[논문]실험실에서 전자전 장비와 고속 기동 무기체계 간 실 교전 모의용 조우 HILS 기술 연구

신동조; 최원석; 김소연; 이치호

doi:10.9709/jkss.2019.28.2.049

실험실에서 전자전 장비와 고속 기동 무기체계 간 실 교전 모의용 조우 HILS 기술 연구
The Engagement HILS Technology Research in the Laboratory for Simulated Warfare between Electronic Warfare Equipment and High-speed Maneuvering Weapon System 원문보기

한국시뮬레이션학회논문지 = Journal of the Korea Society for Simulation, v.28 no.2, 2019년, pp.49 - 57

신동조 () , 최원석 (국방과학연구소) , 김소연 (국방과학연구소) , 이치호 (국방과학연구소)

초록
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본 논문에서는 실제 교전이 일어나는 3차원 공간에서 고속 기동 중인 미사일 탐색기와 전자전 장비 간 교전 상황을 제한된 실험실 공간에서 교전 모의할 수 있는 HILS 시스템을 구축하기 위한 장치들을 구성할 수 있는 다양한 구현 방법들과 알고리즘에 관하여 기술하였다. 이 연구를 통하여 우리는 미래전장에서 다양한 고속 기동 무기체계들과 전자전 장비 간 실 교전 상황을 모의하는 실험들을 통하여 미래 전자전 장비의 주요 설계 요소들을 분석하는 방법들을 제시할 수 있었다. 즉 우리는 이 연구를 통하여 미래의 실 전자전 장비를 개발할 때 기술적인 위험요소들을 제거하고, 개발비용을 줄이며, 개발 기간을 단축할 수 있도록 도와주는 M&S 기술들을 개발하고 확인하였다. 본 연구결과는 전자전 무기체계 연구개발 분야 뿐 만 아니라 다양한 교전급 무기체계 HILS 연구 및 구축에 큰 도움이 될 수 있을 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we describe the implementation methods and algorithms for the various technologies and devices required for the construction of the engagement HILS(Hardware In the Loop Simulation) in the limited space to simulate the high-speed maneuvering encounter situation of the weapon system in 3-dimensional real world space. Through this research, we have been able to suggest ways to analyze the major design elements of future electronic warfare equipment through experiments simulating actual engagements between various high-speed maneuvering weapons systems and electronic warfare devices in the future battlefield. It was confirmed that the M&S technology could be used to eliminate technical risks, reduce development cost, and shorten development time in the future real system development. The results of this study can be a great assist not only for the field of electronic warfare system research and development, but also for the research & implementation on HILS of various engaging class weapons systems.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. The Process for High-speed Maneuvering Electronic Warfare Engagement HILS Operation
그림 Fig. 2. High-speed Maneuvering Weapon System Engagement HILS Configuration Diagram
그림 Fig. 3. Engagement Scenario Concept
그림 Fig. 4. The Engagement HILS Configuration in Electronic Warfare Chamber
그림 Fig. 5. Overall Configuration Diagram of Simulated Target Machine
그림 Fig. 6. Explorer 3 Axis Control Device Structure
그림 Fig. 7. Missile Proportional Guidance Algorithm
그림 Fig. 8. 3D ⇒2D How to Convert Laboratory Coordinate System 1
표 Table 1. 3-D Virtual Model
그림 Fig. 9. 3D ⇒2D How to Convert Laboratory Coordinate System 2
그림 Fig. 10.TMS Configuration Diagram
그림 Fig. 11. Missile Explorer Appropriate Location Analysis Graph for Laboratory Simulation
그림 Fig. 12. HILS Server Program

AI 본문요약
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문제 정의

일반적으로 플레어와 같이 플랫폼과 분리되어 운용하는 형태의 교란 장치나, 항공기에서 미사일이 발사되는 것과 같은 형태의 고속 기동 대상들을 일반적인 시뮬레이션 장치로 제한된 실험실 공간에서 정량적으로 정확하게 모의하기에는 공간 제약이나 모의 속도 측면에서 큰 어려움이 발생한다. 따라서 본 논문은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 연구된 것으로서, 실제 미사일이 발사되어 타겟인 항공기를 향해 비행하는 것과 플레어 발사에 따른 이동 등을 실질적으로 시뮬레이션하여 3차원 공간에서 2차원 공간으로 매핑하는 신규 알고리즘을 통해 플레어의 기만 효과를 실제 환경에서 발생하는 결과와 유사하게 시뮬레이션할 수 있는 고속기동 무기체계 조우 HILS 시스템을 연구 개발하였다. 그 구성 시스템은 다음과 같으며 그 구성 요소 간 관계는 그림 2와 같다.
또한, 본 논문에서는 구체적으로 적용 가능한 실제 예제로서 IR 대역의 유도탄 탐색기에 대한 IR 대응책 기만장치 개발을 위한 플레어 기반 전자전 조우 HILS의 구축 시 소요되는 기술과 장치를 구현하는 방법과 알고리즘에 관하여 기술하였고, 그 특징과 활용도를 정리하면 다음과 같다.
본 논문은 실 3차원 공간에서 고속기동 중인 무기체계 조우 상황을 실험실로 구현하는 시뮬레이션 기술에 관한 것으로서, 적용대상인 플레어는 플랫폼과 분리되어 위협 미사일에 대한 열추적 교란을 수행하는 시스템이 제한된 공간인 실험실내에서 모의할 수 있는 조우 시뮬레이션(HILS) 기술에 관한 것이다. 실제 구현된 조우 HILS 시스템의 구성요소들은 열추적 미사일의 탐색기를 3축 기동할 수 있는 비행 모션 모의장치(FMS - Flight Motion Simulator)와 제어기, 항공기에서 발사되는 플레어를 모의하는 표적 이동 시뮬레이션 장치(TMS– Target Motion Simulator), 표적 항공기의 열원 신호를 위한 고정된 열원모의기, 조우 시나리오를 만들어 주는 버추얼 시뮬레이터, 실험상황을 통제하고 도시하는 중앙통제 모의서버 및 네트워크(LAN)으로 실시간 연동하여 플레어에 대한 열추적 미사일에 대한 회피 효과도 분석을 위한 데이터들을 수집할 수 있는 연동 시스템으로 구성되어 있다.
이 시뮬레이션은 실제 열추적 탐색기를 이용하여 미사일에 대한 기만 가능성을 전자전 M&S로 예측하고 실험 데이터들을 획득하는 것이 주목적으로, 궁극적으로는 본 연구를 통해 대공 미사일에 대한 기만 가능성을 실제 미사일 탐색기를 이용하여 검증하여, 체계의 작전 운용 타당성 검토, 개발예산 및 개발 기간의 적절성 검증 가능성 연구 및 열추적 탐색기에 대한 능동적인 IR 대역 대 전자전 장비 관련 핵심 기술 요소 식별 및 기술력 축적, 실제 체계 개발 시 기술적 위험요소 식별 및 대안 연구 등을 목적으로 연구되었다.

가설 설정

3차원 공간 좌표 상에서 원점은 임의의 한 점으로 선택할 때 비행기 및 플레어의 좌표를 결정할 수 있고, 이때 비행기의 좌표는 (Ax, Ay, Az)이고 플레어의 좌표는(Fx, Fy, Fz)로 가정한다.

제안 방법

과 같이 적외선 지대공 조우전투 환경에서 고속 기동 중인 플레어를 장착한 전투기가 적외선 유도 지대공 미사일로부터 공격을 받는 상황에서, 전투기가 플레어를 발사하여, 적외선 유도 지대공 미사일 공격으로부터 보호 받을 수 있는지를, 전자전 조우 챔버에서 실제 적외선 미사일 탐색기를 적용하여 고속기동 무기체계 조우 M&S(HILS)를 구축하였다.
그러나, 이 TMS는 그 공간과 속도의 물리적 제한으로 인하여 고속기동 조우 시뮬레이션 수행 시 당연한 사각지대를 가지고 있을 수 밖에 없다. 따라서 이러한 사각지대를 분석하기 위해 다음과 같은 수식을 이용하여 적절한 탐색기의 실험실 위치 찾아내어 실험을 진행하였다.
본 “실험실에서 전자전 장비와 고속 기동 무기체계 간 실 교전 모의 용 조우 HILS 기술 연구” 논문에서는 고속 기동하는 무기체계 교전 상황 모의를 위한 실험실 HILS 구축 기술에 대한 실제적인 구현 방법 및 그 구축 결과를 기술하였으며, 실제 구현된 HILS의 대상 무기체계는 휴대형 지대공 적외선 미사일과 표적 항공기간 적외선(IR - Infra Red) 대역 교전 상황을 기반으로 구현하였다.
본 시스템은 전자전 조우 챔버에서 실제 적외선 유도 지대공 미사일 탐색기를 운용하여 3차원 가시화 프로그램에서 생성하는 시나리오에 따라 실제 지대공 전투 상황과 유사하도록 모의하여 구축하였다. 실제 전자전 교전환경에서 IR 대역의 지대공 미사일과 전자전 장비와 고속 기동 조우 상황을 매우 제한된 공간인 실험실 내에 모의하기 위해 전자전 조우 HILS를 구축하였으며, 이를 통해 실제 전자전무기체계 개발 시 저비용 고효율적인 반복 조우 실험 방법을 제시하였다.
본 연구 과제를 수행하며 고속기동 중인 무기체계에 대한 조우 HILS 구축과 이와 관련된 M&S 기술을 확보하였고, 실제로 본 연구를 통하여 다양한 분야에서 조우HILS 실험실을 구축할 수 있는 기술을 개발하였으며, 향후 실제 체계 개발 시 체계 설계 및 개발 시 활용하여 기술적 위험성 제거 및 개발 비용 절약 및 개발 기간 단축을 할 수 있는 주요 기술들을 확보하였다.
상기 설명한 모든 시스템은 기본적으로 HILS 시스템으로 각 구성 모듈 간 네트워크(TCP/IP)로 연동되어 각각의 위치정보, 고도 정보, 항공기와 Flare 간 이격거리, MD 2차원/3차원 그래프 도시 등의 기능을 보유하는 시뮬레이션 중앙통제/감시기능을 수행한다. 다음 그림은 개발된 프로그램 화면이다.
실제 구현된 조우 HILS 시스템의 구성요소들은 열추적 미사일의 탐색기를 3축 기동할 수 있는 비행 모션 모의장치(FMS - Flight Motion Simulator)와 제어기, 항공기에서 발사되는 플레어를 모의하는 표적 이동 시뮬레이션 장치(TMS– Target Motion Simulator), 표적 항공기의 열원 신호를 위한 고정된 열원모의기, 조우 시나리오를 만들어 주는 버추얼 시뮬레이터, 실험상황을 통제하고 도시하는 중앙통제 모의서버 및 네트워크(LAN)으로 실시간 연동하여 플레어에 대한 열추적 미사일에 대한 회피 효과도 분석을 위한 데이터들을 수집할 수 있는 연동 시스템으로 구성되어 있다.
본 시스템은 전자전 조우 챔버에서 실제 적외선 유도 지대공 미사일 탐색기를 운용하여 3차원 가시화 프로그램에서 생성하는 시나리오에 따라 실제 지대공 전투 상황과 유사하도록 모의하여 구축하였다. 실제 전자전 교전환경에서 IR 대역의 지대공 미사일과 전자전 장비와 고속 기동 조우 상황을 매우 제한된 공간인 실험실 내에 모의하기 위해 전자전 조우 HILS를 구축하였으며, 이를 통해 실제 전자전무기체계 개발 시 저비용 고효율적인 반복 조우 실험 방법을 제시하였다.
이 그래프에서 볼 수 있듯이 미사일 탐색기와 표적 이동 시뮬레이션 장치 간의 거리(y)가 지나치게 짧으면, 미사일이 접근하는 것을 모의할 때 표적에 가까이 왔을 경우 제한된 TMS 속도(최대 3.5m/sec)를 갖는 표적 이동 시뮬레이션 장치가 반응하기 어렵도록 급격히 속도가 증가함(그림 11의 그래프 curve 참조 - 속도의 변화 정도를 나타냄)을 알 수 있고, 또한 탐색기와 TMS 간의 거리(y)가 지나치게 멀면, 표적 이동 시뮬레이션 장치가 반영할 수 있는 제한 거리를 벗어남을 알 수 있으므로, 본 실험에서는 표적 이동 시뮬레이션 장치와 미사일 탐색기 간에 적정거리인 10m로 설정하여 구성하였다.

이론/모형

본 프로그램은 윈도우 기반의 프로그램으로써 OpenGL 기반의 그래픽 라이브러리(VTree4.02)를 사용하여 다음과 같이 개발하였다(Dong-Cho Shin, 2016 / Donald Hearn, M. Pauline Baker, 1997).

후속연구

이 기술을 바탕으로 IR 대역에 대한 대 전자전 체계사업 뿐 만 아니라 앞으로 개발되는 여러 고속 기동 무기체계 장비의 전장 조우 운용환경 모의 분석 및 성능 분석 검증용 무기체계 HILS 구축에 큰 도움이 될 수 있을 것으로 기대한다.
이러한 3차원 공간에서 고속 기동 중인 무기체계 간실 교전을 실험실 공간에서 모의하기 위한 조우 HILS 구축 방법에 관한 연구 성과를 바탕으로 향후 IR 대역의 대전자전 기술개발 및 체계 개발 사업뿐만 아니라 3차원 공간에서 조우하는 다양한 형태의 HILS 기술에 대한 원천적인 기술과 알고리즘을 개발하여 향후 다양한 분야에서 성능분석/효과도 검증용 HILS 연구개발에 큰 도움이 될수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	TMS 제어 장치는 어떤 기능을 수행하는가?	• TMS 제어 장치: 전투기와 플레어 간의 거리를 지대공 미사일의 위치를 조우실험실에서 시험할 수있도록 모의하는 기능 수행하는 시스템이다. 이 장치는 전투기의 열원을 탐지하는 미사일 탐색기에대응하여 발사된 플레어 신호를 방사하기 위한 각각의 장치를 갖추고, 플레어의 이동 궤적을 실험실에서 물리적으로 구현하는 기능을 수행한다.
	TMS 제어 장치란?	• TMS 제어 장치: 전투기와 플레어 간의 거리를 지대공 미사일의 위치를 조우실험실에서 시험할 수있도록 모의하는 기능 수행하는 시스템이다. 이 장치는 전투기의 열원을 탐지하는 미사일 탐색기에대응하여 발사된 플레어 신호를 방사하기 위한 각각의 장치를 갖추고, 플레어의 이동 궤적을 실험실에서 물리적으로 구현하는 기능을 수행한다.
	HILS 시스템의 구성요소는?	본 논문은 실 3차원 공간에서 고속기동 중인 무기체계 조우 상황을 실험실로 구현하는 시뮬레이션 기술에 관한 것으로서, 적용대상인 플레어는 플랫폼과 분리되어 위협미사일에 대한 열추적 교란을 수행하는 시스템이 제한된 공간인 실험실내에서 모의할 수 있는 조우 시뮬레이션(HILS) 기술에 관한 것이다. 실제 구현된 조우 HILS 시스템의 구성요소들은 열추적 미사일의 탐색기를 3축 기동할 수 있는 비행 모션 모의장치(FMS - Flight Motion Simulator)와 제어기, 항공기에서 발사되는 플레어를 모의하는 표적 이동 시뮬레이션 장치(TMS– Target Motion Simulator), 표적 항공기의 열원 신호를 위한 고정된 열원모의기, 조우 시나리오를 만들어 주는 버추얼 시뮬레이터, 실험상황을 통제하고 도시하는 중앙통제 모의서버 및네트워크(LAN)으로 실시간 연동하여 플레어에 대한 열추적 미사일에 대한 회피 효과도 분석을 위한 데이터들을 수집할 수 있는 연동 시스템으로 구성되어 있다.

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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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