KR101031875B1 - 해양음향환경을 고려한 위협평가방법 - Google Patents

Abstract

해양음향환경을 고려한 위협평가방법이 개시된다. 보다 상세하게는, 본 발명은 해양음향환경에서 표적들에 대한 자함의 위협평가하기 위해, (a) 위협평가에 고려될 위협 고려 항목들을 선정하는 단계와, (b) 위협 고려 항목들이 위협평가에 기여하는 정도를 조절하기 위해 위협 고려 항목들 별 가중치 파라미터를 결정하는 단계와, (c) 현재의 수중 환경을 고려하여 상기 표적들 별 상기 위협 고려 항목들을 수치화된 값으로 산출하는 단계와, (d) 상기 (c)단계의 산출값에 (b)단계의 가중치 파라미터를 융합하여 표적들 별 통합 위협값을 산출하는 단계 및 (e) 통합 위협값에 운용자 옵셋값을 추가 보정하여 최종 위협값을 산출하는 단계를 포함한다.

Description

해양음향환경을 고려한 위협평가방법{Method of Evaluating Threat Considering Ocean Acoustic Environment}

본 발명은 해양음향환경을 고려한 위협평가방법에 대한 것이다. 보다 상세하게는 본 발명은, 표적들에 대한 자함의 위협평가를 함에 있어서, 해양 및 수중음향환경을 고려하여 교전 상황에서 표적들에 의한 자함의 위협을 정밀하게 평가하기 위한 방법에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 상기 표적들의 위협평가를 수행하여 위협순위를 결정하여 실제 교전에서 가장 위협지수가 높은 표적에 우선적으로 대응할 수 있도록 하는 방법에 관한 것이다.

최근, 체계의 수중 전투 능력의 극대화를 위해, 수중 환경에 최적화된 위협평가방법의 적용이 필요한 실정이다.

그러나, 종래의 위협 평가 기술의 경우 수상 환경에서 탐지된 적의 특성 데이터를 기반으로 위협을 평가하고 있고, 이를 위해 무장의 사거리, 자함과의 거리, RCPA, TCPA, 속도 등 표적의 특성만을 고려하여 위협을 평가하고 있다. 이는 단순히 적의 특성만을 고려하여 적 세력의 위협을 평가하는 것으로 수중 환경에서 동작하는 체계에 이를 적용하게 되면, 교전 상황에 가장 큰 영향을 미치는 요소인, 해양음향환경을 간과하게 되므로 위협평가를 함에 있어서 큰 제약이 있다는 문제점이 지적되고 있다.

따라서, 이하에서는 본 발명을 통해 해양음향환경에서의 위협 평가 파라미터를 선정 및 수치화하고, 해양음향환경에 따라 변동되는 적함의 자함에 대한 피탐지 거리, 피탐지 확률등을 위협지수로 산출하여 다수의 적 세력을 위협도에 따라 순위를 결정하여 가장 큰 위협도를 갖는 적 세력에 대하여 선제 대응할 수 있는 방법을 제시하고자 한다.

상술한 문제점을 해결하기 위한 관점으로부터 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 해양음향환경의 특수성을 반영하여 다수의 적 세력들이 미치는 위협을 평가하는 것에 있다.

상기의 기술적 과제와 관련하여, 본 발명은 위협평가에 고려될 위협 고려 항목들을 선정하고, 상기 위협 고려 항목들이 위협평가에 기여하는 정도를 조절하기 위해 상기 위협 고려 항목들 별 가중치 파라미터를 결정하고, 현재의 수중 환경을 고려하여 상기 표적들 별 상기 위협 고려 항목들을 수치화된 값으로 산출하며, 상기 산출값에 가중치 파라미터를 융합하여 상기 표적들 별 통합 위협값을 산출한다.

여기서, 위협 고려 항목 중 해양음향환경의 변화에 따라 변동하는 자함의 피탐지 거리 및 피탐지 확률을 위협지수로 산출하여 표적들의 위협순위를 결정하고 이를 디스플레이하여 실제 교전에서 적절한 대응이 이루어질 수 있도록 한다.

그러나, 본 발명의 기술적 과제는 상기에 언급된 사항으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위해서 본 발명에 따른 해양음향환경에서 표적들에 대한 자함의 위협평가방법은, (a) 위협평가에 고려될 위협 고려 항목들을 선정하는 단계와, (b) 상기 위협 고려 항목들이 위협평가에 기여하는 정도를 조절하기 위해 상기 위협 고려 항목들 별 가중치 파라미터를 결정하는 단계와, (c) 현재의 수중 환경을 고려하여 상기 표적들 별 상기 위협 고려 항목들을 수치화된 값으로 산출하는 단계와, (d) 상기 (c)단계의 산출값에 상기 (b)단계의 가중치 파라미터를 융합하여 상기 표적들 별 통합 위협값을 산출하는 단계 및 (e) 상기 통합 위협값에 운용자 옵셋값을 추가 보정하여 최종 위협값을 산출하는 단계를 포함한다.

여기서, 상기 (a)단계의 위협 고려 항목들은 표적의 자함과 최단 근접점까지의 도달시간(TCPA), 상기 표적의 상기 최단 근접점 도달시 자함과의 거리(RCPA), 상기 표적의 식별결과, 상기 표적에 대한 자함의 사거리대거리비 및 위협지수 중 적어도 어느 하나 이상인 것임이 바람직하다.

그리고, 상기 (e)단계 이후에 (f) 상기 최종 위협값이 높은 순으로 상기 표적들을 정렬하여 운용자 화면에 디스플레이하는 단계를 더 포함하는 것도 바람직하다.

또한, 상기 위협지수는 해양음향환경의 변화에 따라 변동하는 상기 표적에 의한 자함의 피탐지 거리 및 자함의 피탐지 확률로 산출되는 것이 바람직할 것이다.

또한 바람직하게는, 상기 피탐지 확률은 상기 자함에 구비된 소나에 수신되는 신호의 신호초과비(SE, Signal Excess) 값이 0dB 이상 최대 신호초과비 값 이하까지를 미리 결정된 등급으로 구분하여 형성된 등급지수로 산출할 수 있을 것이다.

본 명세서에 기재내용으로부터 파악되는 본 발명에 따르면, 수중 또는 해양의 환경과 적함의 소나 성능에 따라 변하는 적함에 대한 자함의 위협평가를 수행함으로 적함에 대응하는 체계의 전투 능력을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 위협평가방법에 관한 플로우 차트,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 위협평가방법에서 위협지수를 산출하는 방법을 설명하기 위해 도시한 그래프,
도 3은 해양음향환경 중 음속프로파일 구조에 따른 표적별 위협지수를 산출하는 과정을 설명하기 위해 도시한 그래프,
도 4는 도 3에서 산출된 결과를 정리한 표이다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 여기의 설명에서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 연결된다고 기술될 때, 이는 다른 구성 요소에 바로 연결될 수도 그 사이에 제3의 구성 요소가 개재될 수도 있음을 의미한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 이때 도면에 도시되고 또 이것에 의해서 설명되는 본 발명의 구성과 작용은 적어도 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해서 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지는 않는다.

본 발명에 대한 상세한 설명에 앞서, 명세서를 통해 사용될 용어인 해양음향환경에 대해서 간략히 설명한다. 명세서에 기재된 해양음향환경이라 함은, 예를들면 해양에서의 수심, 해양의 온도구조, 해저면의 지형 및 해양수 표면에 의한 산란 등 해양에서 작동하는 소나(sonar)에 영향을 미치는 요소들을 총괄한 개념으로 사용된다. 즉, 소나(여기의 소나는 능동소나 또는 수동소나 일 수 있음)를 이용한 음에너지를 탐지함에 있어서, 해양의 특수한 환경에 의해 음향 탐지에 영향을 주는 요소들의 집합을 해양음향환경이라 지칭하여 사용할 것이며, 이러한 요소들을 고려하여 자함의 위협평가를 시행하는 것을 해양음향환경을 고려한 위협평가방법이라 지칭하여 사용할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 위협평가방법에 관한 플로우 차트이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 위협평가방법은 위협 고려 항목들을 선정하는 단계(S10), 위협 고려 항목 별 가중치 파라미터를 결정하는 단계(S20), 위협 고려 항목들을 수치화하는 단계(S30), 통합 위협값을 산출하는 단계(S40), 운용자 offset값이 필요한지 판단하는 단계(S50), 운용자 offset값을 통합 위협값에 추가 보정하여 최종위협값을 산출하는 단계(S60) 및 최종위협값 순으로 표적들을 정렬 및 디스플레이하는 단계(S70)를 포함한다.

S10 단계는 적 세력의 위협을 평가하기 위한 인자들인 위협 고려 항목들을 선정하는 단계로 여기의 위협 고려 항목들은 표적의 자함과 최단 근접점까지의 도달시간(TCPA), 상기 표적의 최단 근접점 도달 시 자함과의 거리(RCPA), 상기 표적의 식별결과, 상기 표적에 대한 자함의 사거리대거리비 및 위협지수를 포함한다.

TCPA는 표적이 자함의 최단 근접점까지 도달하는 시간이며, RCPA는 상기 표적의 최단 근접점 도달시 자함과의 거리이며, 표적의 식별결과는 표적의 종류를 표시한 것으로 예를 들면, Friend, Hostile, Assumed Hostile, Assumed Friend, Neutral로 나타난 결과이다. 또한, 사거리대거리비는 자함의 최대사거리/표적의 현재 거리로 산출된다. 여기서, 설명되지 않은 위협지수에 관해서는 이하에서 상세하게 설명될 것이다.

따라서 S10단계에서는 상술한 위협 고려 항목들 중 적어도 어느 하나 이상을 위협평가 고려를 위해 선정한다. 바람직하게는 상술한 모든 위협 고려 항목들을 선정할 수 있다.

S20단계는, S10단계에서 선정된 위협 고려 항목들에 부여될 위협 고려 항목 별 가중치 파라미터를 결정하는 단계이다. 가중치 파라미터는 각 위협 고려 항목들이 위협평가에 기여하는 정도를 조정하는 것으로 해양음향환경등 수중의 상황에 따라 가변적으로 조정될 수 있다.

S30단계는, S10단계에서 선정된 각 위협 고려 항목들을 수치화된 값으로 산출하는 단계이다. 위협 고려 항목들의 수치화는 상술한 가중치 파라미터와 융합되어 통합 위협값을 산출하기 위한 것으로, 위협 고려 항목들 중 식별결과에 대한 수치화의 예를 [표 1]을 참조하여 설명한다.

식별결과	수치
Friend	0
Hostile	5
Assumed Hostile	4
Assumed Friend	1
Neutral	2

[표 1]에 나타낸 바와 같이, 아군 함정인 경우 식별결과에 따른 수치화 값은 0, 적함인 경우 5로 수치화 결과를 산출한다.

여기서, 설명되지 않은 TPCA, RCPA, 사거리대거리비는 각각 시간, 거리, 비율값 등으로 그대로 수치로 반영하는 것도 가능함에 유의해야 한다. 또한, 위협지수에 관해서는 상세히 후술될 것이므로 여기서는 설명을 생략하기로 한다.

다음, S40단계는 S30단계에서 산출된 수치화 값과, S20단계에서 산출된 각 위협 고려 항목별 가중치 파라미터를 융합하여 하나의 통합 위협값을 산출한다.

즉, 하기의 [표 2] 및 [수학식 1]로 나타나는 바와 같이, 통합 위협값을 산출한다.

위협 고려 항목	가중치 파라미터	위협평가 고려 항목 수치화 값
TCPA	a	X
RCPA	b	Y
식별결과	c	Z
사거리대거리비	d	P
위협지수	e	Q

다음으로, S50단계는 상기 S40단계에서 산출한 통합 위협값에 보정이 필요한 지 여부를 판정하는 단계로, 운용자 offset값이 있는지 여부를 판단한다. 운용자 offset 값은 교전 상황 또는 해양음향환경을 반영하여 상기 통합 위협값을 조절하기 위한 것이다. 따라서, 운용자 offset값이 필요없는 경우에는 S40단계에서 산출된 통합 위협값이 곧 최종 위협값으로 되며, 운용자 offset값에 의한 조정이 필요한 경우 S60단계에서와 같이, 최종 위협값은 통합 위협값에 운용자 offset값을 합산하여 산출된다.

S70단계는 S60단계의 최종 위협값 또는 S50단계의 통합 위협값에 따라 상기 표적들 중 높은 값의 최종 위협값 또는 통합 위협값을 갖는 순서대로 표적들을 정렬하여 운용자의 화면상에 전시(display)는 단계이다.

따라서, 운용자는 화면상에 전시된 표적들 중 높은 순위의 위협값을 갖는 표적에 대해 선 조치할 수 있어 체계의 전투능력을 향상시킬 수 있고, 아군의 피해를 최소화로 할 수 있다.

이하에서는 상술한 위협지수 산출방법에 대하여 상세한 설명을 개시하도록 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 위협평가방법에서 위협지수를 산출하는 방법을 설명하기 위해 도시한 그래프이다.

도 2에 도시된 그래프는 거리별 신호초과비를 도시한 그래프이며, 도 2에서 신호초과비 0dB 이상인 거리에서는 표적을 탐지할 수 있음을 의미한다.

여기서, 신호초과비에 대하여 간략하게 설명한다. 신호초과비(SE, Signal Excess)는 신호대잡음비(SNR, Signal to Nioise Ratio)로 정의되며 신호초과비(SE)가 0dB이상이면 신호 성분이 더 크기 때문에 표적을 탐지할 수 있다는 의미를 갖는다. 따라서, 임의의 표적의 거리에 따른 신호초과비가 도 2와 같이 나타난 경우, 위협지수는 다음의 [수학식 2]를 통하여 구한다.

여기서,

는 가중치 함수, i는 피탐지 신호의 신호초과 등급지수, n은 n번째 표적,

은 n번째 표적에 의한 자함의 피탐지 거리,

는 상대적 최대 피탐지 거리 (n개의 표적 중 신호초과비가 0dB 이상인 지점 즉, 피탐지 확률 50%인 지점의 최대 거리값이 최대인 표적의 최대 거리값), N은 신호초과비가 OdB이에서 최대 신호초과비까지를 미리 결정된 등급으로 구분하여 형성된 등급지수의 개수이다.

즉, 복수 개(n 개)의 표적에 대한 위협지수를 산출하여 이를 상술한 위협평가 고려 항목 수치화 값으로 산출한다. 이 때, 본 발명에서는 [수학식 2]에서와 같이,

(상대적 최대 피탐지 거리)를 기준값으로 하고, 신호초과비 0dB 이상 최대 신호초과비 이하를 미리 결정된 몇 개의 등급으로 구분하여 이 구간을 신호초과 등급지수로 결정한다. 즉, 신호초과 등급지수가 높을수록 피탐지 확률은 높은 것을 의미하며, 신호초과 등급지수와 상술한 N은 실제 해양의 환경 및 해역의 특성에 따라 달리 적용하게 된다. 신호초과 등급지수를 나누는 것은 SE값이 큰 구간을 구분하여 위협지수 산출에 반영하기 위한 알고리즘이다. 즉, 피탐지 거리가 5km 피탐지 확률이 80%인 제1 표적과 피탐지 거리가 8km 피탐지 확률이 50%인 제2 표적 중 어느 표적이 더 위협적인가를 결정하기 위한 알고리즘인 것이다.

가중치 함수

는 신호초과 등급지수에 따라 지수함수 형태로 표현된다. 또한, 여기의 가중치 함수는 표적이 탑재하고 있는 무장의 위협도에 따라 달리 적용함도 가능하다.

따라서, 위협지수는 신호초과비 등급구간의 거리

를 계산하여 가중치 함수와 곱하여 해당표적에 대한 위협지수를 계산하게 된다. 여기서, 기준값은

가 되는데, 이는 가장 먼거리에서 자함을 탐지할 수 있는 능력을 가진 표적의 위협도가 가장 높다고 가정되기 때문에 최대 피탐지 거리를 가진 표적을 기준값으로 하여 나머지 표적들에 대한 위협지수를 산출하는 것이다. 또한, [수학식 2]를 이용한 위협지수 산출에 있어서, 도 2에 도시된 바와 같이, 피탐지 거리가 장거리인 경우라도 해양음향환경의 변화로 인해 신호초과비가 0dB 이하인 구간 즉, 도 2의 3km~4.5km구간에서는 자함의 위협도가 낮아질 수 있으므로, 위협지수 계산에서 이러한 구간은 포함하지 않는다.

이하에서는 상술한 본 발명에 따른 위협지수 산출방법에 대한 보다 명확한 이해를 위해서 도 3 및 도 4를 참조하여 구체적으로 설명한다.

도 3은 해양음향환경 중 음속프로파일 구조에 따른 표적별 위협지수를 산출하는 과정을 설명하기 위해 도시한 그래프, 도 4는 도 3에서 산출된 결과를 정리한 표이다.

도 3(a)에는 해양음향환경의 일례를 설명하기 위해 한반도 동해의 겨울철 수온구조에서 수심에 따른 음속프로파일(svp)을 도시하였고, 도 3(b)에는 4개의 표적에 대한 거리별 신호초과비(SE)를 도시하였다.

위협지수 산출에 대한 설명의 편의를 위해, 자함을 위협하는 요소로 4개의 표적을 가정하고, 각각의 표적들은 서로 다른 종류의 능동소나를 사용하는 것으로 가정하였다. 또한, 단순한 예시를 위해 신호초과비의 등급은 3단계로 가정하고, 상술한 가중치 함수는 최고 신호초과비를 기준으로 표준화하여 등급별값을 결정하였다. 또한 표적이 탑재하고 있는 무장의 위협도를 동일한 것으로 가정하였다.

이러한 가정들 하에 도 3(b)를 참조하면, 4개의 표적들 중 표적 #2의 피탐지 거리가 가장 긴 값을 갖음을 알 수 있다. 즉, 상술한

는 표적 #2의 최대 피탐지 거리인 10km로 결정된다. 또한 신호초과비(SE) 0dB이상에서 최대 신호초과비까지를 3등분하여 등급지수 i를 가장 높은 신호초과비 등급지수를 1로하여 순차적으로 1,2,3으로 결정하여 다음과 같이 결정한다.

40dB<SE인 경우 i=1, 20dB<SE≤40dB인 경우 i=2, 0dB<SE≤20dB인 경우 i=3. 다음으로 도 3(b)에 도시된 그래프에서, OdB를 기준으로 하향 표시된 4개의 화살표들은 각 표적들의 의미 있는 최대 피탐지 거리를 표시한 것으로, 의미 있는 최대 피탐지 거리란, 각 표적에서 화살표 이후의 OdB 이상을 갖는 값은 dB값이 너무 낮고 0dB이상을 유지하는 거리가 너무 짧아 무의미한 것으로 간주하였다는 의미이다.다만, 위협지수를 산출할 때에는 각 등급구간의 dB값을 넘는 거리값은 모두 합산하여 거리값을 산출한다.

다음으로, 위협지수의 산출에는 각 표적별로, 각 등급구간(i)의 dB를 넘는 거리값과 그 등급구간에서의 가중치 함수를 곱셈한 값들을 모두 합산하여 산출한다.

도 4에 도시된 표에서와 같이, 표적 #2를 예로들면, 등급지수 i=1에서는 신호초과비가 없으므로, R₁=0이며, 등급지수 i=2에서는 신호초과비가 존재하므로 이 때의 거리값 R₂=1.7, 등급지수 i=3에서는 거리값 R₃=3.1이다. 또한 각 등급지수에 해당하는 등급구간에서의 가중치 함수는 모든 표적에 대하여 같은 값을 갖는데, ₁=1, ₂=0.607, ₃=0.513이다.

따라서, 표적 #2는 위협지수 0.262로 산출된다. 즉, 도 3(b)와 도 4를 참조하며, 표적 #2는 최대 피탐지 거리를 갖으나 위협지수는 0.262로 산출되는 반면, 표적 #4는 표적 #2보다 짧은 피탐지 거리를 갖지만 위협지수는 0.341로 산출되어 위협지수 더 높은 표적으로 결정된다.

모든 표적(표적 #1 ~ #4)들의 위협지수 산출결과를 보면, 위협지수가 높은 순으로 배열할 때, 표적 #4, 표적 #2, 표적 #3, 표적 #1 순이다.

이상, 위협지수를 산출하는 방법에 대하여 설명하였다. 이와 같이 해양음향환경의 특수성 및 표적의 소나 성능을 고려하여 산출된 위협지수는 상술한 위협평가방법의 위협 고려 항목으로 수치화되어 반영되어 통합 위협값을 산출할 수 있도록 한다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명의 사상적 범주에 속한다.

Claims (5)

1. 해양음향환경을 고려한, 표적들에 대한 자함의 위협평가방법에 있어서,
   (a) 위협평가에 고려될 위협 고려 항목들을 선정하는 단계;
   (b) 상기 위협 고려 항목들이 위협평가에 기여하는 정도를 조절하기 위해 상기 위협 고려 항목들 별 가중치 파라미터를 결정하는 단계;
   (c) 현재의 수중 환경을 고려하여 상기 표적들 별 상기 위협 고려 항목들을 수치화된 값으로 산출하는 단계;
   (d) 상기 (c)단계의 산출값에 상기 (b)단계의 가중치 파라미터를 융합하여 상기 표적들 별 통합 위협값을 산출하는 단계; 및
   (e) 상기 통합 위협값에 운용자 옵셋값을 추가 보정하여 최종 위협값을 산출하는 단계를 포함하는 위협평가방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 (a)단계의 위협 고려 항목들은
   표적의 자함과 최단 근접점까지의 도달시간(TCPA), 상기 표적의 상기 최단 근접점 도달시 자함과의 거리(RCPA), 상기 표적의 식별결과, 상기 표적에 대한 자함의 사거리대거리비 및 위협지수 중 적어도 어느 하나 이상인 것임을 특징으로 하는 위협평가방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 위협지수는
   해양음향환경의 변화에 따라 변동하는 상기 표적에 의한 자함의 피탐지 거리 및 자함의 피탐지 확률로 산출되는 것임을 특징으로 하는 위협평가방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 피탐지 확률은
   상기 자함에 구비된 소나에 수신되는 신호의 신호초과비(SE, Signal Excess) 값이 0dB 이상 최대 신호초과비 값 이하까지를 미리 결정된 등급으로 구분한 등급지수로 산출하는 것임을 특징으로 하는 위협평가방법.
5. 삭제

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