[논문]운용개념 개발 프로세스를 활용한 무인수상정(USV) 탑재 모함의 운용 요구사항 분석

허장완; 홍순국; 임경한; 유재관

doi:10.14248/jkosse.2020.16.1.025

운용개념 개발 프로세스를 활용한 무인수상정(USV) 탑재 모함의 운용 요구사항 분석
Analysis of Operational Requirements for Mother Ship with a Mounted Unmanned Surface Vehicle(USV) Using the Development Process of the Operational Concept 원문보기

시스템엔지니어링학술지 = Journal of the Korean Society of Systems Engineering, v.16 no.1, 2020년, pp.25 - 35

허장완 (해군전력분석시험평가단) , 홍순국 (해군사관학교) , 임경한 (해군사관학교) , 유재관 (LIG넥스원)

Abstract ▼ AI-Helper

The South Korean Navy is making efforts to acquire vessels that the new technology of the 4th industry is applied, and as a part of these efforts, it has a plan to mount and operate an Unmanned Surface Vehicle(USV) on a vessel that will be introduced later. However, the recent studies have focused on only development of common platforms and mission equipment for the USV, and have not sufficiently analyzed studies and operatinoal requirements on mother ship that will operate the mounted USV. Hence, this study analyzed and presented requirements of mother ship with the mounted USV in order to operate effectively it when the future medium and large vessels to be acquired by the South Korean Navy intent to operate the USV.

주제어

표/그림 (20)

그림 [Figure 1] Capability Based Acquisition Flow and Resulting Documents[2]
그림 [Figure 2] Development Process of Required Operational Capability by the R.O.K Army[3]
그림 [Figure 3] Development Process of Operational Concept by the Korea National Defense University[4]
그림 [Figure 4] Development Process of Operational Concept of Mother Ship with the mounted Unmanned Surface Vehicle (USV)
그림 [Figure 5] Result of Mission Area Analysis
그림 [Figure 6] Operational Tasks Performed by USVs
그림 [Figure 7] Operational Scenario 1 of Mother Ship & USV
그림 [Figure 8] Operational Scenario 2 of Mother Ship & USV
표 Result of Mission Needs Analysis
그림 [Figure 9] Focus Areas of Requirements Analysis
표 Mission Needs, Operational Requirements Analysis Process
표 Technology Status of USVs Developed in South Korea
표 Autonomous Level of USVs
그림 [Figure 10] Configuration of Concept of Mother Ship with the Mounted USV[10],[11]
그림 [Figure 11] Case of Mother Ship Mounted Small Boat
표 Comparison of Methods of Mounting USVs
그림 [Figure 12] Maintenance Activities of USVs in the Hangar
그림 [Figure 13] Level of Systems Integration of Vessels
그림 [Figure 14] Cases of Control Console of UAVs & USVs
표 Result of Requirements Analysis for Mother Ship with the Mounted USV

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

하지만 최근의 연구들은 USV 공통 플랫폼 및 임무장비 개발에만 초점이 맞춰져 있고 USV를 탑재하여 운용할 모함의 요구사항 분석은 최근 5년간의 논문발표 및 군 내외 과제 사례(2건)를 볼 때 추가적인 연구가 필요한 실정이다. 그래서 본 연구에서는 한국 해군에서 획득할 중대형함이 USV를 운용하고자할 때, USV를 효과적으로 운용하기 위한 탑재 모함 관점의 운용 요구사항을 분석하였다.
본 연구는 미래에 건조될 중대형함이 USV를 탑재 및 운용할 경우를 대비하여 USV 탑재 모함 관점에서의 요구사항을 도출하기 위해 수행되었다. 요구사항 도출은 국내외 운용개념 개발 프로세스를 분석하여 본 연구 목적에 맞게 테일러링한 무기체계 운용개념 프로세스를 기반으로 수행되었다.

가설 설정

② 모함과 USV과 동조 기동한다.

제안 방법

USV 탑재 모함의 임무 영역 분석을 통하여 USV의 임무를 설정하고, 4가지 과업을 설정하였다. 4가지 과업을 구체화하기 위하여 시나리오를 작성하여 임무 요구를 분석하였으며, 임무 요구를 정량화하여 기술하기 위하여 탑재 대상이 되는 USV의 국내 개발현황, 함정에서의 진회수 방안과 탑재공간, 함정 전투체계와의 통합 방안을 단계적으로 분석하였다. 위와 같은 USV 탑재 모함의 요구사항 분석 결과 진회수 방안 등 12분야의 요구사항을 정량화하여 제시할 수 있었다.
USV에 설정된 임무를 구체적으로 수행하기 위하여 현재의 USV 기술 수준을 고려하여 적용 가능한 단기과업과 향후 기술 개발을 고려한 중기 과업으로 구분하였다. USV 과업 검토 결과 미식별 선박 검문검색 및 침몰선박 초기 탐색과 기뢰위협 구역 수중탐색을 단기과업으로 설정하였고, 접적 지역 감시정찰 타격, 대유도탄 기만체 및 항적추적 어뢰 경보는 USV 기술발전을 고려하여 중기과업으로 설정하였다.
임무 요구를 운용 요구사항으로 분석하는 과정은 표 2와 같으며, 먼저 임무 요구를 유사한 항목으로 분류하는 것에서 시작한다. USV 진회수 등 4개의 항목에 속한 임무 요구를 운용 요구사항으로 구체화시키기 위한 분석 방향은 유사 무기체계 운용 및 개발 전문가 자문을 통하여 수립하였다. 그 결과 USV 탑재 모함의 진회수는 가장 많은 임무 요구와 연관된 항목으로 탑재대상 USV 개발현황, 적재/정비공간 및 진회수 방안을 분석하여 정량적 목표를 제시할 필요가 있다.
요구사항 도출은 국내외 운용개념 개발 프로세스를 분석하여 본 연구 목적에 맞게 테일러링한 무기체계 운용개념 프로세스를 기반으로 수행되었다. USV 탑재 모함의 임무 영역 분석을 통하여 USV의 임무를 설정하고, 4가지 과업을 설정하였다. 4가지 과업을 구체화하기 위하여 시나리오를 작성하여 임무 요구를 분석하였으며, 임무 요구를 정량화하여 기술하기 위하여 탑재 대상이 되는 USV의 국내 개발현황, 함정에서의 진회수 방안과 탑재공간, 함정 전투체계와의 통합 방안을 단계적으로 분석하였다.
USV를 모함의 현측에 탑재할 공간을 분석하기 위하여 실적함의 고속단정 탑재 공간을 조사하였다. 세종대왕(DDG)급 함정은 그림 11과 같이 현측에 스크린으로 보호되는 격실공간에 고속단정을 데빗트를 이용하여 진회수 및 보관하고 있다.
모함의 작전영역 하에서 도출된 USV의 임무는 그림 6과 같이 “연근해 해상에서 모함의 작전 지원”이다. USV에 설정된 임무를 구체적으로 수행하기 위하여 현재의 USV 기술 수준을 고려하여 적용 가능한 단기과업과 향후 기술 개발을 고려한 중기 과업으로 구분하였다. USV 과업 검토 결과 미식별 선박 검문검색 및 침몰선박 초기 탐색과 기뢰위협 구역 수중탐색을 단기과업으로 설정하였고, 접적 지역 감시정찰 타격, 대유도탄 기만체 및 항적추적 어뢰 경보는 USV 기술발전을 고려하여 중기과업으로 설정하였다.
또한, 현재의 기술 수준과 향후 기술 개발이 필요한 항목을 고려하여 적용 시기를 단기·중기·장기로 구분하여 제시하였다.
모함에 탑재된 USV의 임무는 한반도 동·서·남해의 전투지휘관, 참모 장교 및 실무 부사관 대상 9회의 세미나와 인터뷰를 실시하여 설정하였다.
상기 분석 방향에 따라 운용 요구사항을 효과적으로 도출하기 위하여 그림 9와 같이 탑재대상 USV 개발현황, USV 진회수 방안, USV 적재 및 정비공간, 모함-USV간 체계통합 요구사항을 중점 분석사항으로 선정하여 검토하였다.
요구사항은 앞 단계의 임무영역 설정과 임무요구 분석을 통하여 도출한 USV 탑재 모함의 임무 및 과업을 바탕으로 시나리오를 분석하여 도출하였다. 시나리오를 분석하여 도출한 운용자의 임무 요구를 구체화하기 위하여 탑재 대상 USV 개발현황, 진회수 방안, 탑재 공간, 모함-USV간 체계통합에 중점적으로 분석하였다. 요구사항 분석 결과는 표 6에 제시하였으며, 시스템이 최초 배치되기 위해 반드시 충족시켜야 하는 기준치와 최종 요구수준인 목표치를 병기 하였다.
본 연구는 미래에 건조될 중대형함이 USV를 탑재 및 운용할 경우를 대비하여 USV 탑재 모함 관점에서의 요구사항을 도출하기 위해 수행되었다. 요구사항 도출은 국내외 운용개념 개발 프로세스를 분석하여 본 연구 목적에 맞게 테일러링한 무기체계 운용개념 프로세스를 기반으로 수행되었다. USV 탑재 모함의 임무 영역 분석을 통하여 USV의 임무를 설정하고, 4가지 과업을 설정하였다.
요구사항은 앞 단계의 임무영역 설정과 임무요구 분석을 통하여 도출한 USV 탑재 모함의 임무 및 과업을 바탕으로 시나리오를 분석하여 도출하였다. 시나리오를 분석하여 도출한 운용자의 임무 요구를 구체화하기 위하여 탑재 대상 USV 개발현황, 진회수 방안, 탑재 공간, 모함-USV간 체계통합에 중점적으로 분석하였다.
임무요구 분석에서는 전 단계에서 설정된 임무영역 범주에서 작전환경과 위협, 적아의 능력을 분석하여 대응방안을 수립하고 이에 따른 구체적인 시나리오를 개발한다. 운용 요구 사항 분석에서는 앞서 개발된 시나리오 분석과 동시에 작전운용성능 작성지침, 유사체계 운용 경험 등을 수집 및 분석하여 요구사항 항목들을 설정하고, 과거 사례 및 자료가 부족한 부분은 워킹그룹과 기술분야 전문가의 의견을 수렴하여 운용 요구사항을 도출한다.
해군은 임무를 달성하기 위하여 평시 전쟁억제를 위한 전력 확보, 해양 주권 및 권익 보호, 국가 대외정책 지원 및 국위선양 활동을 하며, 전시에는 해양통제, 해군력 투사, 해상교통로 보호의 역할을 수행한다[6]. 해군에 부여된 임무와 역할을 효과적으로 수행하기 위하여 해군은 그림 5와 같이 18개 유형별로 작전을 구분하여 수행한다. USV가 탑재될 함정은 기본적으로 중대형 함정으로서 대함작전, 대잠작전, 방공작전, 대지작전, 해양차단작전, 선박통제 및 보호작전, 정찰 및 초계작전, 탐색 및 구조작전을 수행한다.
중대형 함정에서 USV를 진회수하는 방안은 그림 10과 같이 함정 현측과 함미를 활용하는 방안이 있다. 현측 방식은 현측에 크레인, 데빗트, 확장형 로봇팔 등을 설치하여 USV 진회수 시 사용한다. 함미 방식은 USV 진회수 시 함미 램프를 열어 해수를 채운 후 USV를 진회수하는 램프 방식과 함미 외부 갑판에 슬라이드를 설치하여 USV가 모함의 함미에 올라타는 슬라이드 방식이 있다.

성능/효과

4가지 과업을 구체화하기 위하여 시나리오를 작성하여 임무 요구를 분석하였으며, 임무 요구를 정량화하여 기술하기 위하여 탑재 대상이 되는 USV의 국내 개발현황, 함정에서의 진회수 방안과 탑재공간, 함정 전투체계와의 통합 방안을 단계적으로 분석하였다. 위와 같은 USV 탑재 모함의 요구사항 분석 결과 진회수 방안 등 12분야의 요구사항을 정량화하여 제시할 수 있었다. 이는 함정의 설계지침서(Top Level Requirement)와 설계기준서(Top Level Specification) 작성 시 활용할 수 있을 것이다.

후속연구

USV 진회수 등 4개의 항목에 속한 임무 요구를 운용 요구사항으로 구체화시키기 위한 분석 방향은 유사 무기체계 운용 및 개발 전문가 자문을 통하여 수립하였다. 그 결과 USV 탑재 모함의 진회수는 가장 많은 임무 요구와 연관된 항목으로 탑재대상 USV 개발현황, 적재/정비공간 및 진회수 방안을 분석하여 정량적 목표를 제시할 필요가 있다. USV 통제는 탑재대상 USV의 능력에 큰 영향을 받는 요소로서, 모함과 USV의 운용효과 증대를 위하여 함정 체계통합 수준과 USV의 기술수준을 고려하여 정량적 목표치를 제시해야 한다.
이는 상황 발생시 효과적으로 무인항공기를 통제하기 위한 것으로 1인이 비행과 센서 및 무장을 동시에 운용하는 것이 상황판단과 의사결정에 제한이 되기 때문이다. 그러므로 USV 통제콘솔은 2인이 운용할 수 있도록 전투지휘상황실에 설치하되 설치공간을 고려 기존 전투체계의 다기능 콘솔에 통합되도록 설계해야 할 것이다.
위와 같은 USV 탑재 모함의 요구사항 분석 결과 진회수 방안 등 12분야의 요구사항을 정량화하여 제시할 수 있었다. 이는 함정의 설계지침서(Top Level Requirement)와 설계기준서(Top Level Specification) 작성 시 활용할 수 있을 것이다.
함정체계통합이란 함정에 탑재된 센서, 무장 등의 각종 체계를 유기적으로 통합하여 전투성능 및 운용성을 극대화 하는 것이다[12]. 이를 위하여 향후 건조되는 함정은 전투체계를 중심으로 센서 및 무장이 통합되어 운용될 예정이며, 함정 체계통합의 방향은 각 센서 및 무장의 운용콘솔 없이 전투체계의 다기능콘솔과 시스템캐비닛을 이용하여 임무 장비를 직접 통제하여 전투능력을 극대화하는 것이다.
반면 함미 방식은 USV 함미 접근 시 기동 중 일시적으로 추진기를 정지함으로써 대수속력이 있는 가운데 USV 탑재가 가능하다. 하지만 USV를 탑재하기 위해 별도로 건조되는 함형을 제외하고는 일반적인 함정의 경우에는 함미 램프/슬라이드 설치가 제한되므로 현측 크레인/데빗/로봇팔을 활용하여 USV 탑재하는 방안이 현실적인 대안이 될 것으로 보인다.

참고문헌 (13)

Republic of Korea Navy, "Smart navy?", http://www.navy.mil.kr/user/boardList.do?handle202810&siteIdnavy00
Chairman of the Joint Chiefs of Staff Manual 3170.01C, Operation of the Joint Capabilities Integration and Development System, p.A-3, 2007.
Republic of Korea Army Training and Doctrine Command, ROC development process, p.35, 2007.
Kwon Y.S., Systems Engineering Fundamentals Ver2.0, National Defense University of R.O.K., p.I-65, 2015.
http://www.law.go.kr/법령/국군조직법
http://www.navy.mil.kr/mbshome/mbs/navy/subview.do?idnavy_010400000000
Jame E. Thomsen, 2007, The Navy Unmanned Surface Vehicle(USV) Master Plan, U.S Navy Littoral & Mine Warfare, p.xii, 23 July 2007.
Son N.S., Kim S.Y., Field test of the autonomous navigation of unmanned surface vehicle loaded on mother-ship, Naval Ship Technology & Weapon Systems Seminar, pp.424-427, 2013.
Kwon L.U., Classification and Evaluation Method for Autonomy Levels of Unmanned Maritime Systems, Journal of the Korea Institute of Military Science & Technology, Vol. 19, No. 3, pp.404-414, 2016.

원문보기 상세보기
https://www.navalnews.com/naval-news/2019/05
https://www.navalnews.com/event-news/madex-2019.
Park G.S., Park H.J., Choi B.W., Study on the Ship System Integration in the Basis of Total Ship Computing Environment, Naval Ship Technology & Weapon Systems Seminar, pp.495-499, 2013.
Republic of Korea Navy Headquarters System Integration Division, Revision of the System Integration Level of the Ship, pp.1-2, 2019.

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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