[논문]교전시뮬레이션에의 활용을 위한 적정해상도의 차량 연막유탄 M&S 개발

민서정; 이상진

doi:10.9709/jkss.2019.28.2.059

교전시뮬레이션에의 활용을 위한 적정해상도의 차량 연막유탄 M&S 개발
Developing Vehicle-launched Smoke Grenade M&S of Moderate-resolution for Applications in Engagement Simulation 원문보기

한국시뮬레이션학회논문지 = Journal of the Korea Society for Simulation, v.28 no.2, 2019년, pp.59 - 69

민서정 , 이상진 (국방과학연구소)

초록
AI-Helper

차량 연막 유탄은 전차에서 적의 탐지체계를 교란하기 위해 가장 우선으로 운용하는 방호 장비로, 전차의 교전효과 분석 시 필수적인 요소라고 할 수 있다. 본 연구에서는 주요한 공학급 파라미터를 포함하면서도, 연산 부하가 크지 않아 교전 시뮬레이션에 활용하기 적절한 차량 연막 유탄 모델을 개발하였다. 먼저 교전급에서 공학급까지의 주요한 입력 파라미터를 포괄하여, 다양한 조합 모의를 가능케 하였다. 내부 모델은 간단한 연산을 사용함으로써, 여러 개체가 포함되는 교전 시뮬레이션에 적용하기 쉽도록 하였다. 연막운과 가시선을 각각 원반과 선분 형상으로 모델링하여, 기존 연막 M&S들에서 활용한 입자모델보다 비교적 낮은 해상도로 모의하였다. 또한, 테스트 시뮬레이션을 수행하여 전차의 연막 유탄 운용 효과를 분석해 보았다. 본 모델을 사용함으로써 운용개념 수립에서부터 연구개발까지 넓은 해상도 범위를 포괄 가능하다는 점을 확인할 수 있었다. 본 모델은 추후 국과연 2본부 4부에서 개발한 AddSIM 버전 3.0 환경에서, 전차 및 전투차량 모델에 삽입될 것이며, AddSIM의 사용자들은 이 모델들을 활용하여 연막 유탄을 이용하는 다양한 교전 시나리오를 구성할 수 있을 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

Smoke grenade is the most primary counteract of tank for its survival against threats, therefore a number of related researches and developments of M&S are being conducted. In this research, a vehicle-launched smoke grenade model is developed, that covers the essential engineering-level parameters, and also is applicable to engagement-level simulations because of its unheavy computational load. First of all, input parameters of the model were determined to include the principal factors from engineering to engagement level. In the model, smoke and LOS are modeled as simple figures, a disk and a line, so that the computational load is not as much as that of particle-model-based M&Ss. A test simulation is also carried out to analyze the effect of smoke grenade for a tank. This model is to be inserted into a basic tank model on AddSIM. The users of AddSIM will be able to simulate various scenarios including smoke grenades.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. Explosion of smoke grenades launched from K2 tanks (Ahn, 2017)
표 Table 1. Input parameters of suggested model
표 Table 2. Output parameters of suggested model
그림 Fig. 2. Definition of variables for geometrical smoke & LOS models (w.r.t. global ENU frame of reference)
표 Table 3. Interior variables of suggested model
그림 Fig. 3. Definition of variables for geometrical smoke & LOS models (w.r.t. smoke-fixed local frame of reference
표 Table 4. Equations of figures (w.r.t. local frame of reference)
표 Table 5. The possible cases(Case #1 - #8) for spatial relativity of figures, and corresponding results of screened segments
표 Fig. 4. Flowchart to identify the spatial relativity of figures
표 Table 6. Positions of intersections of figures (w.r.t. local frame of reference)
그림 Fig. 5. Trajectories of the centers of smokes, tank and threat during the simulation
표 Table 7. Values of input parameters for test scenario
그림 Fig. 6. Simulation results: (a) Smoke radius & thickness, (b) Average concentration of agent, (c) Screened length of LOS, (d) Transmittance level (0:screened / 1:not screened)

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 지상 분야의 전차 체계와 전투차량 체계 BSM 개발의 일환으로 수행되었다. 제안하는 연막유탄 모델은, 앞서 설명한 기존 연막 M&S 모델링 기법 중 두 번째와 세 번째 방식의 중간 정도 수준의 해상도에 해당 된다.
본 연구에서는 공학급 파라미터를 포함하면서도 교전 시뮬레이션에 활용하기 적절한 수준의 차량 연막 유탄 모델을 개발하였다.
실 데이터 및 비교 모델의 부재로 인하여 본 모델의 충실도는 검증되지 못했으나, 최대한 검증된 이론과 데이터들을 바탕으로 모델을 구현하고자 노력하였다. Beer-Lambert 법칙, 2차 방정식 해법, 좌표계 변환 등 교과서에서 찾을 수 있는 과학적 이론들을 바탕으로 모델링을 수행하였으며, 국방과학연구소와 국방연구소에서 개발되거나 사용 중인 M&S, 그리고 실 무기에 대한 공개된 제원들을 참조하여 파라미터들을 선정하였다.
최종 목표는 LOS와 연막운 두 도형이 겹치는 부분의 길이를 산출하는 것이다. 두 도형은 결국에 만나지 않거나, 한 점에서 만나거나(접하거나), 두 점에서 만나게 된다.

제안 방법

(1)과 같이 계산하는 것이 옳으나, 이 테스트 시뮬레이션은 소멸계수 α 값을 정하지 않고 수행하였으므로, e-CL의 값을 계산하여 투과도의 대략적인 경향을 분석하였다.
3절에서는 테스트 시뮬레이션을 수행하여, 전차가 연막 유탄을 발사함으로써 위협체의 가시선을 얼마나 차장시킬 수 있는지 그 효과를 분석해 보았다. 특히 3.
Table 5에 가능한 기하 관계 조건들을 8개로(Case #1 - #8)을 정리하였다. 각 Case는 두 도형의 상대적 기하 관계뿐만 아니라, 수식적으로 Case를 분류하기 위한 알고리즘의 용이성까지 고려하여 결정하였다.
국방과학연구소에서 전차 복합연막탄의 효과분석을 위해 개발한 SEAS(Cho, 2007)와 화생방 작전 통제 지원 목적으로 개발한 NBC_RAMS(Sim, 2011)는 모두 연막제의 분산패턴을 라그랑지안 입자모델로 모델링한다. 감쇠지수를 비롯한 연막제의 특성 정보, 연막탄 발사 조건, 위협체의 조건, 전차의 조건, 기상 조건 등을 반영하여 연막제의 분산패턴, 가시선(Line of Sight, LOS)상 투과도 변화 등을 시뮬레이션 한다. 두 번째는 연막운의 분포를 확률분포로 모의하는 경우이다.
제안하는 연막유탄 모델은, 앞서 설명한 기존 연막 M&S 모델링 기법 중 두 번째와 세 번째 방식의 중간 정도 수준의 해상도에 해당 된다. 공학급 파라미터를 반영하면서도, 교전급 시뮬레이션에 적용하기 위해 연산부하를 낮추었다. 따라서 연막운 용전술에서부터 연막유탄의 설계특성까지, 즉 교전급에서 공학급까지의 입력 파라미터를 포괄하여 다양한 조합의 모의가 가능하도록 하면서, 연산 부하가 크지 않은 비교적 간단한 모델을 이용하여 교전 시뮬레이션 적용이 용이하도록 연막유탄 모델을 개발하였다.
공학급 파라미터를 반영하면서도, 교전급 시뮬레이션에 적용하기 위해 연산부하를 낮추었다. 따라서 연막운 용전술에서부터 연막유탄의 설계특성까지, 즉 교전급에서 공학급까지의 입력 파라미터를 포괄하여 다양한 조합의 모의가 가능하도록 하면서, 연산 부하가 크지 않은 비교적 간단한 모델을 이용하여 교전 시뮬레이션 적용이 용이하도록 연막유탄 모델을 개발하였다. 연구 과정에서는 모델의 입/출력 정의 및 모델 내부 해상도의 적절한 수준 선택이 중요하였다.
먼저 연막 유탄에 관련된 연구들을 운용개념연구 수준에서부터 연구개발 수준까지 종합하여 모델의 입력 파라미터를 선정하였다. 또한, 교전 시뮬레이션에 사용될 것을 고려하여 탐지 모델 컴포넌트에 입력될 수 있도록, 모델의 출력 파라미터를 결정하였다. 모델 내부는 연막운과 가시선을 3차원상의 원반과 선분으로 모델링하여, 입자 모델이나 확률모델보다는 비교적 간단한 수준으로 모의하였다.
예를 들어, KM250 발사기의 발사관 개수가 6개임에 따라, 연막운의 발사 개수 N 은 6으로 설정하였다. 또한, 모델을 테스트하기 위한 단계이므로, 간단하게 전차와 위협체가 기동하지 않고 정지해 있는 상태를 시뮬레이션하였으며, 연막탄은 다섯 발을 발사하도록 설정하였다. 소멸계수 α는 연막 유탄의 특성으로 연막 유탄 모델에서 입력받는 것이 맞으나, 모델 내의 계산 과정에서 사용되지는 않고 탐지 모델에 그대로 출력해주는 값이며, 제원이 외부에 공개되어 있지 않다.
먼저 LOS가 연막운과 만나는지를 판단한 뒤, 만나는 경우 어떤 면과 만나는지를 확인 후, 교점 사이의 거리를 구하도록 모델을 설계하였다.
먼저 연막 유탄에 관련된 연구들을 운용개념연구 수준에서부터 연구개발 수준까지 종합하여 모델의 입력 파라미터를 선정하였다. 또한, 교전 시뮬레이션에 사용될 것을 고려하여 탐지 모델 컴포넌트에 입력될 수 있도록, 모델의 출력 파라미터를 결정하였다.
또한, 교전 시뮬레이션에 사용될 것을 고려하여 탐지 모델 컴포넌트에 입력될 수 있도록, 모델의 출력 파라미터를 결정하였다. 모델 내부는 연막운과 가시선을 3차원상의 원반과 선분으로 모델링하여, 입자 모델이나 확률모델보다는 비교적 간단한 수준으로 모의하였다. 특히 좌표계 변환을 통해 2차 방정식을 쉽게 풀이할 수 있도록 변형하여, 간단한 수식으로 출력값을 구할 수 있는 단순한 모델링을 구현하였다.
위치나 운동정보 등은 모두 Global ENU(East-North-Up) 좌표계를 기준으로 한 값으로 입력받는다. 발사 관련 요소 들은 연막탄발사기 개발보고서(Shim, 2005)를 참조하여 고각(Elevation), 방위각(Azimuth), 사거리(Shooting range)로 정하였다. 연막 유탄 설계특성은 연막제 개발 연구(Hwang et al.
본 모델은 연막탄과 관련된 각종 환경, 상황 및 특성 조건들을 입력받고, 연막탄의 차장 효과와 관련된 변수들을 출력한다. 모델에서 출력된 값은 적 무기체계의 EO/IR 탐지 모델에 입력되어 전차에 대한 탐지율에 영향을 미치게 된다.
본 연구에서는 연막운을 원반으로 모사한다. Fig.
발사 관련 요소 들은 연막탄발사기 개발보고서(Shim, 2005)를 참조하여 고각(Elevation), 방위각(Azimuth), 사거리(Shooting range)로 정하였다. 연막 유탄 설계특성은 연막제 개발 연구(Hwang et al., 2014; Cho et al., 2007; Go et al., 1992) 를 참조하여 선정하였으며, 차장대역, 충진량(Fill weight), 발사 전 지연시간(Delay before launch), 지속시간(Duration), 연막운 초기 반경(Initial cloud radius), 초기 두께(Initial cloud thickness) 등으로 정의하였다.
모델의 입/출력 변수의 정의는 기존의 연막 관련 M&S체계들 및 연막관련 연구개발내용을 참고하여 선정하였다. 연막의 차장효과를 계산하기 위한 내부 모델은, 연막운을 간단한 형상으로 모의함으로써 연산 부하가 크지 않도록 하였다. 연막탄 2차 폭발 시의 운 형상을 3차원 원반 형상으로 모델링하고, 운 형상 모델과 위협체 가시선의 기하학적 관계에 따라 차장 효과를 결정하였다.
연막의 차장효과를 계산하기 위한 내부 모델은, 연막운을 간단한 형상으로 모의함으로써 연산 부하가 크지 않도록 하였다. 연막탄 2차 폭발 시의 운 형상을 3차원 원반 형상으로 모델링하고, 운 형상 모델과 위협체 가시선의 기하학적 관계에 따라 차장 효과를 결정하였다.
)를 결정하였다. 운의 초기 위치는 연막 유탄이 발사되어 폭발하는 위치이므로, 연막 유탄은 전차의 위치로부터 발사 고각과 방위각 방향으로 직선거리로 사거리만큼 떨어진 위치에 도달하여 t_d초 뒤에 폭발하는 것으로 모델링하였다. 또한 운의 자세는 전차에서 운을 바라보는 방향벡터가 원반의 회전축과 일치하도록 정의하였다.
환경 정보와 운용전술을 반영하기 위한 파라미터들은 Park et al.의 대전차 유도무기의 차장 대응 성능 분석 연구(2016) 및 지상무기 효과분석모델(AWAM) 모의 논리서(KIDA, 2013)를 주로 참조하여, 풍향과 풍속(Wind velocity), 전차 및 위협체의 운동 정보와 연막탄 개수(The number of grenades to launch)로 선정하였다. 위치나 운동정보 등은 모두 Global ENU(East-North-Up) 좌표계를 기준으로 한 값으로 입력받는다.
이를 바탕으로, 연막탄 2차 폭발 시의 운 형상인 원반 모양으로 연막운을 모델링하였다. Table 3에 모델 내부에서 사용되는 변수들을 정리하였다.
전차에서 반사된 빛은 가시선을 따라 EO/IR 센서에 도달하여 전차에 대한 탐지가 가능하도록 한다. 빛은 가시선상에서 진행하면서 매질에 흡수되거나 가시선 밖으로 산란되어 에너지가 감쇠한다.
제안하는 연막유탄 모델은, 앞서 설명한 기존 연막 M&S 모델링 기법 중 두 번째와 세 번째 방식의 중간 정도 수준의 해상도에 해당 된다.
모델 내부는 연막운과 가시선을 3차원상의 원반과 선분으로 모델링하여, 입자 모델이나 확률모델보다는 비교적 간단한 수준으로 모의하였다. 특히 좌표계 변환을 통해 2차 방정식을 쉽게 풀이할 수 있도록 변형하여, 간단한 수식으로 출력값을 구할 수 있는 단순한 모델링을 구현하였다. 간단한 연산을 사용함으로써, 여러 개체가 포함되는 다대 다 교전 시뮬레이션에 적용하기 쉽도록 하였다.

대상 데이터

모델에서 출력된 값은 적 무기체계의 EO/IR 탐지 모델에 입력되어 전차에 대한 탐지율에 영향을 미치게 된다. 모델 및 시뮬레이션은 MATLAB R2017a(The Mathworks, Inc.)에서 구현하였다.
모델 입력 변수들은 대표적인 기존 연막탄 M&S들의 입력 변수 및 연막 관련 연구개발 자료들을 분석하여 선정하였으며, Table 1에 정리된 바와 같다.
테스트를 위한 시뮬레이션 시나리오를 설정하여 값을 Table 7과 같이 입력하였다. 발사 조건 및 연막 유탄 특성, 전차 이동속도 등의 값은 적외선 차장 연막 유탄 K415, 고정형 연막탄 발사기 KM250, 그리고 K1전차의 무기체계 제원을 참고¹⁾하였다. 예를 들어, KM250 발사기의 발사관 개수가 6개임에 따라, 연막운의 발사 개수 N 은 6으로 설정하였다.

이론/모형

Beer-Lambert 법칙, 2차 방정식 해법, 좌표계 변환 등 교과서에서 찾을 수 있는 과학적 이론들을 바탕으로 모델링을 수행하였으며, 국방과학연구소와 국방연구소에서 개발되거나 사용 중인 M&S, 그리고 실 무기에 대한 공개된 제원들을 참조하여 파라미터들을 선정하였다.
모델의 입/출력 변수의 정의는 기존의 연막 관련 M&S체계들 및 연막관련 연구개발내용을 참고하여 선정하였다.
특히, 빛이 연막운을 지날 때에는 대기에서보다 에너지 감소가 훨씬 많이 일어나, 빛의 투과율이 매우 작아진다. 이러한 매질의 특성에 따른 빛의 에너지 감쇠를 Beer-Lambert 법칙에 의해 아래와 같이 수식으로 나타낼 수 있다.

성능/효과

여섯 개의 연막운 각각에 대한 경향을 도시하였고, 여섯 값을 곱한 값인 Total 값이 하늘색 *로 표시되었다. 차장 효과가 5초에서 10초 정도에 가장 크게 나타났다가 점차 감소하는 경향을 확인할 수 있다.

후속연구

0을 이용해 재 작성되어 전차 BSM 및 전투차량 BSM에 물리모델 컴포넌트 형태로 포함될 예정이다. AddSIM의 사용자들은 이 BSM들을 기반으로 차량연막의 방호 성능을 분석하거나 연막운용전술을 연구하는 등, 각자의 목적에 부합하는 다양한 교전시나리오를 구성하여 시뮬레이션을 수행할 수 있을 것이다.
0을 이용해 다시 작성되어, 전차 BSM 및 전투차량 BSM에 물리모델 컴포넌트 형태로 포함될 것이다. AddSIM의 사용자들은 이 BSM들을 바탕으로 연막 유탄을 이용하는 다양한 교전 시나리오를 구성할 수 있을 것이다.
개발된 연막 유탄 모델은, AddSIM 버전 3.0을 이용해 재 작성되어 전차 BSM 및 전투차량 BSM에 물리모델 컴포넌트 형태로 포함될 예정이다. AddSIM의 사용자들은 이 BSM들을 기반으로 차량연막의 방호 성능을 분석하거나 연막운용전술을 연구하는 등, 각자의 목적에 부합하는 다양한 교전시나리오를 구성하여 시뮬레이션을 수행할 수 있을 것이다.
이처럼 가장 차장효과가 큰 지점을 도출해낼 수 있다는 것을 확장하여, 전차의 연막 유탄 발사 시간을 결정하거나 발사 후 회피 논리를 수립하는 등, 연막장비 운용 방침에 관한 연구에 활용 가능할 것이다. 또한, 연막 유탄의 발사 대수에 따른 차장 효과를 분석하여 최적의 발사 대수를 결정하는 등, 발사기 구조를 설계하는 연구개발 측면에도 활용 가능할 것이다.
본 모델은, 국과연에서 개발한 AddSIM 버전 3.0을 이용해 다시 작성되어, 전차 BSM 및 전투차량 BSM에 물리모델 컴포넌트 형태로 포함될 것이다. AddSIM의 사용자들은 이 BSM들을 바탕으로 연막 유탄을 이용하는 다양한 교전 시나리오를 구성할 수 있을 것이다.
이처럼 가장 차장효과가 큰 지점을 도출해낼 수 있다는 것을 확장하여, 전차의 연막 유탄 발사 시간을 결정하거나 발사 후 회피 논리를 수립하는 등, 연막장비 운용 방침에 관한 연구에 활용 가능할 것이다. 또한, 연막 유탄의 발사 대수에 따른 차장 효과를 분석하여 최적의 발사 대수를 결정하는 등, 발사기 구조를 설계하는 연구개발 측면에도 활용 가능할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	연막의 정의는?	연막이란, 지상전에서 적군의 EO/IR 탐지체계가 아군을 탐지하는 것을 방해하기 위하여 밀리터리파, 적외선, 가시광선 등 특정 대역의 전자기파를 차장하는 연막제를 뿌려 아군을 보호하는 장비이다. 그 중에서도 차량 연막 유탄은, 전차나 장갑차가 회피 기동하기 전에 발사하는 연막탄으로, 적의 위협을 감지하면 가장 우선으로 이용하는 능동방호수단이다.
	차량 연막 유탄은 무엇인가?	연막이란, 지상전에서 적군의 EO/IR 탐지체계가 아군을 탐지하는 것을 방해하기 위하여 밀리터리파, 적외선, 가시광선 등 특정 대역의 전자기파를 차장하는 연막제를 뿌려 아군을 보호하는 장비이다. 그 중에서도 차량 연막 유탄은, 전차나 장갑차가 회피 기동하기 전에 발사하는 연막탄으로, 적의 위협을 감지하면 가장 우선으로 이용하는 능동방호수단이다. 연막 유탄 사용 시 아군 전차의 치사 가능성은 최고 80%로 감소한다고 알려져 있다(ROKA, 2010).
	차량 연막 유탄의 효과는 어떠한가?	그 중에서도 차량 연막 유탄은, 전차나 장갑차가 회피 기동하기 전에 발사하는 연막탄으로, 적의 위협을 감지하면 가장 우선으로 이용하는 능동방호수단이다. 연막 유탄 사용 시 아군 전차의 치사 가능성은 최고 80%로 감소한다고 알려져 있다(ROKA, 2010).

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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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