[논문]함정용 다기능레이다 성능검증을 위한 분석도구 제작

최홍재; 박명훈; 유수곤; 권세웅; 이기원; 강연덕; 유승기

doi:10.7236/jiibc.2020.20.2.123

함정용 다기능레이다 성능검증을 위한 분석도구 제작
Fabrication of Analysis Tool for Performance Verification of Naval Multi Function Radar 원문보기

The journal of the institute of internet, broadcasting and communication : JIIBC, v.20 no.2, 2020년, pp.123 - 131

최홍재 (LIG넥스원(주) 레이다연구소) , 박명훈 (LIG넥스원(주) 지능형SW연구소) , 유수곤 (LIG넥스원(주) 레이다연구소) , 권세웅 (LIG넥스원(주) 레이다연구소) , 이기원 (LIG넥스원(주) 레이다연구소) , 강연덕 (LIG넥스원(주) 레이다연구소) , 유승기 (LIG넥스원(주) 지능형SW연구소)

초록
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함정용 다기능레이다의 체계성능은 레이다 빔 운용에 따라 크게 영향 받는다. 다기능레이다는 단일 기능을 지닌 탐색레이더와 추적레이다보다 복잡한 빔 운용을 수행해야 한다. 본 논문에서는 함정용 다기능레이다의 체계 성능을 검증하기 위한 분석도구 제작 내용을 기술한다. 체계 성능 검증을 위해 레이다를 탑재한 함정과 표적을 탐지하는 레이다로 구성하였고, 탐지 대상으로는 대공 및 대함 표적으로 구성하였다. 각각 구성된 모델을 통합하여 추적빔과 탐색빔의 자원관리가 적용된 함정용 다기능 레이다 시뮬레이터를 구현하였다. 분석도구에 체계설계 성능 파라미터를 적용한 후, 운용 시나리오에서 시뮬레이션을 하여 제작한 분석도구를 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The system performance of naval multi function radar is affected by radar beam operation. Multi f function radar has to operate complicated beam better than search radar and tracking radar which have single operation. This paper describes fabricating analysis tool for the verification method for system performance of naval multi function radar. We composed the model that naval ship with MFR and radar which are detecting targets to verification the system performance. The targets are composed anti-aircraft and anti-ship. We integrate each model and make naval MFR simulator that applied resource management of track beam and search beam. We verify analysis tool by simulation in operating scenario after adjusting system parameter to analysis tool.

주제어

표/그림 (17)

그림 그림 1. 함정용 다기능레이다 체계성능 분석도구 블록도 Fig. 1. Blockdiagram of Analysis tool for Naval Multi Function Radar
그림 그림 2. 레이다 운용시나리오 제어콘솔 Fig. 2. Radar Operating Scenario Control Console
그림 그림 3. 레이다 결과전시콘솔 Fig. 3. Radar Result Display Console
그림 그림 4. 레이다 시뮬레이터 블록도 Fig. 4. Radar Simulator Blockdiagram
그림 그림 5. 자원관리 모델 설계 Fig. 5. Resource Management Model Design
그림 그림 6. 데이터처리 모델 설계 Fig. 6. Data Processing Model Design
그림 그림 7. 연동제어 모델 설계 Fig. 7. Communication Control Model Design
표 표 1. 데이터 형식 Table 1. Data format
그림 그림 8. 운용시나리오 시뮬레이터 블록도 Fig. 8. Operating Scenario Simulator Blockdiagram
그림 그림 9. 안테나CSC 블록도 Fig. 9. Antenna CSC Blockdiagram
그림 그림 10. 표적CSC 블록도 Fig. 10. Target CSC Blockdiagram
그림 그림 11. 환경CSC 블록도 Fig. 11. Environment CSC Blockdiagram
그림 그림 12. 시나리오 결과 화면 Fig. 12. Screen of scenario result
표 표 2. 실험 파라미터 Table 2. Simulation Parameters
그림 그림 13. 자원관리 결과Fig. 13. Result of resource management
그림 그림 14. 탐지 결과(PPI) Fig. 14. Result of detection (PPI)
그림 그림 15. 탐지성능 결과 Fig. 15. Result of detection performance

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 한정된 자원을 효율적으로 관리하기 위한 함정용 다기능레이다의 체계 성능을 검증하기 위한 분석도구 기본구조설계를 기술하였다. 다기능 레이다의 빔운용 자원관리를 포함한 레이다 표적, 환경 모델을 구성하였고, 이를 M&S 도구와 통합하였다.
본 논문은 함정의 전투체계에서 대공, 대함 표적을 탐지, 추적하는 함정용 다기능레이다의 사전분석을 위한 함정용 다기능레이다 성능검증 분석도구 제작 내용을 기술한다. 함정용 다기능레이다의 빔 스케쥴링 및 자원관리 등을 모의하는 레이다 시뮬레이터와 기 개발된 레이다 M&S도구^[4]를 함정용 다기능레이다 기능에 맞게 내부 알고리즘을 수정하고 통합 및 시뮬레이션 하여 구현된 분 석도구를 검증하였다.
표적CSC는 안테나CSC로부터 계산된 빔의 소요시간 을 이용하여 표적 기동에 사용한다. 표적에는 대함과 대 공이 있으며 각 표적 특성에 맞는 운동 방정식을 사용하 여 기동을 모사하였다. 운용시나리오 제어콘솔로부터 받 은 시나리오를 바탕으로 각 표적의 정해진 시나리오에 따라 수신된 시간 정보를 이용하여 제어한다.

제안 방법

TWS 표적추적은 표적관리에서 전송된 RawPlot을 수신하고 추적을 수행한다. TWS 표적추적은 탐색, 확인, 획득, 트랙생성 및 추적의 단계를 거친다.
이는 빔 파형 중 PRI 및 펄스정보를 이용하여 계산할 수 있다. 계 산된 빔 간격을 이용하여 표적의 움직임을 계산하고 빔 정보를 이용하여 레이다에 수신된 표적 정보를 생성하여 이를 레이다 시뮬레이터로 전송한다.
다기능 레이다의 빔운용 자원관리를 포함한 레이다 표적, 환경 모델을 구성하였고, 이를 M&S 도구와 통합하였다.
빔운용에 따라 탐색빔 또는 추적빔을 스케쥴링하여 생성하고 운용시나리오 시뮬레이터로 선택된 빔제어명령을 전송한다. 또한 운용시나리오 시뮬레이터로부터 전송한 빔제어명령으로 처리된 표적정보를 전송받아 추적빔 및 트랙정보를 생성하고, 생성된 트랙정보를 레이다결과전시 콘솔로 전송한다. 운용시나리오 시뮬레이터와 레이다 시뮬레이터의 자세한 내용은 아래 서술한다.
Matlab으로 구현된 운용시나리오 시뮬레이터와의 통신은 가독성이 뛰어나고 분석에 유리 한 JSON(Java Script Object Notation) 포맷을 사용 한다. 레이다 결과전시콘솔은 표준 레이다 감시자료 포맷 인 ASTERIX(All purpose STructured Eurocontrol suRveillance Information eXchange)[8]을 활용하여 다양한 콘솔개발환경에서도 적응하기 쉽게 구현하였다. 운용시나리오 시뮬레이터와 결과전시콘솔에서 전송된 외 부메시지는 외부통신에서 수신된다.
표적에는 대함과 대 공이 있으며 각 표적 특성에 맞는 운동 방정식을 사용하 여 기동을 모사하였다. 운용시나리오 제어콘솔로부터 받 은 시나리오를 바탕으로 각 표적의 정해진 시나리오에 따라 수신된 시간 정보를 이용하여 제어한다. 기동을 완료한 표적은 정보를 안테나CSC, 환경CSC로 전송한다.
레이다 시뮬레이터로부터 빔제어명령이 수신되 면 파형 정보를 이용하여 빔의 PRI를 계산하여 표적CSC 로 전달한다. 이후 표적CSC로부터 계산된 표적 정보를 받아 빔의 송신각도와 빔 폭 정보를 이용하여 표적의 인빔을 판단한다. 인-빔 시 환경CSC로부터 환경정보를 받 은 데이터를 이용하여 안테나에 수신된 표적 신호를 계 산한다.
이후 표적CSC로부터 계산된 표적 정보를 받아 빔의 송신각도와 빔 폭 정보를 이용하여 표적의 인빔을 판단한다. 인-빔 시 환경CSC로부터 환경정보를 받 은 데이터를 이용하여 안테나에 수신된 표적 신호를 계 산한다. 표적 신호 정보는 신호처리 단계를 통과하면서 최종적으로 계산되어 연동제어CSC에 전송된다.
6대의 일반 대공표적 및 1대의 고속 대공표적으로 일반 대공표적의 추적주기는 1Hz, 고속 대공표적의 추적 주기는 10Hz이다. 자함의 경우 정지된 상태에서 다기능레이다를 운용하며 자함을 기준으로 모든 표적이 직진기동으로 진입 또는 퇴각하도록 설정하였다. 최종 시나리오 설정 결과 화면은 아래 그림 12과 같다.
레이다 시뮬레이터는 함정용 다기능 레이다를 모의하는 역할을 수행한다. 체계에서 설계된 시퀀스에 따라 빔 을 조향하고 운용하며, 탐지된 표적에 대해 추적을 수행 하고 자원관리를 통해 추적과 탐색 기능을 스케쥴링한다. 레이다 시뮬레이터는 총 3개의 자원관리CSC, 데이터처 리CSC, 연동제어CSC로 구성되며 각각의 CSC단위 모델 들은 기능에 따라 동작한다.
빔 패턴과 파형 등의 정보를 이용하여 계산된 전파 굴절률 상황에서 전파 손실을 계산할 수 있다. 표적CSC로부터 받은 표적 정보를 이용하여 해당 자리에서의 전파 손실을 산출하여 안테나CSC로 전송한다.
함정용 다기능레이다 체계성능 검증 분석도구는 국방 소프트웨어에서 요구하는 소프트웨어 형상구조도(CSCI-CSC-CSU)에 기반하여 설계/구현되었고^[5], 그림1과 같이 총 4개의 CSCI인 레이다 결과전시콘솔, 운용시나리오 시뮬레이터, 운용시나리오 제어콘솔, 레이다 시뮬레이터로 구성된다.
함정용 다기능레이다의 빔 스케쥴링 및 자원관리 등을 모의하는 레이다 시뮬레이터와 기 개발된 레이다 M&S도구[4]를 함정용 다기능레이다 기능에 맞게 내부 알고리즘을 수정하고 통합 및 시뮬레이션 하여 구현된 분 석도구를 검증하였다.

대상 데이터

체계에서 설계된 시퀀스에 따라 빔 을 조향하고 운용하며, 탐지된 표적에 대해 추적을 수행 하고 자원관리를 통해 추적과 탐색 기능을 스케쥴링한다. 레이다 시뮬레이터는 총 3개의 자원관리CSC, 데이터처 리CSC, 연동제어CSC로 구성되며 각각의 CSC단위 모델 들은 기능에 따라 동작한다. 자원관리CSC는 추적/탐색 빔의 빔운용을 위해 설계된 시퀀스에 따라 빔제어명령 을 수행하고, 데이터처리CSC는 표적정보를 이용하여 트 랙빔 요청 및 트랙정보를 생성한다.
레이다 시뮬레이터는 함정용 다기능레이다를 모의한다. 빔운용에 따라 탐색빔 또는 추적빔을 스케쥴링하여 생성하고 운용시나리오 시뮬레이터로 선택된 빔제어명령을 전송한다.
운용시나리오 시뮬레이터는 안테나CSC, 표적CSC, 환 경CSC로 구성되어 있으며 레이다 시뮬레이터로부터 빔 제어명령을 받는다. 이 정보에는 빔의 형태와 성능이 포 함되어 있으며 이를 통해 자함 및 표적을 기동시키고 레 이다의 수신된 표적 정보를 생성한다.

데이터처리

다기능 레이다의 빔운용 자원관리를 포함한 레이다 표적, 환경 모델을 구성하였고, 이를 M&S 도구와 통합하였다. 기본구조설계된 분석도구는 시뮬레이션을 통해 도구의 성능을 검증하였다.

이론/모형

4개의 CSCI 중 운용시나리오 시뮬레이터는 Matlab 기반으로 구현하였고, 다른 3개의 CSCI는 Visual Studio C++ 을 이용하여 C언어 기반으로 구현하였다.
획득단계에 서는 RawPlot과 이전 프레임에서 생성된 트랙과 연관한 다. 트랙은 IMM(Interacing Multiple Mode) 추적필터^[7]를 적용하여 추적한다. 트랙생성 및 추적 단계에서는 현재 RawPlot과 이전 프레임에서 만들어진 트랙과 연관 한다.

성능/효과

개발된 분석도구를 통해 레이다 개발 전 체계설계의 타당성을 확인할 수 있으며, 잘못된 체계 설계로 인한 개발 시간, 비용, 오개발 등의 위험요소를 줄일 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	추적 레이다는 무엇인가?	탐지 레이다는 목표물을 탐지 및 식별하여 해당 목표물을 지정한다. 추적 레이다는 탐지레이다로부터 지정받은 목표물의 정보를 이용하여 정확한 거리, 방향, 고도를 산출하여 무기체계에 사격제원을 제공한다. 다기능 레이다는 1대의 레이다로 탐지, 추적 레이다의 기능을 포함한 여러 기능을 지닌 레이다이다.
	다기능 레이다는 무엇인가?	추적 레이다는 탐지레이다로부터 지정받은 목표물의 정보를 이용하여 정확한 거리, 방향, 고도를 산출하여 무기체계에 사격제원을 제공한다. 다기능 레이다는 1대의 레이다로 탐지, 추적 레이다의 기능을 포함한 여러 기능을 지닌 레이다이다.[1][9]
	함정용 다기능레이다가 사전분석을 필요로 하는 이유는?	복잡한 빔 운용을 할수록 개발 단계에서 높은 신뢰성을 바탕으로 다양한 성능에 대한 사전분석이 요구된다[10]. 군사용 레이다의 경우 높은 신뢰성 요구와 개발 일정상 여유가 충분하지 않은 경우가 많기 때문에 설계를 사전 검증하기 위한 프로토타이핑을 수행하는데 어려움이 있다. 따라서 함정용 다기능레이다는 운용개념에 맞는 빔 운용을 설계하고 주요 체계 파라미터의 타당성을 입증하는 사전분석이 필요하다.

참고문헌 (10)

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Y. H. Lee, "Radar's role and development prospects," The Proceedings of the Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, vol. 8, no. 1, pp. 2-28, Mar. 1997.
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상세보기
M. H. Park, H. S. Kim, W. J. Jeon, S. K. You, S. W. Kwon, and K. W. Lee, et al., "Development of modeling & simulation tool for long range radar considering operational environment in time domain," The Journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, vol. 30, no. 7, pp. 591-602, Jul. 2019. DOI: http://dx.doi.org/10.5515/KJKIEES.2019.30.7.591

상세보기
Sungwon Lee, "Component-based Software Architecture Design Method for Defense Software", Jounal of KIISE, JOK, Vol. 31, no.6, pp. 1,113-1,121, Nov. 2019.
Z. Ding. "A survey of radar resource management algorithms,", 2008 Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering, Niagara Falls, On, 2008. pp. 001559-001564.
Lerro D. and Bar-Shalom Y., "Interacting Multiple Model Tracking with Target Amplitude Feature," IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, Vol. 29, pp. 494-509, Apr. 1993

상세보기
Eurocontrol Standard Document for Surveilance Data Exchange Part 1 : All Purpose Structued Eurocontrol Surveillance Information Exchange(ASTREIX), European Organization for Safety of Air Navigation, SURJET1.ST05.2000-STD-01-01, Edition 1.30, Nov, 2007
In-O Choi, "A Study on the Recognition of Target Using the Measured Radar Signal", Jouranl of KIIT, Vol.12, No. 6, pp. 61-67, June 30, 2014. DOI: https://dx.doi.org/10.14801/kiitr.201412.6.61
Sung-Lim Choi, "A Study on Securing Ship Survivability focused on a Cost and Effectiveness Analysis for Air Defense Performance", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 15, No. 5, pp. 2579-2586, 2014. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2014.15.5.2579

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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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