[논문]고성능 주파수 도약 공지통신 무전기의 차세대 항공기 적용과 항공기 항재밍 통신장비 개량에 따른 효과 연구

이광열; 양태호; 안승범; 안경수; 장인동; 한철희

doi:10.7472/jksii.2022.23.1.113

고성능 주파수 도약 공지통신 무전기의 차세대 항공기 적용과 항공기 항재밍 통신장비 개량에 따른 효과 연구
A Study on the effect of high-performance frequency hopping radio system to next-generation aircraft and improvement Anti-jamming communication 원문보기

Journal of Internet Computing and Services = 인터넷정보학회논문지, v.23 no.1, 2022년, pp.113 - 124

이광열 (Hanwha Systems Co., Ltd.) , 양태호 (Hanwha Systems Co., Ltd.) , 안승범 (Hanwha Systems Co., Ltd.) , 안경수 (Hanwha Systems Co., Ltd.) , 장인동 (Hanwha Systems Co., Ltd.) , 한철희 (Hanwha Systems Co., Ltd.)

초록
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전시 상황에서 군용 항공기의 통신 시스템은 재밍(Jamming)에 노출되어 있으며, 아군의 무선통신에 대한 재밍 시도가 있는 환경에서도 원활한 항공작전을 수행하기 위해서는 항재밍 성능이 높은 통신장비를 탑재하는 것이 필요하다. 본 논문에서는 무선통신에 적용될 수 있는 재밍과 항재밍(Anti-Jamming) 기술에 대해 세부적으로 확인하고, 주파수 도약 방식 차세대 항재밍 무전기의 제원 차이와 이러한 변화에 따른 항재밍 성능 개선에 대해 공개된 자료 범위 내에서 간략하게 분석하였다. 또한 국산 신형 항공기 설계 시 고려해야 할 점과 현재 운영중인 항공기에 차세대 항재밍 통신장비 탑재 가능성을 확인하였으며 차세대 항재밍 통신장비의 항재밍 능력 향상이 갖는 전술적 유용성에 대해 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In wartime conditions, the communication system of military aircraft is exposed to jamming, and it is necessary to mount communication equipment with high anti-jamming performance in order to perform air operations smoothly even in an environment where jamming attempts are made. In this paper, we check in detail the jamming and anti-jamming technology that can be applied to wireless communication, and the data disclosed on the difference in specifications of the next-generation anti-jamming radio with frequency hopping method and the improvement of anti-jamming performance according to these changes. It was briefly analyzed within the scope. In addition, the points to be considered when designing a new domestic aircraft and the possibility of installing the next-generation anti-jamming communication equipment on the currently operating aircraft were confirmed, and the tactical usefulness of improving the anti-jamming capability of the next-generation anti-jamming communication equipment was confirmed.

주제어

표/그림 (6)

표 (표 1) 재밍모형과 특징 (Table 1) Jamming model and characteristics
표 (표 2) 기타 항재밍 기법 (Table 2) Other Anti-Jamming Techniques
표 (표 3) Have Quick과 SATURN 비교 [16] (Table 3) Comparison of Have Quick and SATURN
그림 (그림 1) 전대역 잡음 재밍에서 ASK, MSK의 BER (Fiqure 1) BER of ASK, MSK in Broadbband noise jamming
그림 (그림 2) 펄스 잡음 재밍에서 ASK, MSK의 BER (Fiqure 2) BER of ASK, MSK in Pulse jamming
그림 (그림 3) 펄스 잡음 재밍에서 펄스 재밍 주기에 따른 MSK 변조 시스템의 BER 변화 (Fiqure 3) BER change of MSK modulation system according to pulse jamming period

AI 본문요약
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문제 정의

1970년대 미국에서 개발된 Have Quick무전기부터 NATO가 현재 사용하고 있고 미래 한국군도 도입할것으로 예상되는 SATURN (Second Generation Antijam Tactical UHF Radio for NATO) 무전기처럼 주파수 도약 무전기는 점차 더 빠른 속도로 주파수를 변경하여 높은 수준의 항재밍 성능을 보장하도록 발전하고 있다. 본 논문에서는 재밍과 항재밍 기술에 대해 살펴보고 미래 한국군이 도입할 수 있는 SATURN 무전기 성능의 우수성과 전술적 측면에서의 이득에 대해 일반에 공개된 자료를 바탕으로 분석하였다.

가설 설정

실제 환경에서는 재밍 대상에 대한 정보가 부족하여 부분 대역 잡음 재밍이 펄스 재밍보다 효과적일 수 있으나, 본 논문에서는 사전정보가 충분하여 재밍 대상이 사용하는 대역에 대해서만 재밍신호를 방사한다고 가정하였다. 결과적으로 펄스 재밍은 시간축에서, 부분대역 재밍은 주파수축에서 일부분을 재밍하는 것처럼 되어 동일형태의 수식으로 도출된다.
재밍 대상이 사용하는 전 주파수에 대해 펄스 재밍을 하는 경우를 가정하였다. 재밍 펄스가 발생하는 주기와 부분 대역 잡음의 재밍 대역은 유사한 의미를 가지므로 부분 대역 잡음과 비슷한 형태로 도출된다.

제안 방법

C-130의 음성 통신 시스템(HF, UHF, VHF, SATCOM) 을 항공기 비행 관리 시스템(FMS, Flight Management System)에 통합하고 항재밍 무전기의 시간정보를 항공기의 GPS에서 수신 가능하도록 통합하였다. 또한 JTRS 아키텍쳐와 표준을 준수하도록 하여 상호운용성을 고려하였다.
Data 전송 환경을 가정하고 AWGN(Additive White Gaussian Noise)가 있는 환경에서 Spread Spectrum을 사용하여 ASK 변조로 데이터를 전송하는 무선통신과 MSK 변조를 사용하는 무선통신 시스템의 항재밍 성능을 BER(Bit Error Rate)를 성능지표로 삼아 전대역 잡음 재밍, 대역잡음 재밍, 펄스 재밍의 세기에 따른 BER 변화를 수식과 MATLAB을 활용한 시뮬레이션으로 확인하였다.
체계통합 이후에는 SATURN 무전기 장비점검과 설계변경 사항에 대한 검증을 통해 시스템 요구도 만족 여부를 확인하고 해당결과를 바탕으로 감항성 심사를 완료하여 공지 통신 무전기 성능개량 프로그램을 진행하여야 한다. SATURN 무전기 성능개량 프로그램의 원활한 수행을 위해 SATURN 무전기 적용을 위한 체계 고려사항을 기반으로 항공기 성능개량 절차를 소개하고, 미군이 진행한 항전 최신화 성능개량 프로그램을 살펴보았다.
본 논문에서는 무선통신에 대한 재밍/항재밍 기술에 대해 살펴보고 기존 Have Quick 과 SATURN 의 기술적 차이점과 변화에 대해 확인하였고 SATURN에 대해 공개되어있는 자료를 바탕으로 성능의 우수성에 대해 간략하게 확인하였다.
이를 대응하기 위한 항재밍(Anti-Jamming) 기술로 항공기 통신 시스템에서는 주로 짧은 시간 간격으로 주파수를 빠르게 변경하면서 통신하는 주파수 도약(Frequency Hopping)을통해 재밍된 주파수 대역을 회피하여 통신한다. 이를 구현하기 위해 GPS나 사전에 입력된 시간정보를 바탕으로 터미널들의 동기상태를 유지하고 미리 약속된 암호화된 도약 패턴으로 주파수를 변경하여 재밍된 대역을 회피하고 적의 주파수 추적을 방지한다. 1970년대 미국에서 개발된 Have Quick무전기부터 NATO가 현재 사용하고 있고 미래 한국군도 도입할것으로 예상되는 SATURN (Second Generation Antijam Tactical UHF Radio for NATO) 무전기처럼 주파수 도약 무전기는 점차 더 빠른 속도로 주파수를 변경하여 높은 수준의 항재밍 성능을 보장하도록 발전하고 있다.
SATURN 무전기 성능개량 설계안을 기반으로 항공기를 개조한 후 SATURN 무전기 자체의 성능 뿐 아니라 설계변경에 따른 영향성 검증이 필요하다. 항공기 체계에 장착된 SATURN 무전기의 기능ㆍ성능을 검증하고 항공기용 환경제어장치(Environmental Control System : ECS) 의온도 측정과 전기부하 측정을 통하여 항공기 안전성을 확인한다. [22] 또한, 안테나 추가/교체로 항공기 외부개조에 의한 무선통신장비의 성능 저하 여부를 검증하는 P-Static 시험과 항공기 개조범위에 따른 타 장비 영향성 확인을 위해 MIL-STD-464을 기준으로 Intra-System EMC 시험을 수행한다.

데이터처리

전대역, 부분대역 잡음 재밍, 펄스 재밍 환경에서 ASK, MSK 변조의 장점을 확인하기 위해 MATLAB을 통해 시뮬레이션을 시행하였다.

이론/모형

Have Quick은 STANAG 4246 표준으로 규정되었으며 미군과 NATO를 비롯한 동맹국들이 사용하였다. 주파수 도약기술을 사용한 Have QuickⅠ 무전기는 음성통신의 보안성을 향상하기 위해 저속의 주파수 도약기술을 사용하고 25khz 의 주파수 오프셋으로 225Mhz ~ 400Mhz 의 UHF 밴드에서 통신하도록 제작되었으며, 이후 항재밍 능력을 향상한 Have Quick Ⅱ 가 1984년에 개발되어 향상된 주파수 호핑 알고리즘과 최적화를 통해 성능을 향상시켰고, Have quickⅡA 에서는 호핑 속도를 높여 항재밍과 보안성을 높인 Fast Frequency Hopping(FFH) 모드 지원이 추가되었다.
특히 모든 UHF, VHF, HF, SATCOM 에 음성/데이터 암호화가 가능하도록 암호장비 연동 요구도를 추가하여 보안성을 강화하였다. SATCOM(Satellite Communication) 에대해 ARINC 741(L 밴드의 위성 데이터링크), ARINC 761(Inmarsat으로 동작하는 2세대 L 밴드 위성 데이터링크) 기능 및 인터페이스 요구사항을 강조하였고 SATCOM은 사용성에 문제가 없도록 군 표준만이 아닌 국제민간항공기구(ICAO, International Civil Aviation Organization)의 국제 표준 요구도인 SARPs(International Standards and Recommended Practices)를 준수하여 설계하도록 성능개량 프로그램에 반영하였다.

후속연구

SATURN 무전기 성능개량 설계안을 기반으로 항공기를 개조한 후 SATURN 무전기 자체의 성능 뿐 아니라 설계변경에 따른 영향성 검증이 필요하다. 항공기 체계에 장착된 SATURN 무전기의 기능ㆍ성능을 검증하고 항공기용 환경제어장치(Environmental Control System : ECS) 의온도 측정과 전기부하 측정을 통하여 항공기 안전성을 확인한다.
무전기의 소비전력에 변화에 따른 전기부하 분석과 무전기 교체에 따른 하중과 진동, 열분석 등의 구조 건전성 분석, 중량평형 분석을 통해 SATURN 무전기 운용가능 여부와 무전기 장착 최적 위치를 도출하여야 한다. 또한, 무전기의 RF 송/수신 및 항재밍 성능 극대화를 위해 UHF 통신용 안테나와 RF 케이블에 대한 검토가 필요하다. 항공기의 기존 장착된 UHF 대역 안테나에 대한 커버리지분석을 통하여 안테나의 추가/교체 여부를 판단하고, 안테나 추가 또는 교체 시에는 기존 항전장비와의 간섭 분석과 공력 분석을 통한 안테나 최적위치 선정이 필요하다.
한국군이 사용중인 Have Quick 무전기는 그동안 적의 재밍 위협에서 한국군의 통신체계를 보호해왔으나 현대에 발전된 재밍 기술에 대응하기 위해 더 높은 항재밍 기술을 가진 통신장비를 도입하는 것은 중요하다. 미군과의 연합작전이 동반되는 한국군 환경에서 미군과의 통신이 가능한 동일한 SATURN 무전기 도입은 연합작전능력 보장을 위해 중요하며 높은 항재밍 능력을 가진 통신시스템을 구축한다면 미래 네트워크 중심전으로 나아가기 위한 안정적 기반이 될 것이다.
[20] 그러나 레거시 항공기에 SATURN 무전기를 탑재 후 연동하는 것은 다양한 부분에서 문제점을 발생시킬 수 있다. 이러한 문제점을 최소화하기 위하여 무전기 주장비 교체에 의한 항공기 체계 영향성 분석과 안테나 및 추가 장착 장비에 대한 영향성 분석이 반드시 필요하다. 체계통합 이후에는 SATURN 무전기 장비점검과 설계변경 사항에 대한 검증을 통해 시스템 요구도 만족 여부를 확인하고 해당결과를 바탕으로 감항성 심사를 완료하여 공지 통신 무전기 성능개량 프로그램을 진행하여야 한다.
이처럼 미래 한국군의 차세대 항공기 설계나 레거시 항공기의 통신장비 교체 시 기술표준적용에 따른 비용이 추가로 발생하더라도 동맹국 및 민간의 기술 표준을 엄격히 적용하고 사업을 진행한다면 성공적으로 성능개량을 진행할 수 있을 것이다.
이러한 문제점을 최소화하기 위하여 무전기 주장비 교체에 의한 항공기 체계 영향성 분석과 안테나 및 추가 장착 장비에 대한 영향성 분석이 반드시 필요하다. 체계통합 이후에는 SATURN 무전기 장비점검과 설계변경 사항에 대한 검증을 통해 시스템 요구도 만족 여부를 확인하고 해당결과를 바탕으로 감항성 심사를 완료하여 공지 통신 무전기 성능개량 프로그램을 진행하여야 한다. SATURN 무전기 성능개량 프로그램의 원활한 수행을 위해 SATURN 무전기 적용을 위한 체계 고려사항을 기반으로 항공기 성능개량 절차를 소개하고, 미군이 진행한 항전 최신화 성능개량 프로그램을 살펴보았다.
또한, 무전기의 RF 송/수신 및 항재밍 성능 극대화를 위해 UHF 통신용 안테나와 RF 케이블에 대한 검토가 필요하다. 항공기의 기존 장착된 UHF 대역 안테나에 대한 커버리지분석을 통하여 안테나의 추가/교체 여부를 판단하고, 안테나 추가 또는 교체 시에는 기존 항전장비와의 간섭 분석과 공력 분석을 통한 안테나 최적위치 선정이 필요하다. [21] SATURN 무전기 안테나와 기존 통신ㆍ항법 장비안테나 간의 간섭을 최소화 할 수 있는 안테나 위치 선정을 통해, 성능개량 시 타 장비에 의한 영향성을 최소화할 수 있다.

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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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