[논문]비행제어장치 내장 메모리를 활용한 유도탄 모의비행기법 연구

김태훈; 이상훈; 공민식

doi:10.9766/kimst.2019.22.4.536

비행제어장치 내장 메모리를 활용한 유도탄 모의비행기법 연구
A Study On Missile Flight Simulation Method Using the Built-in Memory of Aviation Control Unit 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.22 no.4, 2019년, pp.536 - 544

김태훈 (국방과학연구소 제1기술연구본부) , 이상훈 (국방과학연구소 제1기술연구본부) , 공민식 (국방과학연구소 제1기술연구본부)

Abstract ▼ AI-Helper

During the assembly and function inspection of missile system, flight simulation process is required. In the conventional flight simulation check of missiles, an inertial navigation system simulator was used to transmit the navigation output data acquired in HILS. There are several disadvantages in terms of check configuration complexity and data synchronization when using the simulator. So we proposed a new flight simulation method that utilizes the nonvolatile built-in memory of the aviation control unit. The data processing procedure and operation procedure of the proposed method for type I and type II missiles are presented. And we analyzed the causes of the difference between proposed method result and the HILS result for type II missile. By comparing the results obtained by the experiments using the proposed method with the results of HILS, the validity of proposed method was confirmed.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 1. Type I missile - navigation equipment is separated from aviation control unit
그림 Fig. 2. Type II missile – navigation program is included in aviation control unit
그림 Fig. 3. Conventional missile flight simulation method example for type I missile
그림 Fig. 4. Conventional missile flight simulation method example for type II missile
그림 Fig. 5. Proposed missile flight simulation method for type I missile
그림 Fig. 6. Data constitution in memory for proposed missile flight simulation method of type I missile
그림 Fig. 7. Pseudo code for proposed missile flight simulation method of type I missile
그림 Fig. 8. Proposed missile flight simulation method for type II missile
그림 Fig. 9. Data constitution in memory for proposed missile flight simulation method of type II missile
그림 Fig. 10. Pseudo code for proposed missile flight simulation method of type II missile
그림 Fig. 11. (a) Control command of HILS case for type I missile, (b) Control command of proposed method for type I missile
그림 Fig. 12. (a) Control command of HILS case for type II missile, (b) Control command of proposed method for type II missile
그림 Fig. 13. (a) Latitude profile of HILS case for type II missile, (b) Latitude profile of proposed method for type II missile
그림 Fig. 14. (a) Longitude profile of HILS case for type II missile, (b) Longitude profile of proposed method for type II missile

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

다만 항법장치 모사기와 같은 외부 장비를 사용했을 때보다 불리한 점은 용량이 한정적인 내장 메모리를 사용하기 때문에 자료 저장에 충분한 용량을 확보할 수 있는가 하는 것이다. 이는 저장할 자료의 개수와 형태, 비행제어 알고리듬 연산 주기, 비행 시간 등에 따라 가변적이므로 비행제어장치 하드웨어 설계시 유도탄의 운용성을 고려하여 충분한 용량을 갖는 비휘발성 메모리를 선정해야 한다.
본 연구는 개루프 형태의 모의비행점검 방법인데, 향후 비행제어장치에 유도탄 운동 모델, 유도탄 구성품 모델, 추력이나 공력 자료 등을 모두 포함한 폐루프 형태의 모의비행점검을 연구, 개발하면 비행 과정과 한층 더 유사한 모의비행점검을 수행할 수 있으리라 기대된다. 또 내장 메모리의 효율적 사용을 위해 저장하는 항법 출력 혹은 센서 자료를 압축하여 저장및 활용하는 방안을 연구하는 것도 본 연구를 발전시킬 수 있는 한 축이 되겠다.
모의비행점검을 위해서는 비행제어 알고리듬에 항법 연산 결과를 전달해야 하는데, 이를 위해 기존에는 항법출력 자료를 비행제어장치로 외부 통신을 통해 전송하는 모사 장치를 사용하였다. 본 연구에서는 항법장치 모사기를 대체하여 비행제어장치의 비휘발성 내장 메모리를 활용하는 모의비행기법을 제안하였다. 제안한 방법은 유도탄의 형태에 따라 내장 메모리에 항법 출력 혹은 항법 프로그램 입력용 센서 자료를 저장한다.

가설 설정

첫째, 저장하는 자료의 종류와 정밀도가 다르다. Type I의 경우는 비행제어 알고리듬에서 사용하는 항법 출력 자료로서 3축의 속도 및 가속도, 위도, 경도, 고도, 자세 등이 그에 해당한다.
첫째, 정렬 수행에 따른 초기 자세의 차이이다. 동일한 절차로 정렬을 수행하더라도 HILS 시에는 실제 IMU의 출력을 계속적으로 사용하므로 고정된 값으로 센서 출력을 모사하는 모의비행점검 시와는 미세하지만 다른 결과가 나온다.

제안 방법

기존 모의비행방법의 단점을 보완하기 위해 항법장치 모사기 대신 비행제어장치의 비휘발성 내장 메모리를 활용하는 방법을 제안한다. 비행제어장치 내에는 임무용 소프트웨어를 저장하기 위한 저장장치로 통상 플래시 메모리를 사용하는데, 임무용 소프트웨어를 탑재하는 공간 이외의 사용하지 않는 공간에 모의비행점검용 자료를 저장하여 점검에 활용하는 제안으로서, Type I 유도탄에 대한 모의비행 개념도는 Fig.
관성측정기나 위성항 법장치의 통신채널을 이용해도 되지만 비행제어장치의 통신 채널이 충분하다면 별도의 통신채널을 이용할 수도 있다. 비행제어장치 내의 항법 프로그램은 실제로 사용되는 형태대로 관성측정기나 위성항법장치의 자료를 입력받고 연산 후 출력하지만, 실제로 비행제어 알고리듬에 입력되는 자료는 항법장치 모사기로부터 전달받은 자료로 덮어써지는 형태로 프로그램을 구현하였다. 이 때에도 항법장치 모사기의 자료 전송 시점은 원격측정자료와 같은 트리거 신호를 받아 결정된다.
관성항법 출력값을 정확하게 보정하기 위해서는 GPS 출력 시점을 최대한 정확하게 계측해야 하는 요구사항이 있다^[13] . 이를 위해 비행제어장치 시스템 소프트웨어는 1PPS 이산신호의 입력 시점과 GPS 자료 수신 시점 사이의 시간 차를 O초 이하의 정밀도를 갖도록 계산하여 항법 프로그램으로 전달을 한다.
본 연구에서는 항법장치 모사기를 대체하여 비행제어장치의 비휘발성 내장 메모리를 활용하는 모의비행기법을 제안하였다. 제안한 방법은 유도탄의 형태에 따라 내장 메모리에 항법 출력 혹은 항법 프로그램 입력용 센서 자료를 저장한다. 그리고 비행제어장치의 시스템 시각에 동기화하여 비행제어 알고리듬 또는 항법 프로그램 연산 자료로 사용한다.
제안한 방법을 달성하기 위해 HILS 시 획득한 항법 출력 자료나 센서 자료를 내장 메모리에 저장하는 절차 및 비행시작 시점부터 메모리에 저장된 자료를 항법장치 출력이나 입력 자료로 대체할 수 있도록 하는 세부적인 절차를 구현하였다. 특히 Type II 유도탄의 경우에는 자료의 정밀도, 정렬의 필요성, GPS 자료 수신 시각 동기화 등의 측면에서 Type I 유도탄과는 다르기 때문에 추가적인 절차를 구현하였다.

대상 데이터

제안한 방법은 유도탄의 형태에 따라 내장 메모리에 항법 출력 혹은 항법 프로그램 입력용 센서 자료를 저장한다. 그리고 비행제어장치의 시스템 시각에 동기화하여 비행제어 알고리듬 또는 항법 프로그램 연산 자료로 사용한다.

성능/효과

해당 명령을 받고 비행제어장치 시스템 소프트웨어가 모의비행점검 수행 플래그를 세트한 상태일 때에는 항법 출력 변수를 내부 메모리 값으로부터 순차적으로 참조하도록 프로그램 해야 한다. 그리고 앞서 자료 저장 시 기록한 CRC와 모의비행점검 수행 명령을 받고 메모리에 저장된 자료에 대해 CRC 계산을 수행한 결과가 같은지를 확인하는 절차를 통해 정상적인 자료로 모의비행점검을 수행함을 확인할 수 있다. 제안하는 기법의 운용 절차를 의사코드로 나타내면 Fig.
셋째, 모의비행점검 시 항법 프로그램은 시험 대상에서 제외된다. 항법장치가 분리된 Type I 형태의 유도탄은 장치 자체가 대체되므로 이에 해당하지 않지만 Type II의 유도탄은 비행제어장치 내에 항법 프로그램이 존재함에도 불구하고 프로그램의 흐름에서 제외하는 것이다.
셋째, 보정 항법을 위한 GPS 1PPS 시각 입력 시각을 HILS 시와 정확히 맞추기 어렵다. 실제 GPS의 운용과 같이 HILS 컴퓨터에서 GPS 출력 자료를 비행제어장치에 송신할 때 기준이 되는 시각으로 삼기 위해 1PPS 이산신호를 함께 송신한다.
셋째, 보정 항법을 위해 사용하는 센서로서 통상 사용하는 GPS의 경우, 신호의 수신 시점을 항법 프로그램에 알려줄 수 있어야 한다. 이를 위해 비행제어장치 시스템 소프트웨어 프로그램에 HILS 시 1PPS가 수신되는 시점을 반영하고 GPS 출력 자료와 동기화하여 사용할 수 있도록 해야 한다.
실험 결과를 종합하면 제안하는 모의비행기법을 통해 완벽하게 동일하지는 않지만 발사부터 목표점까지의 항법 연산, 비행제어 연산을 검증하는 목적에는 부합하는 시험이 가능하다. 기준이 되는 HILS와 달라지는 점을 감안하더라도 항법 프로그램까지 검증할 수 있다는 장점이 있기 때문에 Type II의 유도탄에 대해 제안하는 모의비행기법이 기존의 방법보다 더 유효하 다고 판단된다.
제안한 방법은 기존 대비 점검 구성을 단순화함으로써 항법장치 모사기라는 별도의 장비를 개발할 필요가 없어서 개발 기간, 인력, 비용을 절감할 수 있는 장점이 있다. 그리고 점검 시 유도탄의 케이블 구성이 달라지지 않아도 되고, 외부장치와의 통신 수행 시 발생할 수 있는 지연 요소를 배제할 수 있으며, 자료 동기화를 위해 별도의 트리거 신호를 출력하지 않아도 되는 우수함이 있다.
특히 Type II의 유도탄의 경우는 항법프로그램까지 점검 대상으로 포함할 수 있다는 점이 기존 방법보다 우수하다. 제안한 방법은 비행제어장치의 자료 저장 용량만 충분하다면 모든 유도탄 모의비행점검에 적용할 수 있기 때문에 유도무기 개발 사업 전반에 긍정적인 효과를 가져올 수 있다.
제안한 방법은 정렬 수행에 따른 초기 자세의 차이, 발사 인지 신호 이전의 자료 활용 여부, GPS 1PPS와의 동기화 수준 차이로 인해 HILS 결과와 차이가 발생하지만 실험을 통해 항법 연산 및 비행제어 연산의 유효성을 검증하는 수준에서는 충분함을 확인하였다.
첫 번째 과정이 설계한 바와 같이 검증되면 유도탄의 실제 하드웨어를 적용하여 HILS(Hardware In the Loop Simulation)[1,2] 라는 비행 시뮬레이션을 수행하여 비행제어 알고리듬이 정상 수행됨을 확인한다.
첫째, 항법장치 모사기라는 별도의 장치를 연결해야 하므로 점검 시 케이블 구성이 달라진다. 통상 항법장치와 비행제어장치 사이의 연결 케이블은 기체 내에 탑재되어야 하므로 짧지만, 항법장치 모사기를 연결하기 위해서는 테이블에 놓고 점검할 수 있을 정도의 충분한 거리가 확보된 케이블을 준비해야 한다.

후속연구

둘째, HILS 시 발사 인지 신호 인가 이전에 모의하는 유도탄 거동에 대한 센서 자료의 활용 여부이다. 통상 유도탄 발사는 배꼽 케이블의 물리적 분리를 비행제어장치에서 이산신호 형태로 인식을 하고 미션을 수행한다.
둘째, 모의비행점검 시에는 비행시작 시점부터 메모리에 저장된 자료를 실제 항법장치에서 들어오는 자료를 대체할 수 있도록 해야 한다. 이를 위해서는 비행제어 시스템 소프트웨어에 모의비행점검 절차를 진행하고 있다는 절차 진행 장치의 명령 인가가 필요하다.
본 연구는 개루프 형태의 모의비행점검 방법인데, 향후 비행제어장치에 유도탄 운동 모델, 유도탄 구성품 모델, 추력이나 공력 자료 등을 모두 포함한 폐루프 형태의 모의비행점검을 연구, 개발하면 비행 과정과 한층 더 유사한 모의비행점검을 수행할 수 있으리라 기대된다. 또 내장 메모리의 효율적 사용을 위해 저장하는 항법 출력 혹은 센서 자료를 압축하여 저장및 활용하는 방안을 연구하는 것도 본 연구를 발전시킬 수 있는 한 축이 되겠다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유도탄이란 무엇인가	유도탄은 로켓이나 제트엔진 등으로 구동되며 유도및 조종장치에 의해 목표물에 이르러 폭발하는, 목표 물로 유도 가능한 공격 무기를 가리킨다. 유도탄의 성능 중 기체를 원하는 목표점까지 유도하고, 비행 중에 필요한 각종 이벤트를 발생하게 하는 것을 비행 성능 이라 할 수 있다.
	모의비행점검 시 전달되는 비행제어 알고리듬 연산에 필요한 정보는 무엇인가	모의비행점검 수행을 실제 HILS와 같은 형태로 수행하려면 유도탄 모델을 연동하여 항법장치의 출력자 료를 생성할 수 있어야 하지만, 통상 체계점검장에서 복잡한 형태의 장비 구성까지는 무리가 있기 때문에 HILS 수행 시 저장하였던 정보를 활용하여 개루프 형태의 모의비행점검을 수행한다. 이와 같은 모의비행점검 시 전달되는 비행제어 알고리듬 연산에 필요한 정보는 유도탄의 위치, 속도, 가속도, 자세 등이다.
	유도탄의 체계 점검은 어떠한 관점에서 점검을 수행하여야 하는가	HILS 후에는 유도탄의 모든 구성품들을 조립하고 단계적으로 체계 점검을 수행한다. 체계 점검은 대부분 구성품들의 기본적인 기능, 성능을 확인하고 장비간 연동에 문제가 없는지 확인하는 관점에서 점검을 수행한다. 따라서 유도탄 발사 이후에 실제 비행 절차가 진행되는 동안 비행제어 알고리듬이 정상적으로 수행되고 전원 상태를 비롯하여 모든 유도탄 구성품의 연동이 정상임을 확인하려면 HILS와 유사한 형태의 점검 절차가 필요하고 통상 이를 모의비행점검 [3] 이라는 형태로 수행한다.

저자의 다른 논문 :

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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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