표로 하였다. MBSE를 적용하기 위해서는 전체적인 관점에서 유도무기 비행시험 시스템에 대한 요구사항을 분석하고, 다양한 비행시험 경험을 토대로 비행시험 진행 단계와 수행방안을 생성하며, 모델기반의 시험자원 시뮬레이션 분석을 통해 시험자원의 임무와 기능을 할당할 수 있도록 비행시험 운용절차를 설계하고 그 결과를 검증해야 한다.
관련연구로서 비행시험 자원의 최적 배치 연구를 발표하였으나[1], 비행시험 시스템 전체에 대한 운용절차까지는 진행되지 못한 상태이다. 따라서 본 논문에서는 비행시험 운용절차를 개선하기 위한 추가 연구를 수행하게 되었다. 비행시험 운용절차는 유도무기 비행시험 시스템 설계 및 구현을 위한 중요 산출물로서 반드시 시험 전 검증되어야 한다.

제안 방법

Fig. 1과 같이 본 논문에서는 이들 단계를 효율적으로 연결할 수 있도록 중간 단계에서 M&S를 수행하기 위한 템플릿 적용을 제안하였다.
유도무기 비행시험 시스템 설계에 대한 중요 산출물이며, 유도무기의 요구된 성능을 확인하기 위한 임무계획, 수행방법, 안전대책 등을 포괄하는 비행시험 운용절차를 설계 및 개선하기 위해서 MBSE 방법론을 적용하였다. SysML 기반의 시뮬레이션 도구인 CSM과 수치 시뮬레이션 도구인 MATLAB을 활용한 모델링 템플릿을 개발하였고, 시뮬레이션 분석을 통해서 기존의 문서기반으로 구성된 비행시험 운용절차의 문제점을 개선하였으며, 정상상태의 시나리오와 비상상태의 시나리오 적용을 통해서 검증하였다. 특히, 정상상태에서는 수치 시뮬레이션을 통해서 최적의 교차 추적 시점을 계산한 후시험자원의 거동에 직접 반영할 수 있었으며, 비상상태에서는 문서기반의 운용절차에서 서술되지 못했던 기능을 거동 시뮬레이션을 통해서 식별함으로써 비상상황에 대처할 수 있는 능력을 증대하는 등 비행시험 신뢰성 향상에 기여하였다.
유도무기 비행시험 운용절차 모델링의 검증을 위해서 지대공 유도무기체계의 표적 유도탄을 대상으로 선정하였다. 동일한 성능의 시험자원을 발사지역(Site_A)과 탄착지역(Site_B) 부근에 나누어 배치하였고, 예상되는 탄도를 총 12회 계산한 후, 가상의 정상상태와 비상상태 시나리오를 생성하여 시뮬레이션을 수행하였다.
5와 같이 모델링하였다. 비행 단계에서는 정상상황과 비상상황으로 나눈 후, 각 상황에 맞는 운용절차를 모델링하였다. 각각의 모델들은 임무 및 기능 모델링과 성능 모델링을 통해서 구체화 된다.
비행시험 진행 단계를 시간관점에서 발사 전, 발사 후 비행, 비행 종료 단계로 구분하고, 각 단계별 MCC(Mission Control Center), 유도탄, 컴퓨터,FTS(Flight Termination System), RADAR, 그리고TLM(Telemetry) 통제원의 임무와 기능을 거동관점에서 Fig. 5와 같이 모델링하였다. 비행 단계에서는 정상상황과 비상상황으로 나눈 후, 각 상황에 맞는 운용절차를 모델링하였다.
9와 같이 유도탄의 위치와 시험자원의 위치에 따른 상대거리(R)와 유도탄의 고도(H)를 계산해야 한다. 시험자원의 위치가 다를 경우 각각의 상대거리와 고도가 모두 변경되므로, 본 논문에서는 MATLAB을 활용하여 일괄 계산을 수행하였다.
이를 위해서 본 연구에서는 MBSE(Model-based Systems Engineering) 적용을 통한 유도무기 비행시험 운용절차 설계 방법을 제안하였으며, 다음과 같이 논문을 구성하였다. 1장에서는 비행시험 운용절차를 개선해야 하는 필요성을 기술하였고, 2장에서는 선행연구 분석을 통한 문제정의와 연구목표를 제시하였다.
장거리 비행시험 적용을 위해 Fig. 3과 같이 두 개의시험구역으로 나누어 CONOPS(Concept of Operations)를 정의하였고, 발사 전 점검사항과 비상상황 발생 시 수행방안을 포함한 컨텍스트와 이해관계자의 임무 및 관계를 정의하였다.

대상 데이터

유도무기 비행시험 운용절차 모델링의 검증을 위해서 지대공 유도무기체계의 표적 유도탄을 대상으로 선정하였다. 동일한 성능의 시험자원을 발사지역(Site_A)과 탄착지역(Site_B) 부근에 나누어 배치하였고, 예상되는 탄도를 총 12회 계산한 후, 가상의 정상상태와 비상상태 시나리오를 생성하여 시뮬레이션을 수행하였다.

데이터처리

두 지역에 배치된 시험자원은 상호 간섭을 제거하기 위해 교차 추적을 수행해야 한다. RADAR 간의 최적의 교차 시점을 계산하기 위해서 성능 모델링에서 정의한SNR 계산을 활용하였고, 그 결과를 Fig. 14에 표시하였다. RADAR_B의 SNR이 확보되는 시점은 발사 후 75초 이후이며, RADAR_A의 SNR이 확보되지 않는 시점은 발사 후 199초 이후이다.

이론/모형

2와 같이 비행시험 진행에 따른 거동 모델링을 중심으로 요구사항, 구조, 그리고 수치 모델링이 연계되어 구성된다. 수치 모델링은 파라미터와 변수의 정의 및 행렬 계산을 위해 SysML parametric diagram과 MATLAB을 사용하여 구성하였다.
유도무기 비행시험 시스템 설계에 대한 중요 산출물이며, 유도무기의 요구된 성능을 확인하기 위한 임무계획, 수행방법, 안전대책 등을 포괄하는 비행시험 운용절차를 설계 및 개선하기 위해서 MBSE 방법론을 적용하였다. SysML 기반의 시뮬레이션 도구인 CSM과 수치 시뮬레이션 도구인 MATLAB을 활용한 모델링 템플릿을 개발하였고, 시뮬레이션 분석을 통해서 기존의 문서기반으로 구성된 비행시험 운용절차의 문제점을 개선하였으며, 정상상태의 시나리오와 비상상태의 시나리오 적용을 통해서 검증하였다.

성능/효과

SysML 기반의 시뮬레이션 도구인 CSM과 수치 시뮬레이션 도구인 MATLAB을 활용한 모델링 템플릿을 개발하였고, 시뮬레이션 분석을 통해서 기존의 문서기반으로 구성된 비행시험 운용절차의 문제점을 개선하였으며, 정상상태의 시나리오와 비상상태의 시나리오 적용을 통해서 검증하였다. 특히, 정상상태에서는 수치 시뮬레이션을 통해서 최적의 교차 추적 시점을 계산한 후시험자원의 거동에 직접 반영할 수 있었으며, 비상상태에서는 문서기반의 운용절차에서 서술되지 못했던 기능을 거동 시뮬레이션을 통해서 식별함으로써 비상상황에 대처할 수 있는 능력을 증대하는 등 비행시험 신뢰성 향상에 기여하였다. 또한 M&S 템플릿으로 개발함으로써 다수의 유도무기 비행시험에 적용할 수 있으며, 향후 개발 예정인 유도무기 비행시험 운용절차에 반영하여 지속적으로 활용할 예정이다.

후속연구

2012년 MBSE를 무기체계 비행시험에 적용함으로써 효용성 증대를 주장한 연구와[17], 무인항공 기체계의 개념설계에 SysML 모델을 활용함으로써 산출물 간의 연동성을 검증한 연구가 발표되었으나[18], MBSE 기술 수준이 성숙되지 않았던 시기이므로 제한적이고 개념적으로 적용할 수밖에 없었으며, 후속 연구는 아직 발표되지 않고 있다. 최근 들어 표적탐지체계의 기본설계 산출물 생성을 개선하기 위해 SysML 기반의 M&S 기법을 활용하여 일부 최적화 설계를 진행한 연구가[19] 발표되었지만, 이 역시 상위 개념에서 시스템을 중심으로 한 기본설계 방법으로 실제 비행시험 운용절차에 적용하기에는 구체성이 부족한 상황이다.
선행연구와 같이 무기체계 시험평가분야, 그 중에서도 유도무기 비행시험은 아직 개념적으로 MBSE를 적용하는 단계에 머무르고 있다. 기술적으로 성숙되고 산업 분야에서 검증된 MBSE를 유도무기 비행시험 운용절차의 설계에 적용할 수 있다면, 기존의 문서기반으로 구성된 비행시험 운용절차의 문제점 개선을 통해서 신뢰성을향상시킬 수 있고, 다수의 유도무기 비행시험에 대응할 수 있도록 비행시험 운용절차의 설계방법을 개선한다면 효율성을 증대시킬 수 있을 것이다.
또한 M&S 템플릿으로 개발함으로써 다수의 유도무기 비행시험에 적용할 수 있으며, 향후 개발 예정인 유도무기 비행시험 운용절차에 반영하여 지속적으로 활용할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	비행시험 시스템은 어떤 기능을 갖추어야 하는가?	이에 따라 새로운 개념의 비행시험 소요가 크게 증가하고 있으며, 시험안전을 확보하기 위한 비행시험 시스템의 신뢰성 증대가 요구되는 상황이다. 비행시험 시스템은 유도무기의 요구된 성능을 확인하기 위해 실시간으로 비행 상태를 감시하고, 비상상황 발생 시안전조치를 수행할 수 있도록 시험자원을 할당해야 하며, 비행시험 진행 단계별 임무계획, 수행방법, 안전대책 등 시험자원의 운용절차를 포함한 종합적인 설계와 검증을 통해서 신뢰성을 확보해야 한다. 관련연구로서 비행시험 자원의 최적 배치 연구를 발표하였으나[1], 비행시험 시스템 전체에 대한 운용절차까지는 진행되지 못한 상태이다.
	새로운 개념의 비행시험 소요와 비행시험 시스템의 신뢰성 증대가 요구되는 이유는 무엇인가?	국내외 정세 변화로 유도무기체계 개발이 첨단화, 전략화 됨에 따라서 유도무기 비행시험은 점차 복잡화, 광역화 되고 있다. 이에 따라 새로운 개념의 비행시험 소요가 크게 증가하고 있으며, 시험안전을 확보하기 위한 비행시험 시스템의 신뢰성 증대가 요구되는 상황이다.
	기존의 문서기반으로 구성된 비행시험 운용절차는 어떤 문제가 발생했는가?	기존의 문서기반으로 구성된 비행시험 운용절차는 시험자원의 거동과 성능에 대한 분석능력의 한계로 주요 시험자원의 중복 및 누락 발생에 대해 확인이 어렵고, 요구사항 변경에 대한 추적관리가 미흡했으며, 직관적이지 않은 표현과 운용자 간의 의사소통 저하로 혼선을 야기시키는 문제가 발생되었다. 이러한 문제는 최근 비행시험 소요가 증가하는 상황에서 자칫 비행시험 실패로 연결될 수 있기에 개선을 통한 신뢰성 확보가 강구되어야 한다.

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].

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