[논문]위성항법 배열안테나의 유도탄 동체 후방 배치

박범수; 안우근; 이장용; 고덕곤

doi:10.12673//jant.2022.26.1.9

초록
AI-Helper

종래 유도탄의 경우 대부분 유도탄의 전방부에 GPS (Global Positioning System) 안테나가 장착되는 경우가 많아 종말 유도단계에서 수직 낙하하는 유도탄의 경우 GPS 안테나가 전방부에 위치하면 동체에 의한 위성 신호 가림 현상이 생겨 GPS 성능이 떨어진다. 본 논문에서는 위성 신호에 대한 가시영역을 최대로 확보하기 위해 GPS 안테나를 유도탄의 후방 부에 기울임을 주어 배치하였으며 배열안테나의 패치를 기울여 설계하는 것을 제안하였다. 제안된 안테나 배치 형상에 대하여 GPS 신호의 신호 수신 범위를 분석하기 위해 LOS (Line Of Sight) 관점에서 가시영역을 분석하였고 실제 무반향 챔버에서 수신 신호 세기 측정을 통해 위성 신호의 유효 수신영역을 분석하였다. 또한 야외시험과 비행시험을 통해서 위성 신호의 음영지역이 줄어드는 것을 확인함으로써 GPS 안테나가 유도탄의 후방에 배치되었을 때 얻을 수 있는 장점을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper we investigate the advantages when the GPS Antenna is installed on the rear missile body. In conventional design the GPS antenna locates on the front part of missile. However it causes degraded GPS positioning performance since the missile body blocks the GPS signals. This paper propos...

In this paper we investigate the advantages when the GPS Antenna is installed on the rear missile body. In conventional design the GPS antenna locates on the front part of missile. However it causes degraded GPS positioning performance since the missile body blocks the GPS signals. This paper proposes the GPS array antenna design which locates on the rear part of missile body and has the tilted antenna patches to achieve the maximum area of receiving GPS signals. We simulate LOS region of receiving signals and conducted anechoic chamber test to define the effective signal receiving region. And we conduct field test and flight test to check out the enhancement of signal receiving area.

주제어

표/그림 (13)

그림 그림 1. GPS 배열안테나 후방 배치 형상 Fig. 1. GPS antenna installation on the rear part
그림 그림 2. 안테나 패치의 기울임 배치 Fig. 2. Tilted antenna patch
그림 그림 3. 날개의 형상 및 안테나 위치 Fig. 3. Shape of wings and the position of antenna
그림 그림 4. 위성신호 가시영역 Fig. 4. LOS region of GPS signal
그림 그림 5. 획득 위성 수 및 DOP Fig. 5. Number of acquired satellites and DOP
그림 그림 6. HDOP 누적분포함수 Fig. 6. Cumulative distribution function of HDOP
그림 그림 7. 챔버측정을 위한 안테나 후방 장착 Fig. 7. Antenna installation for anechoic chamber test
그림 그림 8. 실측 안테나 패턴 Fig. 8. Measured antenna pattern
그림 그림 9. 유효 GPS 신호 가시영역 Fig. 9. Region that receives effective GPS signals
그림 그림 10. 야외 정적 시험 구성 Fig. 10. Configuration of static field test
그림 그림 11. GPS 위성 배치 Fig. 11. Constellation of GPS
그림 그림 12. 수신 위성 신호 세기 Fig. 12. Received satellite signal power
그림 그림 13. 비행시험 결과 Fig. 13. The results of flight test

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 논문에서는 종말 비행 단계에서 수직 낙하 비행하는 유도탄에 항재밍 GPS 항법장치를 적용함에 있어서 GPS 위성안테나의 위치가 유도탄 동체의 후방에 위치했을 경우의 항법 성능에 대하여 분석을 수행하였다.
II장 및 III 장의 분석 결과를 바탕으로 GPS 안테나의 후방 배치에 따른 실제 야외 환경에서 위성의 가시영역 충족 구간을 확인하기 위해 야외시험을 시행하였다. 시험의 목적은 CEP 정확도에 가장 큰 영향을 미치는 종말단계의 90도 수직 낙하 비행 시 후방 배치한 4 소자 항재밍 배열안테나가 안테나 장착 방향의 반대쪽에 위치한 위성들의 신호를 획득 가능한지를 확인하기 위한 시험이었다. 피치 –90도로 수직 낙하 시에는 4개의 배열안테나 소자 중 지면을 향해 기울어져 있는 소자의 가시영역은 하늘 방향을 향해 기울어져 있는 안테나 소자의 가시영역에 포함되므로 본 시험에서는 시험의 편의를 위해 지면 방향의 안테나 1 소자를 제외한 3개의 안테나 소자를 이용하여 시험하였다.

제안 방법

4 소자의 GPS 배열안테나는 패치가 서로 30°의 기울기를 갖도록 설계하여 가시각을 확보하였으며 유도탄의 후방부에 기울임을 갖도록 배치하여 종말 비행 구간에서의 수직 낙하 비행시 위성 확보에 유리하도록 하였다. 이러한 배열안테나 설계 및 안테나 배치에 따른 획득 위성 확보의 개선 여부 확인을 위해 가시영역 분석과 안테나 패턴 측정을 수행하였으며 DOP 분석을 통해 비행 종말단계의 수직 낙하 시 GPS 안테나의 후방 배치가 가용 위성 수의 확보에 이점이 있음을 확인하였다.
II 장에서 설명된 안테나의 배치와 유도탄의 동체 및 날개에 형상에 대해 위성신호의 수신 가능 영역을 LOS(Line Of Sight) 관점에서 계산하였으며, 이 가시 영역에 대하여 수신되는 위성의 개수와 DOP 분석을 수행하였다.
II장 및 III 장의 분석 결과를 바탕으로 GPS 안테나의 후방 배치에 따른 실제 야외 환경에서 위성의 가시영역 충족 구간을 확인하기 위해 야외시험을 시행하였다. 시험의 목적은 CEP 정확도에 가장 큰 영향을 미치는 종말단계의 90도 수직 낙하 비행 시 후방 배치한 4 소자 항재밍 배열안테나가 안테나 장착 방향의 반대쪽에 위치한 위성들의 신호를 획득 가능한지를 확인하기 위한 시험이었다.
또한 안테나 각 패치는 안테나 수신패턴에 의해 실제 가시 구간이 달라질 수 있다. 따라서 본 장에서는 무반향 챔버 시험을 통해 실제의 안테나에서 수신하는 전파의 세기를 측정하여 신호 도달 범위를 계산하였다.
위성항법 안테나를 유도탄의 전방에 장착하는 경우에 비하여 후방에 장착할 경우는 후방 날개에 의한 위성 신호 가림이 발생할 수도 있으므로 본 논문에서는 가시영역 분석에 그림3과 같이 후방 날개 형상을 모사하여 적용하였다.
피치 –90도로 수직 낙하 시에는 4개의 배열안테나 소자 중 지면을 향해 기울어져 있는 소자의 가시영역은 하늘 방향을 향해 기울어져 있는 안테나 소자의 가시영역에 포함되므로 본 시험에서는 시험의 편의를 위해 지면 방향의 안테나 1 소자를 제외한 3개의 안테나 소자를 이용하여 시험하였다. 이를 위해 그림 10에서와 같이 3개의 안테나 소자에 GNSS 수신기를 연결하였고 레퍼런스 위성 신호를 위해 기준안테나를 설치하여 GNSS 수신기를 연결하였다.

대상 데이터

안테나 수신패턴의 측정은 각 패치별로 따로 측정하였으며 각 패치별 수신 전파세기를 더하여 최종 실제 안테나의 수신패턴을 얻는다. 그림 7과 같이 4방향으로 장착된 4개의 패치는 각각 단독으로 장착되어 전파 수신 시험을 시행하였으며 사용된 주파수는 GPS L1 대역 주파수를 사용하였다.
제안된 형상의 후방 배치 안테나는 실제 비행시험을 통해서 수직 입사하는 유도탄의 종말단계 위성항법 성능 테스트에 사용되었다. 그 결과 그림 13과 같이 수직 낙하영역에서도 위성을 대부분 추적하고 있으며 PDOP (Positional Delusion of Precision) 및 HDOP이 안정적으로 유지됨을 확인할 수 있었다.
시험의 목적은 CEP 정확도에 가장 큰 영향을 미치는 종말단계의 90도 수직 낙하 비행 시 후방 배치한 4 소자 항재밍 배열안테나가 안테나 장착 방향의 반대쪽에 위치한 위성들의 신호를 획득 가능한지를 확인하기 위한 시험이었다. 피치 –90도로 수직 낙하 시에는 4개의 배열안테나 소자 중 지면을 향해 기울어져 있는 소자의 가시영역은 하늘 방향을 향해 기울어져 있는 안테나 소자의 가시영역에 포함되므로 본 시험에서는 시험의 편의를 위해 지면 방향의 안테나 1 소자를 제외한 3개의 안테나 소자를 이용하여 시험하였다. 이를 위해 그림 10에서와 같이 3개의 안테나 소자에 GNSS 수신기를 연결하였고 레퍼런스 위성 신호를 위해 기준안테나를 설치하여 GNSS 수신기를 연결하였다.

성능/효과

그림 10의 안테나 위치를 보면 수신기 #1에 위치한 안테나 소자는 유도탄의 맨 뒤쪽에서 수직 방향 대비 기울임을 30도 정도 가지고 있으며 유도탄의 꼬리 맨 끝부분에 장착됨으로써 유도탄 동체에 의한 신호 감쇠가 적고 회절에 유리한 구조를 띠고 있기 때문에 안테나의 반대쪽에 위치한 위성들의 신호 획득에 유리하였다. 그 결과 그림 12의 27번 위성의 경우 위성의 위치가 남쪽 방향에 위치하고 있지만 수신기 #1의 신호는 안테나가 북쪽을 향하고 있을 때에도 신호를 정상적으로 수신하여 CNR (Carrier to Noise Ratio) 45dB 이상 수준을 유지하는 것을 확인할 수 있다.
제안된 형상의 후방 배치 안테나는 실제 비행시험을 통해서 수직 입사하는 유도탄의 종말단계 위성항법 성능 테스트에 사용되었다. 그 결과 그림 13과 같이 수직 낙하영역에서도 위성을 대부분 추적하고 있으며 PDOP (Positional Delusion of Precision) 및 HDOP이 안정적으로 유지됨을 확인할 수 있었다.
이러한 배열안테나 설계 및 안테나 배치에 따른 획득 위성 확보의 개선 여부 확인을 위해 가시영역 분석과 안테나 패턴 측정을 수행하였으며 DOP 분석을 통해 비행 종말단계의 수직 낙하 시 GPS 안테나의 후방 배치가 가용 위성 수의 확보에 이점이 있음을 확인하였다. 또한 지상 야외시험과 실제 비행시험을 통해 수직 낙하 자세의 유도탄에서 후방부에 배치한 GPS 배열 안테나가 안테나 장착 방향의 반대쪽에 위치한 위성들의 신호를 정상적으로 획득하는 것을 확인하였다.
4 소자의 GPS 배열안테나는 패치가 서로 30°의 기울기를 갖도록 설계하여 가시각을 확보하였으며 유도탄의 후방부에 기울임을 갖도록 배치하여 종말 비행 구간에서의 수직 낙하 비행시 위성 확보에 유리하도록 하였다. 이러한 배열안테나 설계 및 안테나 배치에 따른 획득 위성 확보의 개선 여부 확인을 위해 가시영역 분석과 안테나 패턴 측정을 수행하였으며 DOP 분석을 통해 비행 종말단계의 수직 낙하 시 GPS 안테나의 후방 배치가 가용 위성 수의 확보에 이점이 있음을 확인하였다. 또한 지상 야외시험과 실제 비행시험을 통해 수직 낙하 자세의 유도탄에서 후방부에 배치한 GPS 배열 안테나가 안테나 장착 방향의 반대쪽에 위치한 위성들의 신호를 정상적으로 획득하는 것을 확인하였다.
전파의 회절 특성을 통하여 그림 4의 단순 LOS 가시영역에 비하여 더 넓은 전파 수신영역을 확보하게 됨을 확인할 수 있다. 특히 유도탄의 종말단계에서 수직입사 자세에서도 상공의 위성 방향에 대하여 가시영역이 충분히 확보될 수 있음을 확인할 수 있다. 또한 날개 형상을 포함한 실제 비행체의 후방 형상을 이용하여 측정하였음에서도 회절 특성에 의하여 날개에 의한 위성 가림 현상이 거의 나타나지 않음을 확인하였다.
안테나를 전방에 배치하였을 때 유도탄이 수직 입사하는 경우 안테나의 LOS 영역은 반구 형태가 될 것이다. 하지만 제안된 형상의 후방 기울임 배치의 경우 그림 4에서 보는바와 같이 LOS 영역이 늘어나며 그 효과로 인해 그림6과 같이 HDOP 성능이 눈에 띄게 향상될 수 있다.

참고문헌 (6)

E. Kaplan and C. Hegarty, Understanding GPS/GNSS: Principles and Applications, 3rd Ed., Artech House, 2017.
Lee Jong-Min, Woo Jong-Myung, "Design of GPS Receiving Antenna Installed in a Missile's Warhead," The Journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, Volume 17 Issue 9, pp. 900-912, Sep. 2006.
Junyan Wu, Jiaao Yu and Qin Tao, "Design of a Missile-borne Conformal Microstrip Navigation Antenna," International Conference on Electronic Information Technology and Computer Engineering (EITCE 2018), Shanghai: China, Article Number: 04080, Oct. 2018.
Peerayudh Saratayon, Varavut Pirom, Thanathat Saelim, "Antenna Subsystem for Small Missile," International Journal of Engineering Research & Technology (IJERT), Volume 02, Issue 09, Paper ID: IJERTV2IS90447, Sep. 2013.
Y. Zhang, M. G. Amin, and A. R. Lindsey, "Anti-jamming GPS receivers based on bilinear signal distributions," 2001 MILCOM Proceedings Communications for Network-Centric Operations: Creating the Information Force, McLean, VA: USA, pp. 1070 - 1074, Oct. 2001.
W. Sun, M.G. Ainin, "Interference suppression for GPS coarse/acquisition signals using antenna array," 2004 IEEE International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing, Montreal, Quebec: Canada, pp. iv-929-32 vol.4, May 2004.

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

위성항법 배열안테나의 유도탄 동체 후방 배치
GPS Array Antenna Installation On The Rear Missile Body 원문보기

초록
AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

표/그림 (13)

표/그림 (13)

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

성능/효과

참고문헌 (6)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

위성항법 배열안테나의 유도탄 동체 후방 배치 GPS Array Antenna Installation On The Rear Missile Body 원문보기

초록 용어보기논문에서 용어와 풀이말을 자동 추출한 결과로, 시범 서비스 중입니다. AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

표/그림 (13) 모든 표/그림 보기

표/그림 (13) 슬라이드로 보기

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

성능/효과

참고문헌 (6)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

안우근 (7) 이장용 (1)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

위성항법 배열안테나의 유도탄 동체 후방 배치
GPS Array Antenna Installation On The Rear Missile Body 원문보기

초록
AI-Helper

표/그림 (13)

표/그림 (13)

AI 본문요약
AI-Helper