KR101535476B1 - 표적기동분석 성능 향상을 위한 자함 권고 기동 제어방법 - Google Patents

표적기동분석 성능 향상을 위한 자함 권고 기동 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 표적에 대한 가관측성을 최대한 증가시켜 표적 추적의 정확성을 향상시킬 수 있는 자함 권고 기동 제어방법에 관한 것으로, 표적 정보 및 자함 정보를 검출하는 단계; 자함의 현 위치에서부터 변침 가능한 여러 진행 방향 중에서 지형지물을 피하고 자함의 센서 커버리지 내에 추정 표적이 위치하는 방향들을 선택하는 단계; 및 상기 선택된 방향들 중에서 표적에 대한 가관측성을 최대한 증가시키는 방향으로 자함을 기동하는 단계;를 포함한다.

Description

표적기동분석 성능 향상을 위한 자함 권고 기동 제어방법{OWNSHIP MOTION CONTROL METHOD FOR ENHANCEMENT OF TARGET MOTION ANALYSIS PERFORMANCE}
본 발명은 자함 권고 기동에 관한 것으로, 특히 표적에 대한 가관측성을 최대한 증가시켜 표적 추적의 정확성을 향상시킬 수 있는 자함 권고 기동 제어방법에 관한 것이다.
표적의 방위각 정보나 도플러 편이된 주파수 측정값을 기반으로 표적의 위치를 추정하는 표적 기동 표적 기동분석(Target Motion Analysis)은 다양한 분야, 예를들어 센서를 기반으로 한 공중 또는 수중 감시에서 오랫동안 연구되어 왔다.
따라서, 방위각 정보로써 표적을 추적하는 표적기동분석의 성능을 향상시키기 위해서는 자함(Ownship)을 변침할 필요가 있다. 자함이 변침을 하면 방위각 변화율이 증가하며 가관측성이 증가하고 결과적으로 표적의 추적이 정확해진다.
그런데, 운용수가 경험적으로 가관측성이 증가하는 방향을 판단하고 자함을 기동할 수도 있으나 이러한 판단은 부정확할 가능성이 크다. 자함 기동 과정을 자동화하면 운용수의 부담을 많이 줄일 수 있으므로 가관측성을 증가시키는 자함 권고 기동에 대한 연구가 많이 진행되어왔다.
일반적으로 자함에 탑재된 센서는 방위별 센서 표준편차가 틀리므로 자함 기동 시 이러한 방위별 표준편차를 고려할 필요가 있다. 즉, 자함 기동 시 표적의 위치는 작은 센서 표준편차를 갖는 방위에 존재하는 것이 유리하다. 자함의 센서가 설치된 위치에 따라서 센서가 도달 가능한 영역이 존재하는데 이러한 영역을 센서 커버리지(coverage) 영역이라고 한다.
기존의 자함 권고 기동에서는 센서 커버리지 영역을 고려하지 않았다. 그렇지만, 자함이 변침을 할 때 표적이 이러한 센서 커버리지 영역을 벗어나게 되면 오히려 표적을 놓치는 문제가 발생한다. 게다가 자함이 변침할 시 지형지물에 부딪히는 방향은 피해야 한다.
따라서, 본 발명의 목적은 표적에 대한 가관측성을 최대한 증가시켜 표적기동분석 성능을 향상시킬 수 있는 자함 권고 기동 제어방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 센서 커버리지 영역, 센서 방위별 표준편차, 지형지물을 고려하며 동시에 표적에 대한 가관측성을 최대한 증가시킬 수 있는 자함 권고 기동 제어방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 자함 권고 기동 제어방법은, 표적 정보 및 자함 정보를 검출하는 단계; 자함의 현 위치에서부터 변침 가능한 여러 진행 방향중에서 지형지물을 피하고 자함의 센서 커버리지내에 추정 표적이 위치하는 방향들을 선택하는 단계; 및 상기 선택된 방향들 중에서 표적에 대한 가관측성을 최대한 증가시키는 방향으로 자함을 기동하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 추정 표적이 위치하는 방향을 선택하는 단계는, 현 자함의 위치에서부터 변침 가능한 방향으로 소정 시간 동안 움직인 각 자함의 예측 위치에서 센서가 도달 가능한 센서 커버리지를 구하는 단계; 상기 각 자함의 예측 위치에서 표적의 추정위치를 구하는 단계; 및 상기 자함의 예측위치 중에서 상기 센서 커버리지가 추정 표적 위치를 포함하고 지형지물을 피하는 예측 위치를 선택하는 단계;를 포함한다.
상기 자함을 기동하는 단계는, 각 진행 가능 방향으로 소정 시간 동안 움직인 자함의 예측 위치에서, 표적의 거리 및 방위 신뢰도 타원에 접하는 두 접선이 이루는 각과 각 자함의 예측 위치에서 표적 추정 위치에 대한 방위각별 센서 표준편차를 구하는 단계; 및 구해진 각이 최대가 되고 센서 표준편차가 최소화되는 자함의 예측 위치를 가관측성을 최대한 증가시키는 방향으로 결정하는 단계; 및 결정된 방향으로 자함을 기동하는 단계;를 포함한다.
상기 자함 권고 기동 제어방법은, 표적이 소정시간 움직인 후 미래 표적 위치와 예측되는 미래 표적의 거리 및 방위 신뢰도 타원을 이용하여 표적에 대한 가관측성을 최대한 증가시키는 방향으로 자함을 기동하는 단계;를 더 포함한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 자함 권고 기동 제어방법은, 현 자함의 위치에서부터 변침 가능한 방향으로 소정 시간 동안 움직인 각각의 예측 위치에서 센서가 도달 가능한 센서 커버리지를 구하는 단계; 상기 각 예측 위치에서 표적의 추정위치를 구하는 단계; 상기 구해진 센서 커버리지가 추정 표적 위치를 포함하며 지형지물을 피하는 예측 위치들을 선택하는 단계; 및 상기 선택된 예측 위치에서 방위별 센서 표준편차와 지형지물을 고려하여 표적에 대한 가관측성을 최대한 증가시키는 방향으로 자함을 기동하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 자함을 기동하는 단계는, 각 자함의 예측 위치에서 표적의 거리 및 방위 신뢰도 타원에 접하는 두 접선을 긋는 단계; 각 자함의 예측 위치에서 표적 추정 위치에 대한 방위를 구하여 방위별 센서 표준 편차를 구하는 단계; 및 상기 자함의 예측 위치중에서 두 접선이 이루는 각이 최대가 되고 동시에 센서 표준 편차가 최소화되는 위치를 결정한 후 결정 위치의 방향으로 자함을 기동하는 단계;를 포함한다.
상기 자함 권고 기동 제어방법은, 표적이 소정시간 움직인 후 미래 표적 위치와 예측되는 미래 표적의 거리 및 방위 신뢰도 타원을 이용하여 표적에 대한 가관측성을 최대한 증가시키는 방향으로 자함을 기동하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 자함 권고 기동 제어방법은 센서 커버리지, 방위별 센서 표준편차와 지형지물을 고려하여 표적에 대한 가관측성을 최대한 증가시키는 방향으로 자함을 기동함으로써 간단하고 적은 연산량으로도 보다 정확하게 표적을 추적할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 자함 권고 기동 제어 방법은 표적에 대한 가관측성을 확보하기 위해서 어뢰를 자동으로 제어하는 알고리즘으로도 쓰일 수 있다.
도 1은 자함 권고 기동 구성도.
도 2는 본 잠수함의 전형적인 센서 커버리지 영역을 나타낸 도면.
도 3은 표적의 추정위치와 자함의 기하학적 관계를 나타낸 도면.
도 4는 표적의 추정위치와 자함의 기하학적 관계를 나타낸 도면.
도 5는 미래 표적의 예측 추정위치와 자함의 기하학적 관계를 나타낸 도면.
도 1은 본 발명에서 제안한 자함 권고 기동 제어를 위한 동작 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 연산부는 표적 정보 검출부에서 매 타임 스텝마다 입력되는 표적의 방위각과 자함 정보 검출부로부터 입력되는 자함정보(위치, 속도)를 근거로 표적 기동 표적 기동분석(TMA) 필터의 파티클을 초기화한 후 표적의 추정 정보(위치, 속도, 거리 불확실성, 방위 불확실성)를 출력한다.
거리 및 방위 신뢰도 타원 형성부는 표적 추정정보를 근거로 표적을 중심으로 하는 거리 및 방위 신뢰도 타원(error ellipse)을 형성하고, 센서 정보 검출부는 자함의 센서 커버리지(coverage) 영역과 지형지물 정보를 검출하여 출력한다.
상기 표적 추정정보를 근거로 거리 및 방위 신뢰도 타원 형성은 다음과 같이실시한다. TMA결과 표적에 대한 상대 추정거리(R), 방위 불확실성(STD_B), 거리 불확실성(STD_R)을 얻을 수 있다. 거리 및 방위 신뢰도 타원은 표적이 일정 확률 이상으로 존재할 수 있는 영역을 나타낸다. 이 타원에서 장축의 길이는 STD_R이며, 단축의 길이는 R*tan(STD_B)이다. 도 4나 도 5에 도시된 바와같이, 거리 및 방위 신뢰도 타원의 장축은 추정 표적위치에서 현재 자함 위치를 향하는 방향이며, 단축은 장축에 수직인 방향이다. 타원의 중심은 표적의 추정위치이다. 일단 장축과 단축의 길이를 얻은 후 각 축의 꼭지점들을 이어주면 타원이 형성된다.
자함 권고 기동 제어부(또는 제어부)는 자함의 현 위치에서부터 변침 가능한 여러 진행 방향중에서 지형지물을 피하고 자함의 센서 커버리지내에 추정 표적이 위치하는 방향들을 선택한 후 상기 선택된 방향들 중에서 표적에 대한 가관측성을 최대한 증가시키는 방향으로 자함을 기동한다.
상기 각 검출부의 동작은 구분하여 설명하였지만 이에 한정되지 않고, 자함 정보 검출부와 센서 정보 검출부는 하나로 통합될 수 있다. 또한, 거리 및 방위 신뢰도 타원 형성부 및 센서 정보 검출부의 동작은 자함 권고 기동 제어부에서 모두 수행할 수도 있다.
자함 권고 기동 제어부(또는 제어부)는 자함의 현 위치에서 변침 가능한 여러 진행 방향(
Figure 112013102074147-pat00001
)을 설정한다. 각 진행 방향으로 일정 시간(tp)동안 움직인 후 예상되는 n개 자함의 위치를 찾는다. 상기 tp는 표적까지 추정되는 거리에 비례하고 자함의 속도에 반비례하도록 설정한다. 모든 i≤n에 대하여 vi방향으로 tp시간 동안 이동 후 자함의 예상위치를 pi라고 한다.
자함의 센서가 설치된 위치에 따라서 센서가 도달 가능한 영역이 존재하는데 이러한 영역을 센서 커버리지(coverage) 영역이라고 한다.
도 2는 위에서 본 잠수함의 전형적인 센서 커버리지 영역이다.
표적이 자함의 센서 커버리지 영역을 벗어나면 표적에 대한 추적을 놓치게 된다. 따라서, 자함이 tp시간 동안 움직인 각각의 위치 pi(i≤n) 중에서 센서 커버리지가 추정 표적 위치를 포함하는 위치들만을 가려낸다.
도 3은 표적의 추정위치와 자함의 기하학적 관계를 보여준다.
도 3에 도시된 바와 같이, 현재 자함의 위치는 녹색 점으로 표시되었고 표적의 추정위치는 적색 점으로 표시되었다. 현 자함의 위치에서부터 변침 가능한 방향은 8개의 방향이므로 자함을 기준으로 8개의 화살표를 표시한다.
tp시간 이후 자함의 예측 위치 pi(i≤n)는 각 화살표의 끝점으로 표시될 수 있으며, 임의의 예측 위치에 도달하였을 때 센서 커버리지 영역은 두 개의 부채꼴로 나타났다. 특히 도 3에는 자함의 예측 위치 pi(i≤n)중에서 센서 커버리지가 추정 표적을 포함하지 않는 위치가 묘사되어 있다.
따라서, 자함이 도 3에 묘사된 방향으로 이동하면 추정 표적(녹색점)이 부채꼴 형상의 센서 커버리지를 벗어나므로 자함 권고 기동 방향 선택시 도 3에 묘사된 방향은 제외해야 한다.
또한, 자함은 지형지물에 대한 충돌을 회피하는 방향으로 기동해야 한다. 따라서, 현재 자함의 위치에서 각각의 위치 pi(i≤n)를 연결하는 직선이 지형지물을 피하는 위치들을 가려내야 한다.
따라서, 본 발명은 일차적으로 자함이 tp시간 동안 움직인 각각의 위치 pi(i≤n)에서 센서 커버리지가 추정 표적 위치를 포함하며 지형지물을 피하는 위치들을 가려낸다(선택한다). 이렇게 가려낸 위치들을
Figure 112013102074147-pat00002
로 나타내면
Figure 112013102074147-pat00003
중에서 최적의 자함 기동 방향은 다음 방법으로 찾을 수 있다.
최적 자함 기동 방향 찾는 방법
센서 커버리지가 추정 표적 위치를 포함하고 지형지물을 피하는 위치들이 가려지면, 각 위치
Figure 112013102074147-pat00004
에서 표적의 거리 및 방위 신뢰도 타원 (error ellipse)에 두 접선을 긋는다. 두 접선 사이의 이루는 각이 클수록 해당 위치로 자함이 이동했을 때 가관측성이 증가함을 의미한다.
각 예측 위치
Figure 112013102074147-pat00005
에서 표적의 거리 및 방위 신뢰도 타원에 접하는 두 접선이 이루는 각을
Figure 112013102074147-pat00006
로 표현한다. 각 예측 위치
Figure 112013102074147-pat00007
에서 표적 추정 위치에 대한 방위각을 구한 후 이 방위에 대한 센서 표준편차를
Figure 112013102074147-pat00008
로 나타낸다. 자함은
Figure 112013102074147-pat00009
를 최대화시키며 동시에
Figure 112013102074147-pat00010
를 최소화하는 방향으로 기동해야 한다. 이를 위하여 다음 수학식 1과 같은 비용함수(cost function :
Figure 112013102074147-pat00011
)을 정의한다.
[수학식 1]
Figure 112013102074147-pat00012
상기 식에서
Figure 112013102074147-pat00013
는 0보다 크거나 같은 변경 인자(tunning factor)이다.
Figure 112013102074147-pat00014
를 0으로 설정하면 방위별 센서 표준 편차를 고려하지 않은 경우이며,
Figure 112013102074147-pat00015
가 커질수록 방위별 센서 표준편차를 고려한 함수가 된다. 각각의 위치
Figure 112013102074147-pat00016
에 대하여 해당하는
Figure 112013102074147-pat00017
를 찾고
Figure 112013102074147-pat00018
가 최대가 되는 방향으로 자함을 기동한다. 물론, 수학식 1이 아니어도
Figure 112013102074147-pat00019
를 최대화시키며 동시에
Figure 112013102074147-pat00020
를 최소화하는 비용함수가 존재한다면 사용 가능하다(예:
Figure 112013102074147-pat00021
).
도 4는 표적의 추정위치와 자함의 기하학적 관계로서, 추정 표적에 대한 최적 자함 기동 방향을 나타낸다.
현 자함의 위치는 녹색 점으로 표시되었고 표적의 추정위치는 붉은 색 점으로 표시 되었다. 표적의 거리 및 방위 신뢰도 타원(error ellipse)은 표적을 중심으로 한 타원으로 묘사되었다. 현 자함의 위치에서부터 변침 가능한 방향은 여덟 방향이므로 자함 기준으로 여덟 개의 화살표가 나오고 있다. tp시간 이후 자함의 예측 위치
Figure 112013102074147-pat00022
는 각 화살표의 끝점으로 표시되었다. 자함의 예측 위치 중에서
Figure 112013102074147-pat00023
가 가장 큰 위치는 도 4에 묘사되었다. 추정 표적의 위치(붉은 점)가 도 4에 묘사된 자함의 예측 위치에서 센서 커버리지(두 개의 파선 부채꼴)안에 존재하므로, 도 4에 나타난 방향으로 자함 권고 기동이 이루어진다.
본 발명은 센서 커버리지, 방위별 센서 표준편차와 지형지물을 고려하며, 표적에 대한 가관측성을 최대한 증가시키기 위한 자함 권고 기동을 제시하였다. 본 발명에서 제안된 자함 권고 기동 방안은 간단하고 부가적인 연산량이 적으므로 실시간 자함 권고 기동에 적합하므로 표적에 대한 가관측성을 확보하기 위해서 어뢰를 자동으로 제어하는 알고리즘으로도 쓰일 수 있다.
또한, 본 발명은 표적의 미래 위치/속력을 고려하여 자함 권고 기동을 산출하는 방법으로도 확장 가능하다. 즉, 현재까지 얻어진 표적 기동 분석 결과를 토대로, 표적이 tp시간 동안 움직인 이후 미래 표적 위치와 예측되는 미래 표적의 거리 및 방위 신뢰도 타원(predicted error ellipse)에 대해서 수학식 1의 비용함수 (cost function)를 최대화하는 방향으로 자함을 이동시킨다.
도 5는 미래 표적의 예측 추정위치와 자함의 기하학적 관계도로서, 예측 추정 표적에 대한 최적 자함 기동 방향을 나타낸다.
도 5를 참조하면, 현 자함의 위치는 녹색 점으로 표시되었고 현재 표적의 추정위치는 적색 점으로 표시되었다. 표적이 tp시간 동안 움직인 이후 미래 표적 위치는 점선으로 되어있는 적색 점(50)으로 표시되었다. 그리고, 예측되는 표적의 거리 및 방위 신뢰도 타원(predicted error ellipse)은 미래 표적 위치를 중심으로 한 타원으로 묘사되었다. 따라서, 자함의 예측 위치 중에서 미래 표적 위치와 예측되는 미래 표적의 거리 및 방위 신뢰도 타원(predicted error ellipse)에 대하여 수학식 1의 비용함수(
Figure 112013102074147-pat00024
)가 가장 큰 위치가 도 5에 묘사되어 있다.
상술한 바와 같이 본 발명은 센서 커버리지, 방위별 센서 표준편차와 지형지물을 고려하여 표적에 대한 가관측성을 최대한 증가시키는 방향으로 자함을 기동함으로써 간단하고 적은 연산량으로도 보다 정확하게 표적을 추적할 수 있는 장점이 있다.
상기와 같이 설명된 본 발명에 따른 자함 권고 기동 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 상술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다.
50 : 미래의 표적 위치

Claims (7)

  1. 표적 정보 및 자함 정보를 검출하는 단계;
    자함의 현 위치에서부터 변침 가능한 여러 진행 방향 중에서 지형지물을 피하고 자함의 센서 커버리지내에 추정 표적이 위치하는 방향들을 선택하는 단계;
    상기 선택된 각 방향으로 소정 시간 동안 움직인 자함의 예측 위치에서 표적의 거리 및 방위 신뢰도 타원에 접하는 두 접선이 이루는 각과 각 자함의 예측 위치에서 표적 추정 위치에 대한 방위각별 센서 표준편차를 구하는 단계; 및
    상기 자함의 예측 위치중에서 두 접선이 이루는 각이 최대가 되고 센서 표준 편차가 최소화되는 자함의 예측 위치를 가관측성을 최대한 증가시키는 방향으로 결정하여 자함을 기동하는 단계;를 포함하는 자함 권고 기동 제어방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 추정 표적이 위치하는 방향을 선택하는 단계는
    현 자함의 위치에서부터 변침 가능한 방향으로 소정 시간 동안 움직인 각 자함의 예측 위치에서 센서가 도달 가능한 센서 커버리지를 구하는 단계;
    상기 각 자함의 예측 위치에서 표적의 추정위치를 구하는 단계; 및
    상기 자함의 예측위치 중에서 상기 센서 커버리지가 추정 표적 위치를 포함하고 지형지물을 피하는 예측 위치를 선택하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자함 권고 기동 제어방법.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 표적이 소정시간 움직인 후 미래 표적 위치와 예측되는 미래 표적의 거리 및 방위 신뢰도 타원을 이용하여 표적에 대한 가관측성을 최대한 증가시키는 방향으로 자함을 기동하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자함 권고 기동 제어방법.
  5. 현 자함의 위치에서부터 변침 가능한 방향으로 소정 시간 동안 움직인 각각의 예측 위치에서 센서가 도달 가능한 센서 커버리지를 구하는 단계;
    상기 각 예측 위치에서 표적의 추정위치를 구하는 단계;
    상기 구해진 센서 커버리지가 추정 표적 위치를 포함하며 지형지물을 피하는 예측 위치들을 선택하는 단계;
    상기 선택된 각 자함의 예측 위치에서 표적의 거리 및 방위 신뢰도 타원에 접하는 두 접선을 긋는 단계;
    각 자함의 예측 위치에서 표적 추정 위치에 대한 방위를 구하여 방위별 센서 표준 편차를 구하는 단계; 및
    상기 자함의 예측 위치중에서 두 접선이 이루는 각이 최대가 되고 센서 표준 편차가 최소화되는 위치를 결정한 후 해당 위치의 방향으로 자함을 기동하는 단계;를 포함하는 자함 권고 기동 제어방법.
  6. 삭제
  7. 제5항에 있어서, 상기 표적이 소정시간 움직인 후 미래 표적 위치와 예측되는 미래 표적의 거리 및 방위 신뢰도 타원을 이용하여 표적에 대한 가관측성을 최대한 증가시키는 방향으로 자함을 기동하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자함 권고 기동 제어방법.
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KR101104200B1 (ko) * 2010-07-21 2012-01-09 국방과학연구소 표적 기동 분석을 위한 다중 주파수 융합 장치 및 방법

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논문(1998.08) *
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