[논문]탄도미사일의 비행궤적 예측 방법 연구 - 탄종별 비행경로각과 사거리를 중심으로 -

유병천; 김주현; 권용수; 최봉완

doi:10.14248/jkosse.2020.16.2.131

탄도미사일의 비행궤적 예측 방법 연구 - 탄종별 비행경로각과 사거리를 중심으로 -
A Study on the Flight Trajectory Prediction Method of Ballistic Missiles - BM type by Adjusting the Angle of a Flight Path and a Range - 원문보기

시스템엔지니어링학술지 = Journal of the Korean Society of Systems Engineering, v.16 no.2, 2020년, pp.131 - 140

유병천 (한남대학교,) , 김주현 (한화시스템(주) C4I 연구소) , 권용수 (국방대학교) , 최봉완 (한남대학교,)

Abstract ▼ AI-Helper

The characteristics of ballistic missiles are changing rapidly but studies have mostly focused on fragmentary flight trajectory analysis estimating the changing characteristics of some types, while there is a lack of research on comprehensive and efficient ballistic search, detection and prediction for missiles including the new types that have been gaining attention lately. This paper analyzes the flight trajectory characteristics of ballistic missiles at various ranges considering flight path angle adjustment, specific impulse and drag force with altitude based on the optimized equations of motion reflecting the parameters of North Korea's general and new types of ballistic missiles. The flight trajectory characteristics of representative ranges for each ballistic missile were analyzed by adjusting the flight path angle in the minimum energy method, lofted method, and depressed method. In addition, High value target can attacked by ballistic missiles considering flight path angle adjustment at various points. It's expected to be used to Threat Evaluation and Weapon Allocation, and deployment of defense systems by interpreting the analysis of the latest Iskander-class ballistic missiles and the new multiple rocket launcher.

주제어

표/그림 (15)

그림 [Figure 1] Boost phase trajectory
그림 [Figure 2] Midcourse phase trajectory
그림 [Figure 3] Re-entry Phase trajectory
그림 [Figure 4] Ballastic Missile trajectories
그림 [Figure 5] ICAO Standard Atmosphere
그림 [Figure 6] Altitude according to range of 300km BM trajectory
그림 [Figure 7] range according to time of 300km BM trajectory
그림 [Figure 8] Altitude according to time of 800km BM trajgectory
표 Characteristic output of BM simulation
그림 [Figure 9] Angle according to time of 1,000km BM trajectory
그림 [Figure 10] Trajectory of 600km BM on Earth
그림 [Figure 11] Trajectory of Ballistic Missile to one target
그림 [Figure 12] Velocity according to time of BM to one target
그림 [Figure 13] Trajectory of the KN-23
그림 [Figure 14] Trajectory of the New Multi Rocket Launcher

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

북한의 이스칸데르 탄도미사일의 시험 발사 데이터가 많지 않아 본 연구에서는 이스칸데르 시험 발사에 대한 제한적인 공개된 자료를 기반으로 비교해석을 하였다. 북한판 이스칸데르 미사일(KN-23) 는 4차례의 시험 발사를 통해 총 8발을 발사하였다.
[6] 페이로드 무게를 증감하는 방법과 비추력을 조절하는 방법은 최고속도 등에서 차이를 보이지만, 비행경로 각을 조절하는 방법은 큰 차이가 발생하지 않는 장점이 있다. 비행경로각 조절은 초기 설정되어있는 설계에서 많은 부분을 조절해야할 수도 있기 때문에 본 연구에서는 목적에 의해 미리 설계한 탄도미사일을 저고도, 고고도로 발사할 경우 비행궤적 특성을 분석하였다.

가설 설정

탄도미사일의 비행경로각을 측정하거나 레이더에서 탐지 및 추적하는 탄도미사일의 위치를 나타내기 위해 ENU(East North Up) 좌표계를 사용하였다. [12] 지구의 형태는 적도를 기준으로 약간 부푼 타원형의 형태이나, 완전한 구로 가정한다.
표현했다. 편의상 함경남도 함흥(위도:40.04, 경도:127.71)에서 동해상으로 발사하는 것으로 가정하였다.

제안 방법

평가/분석하였다. 마지막으로 최신 이스칸데르 탄도미사일과 신형방사포의 비행궤적을 분석하였다. 본 연구의 결과를 활용하여 향후 위협평가 및 무기할당(TEWA : Threat Evaluation & Weapons Assignment), 함정 전투체계 통합, [8] 방어체계 배치, 무기체계 명중률에 따른 플랫폼 손실률 산정, [9] 탄도미사일 예측 프로그램 개발 등에 활용될 수 있을 것이다.
본 연구에서는 첫째, 탄도미사일의 비행단계별 특성을 해석하였으며, 둘째, 탄도미사일의 특성 파라미터, 고도에 따른 대기항력을 반영한 운동방정식을 기반으로 발사각 조절 및 다양한 사거리의 비행궤적 특성에 대한 시뮬레이션을 수행, 평가/분석하였다. 마지막으로 최신 이스칸데르 탄도미사일과 신형방사포의 비행궤적을 분석하였다.
본 연구에서는 최적화된 운동방정식을 활용하여 탄도미사일의 비행단계별 특성해석, 시뮬레이션의 3-D 표현, 데이터 최적화 등과 이스칸데르, 신형방사포에 대한 제한적인 분석, 고가치 표적을 목표로 한 다양한 사거리의 탄도미사일 비행궤적 특성에 대한 분석을 수행하였다. 기존 연구의 결과처럼 로프트 방식과 디프레스 방식은 탄도미사일의 제원을 변칙적으로 활용한 것으로 사거리와 비행궤적을 변화시킬 수 있음을 확인하였다.
북한의 신형방사포는 대구경조종방사포와 초대형방사포로 나누며, 본 연구에서는 대구경 조종 방사포에 대하여 제한적으로 분석하였다.
2.1 300km 사거리 비행특성
비행경로각을 조절하여 300km의 사거리를 갖는 탄도미사일의 특성을 분석하였다.
북한판 이스칸데르 미사일(KN-23) 는 4차례의 시험 발사를 통해 총 8발을 발사하였다. 비행형태는 저고도활공도약형으로 비행궤적은 그림 13과 같이 일반적인 탄도궤적이 아닌 형태로 비행하였다. 사거리 600km의 고도는 50km수준이며 사거리 450km에서는 고도 37km, 사거리 270km에서고도 49km수준으로 계산되었다.
시뮬레이션은 기존 연구[3]를 활용, 항력 특성 및 정확한 탄도미사일 궤적을 반영하기 위하여 6자 유도 운동방정식[14]과 3차원 좌표와 지구 자전을 고려하였고, MATLAB R2020a 기반으로 모델을 최적화하였다. 비행궤적 해석을 위한 입력 파라미터는 탄도미사일의 무게, 구조물 무게, 페이로드 무게, 비추력(Isp), 연료소모시간 등이 사용되었다.
최소에너지방식(MET)와 로프트(Lofted, LT) 방식, 디프레스(Depressed, DT) 방식으로 비행경로 각의 조절을 통해 탄도미사일별로 대표 사거리의 비행궤적 특성을 해석하였다.
지구의 자전을 일정한 각속도로 표현이 가능하기 때문에 지구의 자전에 의한 탄도미사일 궤적 변화를 적용할 수 있다. 탄도미사일의 비행경로각을 측정하거나 레이더에서 탐지 및 추적하는 탄도미사일의 위치를 나타내기 위해 ENU(East North Up) 좌표계를 사용하였다. [12] 지구의 형태는 적도를 기준으로 약간 부푼 타원형의 형태이나, 완전한 구로 가정한다.

대상 데이터

600km의 사거리를 비행경로각을 조절할 경우 비행 가능한 탄도미사일은 노동1, 2, 스커드 ER이다.
800km를 비행한 탄도미사일은 스커드 ER과 북극성이다. 두 탄도미사일 모두 디프레스와 로프티드방식을 사용하여 목표한 거리에 도달한 것으로 계산되었다.
결정된다. 따라서 연소종료 전 변화에 따라 비행궤적이 변화할 수 있기 때문에 본 연구에서는 다른 방식보다 변화를 쉽게 줄 수 있는 비행경로 각 조절을 분석대상으로 한다. 비행경로각 조절은 최소의 에너지로 가장 먼 사거리를 갖을 수 있는 최소에너지 방식(Minimum energy)과 높은 고도를 갖는 로프트(Lofted) 방식 그리고 낮은 고도를 갖는 디프레스(Depressed) 방식으로 그림 4에 표현하였다.
하였다. 북한판 이스칸데르 미사일(KN-23) 는 4차례의 시험 발사를 통해 총 8발을 발사하였다. 비행형태는 저고도활공도약형으로 비행궤적은 그림 13과 같이 일반적인 탄도궤적이 아닌 형태로 비행하였다.
고도 그래프이다. 비행경로각을 조절하여 300km를 비행할 수 있는 탄도미사일은 노동 1, 2, 스커드 B, C, ER이다. 300km의 정점고도는 노동 1은 42.

이론/모형

증가한다. [11] 고도에 따른 대기밀도는 그림 5와 같이 국제민간항공기구(ICAO)의 표준대기표를 사용하였다. [10]
탄도미사일의 운동방정식은 일반적으로 알려져있는 3차원 모델링과 항력특성을 고려한 운동방정식을 활용하였다.[3] 탄도미사일에 작용하는 힘은 탄도미사일의 추력(_), 항력(_), 중력(_), 지구의 자전에 의한 코리올리 힘과 원심력(_)으로 아래 식 (1)로 표현할 수 있다.

성능/효과

[2] 2007년 사거리 3, 000 ~ 4, 000km인 무수단(노동-B)을 개발하여 실전 배치하였고, 비슷한 시기 KN-02를 개발한 것으로 알려져 있으며, ICBM 화성-15까지 다양한 사거리의 미사일을 배치 후 운용하고 있다.[3] 북한은 이스칸데르로 알려진 KN-23을 2018년 열병식에서 공개한 후 2019년 KN-23의 시험발사를 실시하였고, 고도는 약 50km, 사거리는 약 270km를 날아간 것으로 관측되었다.[4] 이스칸데르 탄도미사일은 단순히 탄도 비행을 할 경우 약 600km를 넘게 날아갈 수 있으나, [5] 요격을 회피하기 위한 기동을 실시하기 때문에 일반적인 탄도미사일보다 많은 항력 (Drag force)이 발생하여 속도가 상대적으로 느리고, 최대사거리보다 짧은 거리를 비행한다.
목적에 따라 다양하게 운용할 수 있다.[6] 페이로드 무게를 증감하는 방법과 비추력을 조절하는 방법은 최고속도 등에서 차이를 보이지만, 비행경로 각을 조절하는 방법은 큰 차이가 발생하지 않는 장점이 있다. 비행경로각 조절은 초기 설정되어있는 설계에서 많은 부분을 조절해야할 수도 있기 때문에 본 연구에서는 목적에 의해 미리 설계한 탄도미사일을 저고도, 고고도로 발사할 경우 비행궤적 특성을 분석하였다.
분석을 수행하였다. 기존 연구의 결과처럼 로프트 방식과 디프레스 방식은 탄도미사일의 제원을 변칙적으로 활용한 것으로 사거리와 비행궤적을 변화시킬 수 있음을 확인하였다. 또한, 사거리가 다른 탄도미사일의 비행경로각을 조절하여 고 가치 표적을 공격할 경우 각 탄종별 비행궤적 특성에 대한 예측이 가능할 것으로 판단된다.
6km(LT)수준으로 나타났다. 노동 2의 정점고도는 33.6km(DT), 651.6km(LT)이고, 스커드 B의 정점고도는 78.2km(M)로 최소에너지 방식으로 최대 300km 에 도달할 수 있으며, 스커드 C는 37.6km(DT), 228.1km(LT)이고, 스커드 ERe 28.6km(DT), 480.8km(LT) 수준으로 나타났다.
두 탄도미사일 모두 디프레스와 로프티드방식을 사용하여 목표한 거리에 도달한 것으로 계산되었다.
로프트 방식의 경우 700초를 넘어가는 값으로 계산되었고, 디프레스 방식은 400초 미만으로 비행하여 짧은 시간에 원하는 목표까지 도달할 수 있는 것으로 계산되었다.
방어자는 탄도미사일의 비행거리, 궤적, 운용방법 등을 기반으로 위협산출 및 무기할당(TEWA) 등 기초개념 수립에 활용가능하다는 것을 보여준다.
스커드-ER(DT, LT)과 북극성 (LT)는 정점고도가 100km를 넘는 수준으로 계산되었다. 북극성의 디프레스 방식은 짧은 거리를 높은 추력으로 비행하기 때문에 대기권 내에서 정점고도(66.4km)를 갖는 것으로 계산되었다.
또한, 사거리가 다른 탄도미사일의 비행경로각을 조절하여 고 가치 표적을 공격할 경우 각 탄종별 비행궤적 특성에 대한 예측이 가능할 것으로 판단된다. 추가적으로, 이스칸데르는 기존 탄도미사일의 비행궤적 특성과 다른 궤적 특성을 보유함으로써 위협평가에 변수로 작용할 수 있다는 것과 신형방사포는 탄도미사일과 유사한 궤적 특성을 보여 방어자의 방어를 어렵게 할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

능력이 필요하다.[6] 또한, 저고도의 비행궤적을 갖는 탄도미사일은 빠른 시간에 목표에 도달하기 때문에 초기나 중간단계에서의 방어가 어려워 하층방어만 가능하므로 비행경로각의 변화에 따른 비행궤적 특성 및 사거리 변화에 대한 연구는 방어자의 주요 군사시설, 산업시설 및 주요 인구밀집 지역 등에 대한 효과적인 방어를 위해 필요한 것이다.[7] 현재까지 탄도미사일의 비행궤적 특성과 관련된 연구는 사거리 1000km 급 등 일부 미사일의 비행경로각을 최소에너지 발사각보다 큰 로프트(Lofted) 방식과 작은디프레스(Depressed) 방식을 적용한 분석이 주를 이루었다.
아직 정확하지 않은 제원과 비추력과 운동방정식 등이 결과의 차이를 만들었다. 따라서 추후 데이터의 축적이 이루어지고, 물리적인 특성을 반영하여 수정된 운동방정식의 연구가 필요하다.
기존 연구의 결과처럼 로프트 방식과 디프레스 방식은 탄도미사일의 제원을 변칙적으로 활용한 것으로 사거리와 비행궤적을 변화시킬 수 있음을 확인하였다. 또한, 사거리가 다른 탄도미사일의 비행경로각을 조절하여 고 가치 표적을 공격할 경우 각 탄종별 비행궤적 특성에 대한 예측이 가능할 것으로 판단된다. 추가적으로, 이스칸데르는 기존 탄도미사일의 비행궤적 특성과 다른 궤적 특성을 보유함으로써 위협평가에 변수로 작용할 수 있다는 것과 신형방사포는 탄도미사일과 유사한 궤적 특성을 보여 방어자의 방어를 어렵게 할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.
본 연구에서 제시한 탄도미사일의 비행궤적 특성예측 방법 분석으로 위협평가 알고리즘 개발과 방어체계 구축을 위한 연구에 활용할 수 있을 것이다. 향후 이스칸데르 탄도미사일과 신형방사포의 추가적인 데이터 수집으로 보다 현실적인 운동방정식을 정립하는 연구가 진행되어야 할 것이다.
마지막으로 최신 이스칸데르 탄도미사일과 신형방사포의 비행궤적을 분석하였다. 본 연구의 결과를 활용하여 향후 위협평가 및 무기할당(TEWA : Threat Evaluation & Weapons Assignment), 함정 전투체계 통합, [8] 방어체계 배치, 무기체계 명중률에 따른 플랫폼 손실률 산정, [9] 탄도미사일 예측 프로그램 개발 등에 활용될 수 있을 것이다.
것이다. 향후 이스칸데르 탄도미사일과 신형방사포의 추가적인 데이터 수집으로 보다 현실적인 운동방정식을 정립하는 연구가 진행되어야 할 것이다.

참고문헌 (18)

Y. S. Kwon, "Technical Analysis and Assessment of North Korean Ballistic Missiles," Jounal of National Defense Studies, Vol. 56, No. 1, pp 1-27, 2013.
Y. G. Jang, "All About North Korean Ballistic Missiles Early Development History," ifspot, 2017.
J. W. Kim, Y. S. Kwon, "Analysis of Flight Trajectory Characteristics of Ballistic Missile Considering Effects of Drag Forces," J. Adv. Navig. Technol. Vol. 20, No. 2, pp. 134-140, 2016.

원문보기 상세보기
MDAA, https://missiledefenseadvocacy.org/missile-threat-and-proliferation/todays-missile-threat/north-korea/kn-23/
Y. J. Ye, "[Ye Yong-joon, Editorial Writer goes] North Korean Misile aims only S. Korea.... can't stop it with our defense.," Joong-ang daily news, 2019.
J. W. Kim, Y. S. Kwon, "Analysis of Flight Trajectory Characteristics of the MRBM by Adjusting the Angle of a Flight Path," Jounal of the KIMST, Vol. 18, No. 2, pp. 173-180, 2015.
D. W. Hong, D. S. Yim, B. W. Choi, "Application and Determination of Defended Footprint Using a Simulation Model for Ballastic Missle Trajectory," Jounal of the KIMST, Vol. 21, No. 4, pp. 551-561, 2018.
K. Y. Hwang, B. W. Choi, H. J. Kim,"A Study on the Acquision process improvement of Warship Combat System", Jounal of KOSSE, Vol. 12, No. 2, pp.29-38, 2016.
K. C. OK, D. S. Yim, B. W. Choi, "A Case Study on Implementation of Methodology for Wartime Warships Damage Rate Estimation," Jounal of the KIMST, Vol. 20, No. 1, pp. 137-147, 2017.
O. C. Jo, "Space Flight Dynamics," Kyungmoon publisher, pp. 151-155, 1984.
F. J. Hale, "Introduction to space flight," Prentice Hall, NCSU, pp. 189-343, 1994.
J. W. Kim, "A study on the Building up Korean Missile Defense System based on the Flight Trajectories of Ballistic Missiles," Korea National Defense Univ., 2016.
E. L. Fleeman, "Tactical Missile Design, 2nd ed," Reston, VA: AIAA, pp.29-34. 2006.
K. P. Kim, S. Y. Yun, J. S. Kim, J. T. Hong, "6·DOF Trajectory M&S of Spin·stableized Munitions using Matlab Simulink", Jounal of KOSSE, Vol. 2, No. 2, pp.39-44, 2006.
GlobalSecyrity, https://www.globalsecurity.org/wmd/world/dprk/scud-er.htm
Missile Threat, https://missilethreat.csis.org/missile/
J. W. Kim, Y. S. Kwon, N. G. Kim, Y. H. Park, "A Study on the Deployment of a Sea Based Sensor Platform for the Detection of a SLBM," J. Adv. Navig. Technol. Vol. 19, No. 5, pp. 363-369, 2015.

원문보기 상세보기
W. S. Song, "2014-2015 Strategic Trends and Military Capabilities in Northeast Asia," KIDA, 2015.

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증