KR101995964B1 - 탄도를 이용한 텔레메트리 전파 분석 장치 및 그 방법 - Google Patents

탄도를 이용한 텔레메트리 전파 분석 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄도를 이용한 텔레메트리 전파 분석 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 경사거리, 사거리, 비행시간 및 탄착지점을 포함하는 발사체의 탄도정보를 산출하는 탄도정보 산출부와, 상기 탄도정보에 따라 텔레메트리 송신안테나의 송신 방사패턴과 텔레메트리 수신안테나의 수신 방사패턴에 대한 변화 방사패턴을 도출하여 송신이득 및 수신이득을 산출하는 송수신이득 산출부와, 상기 송신이득 및 수신이득과 안테나 파라미터를 이용하여 실제 수신전력을 산출하는 수신전력 산출부를 포함함으로써, 발사체의 탄도에 따라 초래되는 텔레메트리 전파의 미수신 문제에 효과적으로 대처할 수 있다.

Description

탄도를 이용한 텔레메트리 전파 분석 장치 및 그 방법{TELEMETRY RADIO WAVE ANALYSIS APPARATUS USING TRAJECTORY AND ITS METHOD THEREOF}
본 발명은 포탄과 같은 발사체의 탄도정보와 텔레메트리 송수신안테나의 방사패턴을 이용하여 텔레메트리 전파의 수신전력을 분석함으로써, 발사체의 탄도에 따라 초래되는 텔레메트리 전파의 미수신 문제에 효과적으로 대처할 수 있는 탄도를 이용한 텔레메트리 전파 분석 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
잘 알려진 바와 같이, 다양한 기폭 방식을 가지는 포탄과 같은 발사체의 신관에서 탄착 후에 기폭되는 충격신관은 폭발 여부만 관찰될 경우 신관의 작동 여부가 명확하게 판단될 수 있다.
하지만, 시한신관이나 근접신관의 경우 폭발과정에서 사전에 미리 설정된 시간, 고도, 목표물과의 방위각 등의 충족 여부에 대해 판단하기 어렵기 때문에 신관 작동에 대한 신뢰성 있는 검증이 필요하며, 신관 개발 과정에서도 신뢰성 검증뿐만 아니라 최적화된 신관 설계를 위해 포발사 시험 시 신관 내부의 각종 상황을 명확하게 파악하는 것이 매우 중요하게 대두되고 있다.
이에 따라 신관이 활성화되는 시점부터 기폭 시까지의 필요한 정보를 원격 송신하고, 이를 관측점에서 수신하여 기폭하는 과정을 분석하는 자료로 활용할 수 있도록 텔레메트리 시스템(telemetry system)을 신관에 적용하는 기술이 개발되고 있다.
이러한 텔레메트리 시스템에서는 송신안테나 및 수신안테나를 포함하는데, 포탄에 탑재된 근접센서 안테나(예를 들면, 주파수대역이 비슷한 FMCW 방식의 근접센서 안테나)에 영향을 미치지 않는 상태에서 탄도에 따라 비행하는 포탄에 구비된 신관 내부의 정보들을 포탄의 후방으로 안정적으로 송신할 수 있어야만 한다.
그리고, 텔레메트리 송신 장치(즉, 텔레메트리 안테나를 포함함)를 신관에 탑재할 경우에는 무기체계 호환을 위해 신관 전방 노즈콘(레이돔)의 공간을 활용하는 것이 효과적이며, 체적이 다른 탄체를 사용하더라도 텔레메트리 안테나의 방사 패턴과 송출 강도는 원활한 송수신을 위해 일정 레벨을 지속적으로 유지해야만 한다.
이에 따라, 포탄용 신관의 설계 요구 조건(예를 들면, 고속으로 비행하는 상태에서 착탄 직전의 극히 짧은 시간 동안에 근접센서의 감지정보와 기폭작동여부가 오류 없이 정확하게 송수신되어야 하는 요구조건 등)을 고려하여, 텔레메트리 데이터를 효과적으로 송수신 처리하기 위한 장치가 다양하게 개발되고 있으며, 이와 함께 포탄의 비행궤적(즉, 탄도)에 따라 발생되는 데이터 미수신 구간에 대한 예측 및 분석을 통해 송수신 효율을 향상시키기 위한 장치 개발이 필요한 실정이다.
1. 한국공개특허 제10-2013-0115571(2013.10.22.공개) 2. 한국등록특허 제10-0933662호(2009.12.16.등록)
본 발명은 포탄과 같은 발사체의 탄도정보와 텔레메트리 송수신안테나의 방사패턴을 이용하여 텔레메트리 전파의 수신전력을 분석함으로써, 포탄의 탄도에 따라 초래되는 텔레메트리 전파의 미수신 문제에 효과적으로 대처할 수 있는 탄도를 이용한 텔레메트리 전파 분석 장치 및 그 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 탄도정보, 텔레메트리 송신안테나 정보 및 텔레메트리 수신안테나 정보를 이용하여 탄도가 적용된 송수신 방사패턴을 도출한 후에, 텔레메트리 전파 수신전력을 산출함으로써, 탄도에 따라 텔레메트리 전파의 수신전력을 분석할 수 있을 뿐만 아니라 상대적으로 낮은 수신전력을 갖는 비행 구간을 정확하게 예측할 수 있는 탄도를 이용한 텔레메트리 전파 분석 장치 및 그 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예들의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 경사거리, 사거리, 비행시간 및 탄착지점을 포함하는 발사체의 탄도정보를 산출하는 탄도정보 산출부와, 상기 탄도정보에 따라 텔레메트리 송신안테나의 송신 방사패턴과 텔레메트리 수신안테나의 수신 방사패턴에 대한 변화 방사패턴을 도출하여 송신이득 및 수신이득을 산출하는 송수신이득 산출부와, 상기 송신이득 및 수신이득과 안테나 파라미터를 이용하여 실제 수신전력을 산출하는 수신전력 산출부를 포함하는 탄도를 이용한 텔레메트리 전파 분석 장치가 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 탄도정보는, 상기 발사체에 대한 받음각, 무게중심 및 고도각을 더 포함하는 탄도를 이용한 텔레메트리 전파 분석 장치가 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 탄도정보 산출부는, 진공탄도모델, 질점탄도모델 및 수정질점탄도모델 중 선택된 탄도모델을 통해 상기 탄도정보를 산출하는 탄도를 이용한 텔레메트리 전파 분석 장치가 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 송수신이득 산출부는, 상기 텔레메트리 송신안테나에 대한 송신방사효율 및 송신반사계수를 포함하는 송신안테나 방사패턴 정보에 상기 탄도정보를 반영하여 상기 텔레메트리 송신안테나에 대한 제 1 변화 방사패턴을 도출하는 탄도를 이용한 텔레메트리 전파 분석 장치가 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 송수신이득 산출부는, 상기 탄도정보 중에서 상기 받음각 및 고도각을 상기 제 1 변화 방사패턴을 도출하는데 반영하는 탄도를 이용한 텔레메트리 전파 분석 장치가 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 송수신이득 산출부는, 상기 텔레메트리 수신안테나에 대한 수신방사효율 및 수신반사계수를 포함하는 수신안테나 방사패턴 정보에 상기 탄도정보를 반영하여 상기 텔레메트리 수신안테나에 대한 제 2 변화 방사패턴을 도출하는 탄도를 이용한 텔레메트리 전파 분석 장치가 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 송수신이득 산출부는, 상기 탄도정보 중에서 상기 고도각을 상기 제 2 변화 방사패턴을 도출하는데 반영하면서 상기 텔레메트리 수신안테나의 조절정보를 반영하는 탄도를 이용한 텔레메트리 전파 분석 장치가 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 수신전력 산출부는, 상기 송신이득, 수신이득 및 안테나 파라미터를 프리스 자유공간손실 방정식에 적용하여 발사체 사거리에 따른 상기 실제 수신전력을 산출하는 탄도를 이용한 텔레메트리 전파 분석 장치가 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 안테나 파라미터는, 송수신안테나 사이의 편파 손실, 송신기 RF 출력 전력 및 송신기 RF 신호 주파수를 포함하는 탄도를 이용한 텔레메트리 전파 분석 장치가 제공될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 탄도정보 산출부에서 경사거리, 사거리, 비행시간 및 탄착지점을 포함하는 발사체의 탄도정보를 산출하는 단계와, 상기 탄도정보에 따라 송수신이득 산출부에서 텔레메트리 송신안테나의 송신 방사패턴과 텔레메트리 수신안테나의 수신 방사패턴에 대한 변화 방사패턴을 도출하여 송신이득 및 수신이득을 산출하는 단계와, 수신전력 산출부에서 상기 송신이득 및 수신이득과 안테나 파라미터를 이용하여 실제 수신전력을 산출하는 단계를 포함하는 탄도를 이용한 텔레메트리 전파 분석 방법이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 탄도정보는, 상기 발사체에 대한 받음각, 무게중심 및 고도각을 더 포함하는 탄도를 이용한 텔레메트리 전파 분석 방법이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 탄도정보 산출하는 단계는, 진공탄도모델, 질점탄도모델 및 수정질점탄도모델 중 선택된 탄도모델을 통해 상기 탄도정보를 산출하는 탄도를 이용한 텔레메트리 전파 분석 방법이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 수신 방사패턴을 도출하는 단계는, 상기 텔레메트리 송신안테나에 대한 송신방사효율 및 송신반사계수를 포함하는 송신안테나 방사패턴 정보에 상기 탄도정보를 반영하여 상기 텔레메트리 송신안테나에 대한 제 1 변화 방사패턴을 도출하는 탄도를 이용한 텔레메트리 전파 분석 방법이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 송신 방사패턴을 도출하는 단계는, 상기 탄도정보 중에서 상기 받음각 및 고도각을 상기 제 1 변화 방사패턴을 도출하는데 반영하는 탄도를 이용한 텔레메트리 전파 분석 방법이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 송신 방사패턴을 도출하는 단계는, 상기 텔레메트리 수신안테나에 대한 수신방사효율 및 수신반사계수를 포함하는 수신안테나 방사패턴 정보에 상기 탄도정보를 반영하여 상기 텔레메트리 수신안테나에 대한 제 2 변화 방사패턴을 도출하는 탄도를 이용한 텔레메트리 전파 분석 방법이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 수신 방사패턴을 도출하는 단계는, 상기 탄도정보 중에서 상기 고도각을 상기 제 2 변화 방사패턴을 도출하는데 반영하면서 상기 텔레메트리 수신안테나의 조절정보를 반영하는 탄도를 이용한 텔레메트리 전파 분석 방법이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 실제 수신전력을 산출하는 단계는, 상기 송신이득, 수신이득 및 안테나 파라미터를 프리스 자유공간손실 방정식에 적용하여 발사체 사거리에 따른 상기 실제 수신전력을 산출하는 탄도를 이용한 텔레메트리 전파 분석 방법이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 실제 수신전력을 산출하는 단계는, 상기 프리스 자유공간손실 방정식에 송수신안테나 사이의 편파 손실, 송신기 RF 출력 전력 및 송신기 RF 신호 주파수를 포함하는 상기 안테나 파라미터를 반영하는 탄도를 이용한 텔레메트리 전파 분석 방법이 제공될 수 있다.
본 발명은 포탄과 같은 발사체의 탄도정보와 텔레메트리 송수신안테나의 방사패턴을 이용하여 텔레메트리 전파의 수신전력을 분석함으로써, 발사체의 탄도에 따라 초래되는 텔레메트리 전파의 미수신 문제에 효과적으로 대처할 수 있다.
또한, 본 발명은 탄도정보, 텔레메트리 송신안테나 정보 및 텔레메트리 수신안테나 정보를 이용하여 탄도가 적용된 송수신 방사패턴을 도출한 후에, 텔레메트리 전파 수신전력을 산출함으로써, 탄도에 따라 텔레메트리 전파의 수신전력을 분석할 수 있을 뿐만 아니라 상대적으로 낮은 수신전력을 갖는 비행 구간을 정확하게 예측할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄도를 이용한 텔레메트리 전파 분석 장치가 적용되는 텔레메트리 전파 송수신 개념을 설명하기 위한 도면이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄도를 이용한 텔레메트리 전파 분석 장치를 나타낸 블록구성도이며,
도 3 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄도를 이용한 텔레메트리 전파 분석 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이고,
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄도를 이용한 텔레메트리 전파 분석 장치에서 수신전력의 산출을 설명하기 위한 도면이며,
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄도를 이용한 텔레메트리 전파 분석 과정을 나타낸 플로우차트이다.
본 발명의 실시예들에 대한 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄도를 이용한 텔레메트리 전파 분석 장치가 적용되는 텔레메트리 전파 송수신 개념을 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄도를 이용한 텔레메트리 전파 분석 장치를 나타낸 블록구성도이며, 도 3 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄도를 이용한 텔레메트리 전파 분석 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이고, 도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄도를 이용한 텔레메트리 전파 분석 장치에서 수신전력의 산출을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 6과, 도 7a 내지 도 7c를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄도를 이용한 텔레메트리 전파 분석 장치(100)가 적용되는 텔레메트리 시스템에는 도 1에 도시한 바와 같이 발사체에 구비된 텔레메트리 송신기, 텔레메트리 송신기로부터 전송되는 RF 신호를 수신하는 텔레메트리 수신기 등이 구비될 수 있다.
여기에서, 발사체의 전방(비행방향)으로 방사패턴이 형성되는 안테나빔은 근접센서용 안테나빔이며, 텔레메트리 송신기에 구비된 텔레메트리 송신안테나는 관측지점(텔레메트리 수신기)과의 통신을 원활하게 하면서 근접센서 안테나를 방해하지 않도록 발사체의 후방(비행반대방향)으로 방사패턴이 형성될 수 있다.
즉, 텔레메트리 송신안테나를 포함하는 텔레메트리 시스템은 RF 방식의 근접센서(특히, 근접센서 안테나)에 영향을 미치지 않도록 설계함으로써, 신관내부의 정보를 텔레메트리 수신기에서 안정적으로 수신할 수 있어야 한다.
그리고, 상대 주파수대역에서의 삽입손실 특성이 나쁜 구조가 될 수 있도록 대역 분리(band isolation) 특성이 우수한 동작 주파수 이격 설계가 필요하며, 근접센서 안테나와 텔레메트리 송신안테나의 공진 방향이 서로 직교하도록 설계될 수 있고, 발사체의 회전에 따른 신관의 회전을 감안하여 텔레메트리 송신안테나가 단일 편파(linear poliarization) 방사 특성을 가질 경우 발사체의 회전에 의해 편파도 변하기 때문에 텔레메트리 수신안테나는 원 편파(circular polarization) 방사 특성을 갖도록 설계될 수 있다.
상술한 바와 같은 텔레메트리 시스템에 구비되는 텔레메트리 전파 분석 장치(100)는 텔레메트리 수신기에 탑재되거나 텔레메트리 수신기로부터 유선 통신망 또는 무선 통신망을 통해 연결된 별도의 통신단말장치로 하여 구비될 수 있는데, 경사거리, 사거리, 비행시간 및 탄착지점을 포함하는 발사체의 탄도정보를 산출하고, 산출된 탄도정보에 따라 텔레메트리 송신안테나의 송신 방사패턴과 텔레메트리 수신안테나의 수신 방사패턴에 대한 변화 방사패턴을 도출한 후에, 도출된 변화 방사패턴에 따른 텔레메트리 송신안테나의 송신이득과 텔레메트리 수신안테나의 수신이득과 안테나 파라미터를 이용하여 실제 수신전력을 산출할 수 있다.
예를 들면, 안테나별 방사패턴의 변화와 탄도에 따라 송수신 전달거리의 변화로 인해 텔레메트리 수신기의 수신전력 변화가 발생할 뿐만 아니라 신호 미수신 구간이 발생하는 문제점을 해결하기 위해서 도 3에 도시한 바와 같이 발사체 발사 이후 발사체에 구비된 텔레메트리 송신안테나의 송신 방사패턴의 변화와, 지상의 텔레메트리 수신기에 구비된 텔레메트리 수신안테나의 탄도에 따른 방사패턴(즉, 안테나 지향성) 변화(a)와, 수신안테나의 틸팅에 따른 방사패턴(즉, 안테나 지향성) 변화(b)를 고려하여 실제 수신전력을 산출할 수 있다.
이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 탄도를 이용한 텔레메트리 전파 분석 장치(100)는 탄도정보 산출부(110), 송수신이득 산출부(120), 수신전력 산출부(130) 등을 포함할 수 있다.
탄도정보 산출부(110)는 발사체의 기본 정보를 이용하여 경사거리, 사거리, 비행시간 및 탄착지점을 포함하는 발사체의 탄도정보를 산출할 수 있다.
여기에서, 탄도정보는 도 4에 도시한 바와 같이 경사거리(slant range), 사거리(range), 비행시간(TOF : time of flight) 및 탄착지점(point of impact)을 포함하며, 추가적으로 발사체에 대한 받음각(angle of attack), 무게중심(CG : center of gravity) 및 고도각(angle of altitude)을 더 포함할 수 있다.
한편, 발사체의 기본정보는 발사체를 발사하는 발사포 정보(예를 들면, 전차, 대포 등), 발사체의 탄종 정보(예를 들면, 고폭탄, 철갑탄 등), 발사체의 신관 정보(예를 들면, 신관 타입 등), 발사체의 장약 정보(예를 들면, 장약 성분, 장약 무게 등), 발사체의 고각 정보(예를 들면, 발사 각도 등) 등을 포함할 수 있으며, 이러한 발사체의 기본정보를 이용하여 모델링된 탄도모델(즉, 각 정보들을 반영한 탄도방정식을 이용하여 모델링된 탄도모델)을 통해 탄도정보를 산출할 수 있다.
예를 들면, 탄도정보 산출부(110)는 진공탄도모델, 질점탄도모델 및 수정질점탄도모델 중 선택된 탄도모델을 통해 발사체의 탄도정보를 산출할 수 있는데, 발사체의 기본정보를 이용하여 포탄의 종류 및 사용용도(즉, 무기체계 종류 및 특성)에 따른 모델링의 종류별로 고려되는 고려요소와 출력결과물에 대한 탄도방정식을 이용하여 적합한 탄도모델을 적용할 수 있으며, 진공탄도모델은 중력만을 이용하여 계산되는 탄도모델로서, 공기에 대한 어떠한 영향이 없고, 지구의 중력가속도는 어느 위치에서나 항상 일정하며, 평탄한 지면을 가정하여 지구의 자전을 고려하지 않으면서 아래의 수학식 1의 진공탄도방정식을 적용할 수 있다.
Figure 112017056010802-pat00001
또한, 질점탄도모델은 발사체가 대기 중을 비행할 때 외부로부터 중량과 항력만을 받는 하나의 질점이라고 가정하여 계산하는 탄도모델로서, 발사체에 작용하는 외부력은 중력과 항력이고, 편각이 작을 경우 발사체에 걸리는 모멘트가 작기 때문에 모멘트는 무시할 수 있으며, 지구의 중력가속도는 항상 일정하고, 평탄한 지면을 가정하여 지구의 자전을 고려하지 않으며, 바람이 업으면서 온도 및 밀도가 일정한 표준대기를 사용함으로써, 이래의 수학식 2 의 질점탄도방정식을 적용할 수 있다.
Figure 112017056010802-pat00002
한편, 수정질점탄도모델은 포탄이 대기 중을 비행할 때 외부로부터 중력, 항력, 양력 및 매그너스(magnus)의 힘을 고려하여 계산하는 탄도모델로서, 중력, 항력, 양력 및 매그너스의 힘과 지구회전을 이용하고, 지구의 중력가속도는 어느 위치에서나 항상 일정하며, STANAG 기상 데이터 및 표준대기조건을 모두 이용하는 수정질점방정식을 적용할 수 있다.
송수신이득 산출부(120)는 탄도정보에 따라 텔레메트리 송신안테나의 송신 방사패턴과 텔레메트리 수신안테나의 수신 방사패턴에 대한 변화 방사패턴을 도출할 수 있다.
여기에서, 송수신이득 산출부(120)는 도 5에 도시한 바와 같은 텔레메트리 송신안테나에 대한 송신방사효율 및 송신반사계수를 포함하는 송신안테나 방사패턴 정보에 탄도정보를 반영하여 송신안테나의 제 1 변화 방사패턴을 도출(예를 들면, 기준각도들이 변경된 방사패턴을 도출할 수 있음)할 수 있는데, 탄도정보 중에서 받음각 및 고도각을 제 1 변화 방사패턴을 도출하는데 반영할 수 있다.
상술한 바와 같이 도출된 송신안테나의 제 1 변화 방사패턴에 대해 아래의 수학식 3에 따라 사거리에 따른 송신이득을 산출할 수 있다.
Figure 112017056010802-pat00003
여기에서, 첨자 t는 송신(transmit)을 의미하며, G t 는 송신안테나의 송신이득을 의미하고, η t 는 방사효율(Radiation efficiency)을 의미하며, D t (θ t ,φ t )는 구좌표계의 θ t 방향과 φ t 방향에 따른 지향도(Directivity)를 의미하고, L mismatching 은 부정합 상태에서 발생되는 손실을 의미하며, Γ t 는 반사계수를 의미한다.
즉, 방사효율(η t )은 송신안테나의 입력된 전력에 대비하여 방사된 전력의 비로써, 방사효율이 1인 경우 입력전력이 100% 방사되었음을 의미하고, 방사효율이 0.5인 경우에는 입력 전력 중 50%만 방사됨을 의미하는데, 실제 측정된 값을 반영할 수 있다. 이러한 방사효율은 안테나 성능 지표로써, 어떤 설계된 안테나 또는 제품의 경우 동작 특성 지표로 사용 안테나가 결정될 경우 그 값이 미리 설정될 수 있다.
또한, 지향도(D)는 안테나에서 방사되는 방향으로 나가는 전력값과 안테나가 방향성이 없는 무지향성인 경우를 비교하여 얼마나 방향성을 가지면서 전력이 방사되는 지를 나타내는 지표로서, 지향도는 안테나가 방사되는 방향에 대한 값이므로, 구좌표계의 θ t 방향과 φ t 방향에 대한 변수값으로 표시될 수 있다.
한편, 안테나를 비롯한 RF소자들은 임피던스 정합이 되어야 하므로, 부정합 상태에서 발생되는 손실(L mismatching )을 반영해야 하는데, 일반적으로는 정합이 되어 있지만, 완벽한 정합은 구현하기 어려우므로, 약간의 손실이 발생되기 때문에 반영해야만 한다. 다만, 정상적인 동작의 안테나에서는 손실을 무시해도 되지만, 그렇지 않은 경우가 발생할 수 있기에 손실과 관련된 수학식이 추가될 수 있다.
또한, 송수신이득 산출부(120)는 도 6에 도시한 바와 같은 텔레메트리 수신안테나에 대한 수신방사효율 및 수신반사계수를 포함하는 수신안테나 방사패턴 정보에 탄도정보를 반영하여 수신안테나의 제 2 변화 방사패턴을 도출(예를 들면, 기준각도들이 변경된 방사패턴을 도출할 수 있음)할 수 있는데, 탄도정보 중에서 고도각을 제 2 변화 방사패턴을 도출하는데 반영하면서 텔레메트리 수신안테나의 조절정보(예를 들면, 수신안테나 틸팅각도 등)를 반영할 수 있다.
상술한 바와 같이 도출된 수신안테나의 제 2 변화 방사패턴에 대해 아래의 수학식 4에 따라 사거리에 따른 수신이득을 산출할 수 있다.
Figure 112017056010802-pat00004
여기에서, 첨자 r는 수신(receive)을 의미하며, G r 는 송신안테나의 송신이득을 의미하고, η r 는 방사효율(Radiation efficiency)을 의미하며, D r (θ r ,φ r )는 구좌표계의 θ r 방향과 φ r 방향에 따른 지향도(Directivity)를 의미하고, L mismatching 은 부정합 상태에서 발생되는 손실을 의미하며, Γ r 는 반사계수를 의미한다.
여기에서, 각 용어의 의미는 상기 수학식 3의 의미와 유사하므로 그 구체적인 설명은 생략한다.
수신전력 산출부(130)는 제 1 변화 방사패턴 및 제 2 변화 방사패턴에 따른 텔레메트리 송신안테나의 송신이득과 텔레메트리 수신안테나의 수신이득과 안테나 파라미터(예를 들면, 송수신안테나 사이의 편파 손실, 송신기 RF 출력 전력, 송신기 RF 신호 주파수 등)를 이용하여 실제 수신전력을 산출할 수 있다.
이러한 수신전력 산출부(130)는 송신이득, 수신이득 및 안테나 파라미터를 아래의 수학식 5와 같은 프리스 자유공간손실 방정식에 적용하여 발사체 사거리에 따른 실제 수신전력을 산출할 수 있는데, 프리스 자유공간손실 방정식에 송수신안테나 사이의 편파 손실, 송신기 RF 출력 전력 및 송신기 RF 신호 주파수를 반영할 수 있다.
Figure 112017056010802-pat00005
여기에서,
Figure 112017056010802-pat00006
는 편파 손실을 의미하고,
Figure 112017056010802-pat00007
는 각도에 따른 송수신 안테나의 이득을 의미하며,
Figure 112017056010802-pat00008
는 송신전력을 의미하고,
Figure 112017056010802-pat00009
는 파장(주파수)과 송수신 안테나의 거리에 대한 항을 의미하는데, 프리스 방정식에 안테나 편파 손실 성분을 추가하여 적용할 수 있다.
이러한 편파 손실은 송신 안테나와 수신 안테나 사이에 편파가 일치하지 않아서 발생되는 손실(ρ)이며, 첨자 t와 r은 송신과 수신 성분에 대한 표현으로, 이 수학식 5는 어떤 주파수, 어떤 송신전력 값을 가지는 전파가 어느 정도 거리에 도달하였을 때 수신되는 전력이 얼마가 되는지에 대한 계산식이며, 이 때 안테나 관련 성분이 실제 수신전력에 영향을 미칠 수 있다.
추가적으로, 부정합 손실 항을 추가할 경우 편파손실과 유사하게 비례항으로 추가하면 실제 수신전력 산출 시 부정합 손실 영향을 반영할 수 있고, 안테나 관련된 항들은 모두 송신 안테나와 수신 안테나가 결정될 경우 자동으로 결정되는 항목으로써, 안테나 특성을 나타내는 지표를 의미한다.
상술한 바와 같은 탄도를 이용한 텔레메트리 전파 분석 장치를 통해 산출된 실제 수신전력에 대해 설명하면, 도 7a의 일반적인 프리스 방정식에 따른 수신전력과 도 7b의 지상수신기에서의 패킷 수신율에 따라 지상 수신기에서 수신된 RSSI 데이터를 살펴보면, 도 7c에 도시한 바와 같이 패킷 수신율의 저하로 일반적인 계산 결과(Measurement)에서는 RSSI 데이터의 손실 구간이 발생하게 되는데, 본 발명에서 제안하는 실제 수신전력을 산출할 경우 그 실제 수신전력 계산 적용 데이터(Calculation)는 매우 정확하게 산출될 수 있으며, 이러한 수신전력 예측을 통해 패킷 미수신 구간에 대한 대책 및 원인 분석을 추가적으로 진행할 수 있다.
따라서, 본 발명은 포탄과 같은 발사체의 탄도정보와 텔레메트리 송수신안테나의 방사패턴을 이용하여 텔레메트리 전파의 수신전력을 분석함으로써, 발사체의 탄도에 따라 초래되는 텔레메트리 전파의 미수신 문제에 효과적으로 대처할 수 있다.
또한, 본 발명은 탄도정보, 텔레메트리 송신안테나 정보 및 텔레메트리 수신안테나 정보를 이용하여 탄도가 적용된 송수신 방사패턴을 도출한 후에, 텔레메트리 전파 수신전력을 산출함으로써, 탄도에 따라 텔레메트리 전파의 수신전력을 분석할 수 있을 뿐만 아니라 상대적으로 낮은 수신전력을 갖는 비행 구간을 정확하게 예측할 수 있다.
다음에, 상술한 바와 같은 구성을 갖는 탄도를 이용한 텔레메트리 전파 분석 장치에서 탄도정보, 텔레메트리 송신안테나 정보 및 텔레메트리 수신안테나 정보를 이용하여 탄도가 적용된 송수신 방사패턴을 도출한 후에, 텔레메트리 전파 수신전력을 산출하는 과정에 대해 상세히 설명한다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄도를 이용한 텔레메트리 전파 분석 과정을 나타낸 플로우차트이다.
도 8을 참조하면, 탄도정보 산출부(110)에서 발사체의 기본 정보를 이용하여 경사거리, 사거리, 비행시간 및 탄착지점을 포함하는 발사체의 탄도정보를 산출할 수 있다(단계802).
여기에서, 탄도정보는 경사거리, 사거리, 비행시간 및 탄착지점을 포함하며, 추가적으로 발사체에 대한 받음각, 무게중심 및 고도각을 더 포함할 수 있고, 발사체의 기본정보는 발사체를 발사하는 발사포 정보, 발사체의 탄종 정보, 발사체의 신관 정보, 발사체의 장약 정보, 발사체의 고각 정보 등을 포함할 수 있으며, 이러한 발사체의 기본정보를 이용하여 모델링된 탄도모델(즉, 각 정보들을 반영한 탄도방정식을 이용하여 모델링된 탄도모델)을 통해 탄도정보를 산출할 수 있다.
예를 들면, 탄도정보 산출부(110)는 진공탄도모델, 질점탄도모델 및 수정질점탄도모델 중 선택된 탄도모델을 통해 발사체의 탄도정보를 산출할 수 있는데, 발사체의 기본정보를 이용하여 포탄의 종류 및 사용용도(즉, 무기체계 종류 및 특성)에 따른 모델링의 종류별로 고려되는 고려요소와 출력결과물에 대한 탄도방정식을 이용하여 적합한 탄도모델을 적용할 수 있다.
그리고, 탄도정보 산출부(110)에서 산출된 탄도정보에 따라 송수신이득 산출부(120)에서 텔레메트리 송신안테나의 송신 방사패턴과 텔레메트리 수신안테나의 수신 방사패턴에 대한 변화 방사패턴을 도출할 수 있다(단계804).
예를 들면, 송수신이득 산출부(120)에서는 텔레메트리 송신안테나에 대한 송신방사효율 및 송신반사계수를 포함하는 송신안테나 방사패턴 정보에 탄도정보(예를 들면, 받음각, 고도각 등)를 반영하여 송신안테나의 제 1 변화 방사패턴을 도출(예를 들면, 기준각도들이 변경된 방사패턴을 도출할 수 있음)할 수 있다.
또한, 송수신이득 산출부(120)에서는 텔레메트리 수신안테나에 대한 수신방사효율 및 수신반사계수를 포함하는 수신안테나 방사패턴 정보에 탄도정보(예를 들면, 고도각 등)와 텔레메트리 수신안테나의 조절정보(예를 들면, 수신안테나 틸팅각도 등)를 반영하여 수신안테나의 제 2 변화 방사패턴을 도출(예를 들면, 기준각도들이 변경된 방사패턴을 도출할 수 있음)할 수 있다.
이어서, 송수신이득 산출부(120)에서 도출된 각 변화 방사패턴에 따른 텔레메트리 송신안테나의 송신이득과 텔레메트리 수신안테나의 수신이득을 제공받아 안테나 파라미터(예를 들면, 송수신안테나 사이의 편파 손실, 송신기 RF 출력 전력, 송신기 RF 신호 주파수 등)를 함께 이용하여 수신전력 산출부(130)에서 실제 수신전력을 산출할 수 있다(단계806).
예를 들면, 수신전력 산출부(130)에서는 송신이득, 수신이득 및 안테나 파라미터를 프리스 자유공간손실 방정식에 적용하여 발사체 사거리에 따른 실제 수신전력을 산출할 수 있는데, 프리스 방정식에 송수신안테나 사이의 편파 손실, 송신기 RF 출력 전력 및 송신기 RF 신호 주파수를 반영할 수 있다.
예를 들면, 편파 손실, 각도에 따른 송수신 안테나의 이득, 송신전력, 파장(주파수)과 송수신 안테나의 거리에 대한 성분 등을 반영하여 실제 수신전력을 산출할 수 있으며, 프리스 자유공간손실 방정식에 안테나 편파 손실 성분을 추가하여 적용할 수 있다.
따라서, 본 발명은 포탄과 같은 발사체의 탄도정보와 텔레메트리 송수신안테나의 방사패턴을 이용하여 텔레메트리 전파의 수신전력을 분석함으로써, 발사체의 탄도에 따라 초래되는 텔레메트리 전파의 미수신 문제에 효과적으로 대처할 수 있다.
또한, 본 발명은 탄도정보, 텔레메트리 송신안테나 정보 및 텔레메트리 수신안테나 정보를 이용하여 탄도가 적용된 송수신 방사패턴을 도출한 후에, 텔레메트리 전파 수신전력을 산출함으로써, 탄도에 따라 텔레메트리 전파의 수신전력을 분석할 수 있을 뿐만 아니라 상대적으로 낮은 수신전력을 갖는 비행 구간을 정확하게 예측할 수 있다.
이상의 설명에서는 본 발명의 다양한 실시예들을 제시하여 설명하였으나 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함을 쉽게 알 수 있을 것이다.
10 : 발사체
20 : 텔레메트리 송신안테나
30 : 텔레메트리 수신안테나
100 : 탄도를 이용한 텔레메트리 전파 분석 장치
110 : 탄도정보 산출부
120 : 송수신이득 산출부
130 : 수신전력 산출부

Claims (18)

  1. 경사거리, 사거리, 비행시간 및 탄착지점을 포함하는 발사체의 탄도정보를 산출하는 탄도정보 산출부와,
    상기 탄도정보에 따라 텔레메트리 송신안테나의 송신 방사패턴과 텔레메트리 수신안테나의 수신 방사패턴에 대한 변화 방사패턴을 도출하여 송신이득 및 수신이득을 산출하는 송수신이득 산출부와,
    상기 송신이득 및 수신이득과 안테나 파라미터를 이용하여 실제 수신전력을 산출하는 수신전력 산출부를 포함하며,
    상기 탄도정보는, 상기 발사체에 대한 받음각, 무게중심 및 고도각을 더 포함하고,
    상기 탄도정보 산출부는, 진공탄도모델, 질점탄도모델 및 수정질점탄도모델 중 선택된 탄도모델을 통해 상기 탄도정보를 산출하는 탄도를 이용한 텔레메트리 전파 분석 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 송수신이득 산출부는, 상기 텔레메트리 송신안테나에 대한 송신방사효율 및 송신반사계수를 포함하는 송신안테나 방사패턴 정보에 상기 탄도정보를 반영하여 상기 텔레메트리 송신안테나에 대한 제 1 변화 방사패턴을 도출하는 탄도를 이용한 텔레메트리 전파 분석 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 송수신이득 산출부는, 상기 탄도정보 중에서 상기 받음각 및 고도각을 상기 제 1 변화 방사패턴을 도출하는데 반영하는 탄도를 이용한 텔레메트리 전파 분석 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 송수신이득 산출부는, 상기 텔레메트리 수신안테나에 대한 수신방사효율 및 수신반사계수를 포함하는 수신안테나 방사패턴 정보에 상기 탄도정보를 반영하여 상기 텔레메트리 수신안테나에 대한 제 2 변화 방사패턴을 도출하는 탄도를 이용한 텔레메트리 전파 분석 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 송수신이득 산출부는, 상기 탄도정보 중에서 상기 고도각을 상기 제 2 변화 방사패턴을 도출하는데 반영하면서 상기 텔레메트리 수신안테나의 조절정보를 반영하는 탄도를 이용한 텔레메트리 전파 분석 장치.
  8. 제 4 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수신전력 산출부는, 상기 송신이득, 수신이득 및 안테나파라미터를 프리스 자유공간손실 방정식에 적용하여 발사체 사거리에 따른 상기 실제 수신전력을 산출하는 탄도를 이용한 텔레메트리 전파 분석 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 안테나 파라미터는, 송수신안테나 사이의 편파 손실, 송신기 RF 출력 전력 및 송신기 RF 신호 주파수를 포함하는 탄도를 이용한 텔레메트리 전파 분석 장치.
  10. 탄도정보 산출부에서 경사거리, 사거리, 비행시간 및 탄착지점을 포함하는 발사체의 탄도정보를 산출하는 단계와,
    상기 탄도정보에 따라 송수신이득 산출부에서 텔레메트리 송신안테나의 송신 방사패턴과 텔레메트리 수신안테나의 수신 방사패턴에 대한 변화 방사패턴을 도출하여 송신이득 및 수신이득을 산출하는 단계와,
    수신전력 산출부에서 상기 송신이득 및 수신이득과 안테나 파라미터를 이용하여 실제 수신전력을 산출하는 단계를 포함하며,
    상기 탄도정보는, 상기 발사체에 대한 받음각, 무게중심 및 고도각을 더 포함하고,
    상기 탄도정보를 산출하는 단계는, 진공탄도모델, 질점탄도모델 및 수정질점탄도모델 중 선택된 탄도모델을 통해 상기 탄도정보를 산출하는 탄도를 이용한 텔레메트리 전파 분석 방법.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 수신 방사패턴을 도출하는 단계는, 상기 텔레메트리 송신안테나에 대한 송신방사효율 및 송신반사계수를 포함하는 송신안테나 방사패턴 정보에 상기 탄도정보를 반영하여 상기 텔레메트리 송신안테나에 대한 제 1 변화 방사패턴을 도출하는 탄도를 이용한 텔레메트리 전파 분석 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 수신 방사패턴을 도출하는 단계는, 상기 탄도정보 중에서 상기 받음각 및 고도각을 상기 제 1 변화 방사패턴을 도출하는데 반영하는 탄도를 이용한 텔레메트리 전파 분석 방법.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 수신 방사패턴을 도출하는 단계는, 상기 텔레메트리 수신안테나에 대한 수신방사효율 및 수신반사계수를 포함하는 수신안테나 방사패턴 정보에 상기 탄도정보를 반영하여 상기 텔레메트리 수신안테나에 대한 제 2 변화 방사패턴을 도출하는 탄도를 이용한 텔레메트리 전파 분석 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 수신 방사패턴을 도출하는 단계는, 상기 탄도정보 중에서 상기 고도각을 상기 제 2 변화 방사패턴을 도출하는데 반영하면서 상기 텔레메트리 수신안테나의 조절정보를 반영하는 탄도를 이용한 텔레메트리 전파 분석 방법.
  17. 제 13 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 실제 수신전력을 산출하는 단계는, 상기 송신이득, 수신이득 및 안테나 파라미터를 프리스 자유공간손실 방정식에 적용하여 발사체 사거리에 따른 상기 실제 수신전력을 산출하는 탄도를 이용한 텔레메트리 전파 분석 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 실제 수신전력을 산출하는 단계는, 상기 프리스 자유공간손실 방정식에 송수신안테나 사이의 편파 손실, 송신기 RF 출력 전력 및 송신기 RF 신호 주파수를 포함하는 상기 안테나 파라미터를 반영하는 탄도를 이용한 텔레메트리 전파 분석 방법.
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