KR101499013B1

KR101499013B1 - 다중 경로 음파 전달 모델 기반 어뢰유도방법

Info

Publication number: KR101499013B1
Application number: KR20130111800A
Authority: KR
Inventors: 김종혁; 서태일; 김의진; 조선일
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2013-09-17
Filing date: 2013-09-17
Publication date: 2015-03-05

Abstract

본 발명의 다중 경로 음파 전달 모델 기반 어뢰유도방법은 표적 기동 분석으로 추정한 표적 거리에 대해 다중 경로 음파 전달 모델을 수행해줌으로써 추정한 표적 거리내 표적 존재확률을 높일 수 있고, 특히 자함의 어뢰 발사 시 표적의 심도가 파악된 상태에서 표적에 들키지 않고 최대한 빨리 가까이 접근할 수 있는 경로로 어뢰가 유도되는 특징을 갖는다.

Description

다중 경로 음파 전달 모델 기반 어뢰유도방법{Torpedo Control Considering Ray Tracing of Underwater Sound Energy}

본 발명은 자함 발사 어뢰의 유도에 관한 것으로, 특히 다중 경로 음파 전달 모델이 기반됨으로써 표적의 심도가 파악된 상태에서 표적에 들키지 않고 최대한 빨리 가까이 접근할 수 있는 경로로 어뢰를 유도할 수 있는 다중 경로 음파 전달 모델 기반 어뢰유도방법에 관한 것이다.

일반적으로 함정에서 어뢰를 발사할 영역이 결정되면 그 영역에 표적이 존재한다고 가정하여 어뢰가 발사된다.

그러므로, 어뢰 발사 영역에 표적의 존재 확률을 높이기 위한 한 방법으로 자함은 표적 기동 분석을 수행하고, 그 결과를 토대로 표적의 위치를 추정한 다음, 추정된 표적의 위치로 어뢰를 유도하는 방식이 있다.

이와 같이, 자함의 표적 기동 분석 결과가 어뢰유도에 이용됨으로써 함정 발사 어뢰가 표적에 명중될 확률을 높여 준다.

국내특허공개 10-2012-0016235(2012년02월23일)

하지만, 자함에서 이용되는 표적 기동 분석 결과에서는 어뢰 발사 시 표적의 심도에 대한 정보를 제공할 수 없다는 근본적인 한계가 있다.

이러한 표적의 심도에 대한 정보 부재는 심도가 0(영)인 수상함 표적에서는 큰 영향이 없더라도 잠수함과 같이 심도가 0(영)이 아닌 경우에도 표적의 심도에 대한 정보 없이 어뢰를 발사할 수밖에 없다.

또한, 자함에서 이용되는 표적 기동 분석 결과에서는 발사된 어뢰가 표적에게 들키지 않고 표적 가까이 접근하는 방법이 없이 유도된다는 또 다른 근본적인 한계가 있다.

이에 상기와 같은 점을 감안하여 발명된 본 발명은 표적 기동 분석으로 추정한 표적 거리에 대해 다중 경로 음파 전달 모델을 수행해줌으로써 추정한 표적 거리내 표적 존재확률을 높일 수 있고, 특히 자함의 어뢰 발사 시 표적의 심도가 파악된 상태에서 표적에 들키지 않고 최대한 빨리 가까이 접근할 수 있는 경로로 어뢰가 유도될 수 있는 다중 경로 음파 전달 모델 기반 어뢰유도방법을 제공하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다중 경로 음파 전달 모델 기반 어뢰유도방법은 자함의 표적 기동 분석이 수행되어 표적에 대한 추정 표적 거리가 구해지고, 다중 경로 음파 전달 모델이 수행되어 상기 추정 표적 거리안의 표적에 대한 심도가 유추되며, 어뢰가 상기 심도를 기반으로 상기 자함에서 상기 추정 표적 거리안의 표적으로 발사되는 것을 특징으로 한다.

상기 다중 경로 음파 전달 모델은 상기 표적이 다수일 때 모든 표적을 포함해 수행하고, 상기 심도는 각각의 표적에 대해 유추되며, 상기 각각의 표적에는 상기 어뢰가 각각 발사된다.

상기 다중 경로 음파 전달 모델은 RT(Ray Tracing)가 알고리즘으로 사용된다. 상기 어뢰는 상기 자함이 유지하는 상기 표적에 대한 추적 기능 기반으로 상기 표적을 향해 진행하고, 상기 표적의 소음을 추적한다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다중 경로 음파 전달 모델 기반 어뢰유도방법은 자함의 표적 기동 분석이 수행되어 표적에 대한 추정 표적 거리가 구해지고, 상기 자함 기준으로 1차 다중 경로 음파 전달 모델이 수행되어져 상기 추정 표적 거리안의 표적에 대한 확률분포로 추정표적위치가 설정되고, 상기 추정표적위치 기준으로 2차 다중 경로 음파 전달 모델이 수행되어져 상기 추정표적위치의 표적에 대한 심도 유추와, 상기 표적에 의한 탐지회피가 가능한 어뢰피탐경로 설정이 이루어지며, 어뢰가 상기 심도를 기반으로 상기 자함에서 상기 추정 표적 위치의 표적으로 발사되고, 상기 자함에서 상기 어뢰를 상기 어뢰피탐경로로 유도하는 것을 특징으로 한다.

상기 1차 다중 경로 음파 전달 모델 수행과 상기 2차 다중 경로 음파 전달 모델 수행은 상기 표적이 다수일 때 모든 표적을 포함해 수행하고, 상기 심도는 각각의 표적에 대해 유추되며, 상기 어뢰피탐경로는 각각의 표적에 대해 설정되고, 상기 어뢰피탐경로의 각각에는 상기 표적의 각각으로 발사된 각각의 어뢰가 각각 유도된다.

상기 다중 경로 음파 전달 모델은 RT(Ray Tracing)가 알고리즘으로 사용되고, 상기 어뢰피탐경로의 설정에는 탐험 환경을 고려하여 최단 거리 경로를 찾는 A* 가 알고리즘으로 사용된다.

여기서 A* 알고리즘은 최단 거리 경로를 찾는 알고리즘의 예시일 뿐 다른 최단 경로 탐색 알고리즘도 이용 가능하다.

상기 어뢰는 상기 자함이 유지하는 상기 표적에 대한 추적 기능 기반으로 상기 표적을 향해 진행하고, 상기 표적의 소음을 추적한다.

이러한 본 발명은 다중 경로 음파 전달 모델을 기반으로 표적의 심도를 유추한 후 자함의 어뢰가 발사될 수 있고, 특히 심도가 0(영)이 아닌 잠수함과 같은 표적에 대한 어뢰 발사 성능이 크게 개선되는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 다중 경로 음파 전달 모델을 기반으로 자함에서 발사된 어뢰가 표적의 심도에 맞게 진행하면서도 표적에 의한 피탐 구역으로 유도됨으로써 자함 발사 어뢰의 표적 노출 위험성이 크게 개선되는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 표적 기동 분석 성능이 다중 경로 음파 전달 모델로 한층 강화됨으로써 하드웨어적인 추가에 따른 비용 상승이 없는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 다중 경로 음파 전달 모델 기반 어뢰유도방법의 블록 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 어뢰유도방법을 위한 자함 기준으로 생성된 다중 경로 음파 전달 모델의 예이며, 도 3은 본 발명에 따른 어뢰유도 시 자함의 표적 추정위치를 기준으로 생성된 다중 경로 음파 전달 모델의 예이다.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 실시예에 따른 다중 경로 음파 전달 모델 기반 어뢰유도방법의 블록 구성을 나타낸다.

도시된 바와 같이, 어뢰유도방법에서는 표적기동분석의 수행(S100)과 함께 2번의 다중 경로 음파 전달 모델이 수행(S200,S300,S400)됨으로써 표적에 대한 심도 추정 후 탐지 불가 영역으로 어뢰가 발사되는 어뢰경로생성(S500)이 이루어진다.

그러므로, 자함의 표적기동분석은 종래 기술로 기술된 표적기동분석과 차이가 있다. 일례로, 본 실시예에서 수행되는 자함의 표적기동분석은 어뢰 발사 영역에 있는 표적까지의 거리 추정에 이용되고, 다중 경로 음파 전달 모델을 이용하여 표적의 존재 확률과 표적의 심도 및 어뢰의 피탐 경로가 산출된다,

반면, 종래 기술로 기술된 자함의 표적기동분석에서는 어뢰 발사 영역에 표적의 존재 확률을 높이기 위한 표적 기동 분석과 그 결과를 토대로 한 표적 위치 추정 및 추정된 표적의 위치로 어뢰를 유도하는 모든 절차가 수행된다.

각 단계(S100,S200,S300,S400,S500)의 구체적인 기능은 다음과 같다.

S100은 자함의 표적기동분석 수행절차로서, 이를 통해 자함에서는 어뢰 발사 영역에 표적의 존재를 확인하고 표적 거리 추정을 위한 절차가 수행된다. S200은 자함 기준의 다중 경로 음파 전달 모델 수행절차로서, 이를 통해 자함에서는 자함 기준으로 표적의 존재 영역에 대한 확률 분포가 얻어진다.

상기 다중 경로 음파 전달 모델은 다양한 방식으로 수행될 수 있지만, 본 실시예에서는 RT(Ray Tracing)알고리즘이 사용된다. RT(Ray Tracing)은 수중 음파의 다중경로 묘사가 이루어짐으로써 음파가 직선뿐만 아니라 굴절 및 반사로 인하여 다중경로로 전달되는 수중 환경에서 표적의 존재 영역에 대한 분포를 얻는 장점이 있다.

그러므로, 음파 전달로 인한 방위 탐지 결과를 RT(Ray Tracing)의 입력으로 넣으면 음원이 되는 표적의 존재 영역에 대한 확률 분포를 얻게 된다.

S300에서는 자함 기준의 다중 경로 음파 전달 모델 결과로부터 자함의 표적 기동 분석 결과로 추정한 표적의 추정 거리 내에서 표적이 실재로 존재할 확률이 가장 높은 영역이 파악되고, 이로부터 추정표적위치가 설정된다.

이러한 예는 도 2를 통해 예시된다. 도시된 바와 같이, 자함(10)은 50미터 깊이에 존재하는 붉은 점으로 나타나 있으며, 자함이 받는 방위 탐지 결과를 바탕으로 RT(Ray Tracing)을 얻을 수 있다. 도시된 예는 간단히 두 개의 ray가 자함(10)으로부터 나오지만, 실제 RT(Ray Tracing)에서는 훨씬 더 많은 ray가 자함(10)으로부터 나오게 된다.

일단, RT(Ray Tracing)이 얻어지면 ray가 조밀하게 지나는 영역은 음원이 되는 표적의 존재 가능성이 높은 영역[레이영역(Ray Zone)(A)]이며, ray가 듬성듬성 지나거나 아예 안 지나는 영역(shadow zone)은 표적(20)의 존재 가능성이 낮은 영역[섀도우 영역(Shadow Zone)(B)]이라고 할 수 있다. 따라서, RT(Ray Tracing)을 토대로 음원이 되는 표적(20)의 존재 영역에 대한 확률 분포를 얻을 수 있다.

또한, 화면상 표시는 구별되는데, 일례로 자함(10)의 표적 기동 분석 결과로 얻어진 추정 거리를 토대로 표적(20)이 타 영역과 구별되는 색깔로 표적존재가능영역으로 표시되고, 다중 경로 음파 전달 모델을 통해서 얻은 표적 존재 확률 분포는 상기 표적존재가능영역의 안에서 깊이에 따른 각 영역 위에 숫자로 나타난다.

그러므로, 각 영역의 숫자가 클수록 표적 존재 확률이 높은 영역이므로, 운용수는 표적 존재 확률이 높은 영역 중 하나의 영역을 선택하여 어뢰를 보낼 위치로 결정한다.

특히, 운용자는 각각의 영역이 서로 구별되어 표적 존재 확률이 높은 다수의 영역이 표시됨으로써 여러 개의 어뢰를 다수의 표적으로 동시에 발사할 수 있다.

한편, S400은 추정표적위치가 설정된 후, 다중 경로 음파 전달 모델이 추정표적위치 기반으로 수행되는 과정으로서, 이로부터 운용수는 표적 존재 확률이 높은 영역 중 하나의 영역을 선택하여 어뢰를 보낼 위치로 결정할 수 있다. 특히 표적 존재 확률이 높은 영역이 타 영역과 구별되는 색깔로 표시됨으로써 운용수의 파악 및 선택이 용이하게 이루어질 수 있다.

S500은 어뢰 경로 생성을 위한 절차로서, 이는 추정표적위치 기반으로 수행된 다중 경로 음파 전달 모델의 결과인 어뢰 탐지 확률 분포를 A* 알고리즘이 적용함으로써 간단하게 이루어질 수 있다. 여기서, A* 알고리즘은 탐지 확률을 고려한 최단 경로 산출 시 적용되는 알고리즘이다.

일례로, 어뢰 발사 영역내 존재한다고 가정한 표적의 추정된 위치를 기준으로 다중 경로 음파 전달 모델이 수행된 결과로 어뢰 탐지 확률 분포가 구해지고, A* 알고리즘이 어뢰 탐지 확률 분포를 적용해 표적 기준으로 탐지 확률이 최소화되며 동시에 추정된 표적위치에 최대한 빨리 도달할 수 있는 피탐 확률을 고려한 어뢰 유도 경로가 설정되는 방식이다.

그러므로, S500에서는 설정된 표적의 심도 파악과 표적을 향해 발사된 어뢰가 표적으로부터 발견되기 어려운 피탐 회피 경로가 설정될 수 있다.

이러한 예는 도 3을 통해 예시된다. 도시된 바와 같이, 표적 추정위치를 기준으로 생성된 다중 경로 음파 전달 모델에서는 화살표와 같이 어뢰피탐경로(30-1)가 묘사된다. 상기 어뢰피탐경로(30-1)의 설정에는 전술한 바와 같이 탐험 환경을 고려하여 최단 거리 경로를 찾는데 널리 쓰이는 A* 알고리즘이 적용된다.

그러므로, 상기 어뢰피탐경로(30-1)로 자함(10)에서 발사된 어뢰(20)가 표적(20)까지 유도됨으로써 피탐 확률이 최소화되며 동시에 추정된 표적(20)의 위치에 최대한 빨리 도달할 수 있다.

한편, 자함(10)에서 표적(20)이 탐지할 수 없는 영역인 어뢰피탐경로(30-1)로 유도된 어뢰(30)는 표적(20)을 탐지할 수 없을 수 있으나, 통상 어뢰(30)는 표적(20)을 향한 제어가 자함(10)이 유지하는 표적(20)에 대한 추적 기능 기반으로 이루어짐으로써 표적(20)을 향해 어려움 없이 진행 할 수 있다.

특히, 어뢰(30)의 속력은 일반적으로 표적(20)보다 훨씬 빠르므로, 표적(20)의 소음을 못 들으면서 어뢰(30)가 이동하더라도 처음 어뢰(30)를 발사할 때 표적(20)의 추정 위치에서 표적(20)이 많이 벗어나지 않아 표적(20)을 향해 어려움 없이 진행 할 수 있다.

그러므로, 본 실시예와 같이 자함(10)에서 발사된 어뢰(30)가 어뢰피탐경로(30-1)로 유도되더라도 일단 표적(20)의 근처에 도착하게 되면, 어뢰(30)는 표적(20)의 소음을 다시 추적할 수 있다.

10 : 자함 20 : 표적
30 : 어뢰 30-1 : 어뢰피탐경로
A : 레이영역(Ray Zone) B : 섀도우 영역(Shadow Zone)

Claims

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자함의 표적 기동 분석이 수행되어 표적에 대한 추정 표적 거리가 구해지고,
상기 자함 기준으로 1차 다중 경로 음파 전달 모델이 수행되어져 상기 추정 표적 거리안의 표적에 대한 확률분포로 추정표적위치가 설정되고,
상기 추정표적위치 기준으로 2차 다중 경로 음파 전달 모델이 수행되어져 상기 추정표적위치의 표적에 대한 심도 유추와, 상기 표적에 의한 탐지회피가 가능한 어뢰피탐경로 설정이 이루어지며,
어뢰가 상기 심도를 기반으로 상기 자함에서 상기 추정 표적 위치의 표적으로 발사되고,
상기 자함에서 상기 어뢰를 상기 어뢰피탐경로로 유도하는 것을 특징으로 하는 다중 경로 음파 전달 모델 기반 어뢰유도방법.
청구항 5에 있어서, 상기 1차 다중 경로 음파 전달 모델 수행과 상기 2차 다중 경로 음파 전달 모델 수행은 상기 표적이 다수일 때 모든 표적을 포함해 수행하고, 상기 심도는 각각의 표적에 대해 유추되며, 상기 어뢰피탐경로는 각각의 표적에 대해 설정되는 것을 특징으로 하는 다중 경로 음파 전달 모델 기반 어뢰유도방법.
청구항 6에 있어서, 상기 어뢰피탐경로의 각각에는 상기 표적의 각각으로 발사된 각각의 어뢰가 각각 유도되는 것을 특징으로 하는 다중 경로 음파 전달 모델 기반 어뢰유도방법.
청구항 5내지 7중 어느 한 항에 있어서, 상기 다중 경로 음파 전달 모델은 RT(Ray Tracing)가 알고리즘으로 사용되는 것을 특징으로 하는 다중 경로 음파 전달 모델 기반 어뢰유도방법.
청구항 5내지 7중 어느 한 항에 있어서, 상기 어뢰피탐경로의 설정에는 탐험 환경을 고려하여 최단 거리 경로를 찾는 A* 가 알고리즘으로 사용되는 것을 특징으로 하는 다중 경로 음파 전달 모델 기반 어뢰유도방법.
청구항 5에 있어서, 상기 어뢰는 상기 자함이 유지하는 상기 표적에 대한 추적 기능 기반으로 상기 표적을 향해 진행하고, 상기 표적의 소음을 추적하는 것을 특징으로 하는 다중 경로 음파 전달 모델 기반 어뢰유도방법.