[논문]휴대용대공유도탄에 대응하는 지향성적외선방해장비의 교전효과 분석

정춘식

doi:10.9709/jkss.2019.28.2.139

휴대용대공유도탄에 대응하는 지향성적외선방해장비의 교전효과 분석
Analysis of the Engagement Effects of DIRCM against a Man Portable Air Defense System 원문보기

한국시뮬레이션학회논문지 = Journal of the Korea Society for Simulation, v.28 no.2, 2019년, pp.139 - 147

정춘식 (Agency for Defense Development)

초록
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적외선 에너지를 추적하는 휴대용대공유도탄(MANPADS: Man Portable Air Defense System)은 개인이 휴대할 수 있을 정도로 가벼우며 다양한 항공기에 대응할 수 있어, 전 세계적으로 널리 배치되어 항공기의 큰 위협이 되고 있다. 이러한 유도탄을 기만하여 아군 항공기와 전투원의 생명을 보호하는 적외선대응책(IRCM: Infrared Countermeasure)으로 섬광탄이 개발되었다. 그러나 기존 적외선대응책의 문제점을 보완할 수 있는 지향성적외선방해장비(DIRCM: Directional Infrared Countermeasure)가 최근 일부 선진국을 중심으로 개발되고 있으며, 그 필요성이 점차 증가하고 있다. 본 논문에서는 다양한 MANPADS 중 AM 변조 방식의 1세대 적외선탐색기, FM 변조 방식의 2세대 적외선탐색기, 펄스변조 방식의 3세대 적외선탐색기와 DIRCM에서 레이저빔이 조사될 때 탐색기에서 발생하는 산란광 현상을 모델링하였다. 이를 이용하여 MANPADS와 DIRCM을 장착한 항공기의 다양한 교전환경에서 기만 시뮬레이션을 수행하였고, 유도탄과 항공기의 최소거리인 Miss Distance를 분석하였다. 시뮬레이션 결과, 하나의 기만코드로 변조된 레이저빔을 조사하는 DIRCM이 교전거리 1km와 2km에서 1, 2, 3세대 MANPADS를 모두 기만하는 것을 시뮬레이션을 통하여 확인하였다. 특히 교전거리가 1km에서 2km로 늘어날 때 DIRCM을 장착한 항공기의 생존율도 증가하였고, 교전거리 2km에서는 생존율이 최소 99% 이상으로 분석되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

A MANPADS(Man Portable Air Defense System), which tracks infrared energy, is light enough for individuals to carry and can against to a variety of aircraft, making it widely deployed around the world, posing a major threat to aircraft. A flare has been developed as an IRCM(Infrared Countermeasures) that protects the life of friendly aircraft and combatants by deceiving such guided missiles. However, DIRCM, which can overcome the problems of existing IRCM, is being developed mainly in some developed countries, and the need for it has been increasing gradually. This paper modeled first generation IR seeker of AM modulation method, the second generation IR seeker of FM modulation method, and the third generation IR seeker of pulse modulation method among various MANPADS, and modeled the scattering light phenomenon in the seeker when laser beams are investigated in DIRCM. Using this, jamming simulations were performed in various engagement environments of the MANPADS and aircraft equipped with DIRCM, and the miss distance of the guided missiles and aircraft were analyzed. Simulation results show that DIRCM, which irradiates a modulated laser beam with one jamming code, deceives both first, second and third generation MANPADS at 1km and 2km of engagement distance. In particular, the survival rate of aircraft equipped with DIRCM increased when the distance of engagement increased from 1km to 2km, and the survival rate was at least 99% at 2km of engagement distance.

주제어

표/그림 (24)

그림 Fig. 1. Optics of spin-scan a IR(Infrared) seeker
그림 Fig. 2. Reticle and detector signal of a spin-scan IR seeker(Pollock et al., 1993)
그림 Fig. 3. Tracking signal processor modeling of a spin-scan IR seeker
그림 Fig. 4. Optics of a con-scan IR seeker
그림 Fig. 5. Reticle and detector signal of a con-scan IR seeker(Pollock et al., 1993)
그림 Fig. 6. Tracking signal processor modeling of a con-scan IR seeker
그림 Fig. 7. Figure of optics(left) and reticle(right) of a pulse modulated IR seeker
그림 Fig. 8. Schematic of a target on the rotating reticle
그림 Fig. 9. Tracking signal processor modeling of a pulse modulated IR seeker
그림 Fig. 10. Coordinate system used in the simulation
그림 Fig. 11. Block diagram of the engagement simulation
그림 Fig. 12. Scenario of the engagement simulation
그림 Fig. 13. Miss distance of 1^st MANPADS at 1km
그림 Fig 14. Miss distance of 1^st MANPADS at 2km
그림 Fig. 15. Miss distance of 2^nd MANPADS at 1km
그림 Fig 16. Miss distance of 2^nd MANPADS at 2km
표 Table 1. Miss distance of 1^st MANPADS at 1km
표 Table 2. Miss distance of 1^st MANPADS at 2km
표 Table 3. Miss distance of 2^nd MANPADS at 1km
표 Table 4. Miss distance of 2^nd MANPADS at 2km
그림 Fig 17. Miss distance of 3^rd MANPADS at 1km
그림 Fig 18. Miss distance of 3^rd MANPADS at 2km
표 Table 5. Miss distance of 3^rd MANPADS at 1km
표 Table 6. Miss distance of 3^rd MANPADS at 2km

AI 본문요약
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가설 설정

11과 같은 구성으로 구현하여 교전상황을 모사하였다. 교전이 시작되면 변수들이 초기화되고 그에 따른 영상이 생성되며, 이 때 항공기는 점표적으로 가정하였다. 생성된 영상에서 적외선탐색기의 시야에 해당하는 영상과 레티클 영상을 중첩시키며, 레티클을 100Hz로 회전시켜 32khz 마다 중첩된 영상을 10ms 동안 적분하여 표적신호를 생성한다.
DIRCM은 항공기에 장착된 것으로 설정하였고, 입력된 기만코드에 따라 레이저가 변조되어 유도탄에 조사되는 상황을 모델링하였다. 이 때, DIRCM은 기본적으로 유도탄을 탐지하고, 추적할 수 있는 것으로 가정하였다.

제안 방법

009초까지 변화시켜 기만 시점에 따른 위상변화를 모사하였다. 1, 2, 3세대 MANPADS 모두 동일한 기만코드를 조사하였으며, 표적 대비 레이저빔의 에너지세기인 JSR(Jamming to signal ratio)은 200으로 설정하였다. 이러한 교전환경에서 시뮬레이션을 수행하였고, 유도탄과 항공기의 최소거리, 즉 유도탄이 비행하여 항공기의 중심과 가장 가까운 지점을 지날 때의 거리인 MissDistance를 이용하여 항공기의 생존율을 도출하였다.
1, 2, 3세대 MANPADS에 대응하는 DIRCM의 효과를 분석하기 위하여 기만 시뮬레이션을 수행하였다. 먼저유도탄과 하나의 DIRCM이 장착된 항공기와의 거리는1km와 2km로 설정하였다.
1, 2, 3세대 MANPADS와 DIRCM을 모델링하여 각 세대별 MANPADS와 DIRCM의 교전 상황을 모사하여 항공기의 생존율을 분석하였다. 교전거리 1km와 2km에서 1, 2, 3세대 MANPADS와 DIRCM을 장착한 항공기가 교전하는 기만 시뮬레이션을 수행하였다.
이에 변조된 레이저를 조사하여 MANPADS를 기만하는 지향성적외선방해장비(DIRCM: Directional InfraredCountermeasure)가 일부 선진국에서 개발되었다. DIRCM은 표적에서 발생하는 적외선 에너지보다 훨씬 더 높은에너지 세기의 레이저빔을 다가오는 유도탄에 조사한다. 레이저빔은 유도탄의 적외선탐색기가 레이저 신호를 표적 신호로 인식하여 추적하도록 변조된다.
또한 적외선탐색기에서 생성된 세차신호는 유도조정에 필요한 LOS 변화율로 변환되어, 비례항법을 이용하여 유도탄이 표적으로 유도되도록 구현하였다. DIRCM은 항공기에 장착된 것으로 설정하였고, 입력된 기만코드에 따라 레이저가 변조되어 유도탄에 조사되는 상황을 모델링하였다. 이 때, DIRCM은 기본적으로 유도탄을 탐지하고, 추적할 수 있는 것으로 가정하였다.
각 세대별 MANPADS와 DIRCM의 기만 시뮬레이션을 교전거리 1km, 2km에서 각각 360번 수행하였고, 기만하지 않는 경우는 교전거리별로 총 10번 수행하였다. 참고로 기만을 하지 않았을 때는 1, 2, 3세대 MANPADS 모두 Miss Distance가 15m 이내였다.
1, 2, 3세대 MANPADS와 DIRCM을 모델링하여 각 세대별 MANPADS와 DIRCM의 교전 상황을 모사하여 항공기의 생존율을 분석하였다. 교전거리 1km와 2km에서 1, 2, 3세대 MANPADS와 DIRCM을 장착한 항공기가 교전하는 기만 시뮬레이션을 수행하였다. 그 결과, 하나의 기만코드로 변조된 레이저빔을 조사하는 DIRCM이 1, 2, 3세대 MANPADS를 모두 기만하는 것을 확인하였다.
그러나 국내뿐 아니라 국외에서도 DIRCM과 유도탄 간의 교전효과를 분석하여 항공기의 생존율을 분석한 연구 사례는 많지 않다. 따라서 본 논문에서는 1세대 스핀스캔 방식, 2세대 콘스캔 방식, 3세대 펄스변조 방식의 MANPADS와 DIRCM을 모델링하여 기만 시뮬레이션을 수행하여 결과를 분석하였다. 다양한 교전 환경에서 유도탄을 발사하고, 항공기에 장착된 DIRCM으로 대응하여 그 결과를 확인하는 시험은 제약사항이 많다.
또한 MANPADS 발사 시 ejection부터 boosting까지 일반적으로 0.5초 내외로 알려져 있기 때문에 시뮬레이션 환경 설정 시 ejection부터 boosting까지 0.5초가 소요되도록 하였으며, 유도탄은 항공기를 기준으로 0°에서 350°까지 10° 간격의 위치에서 발사하였다.
10과 같은 관성좌표계, 유도탄 동체 좌표계, 탐색기 좌표계를 가지도록 모델링되었다. 또한 적외선탐색기에서 생성된 세차신호는 유도조정에 필요한 LOS 변화율로 변환되어, 비례항법을 이용하여 유도탄이 표적으로 유도되도록 구현하였다. DIRCM은 항공기에 장착된 것으로 설정하였고, 입력된 기만코드에 따라 레이저가 변조되어 유도탄에 조사되는 상황을 모델링하였다.
본 논문에서는 T_s가 10ms일 때 생성되는 표적신호를 이용하여 Fig. 3과 같은 개념을 바탕으로 추적신호처리부를 모델링하였다. 모델링에 적용된 레티클은 적외선 에너지를 완전히 차단하는 스포크와 완전히 투과시키는 스포크를 각각 6개로 구현하여 캐리어주파수는 1200Hz이며,자이로스코프의 회전주파수는 100Hz로 설정하였다.
, 2010). 본 논문에서는 레티클은 차단 스포크 12개, 투과 스포크 12개로 구현하였고, 장동 회전주기는 100Hz로 설정하여 모델링하였다.
유도탄이 ejection되고 0.8초가 지나면 DIRCM에 유도탄의 위치가 전달되고, 0.48초 동안 유도탄의 방향으로 구동한 후 레이저를 조사하였다. 이 때 DIRCM이 유도탄방향으로 시선을 움직이는 시간, 즉 표적조준시간을 0.
48초 동안 유도탄의 방향으로 구동한 후 레이저를 조사하였다. 이 때 DIRCM이 유도탄방향으로 시선을 움직이는 시간, 즉 표적조준시간을 0.001초 씩 총 0.009초까지 변화시켜 기만 시점에 따른 위상변화를 모사하였다. 1, 2, 3세대 MANPADS 모두 동일한 기만코드를 조사하였으며, 표적 대비 레이저빔의 에너지세기인 JSR(Jamming to signal ratio)은 200으로 설정하였다.
1, 2, 3세대 MANPADS 모두 동일한 기만코드를 조사하였으며, 표적 대비 레이저빔의 에너지세기인 JSR(Jamming to signal ratio)은 200으로 설정하였다. 이러한 교전환경에서 시뮬레이션을 수행하였고, 유도탄과 항공기의 최소거리, 즉 유도탄이 비행하여 항공기의 중심과 가장 가까운 지점을 지날 때의 거리인 MissDistance를 이용하여 항공기의 생존율을 도출하였다. 이 때 Miss Distance가 15m를 초과한 경우 항공기가 생존한 것으로 판단하였다.
레이저빔은 유도탄의 적외선탐색기가 레이저 신호를 표적 신호로 인식하여 추적하도록 변조된다. 이를 위하여 적외선탐색기의 추적 신호 생성 원리와 추적 신호의 특성을 분석하고 이해하여 레이저의 변조 특성, 즉 기만코드를 설계하여야 한다.
다양한 교전 환경에서 유도탄을 발사하고, 항공기에 장착된 DIRCM으로 대응하여 그 결과를 확인하는 시험은 제약사항이 많다. 이에 시뮬레이션을 활용하여 유도탄과 DIRCM을 장착한 항공기의 교전 환경을구성하고, 항공기와 유도탄의 최소거리인 Miss Distance를 이용하여 항공기의 생존율을 분석하였다.
또한 항공기의 위치와 자세가 최신화 되며, 설정된 교전상황에 따라 DIRCM에서 기만코드, 즉 변조된 레이저빔 영상이 적외선검출기의 입력신호로 전달된다. 이와 같은 폐루프를 구성하여 MANPADS와 DIRCM의 교전상황을 모사하였다.
모델링된 스핀스캔 적외선탐색기의 추적신호처리부는 레티클의 회전에 의하여 진폭 변조된 신호를 대역통과필터(BPF : Band Pass Filter)를 통과시켜 캐리어주파수 성분을 추출한다. 이후 진폭복조기인 포락선 검출기(Envelope Detector)를 거친 후 BPF2를 거쳐 회전주파수 성분을 추출한다. 그리고 탐색기의 광축과 표적 LOS(Line Of Sight) 축의 차이, 즉 표적이 탐색기 광축으로부터 벗어난 각도인 오차각과 위상 정보를 측정하는 위상판별기를 거친다.

대상 데이터

3과 같은 개념을 바탕으로 추적신호처리부를 모델링하였다. 모델링에 적용된 레티클은 적외선 에너지를 완전히 차단하는 스포크와 완전히 투과시키는 스포크를 각각 6개로 구현하여 캐리어주파수는 1200Hz이며,자이로스코프의 회전주파수는 100Hz로 설정하였다.

이론/모형

1세대 적외선탐색기는 단픽셀 검출기를 사용하여 레티클(reticle)을 회전시켜 검출기 출력 신호를 진폭(AM: AmplitudeModulation) 변조하는 스핀스캔(spin-scan) 방식이다. 콘스캔(con-scan) 방식의 2세대 적외선탐색기는 단픽셀의 검출기를 이용하고, 주파수(FM: Frequency Modulation)변조 방식을 사용한다. 3세대 적외선탐색기는 두 개의 프리즘 또는 반사경을 이용하여 꽃잎 모양으로 스캔하는 로젯스캔(rosette-scan) 방식이나 하나의 슬릿(slit)을 가진 레티클로 이루어진 펄스변조 방식이 있다.

성능/효과

2세대 MANPADS와 DIRCM의 교전 시뮬레이션에서는 교전거리가 1km와 2km 모두 생존율 100%로 분석되었고, 교전거리가 길어지면 평균, 최소, 최대 Miss Distance모두 증가하였다. 1세대 MANPADS와 달리 교전거리1km에서도 생존율이 100%로 나타난 것은 2세대 적외선탐색기의 전체 시야가 1세대보다 약 2배 정도 넓기 때문이다.
교전거리 1km와 2km에서 1, 2, 3세대 MANPADS와 DIRCM을 장착한 항공기가 교전하는 기만 시뮬레이션을 수행하였다. 그 결과, 하나의 기만코드로 변조된 레이저빔을 조사하는 DIRCM이 1, 2, 3세대 MANPADS를 모두 기만하는 것을 확인하였다. 또한 교전거리 1km에서 항공기 생존율은 최소 92%이상, 교전거리 2km에서 항공기 생존율은 최소 99% 이상으로 분석되었다.
항공기의 전방 방향에서 유도탄이 발사되면 Miss Distance는 줄어들고, 반대로 항공기의 후방방향에서 유도탄이 발사되면 Miss Distance는 증가하였다. 또한 1, 2, 3세대 MANPADS 모두 교전거리가 증가하면 Miss Distance는 늘어나며 생존율도 증가하였다
그 결과, 하나의 기만코드로 변조된 레이저빔을 조사하는 DIRCM이 1, 2, 3세대 MANPADS를 모두 기만하는 것을 확인하였다. 또한 교전거리 1km에서 항공기 생존율은 최소 92%이상, 교전거리 2km에서 항공기 생존율은 최소 99% 이상으로 분석되었다. 항공기의 전방 방향에서 유도탄이 발사되면 Miss Distance는 줄어들고, 반대로 항공기의 후방방향에서 유도탄이 발사되면 Miss Distance는 증가하였다.
마지막으로 3세대 MANPADS와 DIRCM의 교전거리가1km인 경우 생존율 92.78%, 교전거리 2km인 경우 생존율 99.72%로 분석되었다. 앞선 1, 2세대 MANPADS와 마찬가지로 교전거리가 길어지면 평균, 최소, 최대 MissDistance도 증가하였다.
72%로 분석되었다. 앞선 1, 2세대 MANPADS와 마찬가지로 교전거리가 길어지면 평균, 최소, 최대 MissDistance도 증가하였다.
또한 교전거리 1km에서 항공기 생존율은 최소 92%이상, 교전거리 2km에서 항공기 생존율은 최소 99% 이상으로 분석되었다. 항공기의 전방 방향에서 유도탄이 발사되면 Miss Distance는 줄어들고, 반대로 항공기의 후방방향에서 유도탄이 발사되면 Miss Distance는 증가하였다. 또한 1, 2, 3세대 MANPADS 모두 교전거리가 증가하면 Miss Distance는 늘어나며 생존율도 증가하였다

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	1, 2, 3세대 MANPADS와 DIRCM을 모델링하여 각 세대별 MANPADS와 DIRCM의 교전 상황을 모사하여 항공기의 생존율을 분석해 본 결과는?	교전거리 1km와 2km에서 1, 2, 3세대 MANPADS와 DIRCM을 장착한 항공기가 교전하는 기만 시뮬레이션을 수행하였다. 그 결과, 하나의 기만코드로 변조된 레이저빔을 조사하는 DIRCM이 1, 2, 3세대 MANPADS를 모두 기만하는 것을 확인하였다. 또한 교전거리 1km에서 항공기 생존율은 최소 92%이상, 교전거리 2km에서 항공기 생존율은 최소 99% 이상으로 분석되었다. 항공기의 전방 방향에서 유도탄이 발사되면 Miss Distance는 줄어들고, 반대로 항공기의 후방방향에서 유도탄이 발사되면 Miss Distance는 증가하였다. 또한 1, 2, 3세대 MANPADS 모두 교전거리가 증가하면 Miss Distance는 늘어나며 생존율도 증가하였다
	MANPADS의 장점은?	표적에서 발생하는 열을 추적하여 표적을 공격하는 휴대용대공유도탄(MANPADS: Man Portable Air Defense System)은 1959년 미국이 Redeye를 처음 개발한 후 세계 여러 나라에서 개발되어 지속적으로 발전하였다. MANPADS는 작고 가벼워 휴대하기 쉽고, 가격이 저렴하여 세계적으로 널리 확산되었으며, 특히 전 세계 테러집단에까지 보급되어 항공기의 큰 위협이 되고 있다(Chapman, 2014; Smith et al., 2012; Richardson, 2007;Titterton, 2004).
	1세대 적외선탐색기란?	이러한 MANPADS는 적외선탐색기의 검출기 특성과 신호생성 방법에 따라 세대를 구분한다. 1세대 적외선탐색기는 단픽셀 검출기를 사용하여 레티클(reticle)을 회전시켜 검출기 출력 신호를 진폭(AM: AmplitudeModulation) 변조하는 스핀스캔(spin-scan) 방식이다. 콘스캔(con-scan) 방식의 2세대 적외선탐색기는 단픽셀의 검출기를 이용하고, 주파수(FM: Frequency Modulation)변조 방식을 사용한다.

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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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