[논문]기본체계모델 기반 해상도 별 유도 무기체계 컴포넌트 설계

문규진; 안유영; 정의택; 유창경

doi:10.9709/jkss.2019.28.3.011

기본체계모델 기반 해상도 별 유도 무기체계 컴포넌트 설계
Components Design for Guided Weapon System according to Resolution based on Base System Model 원문보기

한국시뮬레이션학회논문지 = Journal of the Korea Society for Simulation, v.28 no.3, 2019년, pp.11 - 23

문규진 (인하대학교 항공우주공학과) , 안유영 ((주)한화 화약) , 정의택 (인하대학교 항공우주공학과) , 유창경

초록
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군 요구분석부터 시험평가까지 전반적인 단계에 활용 가능한 합성 전장 환경을 구성하기 위해 컴포넌트기반 체계모의환경(AddSIM)이 개발되었다. 또한 AddSIM을 효과적으로 활용하기 위해 표준화된 계층구조를 가지는 무기체계 컴포넌트 모델인 기본체계모델(BSM)이 개발되었다. 본 논문에서는 AddSIM에서 운용 가능한 유도 무기체계의 BSM 상세 설계에 관해 기술한다. 유도 무기체계 BSM은 재사용성과 상호 운용성을 고려해 설계되었으며 조립성을 고려해 상이한 해상도의 하위컴포넌트에 대해서도 동일한 인터페이스를 갖도록 설계되었다. 그리고 컴포넌트 해상도 분류 체계에 따라 각 하위 컴포넌트의 해상도 별 컴포넌트를 정의 및 구현했다. 최종적으로 하위 컴포넌트 조합을 통해 다양한 해상도의 유도 무기체계 모델을 구성하였으며 시뮬레이션을 통해 성능을 비교 분석했다.

Abstract ▼ AI-Helper

An AddSIM(Adaptive distributed and parallel Simulation environment for Interoperable and reusable Models) is developed to construct a composite environment that can be used in the overall stage from military demand analysis to test and evaluation. In addition, a base system model(BSM), which is a component model of the weapon system with standardized hierarchies, has been developed. This paper describes the critical design of BSM for the guided weapon system that can be operated in AddSIM. The guided weapon system BSM is designed for reusability and interoperability, and to have the same interface for assembly, even if the subcomponents have different resolution. Then, each subcomponent is defined and implemented according to the component resolution classification scheme. Finally, Combinations of subcomponents have been used to construct the guided weapon system of various resolution and the performance is compared and analyzed through simulation.

주제어

표/그림 (18)

그림 Fig. 1. Defense M&S classification(Kim et al., 2007)
그림 Fig. 2. Guided weapon system BSM architecture
그림 Fig. 3. Data classification of BSM(Kim et al., 2007)
그림 Fig. 4. Components resolution classification
표 Table 1. Components resolution classification criteria
그림 Fig. 5. Flow diagram for the acceleration calculation
표 Table 2. Definition and characteristics of dynamics components by resolution
표 Table 3. Attribute characteristics according to the resolution of the dynamics components (○ : Calculated, △ : Assumed, × : Not abailable)
그림 Fig. 6. Seeker loop architecture
표 Table 4. Definition and characteristics of RF seeker components by resolution
표 Table 5. Definition and characteristics of propulsion components by resolution
그림 Fig. 7. Electric actuator system architecture
표 Table 6. Definition and characteristics of navigation components by resolution
표 Table 7. Definition and characteristics of actuator components by resolution
그림 Fig. 8. Control loop architecture
표 Table 8. Definition and characteristics of communication components by resolution
그림 Fig. 9. Simulation results
표 Table 9. Operation time according to the resolution of the BSM

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 AddSIM에서 운용 가능한 유도 무기체계의 BSM 상세설계에 대해 설명하였다. 유도 무기체계 BSM은 조립성 및 재사용성을 고려해 BSM의 기본 구조와 데이터 체계를 따르도록 설계하였으며 동일 컴포넌트의 경우 해상도가 상이하더라도 출력 인터페이스의 데이터가 동일하도록 설계하였다.
본 논문에서는 고해상도(High Resolution)의 모델까지의 상세 설계에 관해 기술하였으며 그 이상의 해상도를 갖는 상세(Specific Resolution) 모델의 경우는 사용자가 컴포넌트의 인터페이스를 고려해 설계하여 추가로 사용할 수 있다.
추진 모델은 추진제 연소로 발생하는 추력 및 물리량의 변화를 산출하며 정해진 그레인 형상에 따라 고체 추진제를 연소하는 모터와 요구 추력에 맞춰 연료 분사량을 조절하여 연소하는 엔진 컴포넌트로 구성된다. 본 논문에서는 모터 컴포넌트의 모델링에 대해 기술하였으며 해상도 별 컴포넌트의 정의 및 특징은 Table 5와 같다. Low, Medium 해상도의 추진 모델은 동일한 식 (6)을 이용해 추력과 질량을 계산하며 질량 변화에 따라 무게중심과 관성량을 선형 보간하여 계산한다.
본 논문에서는 유도 무기체계 BSM을 구성하는 하위컴포넌트 상세 설계를 소개한다. 선행 연구에서 설계된 유도 무기체계 BSM 구조와 컴포넌트 해상도 분류 기준을 기반으로 하였으며 조립성 및 재사용성을 높이기 위해 일부 수정했다.

가설 설정

본래 유도 무기의 자세는 모멘트 방정식 연산을 통해 계산할 수 있는데 Low, Medium 해상도의 경우 가정을 통해 가상의 자세를 산출한다. Low 해상도는 자세와 속도 벡터가 일치한다고 가정하고 항법 방정식에서 계산된 속도를 이용한다. Medium 해상도는 유도 무기의 조종 시스템이 잘 설계되었다는 가정하에 Fig.

제안 방법

High 해상도의 추진 모델은 연소실 압력에 영향을 받는 모터의 특성을 반영하도록 설계했다. 연소실 압력에 따라 연소 단계를 3단계로 나눴으며 추진제 grain 형상에 따른 연소 면적 변화를 직접 시간에 대한 함수로 설정하도록 했다.
동역학 모델 컴포넌트는 유도 무기체계에 작용하는 힘을 계산하고 이에 따른 운동을 모의하는 기능을 하며 해상도 별 컴포넌트 정의 및 특징은 Table 2와 같다. 공통으로 항공우주공학 분야에서 널리 사용되는 지구 중심 지구 고정(ECEF, Earth-Centered Earth-Fixed) 좌표계, 항법(NED, North-East-Down) 좌표계 등과 좌표계 간의 변환관계를 사용하였고 유도 무기의 위치와 자세 등의 상태변수를 계산해 공유데이터 속성에 전달한다.
유도 무기체계 BSM은 조립성 및 재사용성을 고려해 BSM의 기본 구조와 데이터 체계를 따르도록 설계하였으며 동일 컴포넌트의 경우 해상도가 상이하더라도 출력 인터페이스의 데이터가 동일하도록 설계하였다. 또한 다양한 해상도의 하위 컴포넌트 조합을 통해 모델의 해상도를 결정할 수 있도록 했다. 최종적으로 시뮬레이션을 통해 해상도 별 유도무기체계 BSM의 성능을 확인하였다.
유도조종 모델은 소프트웨어적인 요소로 해상도를 분류하지 않는다. 본 논문에서는 유도 무기에서 가장 널리 사용되고 있는 비례항법유도(PNG, Proportional Navigation Guidance), 롤 각도 제어기와 3루프 가속도 제어기를 적용하였다. 식 (12)는 PNG, Fig.
선행 연구에서 설계된 유도 무기체계 BSM 구조와 컴포넌트 해상도 분류 기준을 기반으로 하였으며 조립성 및 재사용성을 높이기 위해 일부 수정했다. 상세 설계가 완료된 하위 컴포넌트를 조합하여 최종적으로 BSM 기반의 유도 무기체계 모델을 구성하였으며 시뮬레이션을 통해 해상도 별 BSM의 성능을 검증하였다. 본 논문의 구성은 다음과 같다.
본 논문에서는 유도 무기체계 BSM을 구성하는 하위컴포넌트 상세 설계를 소개한다. 선행 연구에서 설계된 유도 무기체계 BSM 구조와 컴포넌트 해상도 분류 기준을 기반으로 하였으며 조립성 및 재사용성을 높이기 위해 일부 수정했다. 상세 설계가 완료된 하위 컴포넌트를 조합하여 최종적으로 BSM 기반의 유도 무기체계 모델을 구성하였으며 시뮬레이션을 통해 해상도 별 BSM의 성능을 검증하였다.
앞서 설계한 유도 무기체계 물리 컴포넌트를 조합하여 Low, Medium, High 해상도의 유도 무기체계 BSM을 구성했다. 해상도 별 유도 무기체계 BSM은 동일한 해상도의 하위 컴포넌트로 구성했으며 SM-2급 유도탄의 형상, 공력, 추진 파라미터를 입력했다.
High 해상도의 추진 모델은 연소실 압력에 영향을 받는 모터의 특성을 반영하도록 설계했다. 연소실 압력에 따라 연소 단계를 3단계로 나눴으며 추진제 grain 형상에 따른 연소 면적 변화를 직접 시간에 대한 함수로 설정하도록 했다. High 해상도의 추력과 추진제 질유량은 부록의 식 (7)을 이용해 계산한다.
본 논문에서는 AddSIM에서 운용 가능한 유도 무기체계의 BSM 상세설계에 대해 설명하였다. 유도 무기체계 BSM은 조립성 및 재사용성을 고려해 BSM의 기본 구조와 데이터 체계를 따르도록 설계하였으며 동일 컴포넌트의 경우 해상도가 상이하더라도 출력 인터페이스의 데이터가 동일하도록 설계하였다. 또한 다양한 해상도의 하위 컴포넌트 조합을 통해 모델의 해상도를 결정할 수 있도록 했다.
데이터는 하위 컴포넌트 내부에서 공유 데이터와 같은 역할을 수행한다. 인터페이스는 컴포넌트 사이에서 직접적으로 데이터를 주고받기 위한 연결 관계를 나타내며 해상도와 상관없이 동일 컴포넌트의 경우 동일한 데이터를 인터페이스로 출력하도록 설계했다. 대신 입력 인터페이스와 출력 인터페이스를 연결시키는 과정에서 해상도 별 필요한 데이터만 파싱해 사용하도록 설계해 조립성을 높였다.
또한 다양한 해상도의 하위 컴포넌트 조합을 통해 모델의 해상도를 결정할 수 있도록 했다. 최종적으로 시뮬레이션을 통해 해상도 별 유도무기체계 BSM의 성능을 확인하였다. 설계된 유도 무기체계 BSM은 라이브러리 형태로 제공되어 사용자의 목적에 따라 적합한 해상도를 설정하도록 하여 다양한 시뮬레이션에 활용될 것으로 기대된다.
본래 탄두 모델은 유도 무기에 의한 표적의 피해도를 산출하는데 가장 중요한 영향을 미친다. 하지만 AddSIM에서는 별도의 피해평가 모델을 제공하기 때문에 본 연구에서는 표적과의 조우관계를 통해 신관의 작동 여부를 판단하는 것으로 탄두 모델을 대체한다. 유도조종 모델과 마찬가지로 소프트웨어적인 요소이기 때문에 해상도는 분류하지 않는다.

대상 데이터

BSM은 공유 데이터, 논리 모델, 물리 모델로 구성되어 있으며 공유 데이터는 세부적으로 정보(Information), 속성(Attribute), 파라미터(Parameter)로 구성되어 있다. 정보는 유도 무기체계 시뮬레이션 중 표적이 되는 타 무기체계의 속성 또는 파라미터에서 필요한 데이터를 받는다. 속성은 정보와는 반대로 타 무기체계에서 유도 무기체계 시뮬레이션 수행 결과를 받아갈 수 있도록 데이터를 제공한다.

이론/모형

제한된 자원 하에 신속하고 저렴하게 무기체계를 획득하기 위해 국방 M&S(Modeling & Simulation) 기법·도구를 이용한 모의기반 획득(SBA, Simulation Based Acquisition) 개념이 도입되었다(Kim, 2011).

성능/효과

인터페이스는 컴포넌트 사이에서 직접적으로 데이터를 주고받기 위한 연결 관계를 나타내며 해상도와 상관없이 동일 컴포넌트의 경우 동일한 데이터를 인터페이스로 출력하도록 설계했다. 대신 입력 인터페이스와 출력 인터페이스를 연결시키는 과정에서 해상도 별 필요한 데이터만 파싱해 사용하도록 설계해 조립성을 높였다. 해상도 별 인터페이스를 통한 전달이 요구되는 하위 컴포넌트 입력 데이터에 대한 자세한 정보는 부록의 Table 11과 같다.
3에 나타난 바와 같이 고해상도의 컴포넌트일수록 모델링 충실도가 높은 대신 연산량 또한 증가하기 때문이다. 또한 Low, Medium, High 해상도 유도 무기체계 BSM의 궤적이 전체적으로 유사하게 나타난 것을 보았을 때 각 하위 컴포넌트들이 해상도에 따라 적절하게 설계된 것을 확인할 수 있다. 다만 시간에 따른 궤적을 살펴보면 Low 해상도 BSM이 Medium, High 모델에 비해 빠르게 표적을 요격하는 것을 확인 할 수 있다.
시뮬레이션 결과를 살펴보면 우선 해상도가 높은 유도무기체계 BSM일수록 연산 시간이 오래 걸리는 것을 확인할 수 있다. 이는 앞서 Table 1과, Fig.

후속연구

최종적으로 시뮬레이션을 통해 해상도 별 유도무기체계 BSM의 성능을 확인하였다. 설계된 유도 무기체계 BSM은 라이브러리 형태로 제공되어 사용자의 목적에 따라 적합한 해상도를 설정하도록 하여 다양한 시뮬레이션에 활용될 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	COBRA의 단점은?	COBRA(COmmercial BRAwler)는 미 공군이 사용하는 교전급 모델로 무기체계의 효과지수(MOE, Measure Of Effectiveness), 손실률(Loss Rate), 손실교환비(LER, Loss Exchange Ratio) 등을 산출할 수 있으며 필요에 따라서는 세부적인 분석이 가능하다(Jeon et al, 2007). 하지만 시뮬레이션을 구성하기 위해서는 다른 분석모델과는 다른 세부적인 입력 자료를 필요로 하기 때문에 조립성 및 재사용성이 떨어진다. SADM(Ship Air Defense Model)과 EADSIM(Extended Air Defense Simulation)은 외부 연동을 위한 인터페이스를 제공하고 제공되는 모델에 대해 다양한 시뮬레이션이 가능하지만, 단일 모델은 여전히 특정 무기체계에 국한되어 사용이 제한적이다(Lee et al, 2015; Jang et al, 2013).
	BSM의 구성요소 3가지는?	유도 무기체계 BSM은 기본적으로 국방과학연구소에서 개발한 BSM의 구조와 데이터 분류 체계를 따른다. BSM은 공유 데이터, 논리 모델, 물리 모델로 구성되어 있으며 공유 데이터는 세부적으로 정보(Information), 속성(Attribute), 파라미터(Parameter)로 구성되어 있다. 정보는 유도 무기체계 시뮬레이션 중 표적이 되는 타 무기체계의 속성 또는 파라미터에서 필요한 데이터를 받는다.
	SADM의 장단점은?	하지만 시뮬레이션을 구성하기 위해서는 다른 분석모델과는 다른 세부적인 입력 자료를 필요로 하기 때문에 조립성 및 재사용성이 떨어진다. SADM(Ship Air Defense Model)과 EADSIM(Extended Air Defense Simulation)은 외부 연동을 위한 인터페이스를 제공하고 제공되는 모델에 대해 다양한 시뮬레이션이 가능하지만, 단일 모델은 여전히 특정 무기체계에 국한되어 사용이 제한적이다(Lee et al, 2015; Jang et al, 2013). OneSAF(One Semi-Automated Forces)는 미 육군의 조립형, 개체 기반 시뮬레이션 체계로 훈련․연습 및 군사작전(TEMO, Training, Exercises, and Military Operations), 첨단개념연구(ACR, Advanced Concepts and Requirements), 연구개발 및 획득(RDA, Research, Development, and Acquisition)과 같은 다양한 M&S 영역에 대한 통합 시뮬레이션 서비스를 제공한다.

참고문헌 (14)

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상세보기
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상세보기
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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].

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