KR101449571B1

KR101449571B1 - 유전 알고리즘을 이용하여 레이더 펄스 선택의 모호성을 해결하여 위협 위치를 추정하는 방법

Info

Publication number: KR101449571B1
Application number: KR1020140011401A
Authority: KR
Inventors: 한진우; 조제일; 송규하; 정운섭
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2014-01-29
Filing date: 2014-01-29
Publication date: 2014-10-13

Abstract

본 발명은 레이더 펄스 선택의 모호성을 해결하여 위협 위치를 추정하는 방법에 관한 것으로, 구체적으로 유전 알고리즘을 기반으로 한 TDOA(Time Difference Of Arrival) 시스템에서의 레이더 펄스 선택의 모호성을 해결하여 위협 위치를 추정하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 방법은 레이더의 펄스를 수신하는 전자장비간 이격거리대리 작은 펄스 반복 주기 값을 가지는 위협에 대한 레이더 펄스 선택의 모호성을 해결하며, 정확도 및 수렴속도가 빨라 TDOA를 이용하는 위치추정 시스템의 약점을 보완할 수 있을 것으로 기대된다.

Description

유전 알고리즘을 이용하여 레이더 펄스 선택의 모호성을 해결하여 위협 위치를 추정하는 방법 {METHOD OF ESTIMATING LOCATION OF THREAT WITH RESOVING THE AMBIGUITY OF SELECTING RADAR PULSES USING GENETIC ALGORITHM}

본 발명은 레이더 펄스 선택의 모호성을 해결하여 위협 위치를 추정하는 방법에 관한 것으로, 구체적으로 유전 알고리즘을 기반으로 한 TDOA(Time Difference Of Arrival) 시스템에서의 레이더 펄스 선택의 모호성을 해결하여 위협 위치를 추정하는 방법에 관한 것이다.

TDOA 시스템은 각 레이더의 펄스를 수신하는 전자장비에서 수신되는 위협 신호의 신호도착시간을 이용하여 위협의 위치를 탐지한다. TDOA 시스템은 TDOA 값을 추출하기 위하여 레이더의 펄스를 수신하는 전자장비 다수를 이격하여 운영한다. 레이더에서 방사되는 펄스 신호는 특정 주기(Pulse Repetition Interval, PRI)를 가지는데, 상기 PRI 값이 레이더의 펄스를 수신하는 전자장비간 이격거리 대비 작은 거리값(PRIⅹ빛의 속도)을 가지는 경우 각 레이더의 펄스를 수신하는 전자장비에서 수신된 펄스의 쌍을 구하는데 있어서 모호성이 발생하는 문제점이 있다.

상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 유전 알고리즘을 이용하여 TDOA 시스템에서의 레이더 펄스 선택의 모호성을 해결하여 위협 위치를 추정하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 레이더의 펄스를 수신하는 전자장비의 위치와 상기 전자장비가 분석한 위협의 방위값으로 교차점들을 계산하는 단계; 상기 교차점들간의 거리 중 제일 긴 거리를 반지름으로 하는 원을 염색체 생성영역으로 설정한 후 염색체를 가상 시뮬레이션으로 랜덤하게 생성시키는 단계; 상기 염색체 생성 후 레이더의 펄스를 수신하는 전자장비와 염색체와의 거리, 및 대상 펄스의 개수로 염색체의 적합도를 계산하는 단계; 상기 적합도를 반영하여 생성된 염색체들끼리 교배시켜 새로운 염색체를 생성시키는 단계; 상기 새로운 염색체의 생성을 종료하는 단계; 및 생성된 염색체 중 동일한 염색체의 비율이 가장 큰 위치를 위협 위치로 판단하는 단계를 포함하는 위협 위치를 추정하는 방법을 제공한다.

일 구현예는 상기 방법이 상기 전자장비간의 거리가 레이더의 펄스반복주기 ⅹ 빛의 속도 (299,792,458 m/s) 값 미만인 경우에도 위협 위치를 추정하는 것일 수 있다.

다른 일 구현예는 상기 대상 펄스의 개수는 상기 전자장비를 통해 입력되는 펄스반복주기로 산정되는 것일 수 있다. 예컨대, 상기 대상 펄스의 개수는 하기 수학식 1에 따라 산정되는 것일 수 있다:

[수학식 1]

상기 N은 대상 펄스의 개수이며,

c는 빛의 속도이며,

d는 레이더의 펄스를 수신하는 전자장비간의 최소 이격거리이다.

또 다른 일 구현예는 상기 염색체의 생성은 설정된 염색체 생성영역에서 무작위로 생성되는 것일 수 있다.

또 다른 일 구현예는 상기 새로운 염색체의 생성은 돌연변이 발생율이 반영된 것일 수 있으며, 구체적 예로 상기 돌연변이 발생율은 30%인 것일 수 있다.

또 다른 일 구현예는 상기 종료하는 단계는 유전되는 세대가 20 이상이거나 전체 염색체 중 동일한 염색체를 가지는 비율이 50% 이상인 경우 종료하는 것일 수 있다.

본 발명의 방법은 레이더의 펄스를 수신하는 전자장비간 이격거리대비 작은 펄스반복주기 값을 가지는 위협에 대한 레이더 펄스 선택의 모호성을 해결하며, 모호성 발생 시 위협 위치 추정의 정확도 및 수렴속도가 빨라 TDOA를 이용하는 위치추정 시스템의 약점을 보완할 수 있을 것으로 기대된다.

도 1은 유전 알고리즘 기반 레이더 펄스 선택 모호성이 발생하는 경우 이를 해결하여 위협 위치를 추정하는 방법의 순서도를 나타낸 것이다.

위협의 위치를 추정하기 위해, 레이더의 펄스를 수신하는 다수의 전자장비가 수집한 레이더 펄스 중 동일한 펄스들을 선택하여 쌍을 만들어 비선형적 방정식을 만들고 이를 이용하여 위치를 추정한다. 동일한 펄스들을 선택 시, 상기 전자장비간의 거리가 레이더의 펄스반복주기 ⅹ 빛의 속도 값보다 미만인 경우에는 동일한 펄스들을 선택하는데 모호성이 발생하여 위치추정 결과에 오류가 발생하게 된다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 레이더의 펄스를 수신하는 전자장비의 레이더 펄스 선택의 모호성을 해결하여 위협 위치를 추정하는 방법에 관한 것으로, 본 발명은 레이더의 펄스를 수신하는 전자장비의 위치와 상기 전자장비가 분석한 위협의 방위값으로 교차점들을 계산하는 단계; 상기 교차점들간의 거리 중 제일 긴 거리를 반지름으로 하는 원을 염색체 생성영역으로 설정한 후 염색체를 가상 시뮬레이션으로 랜덤하게 생성시키는 단계; 상기 염색체 생성 후 레이더의 펄스를 수신하는 전자장비와 염색체와의 거리, 및 대상 펄스의 개수로 염색체의 적합도를 계산하는 단계; 상기 적합도를 반영하여 생성된 염색체들끼리 교배시켜 새로운 염색체를 생성시키는 단계; 상기 새로운 염색체의 생성을 종료하는 단계; 및 생성된 염색체 중 동일한 염색체의 비율이 가장 큰 위치를 위협 위치로 판단하는 단계를 포함하는 위협 위치를 추정하는 방법을 제공한다.

이하, 첨부된 도 1을 참고하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1에는 본 발명에 따른 유전 알고리즘 기반 TDOA 시스템에서의 레이더 펄스 모호성 해결하여 위협 위치를 추정하는 방법의 절차를 도시하고 있다.

본 발명에 있어서 위협은 레이더 펄스를 방사하는 방사체(emitter)를 의미한다.

대상펄스개수 산정(100)은 각 레이더의 펄스를 수신하는 전자장비에서의 수집/분석 결과인 AET(Active Emitter Table)내의 PRI값과 상기 레이더의 펄스를 수신하는 전자장비간 최소 이격거리(d)를 이용하여 모호성 해결에 이용할 대상 펄스의 개수(N)를 설정하는 것이며, 대상 펄스의 개수를 구하는 식은 하기 수학식 1과 같다. 하기 수학식 1에서 c는 빛의 속도이다.

[수학식 1]

교차점 계산(200)은 각 전자장비에서의 AET내의 상기 전자장비가 분석한 위협의 방위값(θ)과 전자장비의 위치를 이용하여 LOB(Line Of Bearing) 수식을 생성하고 각 LOB들간의 교차점을 계산한다.

상기 LOB 수식은 각 전자장비에서의 위협에 대한 방위값(θ)과 전자장비의 위치(x1, y1)로 결정되는데, θ는 LOB(직선)의 기울기이므로 tan(θ)을 하면 기울기가 되며, 한 점(전자장비 위치)에서 기울기를 알고 있으면 직선의 수식을 구할 수 있으므로, LOB 수식은 하기 수학식 2와 같다.

[수학식 2]

y = ax + b

상기 수학식 2에서 a는 tan(θ)이고, (x, y)에 전자장비 위치 (x1, y1)을 대입하면 b가 계산되므로, LOB의 수식을 계산할 수 있다.

염색체 생성영역 설정(300)은 교차점들을 이용하여 염색체를 생성할 영역을 설정한다. 교차점들간의 거리가 가장 긴 거리(r)를 반지름으로 하는 원을 염색체 생성영역으로 설정한다.

염색체 생성(400)은 염색체 생성영역에 랜덤하게 염색체를 가상 시뮬레이션으로 생성하는 단계로서, 염색체의 위치(C(x,y))는 하기 수학식 3에 따라 계산되며, 반복수행하여 총 M개 생성한다. 수학식 3에서 s1, s2는 좌표의 부호를 의미하며, r은 반지름, Rand은 랜덤함수로서 0내지 1사이의 값을 리턴한다. Rect는 입력이 -1 내지 0이면 -1을, 0 내지 1이면 +1을 리턴하는 함수이다.

[수학식 3]

s1 = Rect(Rand×2 -1)

s2 = Rect(Rand×2 -1)

xt = Rand×r

yt = Rand×

C(x,y) = (s1×xt, s2 ×yt)

적합도(F) 계산(500)은 염색체별로 염색체와 레이더의 펄스를 수신하는 전자장비의 거리로 계산한 TDOA와 실제 수신한 대상펄스들과의 TDOA의 차를 계산하여 그 합의 역수로 표현한다. 하기 수학식 4에서 TDOA_jk는 레이더의 펄스를 수신하는 전자장비 j(R_j)와 레이더의 펄스를 수신하는 전자장비 k(R_k), 그리고 한 염색체(C_q)를 이용하여 거리를 계산하고 이를 빛의 속도로 나눈 값이고, 여기서 염색체와 레이더의 펄스를 수신하는 전자장비간 거리는 유클리디언 거리로 계산한다. 수학식 4에서 pj는 레이더의 펄스를 수신하는 전자장비 j에서 수신한 펄스의 도착시간을 의미한다. 즉, p는 펄스의 도착시간을 의미하고, a 또는 b는 펄스의 도착순서를 의미하며, pj(a)는 수신장비j의 a번째 펄스의 도착시간을 의미하고, pk(b)는 수신장비k의 b번째 펄스의 도착시간을 의미한다.

[수학식 4]

교배(600)는 두 개의 염색체를 가지고 교배하여 새로운 하나의 염색체를 가상 시뮬레이션으로 만드는 과정이다. 염색체 집단에서 임의로 하나의 쌍을 염색체의 총 개수 M개 만큼 선택한다. 임의로 하나의 쌍(두개의 염색체)을 선택할 때는 적합도를 고려하여 룰렛 휠 방법으로 높은 적합도를 가진 염색체가 선택될 확률이 높도록 한다. 교배는 선택된 하나의 쌍{C_j, C_k}을 적합도를 고려하여 교배함으로써 새로운 염색체(*C_v)를 생성하는 것으로 새로운 염색체는 하기 수학식 5에 따라 구해진다.

[수학식 5]

돌연변이 생성(700)은 30%의 돌연변이 발생율(U)만큼만 염색체 집단에 반영하는 것으로, 상기 발생율이 적용되는 염색체에 대해서는 하기 수학식 6이 적용된다. 수학식 6에서 Rand()는 랜덤함수로 0~1사이의 값을 랜덤으로 발생하며, r은 염색체 발생영역의 반지름이다.

[수학식 6]

염색체 갱신(800)은 기존의 염색체 집단을 교배와 돌연변이로 변화된 새로운 염색체 집단으로 교체한다.

본 발명에 있어서 세대(G)는 염색체 갱신으로 인해 발생되는 염색체 해집합의 순번을 말한다. 예컨대, 가상 시뮬레이션으로 생성된 염색체가 교배를 통해 새로운 염색체가 생성되면 새롭게 생성된 염색체는 1세대이며, 상기 1세대 염색체가 서로 교배하여 새로운 염색체가 생성되면 교배를 통해 새롭게 생성된 염색체는 2 세대이다.

종료 조건 확인(900)은 새로운 자식 세대로의 유전을 지속할 것인지를 판단하는데, 그 조건으로는 최대 세대(G)와 동일 염색체 임계치(θe)를 이용한다. 즉, 염색체 갱신으로 인한 유전의 세대가 최대 세대(G)인 20이상이거나, 염색체 전체 집단 중 동일한 값을 가지는 염색체의 비율이 임계치(θe)인 50%보다 큰 경우 세대를 종료한다.

위치추정(1000)은 해 전체 집단 중 동일한 염색체의 비율이 가장 큰 부분의 위치(x,y)를 최종 위협의 위치로 판단한다.

Claims

레이더의 펄스를 수신하는 전자장비의 위치와 상기 전자장비가 분석한 위협의 방위값으로 교차점들을 계산하는 단계;
상기 교차점들간의 거리 중 제일 긴 거리를 반지름으로 하는 원을 염색체 생성영역으로 설정한 후 염색체를 가상 시뮬레이션으로 랜덤하게 생성시키는 단계;
상기 염색체 생성 후 레이더의 펄스를 수신하는 전자장비와 염색체와의 거리, 및 대상 펄스의 개수로 염색체의 적합도를 계산하는 단계;
상기 적합도를 반영하여 생성된 염색체들끼리 교배시켜 새로운 염색체를 생성시키는 단계;
상기 새로운 염색체의 생성을 종료하는 단계; 및
생성된 염색체 중 동일한 염색체의 비율이 가장 큰 위치를 위협 위치로 판단하는 단계를 포함하며,
상기 대상 펄스의 개수는 레이더의 펄스를 수신하는 전자장비를 통해 입력되는 펄스반복주기(PRI, Pulse Repetition Interval)로 산정되는 것인, 위협 위치를 추정하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 방법은 상기 전자장비간의 거리가 레이더의 펄스반복주기 ⅹ 빛의 속도 값 미만인 경우에도 위협 위치를 추정하는 것을 특징으로 하는, 위협 위치를 추정하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 대상 펄스의 개수는 하기 수학식 1에 따라 산정되는 것인 위협 위치를 추정하는 방법:
[수학식 1]

상기 N은 대상 펄스의 개수이며,
c는 빛의 속도이며,
d는 레이더의 펄스를 수신하는 전자장비간의 최소 이격거리이다.
제1항에 있어서, 상기 새로운 염색체의 생성은 돌연변이 발생율이 반영된 것으로, 상기 돌연변이 발생율은 30%인 것인, 위협 위치를 추정하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 종료하는 단계는 유전되는 세대가 20 이상이거나 전체 염색체 중 동일한 염색체를 가지는 비율이 50% 이상인 경우 종료하는 것인, 위협 위치를 추정하는 방법.