KR102198298B1 - 지상 또는 해상의 표적을 추적하는 항공기 탑재 레이다 장치 및 그 동작 방법 - Google Patents

지상 또는 해상의 표적을 추적하는 항공기 탑재 레이다 장치 및 그 동작 방법 Download PDF

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Abstract

일부 실시예에 따르면, 표적의 이전 시점에서의 상태 정보에 기초하여 표적의 현재 시점에서의 상태정보에 대한 예측값을 획득하고, 표적의 현재 시점에서의 상태정보를 실제로 측정함으로써 측정값을 획득하며, DTED를 이용하여 측정값을 보상하며, 예측값 및 보상된 측정값 간의 오차에 기초하여 표적의 상태정보를 재귀적으로 업데이트함으로써 표적을 추적하는 단계를 포함하는, 항공기 탑재 레이다가 확장 칼만 필터를 이용하여 지상 또는 해상의 표적을 추적하는 방법이 개시된다.

Description

지상 또는 해상의 표적을 추적하는 항공기 탑재 레이다 장치 및 그 동작 방법{Airborne Platform Radar Apparatus for Tracking Ground or Sea Target and Operating Method for the same}
본 개시는 지상 또는 해상의 표적을 추적하는 항공기 탑재 레이다 장치 및 그 동작 방법에 관한 것이다.
항공기 탑재 레이다(RAdio Detecting And Ranging: RADAR) 장치는 지상 또는 해상의 표적을 추적하는데 이용된다. 항공기 탑재 레이다 장치는 송수신 신호에 대한 신호처리를 통해 표적의 상태정보(예를 들어, 표적의 거리, 방위각, 및 고각 등)를 추출할 수 있으며, 이 과정에서 추적 필터, 데이터 연관, 트랙 관리 등의 기술들이 이용된다. 추적 필터는 신호처리를 통해 획득된 표적의 측정값을 이용하여 표적의 상태정보를 계산하는 과정에서 활용되는 것으로서, 상태정보 계산의 정확성을 개선하거나, 측정값으로부터 알 수 없는 정보를 산출하는데 이용될 수 있다.
한편, 종래의 추적 필터는 표적의 거리, 방위각 및 고각 각각에 대한 측정값을 그대로 이용하거나, 거리, 방위각 및 고각 각각에 대한 측정값을 직교좌표계(x, y, z)로 변환하여 이용할 수 있다. 다만, 항공기 탑재 레이다 장치가 측정 오차가 존재하는 상황에서 측정된 고각 측정값을 그대로 이용할 경우 표적의 상태정보 중 z값이 부정확해질 수 있는바, 최종적으로 변환되는 표적의 고도 정보 또한 부정확해질 수 있다. 이에 따라, 표적의 고도 정보를 보다 정확하게 추정하기 위한 기술이 요구된다.
다양한 실시예들은 지상 또는 해상의 표적을 추적하는 항공기 탑재 레이다 장치 및 그 동작 방법을 제공하는데 있다. 본 개시가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 이하의 실시예들로부터 또 다른 기술적 과제들이 유추될 수 있다.
상술한 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 일 측면에 따른 항공기 탑재 레이다가 확장 칼만 필터(Extended Kalman Filter)를 이용하여 지상 또는 해상의 표적을 추적하는 방법은, 상기 표적의 이전 시점에서의 상태 정보에 기초하여 상기 표적의 현재 시점에서의 상태정보에 대한 예측값을 획득하는 단계; 상기 표적의 상기 현재 시점에서의 상태정보를 실제로 측정함으로써 측정값을 획득하는 단계; DTED(Digital Terrain Elevation Data)를 이용하여 상기 측정값을 보상하는 단계; 및 상기 예측값 및 상기 보상된 측정값 간의 오차에 기초하여 상기 표적의 상태정보를 재귀적으로 업데이트함으로써 상기 표적을 추적하는 단계를 포함할 수 있다.
한편, 상기 DTED를 이용하여 상기 측정값을 보상하는 단계는, 상기 측정값에 대응되는 제1 직교좌표 값을 제1 위경고도좌표 값으로 변환하는 단계; 상기 DTED로부터 상기 제1 위경고도좌표 값의 위도 값 및 경도 값에 대응되는 제1 보상 고도 값을 획득하는 단계; 상기 제1 위경고도좌표 값의 고도 값을 상기 제1 보상 고도 값으로 치환함으로써 제2 위경고도좌표 값을 획득하는 단계; 및 상기 획득된 제2 위경고도좌표 값을 다시 직교좌표계로 변환함으로써 제2 직교좌표 값을 획득하고, 상기 제2 직교좌표 값을 상기 보상된 측정값으로 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 DTED는 지표면에 일정 간격으로 분포된 지점들 각각의 고도 값을 기록한 데이터로서, 특정한 위도 값 및 경도 값에 대응되는 고도 값에 대한 정보를 포함할 수 있다.
또한, 상기 표적의 상태정보는 상기 표적의 3차원 위치 정보 및 3차원 속도 정보 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 확장 칼만 필터는 상기 예측값 및 상기 보상된 측정값 간의 오차를 감소시키는 방향으로 상기 표적의 상태정보를 업데이트할 수 있다.
한편, 상기 표적의 상기 현재 시점에서의 상태정보를 실제로 측정함으로써 측정값을 획득하는 단계는 측정 잡음이 존재하는 환경에서 수행되며, 상기 측정 잡음에 대응되는 측정 잡음 공분산
Figure 112019057406040-pat00001
는 다음의 수학식
Figure 112019057406040-pat00002
를 따를 수 있다.
상기 k는 1 초과 100 이하의 실수일 수 있다.
일 예에서, 상기 방법은, 상기 DTED를 이용하여 상기 예측값을 보상하는 단계; 및 상기 보상된 예측값 및 상기 보상된 측정값 간의 오차에 기초하여 상기 표적의 상태정보를 재귀적으로 업데이트함으로써 상기 표적을 추적하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 DTED를 이용하여 상기 예측값을 보상하는 단계는, 상기 예측값에 대응되는 제3 직교좌표 값을 제3 위경고도좌표 값으로 변환하는 단계; 상기 DTED로부터 상기 제3 위경고도좌표 값의 위도 값 및 경도 값에 대응되는 제2 보상 고도 값을 획득하는 단계; 상기 제3 위경고도좌표 값의 고도 값을 상기 제2 보상 고도 값으로 치환함으로써 제4 위경고도좌표 값을 획득하는 단계; 및 상기 획득된 제4 위경고도좌표 값을 다시 직교좌표계로 변환함으로써 제4 직교좌표 값을 획득하고, 상기 제4 직교좌표 값을 상기 보상된 예측값으로 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 다른 측면에 따른 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 상술한 방법들을 실행하는 명령어들을 포함하는 하나 이상의 프로그램이 기록된 기록매체를 포함할 수 있다.
또한, 또 다른 측면에 따른 확장 칼만 필터를 이용하여 지상 또는 해상의 표적을 추적하는 항공기 탑재 레이다 장치는, 상기 표적의 이전 시점에서의 상태 정보에 기초하여 상기 표적의 현재 시점에서의 상태정보에 대한 예측값을 획득하고, 상기 표적의 상기 현재 시점에서의 상태정보를 실제로 측정함으로써 측정값을 획득하며, DTED(Digital Terrain Elevation Data)를 이용하여 상기 측정값을 보상하고, 상기 예측값 및 상기 보상된 측정값 간의 오차에 기초하여 상기 표적의 상태정보를 재귀적으로 업데이트함으로써 상기 표적을 추적하는 제어부; 및 상기 DTED를 미리 저장하고 있는 메모리를 포함할 수 있다.
본 개시는 지상 또는 해상의 표적을 추적하는 항공기 탑재 레이다 장치 및 그 동작 방법을 제공할 수 있다. 구체적으로, 본 개시에 따른 항공기 탑재 레이다 장치 및 그 동작 방법은 표적의 이전 시점에서의 상태 정보에 기초하여 표적의 현재 시점에서의 상태정보에 대한 예측값을 획득하고, 표적의 현재 시점에서의 상태정보를 실제로 측정함으로써 측정값을 획득하며, 예측값 및 측정값 간의 오차에 기초하여 표적의 상태정보를 재귀적으로 업데이트함으로써 표적을 추적하는 확장 칼만 필터(Extended Kalman Filter)를 이용할 수 있다.
한편, 본 개시에 따른 항공기 탑재 레이다 장치 및 그 동작 방법은 DTED(Digital Terrain Elevation Data)를 이용하여 측정값(예를 들어, 고도 값)을 보상할 수 있고, 보상된 측정값 및 예측값 간의 오차에 기초하여 표적의 상태정보를 업데이트하므로, 지상 또는 해상의 표적에 대응되는 고도 정보의 정확성이 향상될 수 있다.
도 1은 일부 실시예에 따른 항공기 탑재 레이다 장치의 동작 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2a 내지 도 2c는 k 값에 따른 확장 칼만 필터의 발산 정도를 확인하기 위해 거리, 고각 및 z축 속도 각각의 시간에 따른 RMSE(Root Mean Square Error)를 도시한 그래프들이다.
도 3은 일부 실시예에 따른 항공기 탑재 레이다 장치가 표적을 추적하는 방법의 일 예를 나타내는 개요도이다.
도 4는 도 3에서 측정값에 대한 DTED 보상을 수행하는 과정을 보다 상세히 설명하기 위한 흐름도이다.
도 5는 일부 실시예에 따른 항공기 탑재 레이다 장치가 표적을 추적하는 방법의 다른 예를 나타내는 개요도이다.
도 6은 도 5에서 예측값에 대한 DTED 보상을 수행하는 과정을 보다 상세히 설명하기 위한 흐름도이다.
도 7a 내지 도 7c는 각 방법에 따른 표적 추적의 정확성을 비교하기 위해 거리, 방위각 및 고각 각각의 시간에 따른 RMSE를 도시한 그래프들이다.
도 8a 내지 8c는 각 방법에 따른 표적 추적의 속도 안정성을 비교하기 위해 x축, y축 및 z축 각각의 속도의 시간에 따른 RMSE를 도시한 그래프들이다.
도 9는 일부 실시예에 따른 항공기 탑재 레이다 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 오로지 예시를 위한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 하기 설명은 실시예들을 구체화하기 위한 것일 뿐 발명의 권리 범위를 제한하거나 한정하는 것이 아님은 물론이다. 상세한 설명 및 실시예로부터 당해 기술분야의 전문가가 용이하게 유추할 수 있는 것은 권리범위에 속하는 것으로 해석된다.
본 명세서에서 사용되는 '구성된다' 또는 '포함한다' 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 '제 1' 또는 '제 2' 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용할 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
본 실시예들은 지상 또는 해상의 표적을 추적하는 항공기 탑재 레이다 장치 및 그 동작 방법에 관한 것으로서 이하의 실시예들이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 널리 알려져 있는 사항들에 관해서는 자세한 설명을 생략한다.
도 1은 일부 실시예에 따른 항공기 탑재 레이다 장치의 동작 방법을 나타내는 흐름도이다. 도 1을 참조하면, 지상 또는 해상의 표적을 추적하는 항공기 탑재 레이다 장치의 동작 방법의 시계열적인 단계들이 도시되어 있다. 항공기 탑재 레이다 장치 확장 칼만 필터를 이용하여 지상 또는 해상의 표적을 추적하는 레이다 장치일 수 있다.
확장 칼만 필터(Extended Kalman Filter)는 잡음이 포함되어 있는 측정값에 기초하여 선형 역학계의 상태를 추정하는 재귀 필터인 칼만 필터를 비선형 시스템에 적용하기 위해 수정한 추적 필터를 의미한다. 확장 칼만 필터는 동역학 모델을 이용하여 표적의 상태 정보를 예측하는 예측(prediction) 단계와 표적 측정값(target measurement)을 이용하여 표적의 상태정보를 추정하는 업데이트(update) 단계를 포함한다. 한편, 확장 칼만 필터의 기본적인 동작 방식은 표적 추적 분야의 통상의 기술자에게 자명하므로, 보다 자세한 설명은 생략한다.
단계 110에서, 항공기 탑재 레이다 장치는 표적의 이전 시점에서의 상태 정보에 기초하여 표적의 현재 시점에서의 상태정보에 대한 예측값을 획득할 수 있다. 예를 들어, 항공기 탑재 레이다 장치는 표적의 이전 시점에서의 상태 정보에 기초하여, 외부 입력(예를 들어, 표적에 적용되는 힘, 표적의 속도 또는 표적의 가속도 등)이 적용되었을 때 예상되는 예측값을 계산할 수 있다. 이 때, 표적의 상태정보는 표적의 3차원 위치 정보(x, y, z) 및 3차원 속도 정보(
Figure 112019057406040-pat00003
) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 다만, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
단계 120에서, 항공기 탑재 레이다 장치는 표적의 현재 시점에서의 상태정보를 실제로 측정함으로써 측정값을 획득할 수 있다. 항공기 탑재 레이다 장치가 표적의 현재 시점에서의 상태정보를 실제로 측정함으로써 측정값을 획득하는 과정은 측정 잡음이 존재하는 환경에서 수행되므로, 측정값에는 오차가 포함되어 있을 수 있다. 이에 따라, 항공기 탑재 레이다 장치는 예측값의 오차 및 측정값의 오차를 모두 고려하도록 설계된 확장 칼만 필터의 동적 시스템 모델을 채용할 수 있다.
한편, 항공기 탑재 레이다 장치는 측정 잡음에 대응되는 측정 잡음 공분산
Figure 112019057406040-pat00004
를 다음의 수학식 1에 따르도록 설정할 수 있다.
Figure 112019057406040-pat00005
상기 수학식 1에서
Figure 112019057406040-pat00006
,
Figure 112019057406040-pat00007
및
Figure 112019057406040-pat00008
각각은 거리, 방위각 및 고각 각각에 대한 공분산을 나타내며, k는 보상을 통해서 고각 에러를 감소시키고자 설정되는 상수를 나타낼 수 있다. k는 고각 에러를 감소시키기 위해 1보다 큰 값을 가져야 한다. 다만, k가 너무 큰 값을 갖는 경우 확장 칼만 필터가 발산할 수 있으므로, 적당한 값을 가져야 한다. 이하 도 2a 내지 도 2c를 참조하여 적당한 k 값의 범위에 대해 보다 상세히 설명한다.
도 2a 내지 도 2c는 k 값에 따른 확장 칼만 필터의 발산 정도를 확인하기 위해 거리, 고각 및 z축 속도 각각의 시간에 따른 RMSE(Root Mean Square Error)를 도시한 그래프들이다.
도 2a를 참조하면, k가 1, 10, 50, 100 및 200인 경우 각각에 대해 시간에 따른 거리의 RMSE가 도시되어 있다. 시간이 15s 이후부터는 k값에 따른 거리의 RMSE 변화가 크지 않으나, 시간이 15s 이전인 경우 k값이 클수록 거리의 RMSE가 높아짐을 알 수 있다. RMSE는 표준편차를 일반화시킨 척도로서 실제값과 추정값 간의 차이가 얼마인가를 나타내는데 일반적으로 이용되는 정확성 지표이다. RMSE가 높을수록 표적 추적의 정확성이 낮을 수 있다. 한편, 확장 추적 필터는 시간이 지남에 따라 오차를 줄여가는 방식으로 동작되므로, 초기에 확장 추적 필터를 이용한 추적의 정확성이 다소 낮을 수 있음을 고려하더라도 거리에 대한 RMSE가 60 이상이 되는 것은 바람직하지 않을 수 있는바, k는 100 이하인 것이 바람직할 수 있다.
도 2b 및 도 2c를 참조하면, k가 1, 10, 50, 100 및 200인 경우 각각에 대해 시간에 따른 고각의 RMSE 및 시간에 따른 z축 속도의 RMSE 가 도시되어 있다. k는 보상을 통해서 고각 에러를 감소시키고자 설정되는 상수이므로, 일정 시간까지는 k가 클수록 고각 또는 z축 속도의 RMSE가 더 낮아질 수 있다. 다만, 표적의 상태정보가 신뢰성 있게 추출된다고 예상되는 시점인 약 45 s 이후부터는 오히려 k가 클수록 고각 또는 z축 속도의 RMSE가 더 높아짐을 알 수 있다. 한편, z축 속도의 RMSE가 10 m/s2을 초과하는 것은 바람직하지 않을 수 있는바, k는 100 이하인 것이 바람직할 수 있다.
이와 같이, k는 100 이하의 너무 높지 않은 값으로 설정되는 것이 바람직할 수 있으므로, 예를 들어, k는 1 초과 100 이하의 실수일 수 있다. 다만, 항공기 탑재 레이다 장치가 수용 가능한 에러의 정도에 따라 적절한 k 값의 범위가 다소 상이해질 수 있음은 해당 기술분야의 통상의 기술자라면 쉽게 이해할 것이다.
단계 130에서, 항공기 탑재 레이다 장치는 DTED(Digital Terrain Elevation Data)를 이용하여 측정값을 보상할 수 있다. DTED는 지표면에 일정 간격으로 분포된 지점들 각각의 고도 값을 기록한 데이터로서, 특정한 위도 값 및 경도 값에 대응되는 고도 값에 대한 정보를 포함할 수 있다. DTED는 특정한 위도 값 및 경도 값에 대응되는 정확한 고도 값을 저장하는 데이터이므로, 항공기 탑재 레이다 장치의 측정값으로부터 추정되는 고도 값보다 정확한 고도 값을 지시할 수 있다. 이와 같이, 본 개시에 따른 항공기 탑재 레이다 장치는 DTED를 이용하여 측정값(예를 들어, 고도 값)을 보상할 수 있고, 후술할 바와 같이, 보상된 측정값 및 예측값 간의 오차에 기초하여 표적의 상태정보를 업데이트하므로, 지상 또는 해상의 표적에 대응되는 고도 정보의 정확성이 향상될 수 있다. 한편, 항공기 탑재 레이다 장치는 DTED를 이용하여 측정값을 보상하는 과정은 이하 도 4에서 보다 상세히 설명할 것이다.
단계 140에서, 항공기 탑재 레이다 장치는 예측값 및 보상된 측정값 간의 오차에 기초하여 표적의 상태정보를 재귀적으로 업데이트함으로써 표적을 추적할 수 있다. 확장 칼만 필터는 예측값 및 보상된 측정값 간의 오차를 감소시키는 방향으로 표적의 상태정보를 재귀적으로 업데이트하므로, 표적의 상태정보가 최적으로 추정될 수 있다.
도 3은 일부 실시예에 따른 항공기 탑재 레이다 장치가 표적을 추적하는 방법의 일 예를 나타내는 개요도이다.
도 3을 참조하면, 도 1에서 설명한 바와 같이, 항공기 탑재 레이다 장치가 확장 칼만 필터를 이용하여 표적을 추적하는 과정에서 DTED 보상이 측정값에 대해 수행되는 경우의 예시가 도시되어 있다.
단계 310에서, 항공기 탑재 레이다 장치는 표적의 이전 시점에서의 상태 정보에 기초하여 표적의 현재 시점에서의 상태정보에 대한 예측값에 대응되는 직교좌표 값을 획득할 수 있다. 도 3에서 (x, y, z)는 특정 값을 의미하는 것이 아니라 획득되는 값이 직교좌표 값임을 나타낸다. x, y 및 z 각각은 x축 값, y축 값 및 z축 값을 나타낸다.
단계 320에서, 항공기 탑재 레이다 장치는 표적의 현재 시점에서의 상태정보를 실제로 측정함으로써 측정값에 대응되는 직교좌표 값을 획득할 수 있다. 측정값은 'target plot data'로 지칭될 수 있다.
단계 330에서, 항공기 탑재 레이다 장치는 측정값에 대한 DTED 보상(DTED compensation)을 수행할 수 있다. 단계 330이 수행되는 세부 과정들은 이하 도 4를 참조하여 보다 상세히 설명할 것이다.
단계 340에서, 항공기 탑재 레이다 장치는 예측값 및 보상된 측정값 간의 오차에 기초하여 재귀적으로 업데이트된 표적의 상태정보를 나타내는 최종 추정 값을 획득할 수 있다. 최종 추정 값 또한 직교좌표 값일 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니며, 위경고도좌표 값일 수도 있다.
도 4는 도 3에서 측정값에 대한 DTED 보상을 수행하는 과정을 보다 상세히 설명하기 위한 흐름도이다. 도 4를 참조하면, 도 3의 단계 320 및 단계 330의 세부 단계들이 시계열적으로 도시되어 있다.
단계 410에서, 항공기 탑재 레이다 장치는 도 3의 단계 320에서와 같이, 표적의 현재 시점에서의 상태정보를 실제로 측정함으로써 측정값에 대응되는 제1 직교좌표 값을 획득할 수 있다. 다만, 이에 반드시 제한되는 것은 아니며, 항공기 탑재 레이다 장치는 직교좌표 값이 아닌 위경고도좌표 값을 바로 획득할 수도 있다.
단계 420에서, 항공기 탑재 레이다 장치는 측정값에 대응되는 제1 직교좌표 값을 제1 위경고도좌표 값으로 변환할 수 있다. 도 4에서 (L, L, A)는 특정 값을 의미하는 것이 아니라 해당 값이 위경고도좌표 값임을 나타낸다. L, L 및 A 각각은 순서대로 위도(Latitude) 값, 경도(Longitude) 값, 고도(Altitude) 값을 나타낸다. 한편, 단계 410에서 항공기 탑재 레이다 장치가 획득하는 측정값이 위경고도좌표 값인 경우 단계 420가 생략될 수 있음을 해당 기술분야의 통상의 기술자라면 쉽게 이해할 것이다.
단계 430에서, 항공기 탑재 레이다 장치는 DTED로부터 제1 위경고도좌표 값의 위도 값 및 경도 값에 대응되는 제1 보상 고도 값을 획득할 수 있다. DTED는 특정한 위도 값 및 경도 값에 대응되는 정확한 고도 값을 저장하는 데이터로서, 항공기 탑재 레이다 장치에 미리 저장되어 있을 수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니고, 항공기 탑재 레이다 장치는 통신 장치를 이용하여 항공기 탑재 레이다 장치 외부에 저장된 DTED에 포함되는 정보를 실시간으로 획득할 수도 있다.
단계 440에서, 항공기 탑재 레이다 장치는 제1 위경고도좌표 값의 고도 값(A)을 제1 보상 고도 값(A')으로 치환함으로써 제2 위경고도좌표 값을 획득할 수 있다.
단계 450에서, 항공기 탑재 레이다 장치는 획득된 제2 위경고도좌표 값을 다시 직교좌표계로 변환함으로써 제2 직교좌표 값을 획득할 수 있다. 제2 직교좌표 값은 DTED 보상에 의해 보상된 측정값에 대응될 수 있다.
한편, 도 1 내지 도 4에서는 DTED 보상이 측정값에 대해 수행되는 실시예에 대해서만 설명하였으나, DTED 보상은 측정값이 아닌 예측값에 대해 수행될 수도 있으며, 측정값 및 예측값 모두에 대해서도 수행될 수 있다. 이하 도 5 및 도 6에서는 DTED 보상이 예측값에 대해 수행되는 실시예에 대해 상세히 설명한다.
도 5는 일부 실시예에 따른 항공기 탑재 레이다 장치가 표적을 추적하는 방법의 다른 예를 나타내는 개요도이다.
도 5를 참조하면, 도 1에서 설명한 바와 달리, 항공기 탑재 레이다 장치가 확장 칼만 필터를 이용하여 표적을 추적하는 과정에서 측정값이 아닌 예측값에 대해 DTED 보상이 수행되는 경우의 예시가 도시되어 있다.
단계 510에서, 항공기 탑재 레이다 장치는 표적의 이전 시점에서의 상태 정보에 기초하여 표적의 현재 시점에서의 상태정보에 대한 예측값에 대응되는 직교좌표 값을 획득할 수 있다. 도 5에서 (x, y, z)는 특정 값을 의미하는 것이 아니라 획득되는 값이 직교좌표 값임을 나타낸다. x, y 및 z 각각은 x축 값, y축 값 및 z축 값을 나타낸다.
단계 520에서, 항공기 탑재 레이다 장치는 획득된 예측값에 대해 DTED 보상을 수행할 수 있다. 단계 520이 수행되는 세부 과정들은 이하 도 6을 참조하여 보다 상세히 설명할 것이다.
단계 530에서, 항공기 탑재 레이다 장치는 표적의 현재 시점에서의 상태정보를 실제로 측정함으로써 측정값에 대응되는 직교좌표 값을 획득할 수 있다. 측정값은 'target plot data'로 지칭될 수 있다.
단계 540에서, 항공기 탑재 레이다 장치는 보상된 예측값 및 측정값 간의 오차에 기초하여 재귀적으로 업데이트된 표적의 상태정보를 나타내는 최종 추정 값을 획득할 수 있다. 최종 추정 값 또한 직교좌표 값일 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니며, 위경고도좌표 값일 수도 있다.
도 6은 도 5에서 예측값에 대한 DTED 보상을 수행하는 과정을 보다 상세히 설명하기 위한 흐름도이다.
도 6를 참조하면, 도 5의 단계 510 및 단계 520의 세부 단계들이 시계열적으로 도시되어 있다.
단계 610에서, 항공기 탑재 레이다 장치는 도 5의 단계 510에서와 같이, 표적의 이전 시점에서의 상태 정보에 기초하여 표적의 현재 시점에서의 상태정보에 대한 예측값에 대응되는 직교좌표 값을 획득할 수 있다. 다만, 이에 반드시 제한되는 것은 아니며, 항공기 탑재 레이다 장치는 직교좌표 값이 아닌 위경고도좌표 값을 바로 획득할 수도 있다.
단계 620에서, 항공기 탑재 레이다 장치는 예측값에 대응되는 제3 직교좌표 값을 제3 위경고도좌표 값으로 변환할 수 있다. 도 6에서 (L, L, A)는 특정 값을 의미하는 것이 아니라 해당 값이 위경고도좌표 값임을 나타낸다. L, L 및 A 각각은 순서대로 위도 값, 경도 값, 고도 값을 나타낸다. 한편, 단계 610에서 항공기 탑재 레이다 장치가 획득하는 측정값이 위경고도좌표 값인 경우 단계 620이 생략될 수 있음을 해당 기술분야의 통상의 기술자라면 쉽게 이해할 것이다.
단계 630에서, 항공기 탑재 레이다 장치는 DTED로부터 제3 위경고도좌표 값의 위도 값 및 경도 값에 대응되는 제2 보상 고도 값을 획득할 수 있다. DTED는 특정한 위도 값 및 경도 값에 대응되는 정확한 고도 값을 저장하는 데이터로서, 항공기 탑재 레이다 장치에 미리 저장되어 있을 수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니고, 항공기 탑재 레이다 장치는 통신 장치를 이용하여 항공기 탑재 레이다 장치 외부에 저장된 DTED에 포함되는 정보를 실시간으로 획득할 수도 있다.
단계 640에서, 항공기 탑재 레이다 장치는 제3 위경고도좌표 값의 고도 값(A)을 제2 보상 고도 값(A')으로 치환함으로써 제4 위경고도좌표 값을 획득할 수 있다.
단계 650에서, 항공기 탑재 레이다 장치는 획득된 제4 위경고도좌표 값을 다시 직교좌표계로 변환함으로써 제4 직교좌표 값을 획득할 수 있다. 제4 직교좌표 값은 DTED 보상에 의해 보상된 예측값에 대응될 수 있다.
전술한 바와 같이, DTED 보상은 측정값에 대해 수행될 수도 있고, 예측값에 대해 수행될 수도 있다. 또한, DTED 보상은 측정값 및 예측값 모두에 대해서도 수행될 수 있다. 이하 도 7a 내지 도 7c 및 도 8a 내지 도 8c를 참조하여 DTED 보상이 수행됨에 따라 얻어지는 효과들에 대해 상세히 설명한다.
도 7a 내지 7c는 각 방법에 따른 표적 추적의 정확성을 비교하기 위해 거리, 방위각 및 고각 각각의 시간에 따른 RMSE를 도시한 그래프들이다. RMSE는 표준편차를 일반화시킨 척도로서 실제값과 추정값 간의 차이가 얼마인가를 나타내는데 일반적으로 이용되는 정확성 지표이다. RMSE가 낮을수록 표적 추적의 정확성이 높음을 알 수 있다.
도 7a 내지 7c에서 'Measurement'는 측정 잡음이 존재하는 환경에서 표적의 현재 시점에서의 상태정보를 실제로 측정함으로써 획득되는 측정값에 대응되고, 'General Track Filter'는 DTED 보상을 수행하지 않은, 기존의 추적 필터(예를 들어, 확장 칼만 필터)를 이용한 경우의 최종 추정값에 대응되며, 'Track Filter DTED'는 예측값에 대해 DTED 보상을 실시하는 경우의 최종 추정값에 대응되며, 'Plot DTED'는 측정값에 대해 DTED 보상을 실시한 경우의 최종 추정값에 대응된다.
도 7a 내지 7c을 참조하면, 거리 및 방위각에 대해서는 확장 칼만 필터를 이용하는 세가지 방법들('General Track Filter', 'Track Filter DTED' 및 'Plot DTED') 간에 큰 차이가 존재하지 않으나, 고각에 대해서는 'Plot DTED', 'Track Filter DTED' 및 'General Track Filter'의 순으로 정확성이 높음을 알 수 있다.
도 8a 내지 8c는 각 방법에 따른 표적 추적의 속도 안정성을 비교하기 위해 x축, y축 및 z축 각각의 속도의 시간에 따른 RMSE를 도시한 그래프들이다.
도 8a 내지 8c에서 'General Track Filter'는 DTED 보상을 수행하지 않은, 기존의 추적 필터(예를 들어, 확장 칼만 필터)를 이용한 경우의 최종 추정값에 대응되며, 'Track Filter DTED'는 예측값에 대해 DTED 보상을 실시하는 경우의 최종 추정값에 대응되며, 'Plot DTED'는 측정값에 대해 DTED 보상을 실시한 경우의 최종 추정값에 대응된다.
도 8a 내지 8c를 참조하면, x축 및 y축에 대해서는 확장 칼만 필터를 이용하는 세가지 방법들('General Track Filter', 'Track Filter DTED' 및 'Plot DTED') 간에 큰 차이가 존재하지 않으나, z축에 대해서는 'Track Filter DTED'의 속도가 불안정한 반면, 'Plot DTED'의 속도는 안정함을 알 수 있다.
이와 같이, 도 7a 내지 도 7c 및 도 8a 내지 도 8c을 참조하면, 표적 추적의 정확성 및 표적 추적의 속도 안정성 측면에서 도 1 내지 도 4에서와 같이 측정값에 대해 DTED 보상을 실시한 경우('Plot DTED')가 도 5 및 도 6에서와 같이 예측값에 대해 DTED 보상을 실시한 경우('Track Filter DTED')보다 더 유리함을 알 수 있다. 다만, 다른 측면들에 대해서는 예측값에 대해 DTED 보상을 실시한 경우('Track Filter DTED')가 측정값에 대해 DTED 보상을 실시한 경우('Plot DTED')보다 더 유리할 수 있으므로, 항공기 탑재 레이다 장치는 측정값에 대해 DTED 보상을 실시하는 방식 및 예측값에 대해 DTED 보상을 실시하는 방식을 상황에 따라 적절하게 선택하여 표적 추적을 수행할 수 있다. 또한, 항공기 탑재 레이다 장치는 측정값에 대해 DTED 보상을 실시하는 방식 및 예측값에 대해 DTED 보상을 실시하는 방식을 동시에 수행할 수도 있다.
한편, 전술한 항공기 탑재 레이다 장치의 동작 방법은 그 방법을 실행하는 명령어들을 포함하는 하나 이상의 프로그램이 기록된 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터로 읽을 수 있는 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령어의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.
도 9는 일부 실시예에 따른 항공기 탑재 레이다 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 9를 참조하면, 항공기 탑재 레이다 장치(900)는 제어부(910) 및 메모리(920)를 포함할 수 있다. 도 9에 도시된 항공기 탑재 레이다 장치(900)는 도 1 내지 도 6에 도시된 방법을 시계열적으로 처리할 수 있다. 따라서, 이하에서 생략된 내용이라고 하더라도 도 1 내지 도 6의 방법에 관하여 이상에서 기술된 내용은 도 9의 항공기 탑재 레이다 장치(900)에 의해 수행될 수 있음을 알 수 있다.
한편, 도 9에 도시된 항공기 탑재 레이다 장치(900)에는 본 실시예와 관련된 구성들만이 도시되어 있다. 따라서, 도 9에 도시된 구성요소들 외에 다른 범용적인 구성요소들이 항공기 탑재 레이다 장치(900)에 더 포함될 수 있음을 본 실시예와 관련된 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다. 예를 들어, 항공기 탑재 레이다 장치(900)는 전원부(미도시) 및 송수신부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
전원부는 항공기 탑재 레이다 장치(900)에 전력을 공급할 수 있다. 예를 들어, 전원부는 항공기 탑재 레이다 장치(900)에 포함되는 송수신부 및 제어부(910)에 전력을 공급함으로써 송수신부 및 제어부(910) 각각이 요구되는 동작들을 수행하도록 할 수 있다.
송수신부는 탐색 영역을 향해 빔을 방사하고, 탐색 영역에 위치하는 표적으로부터 반사되는 신호를 수신하는 장치를 의미할 수 있다. 예를 들어, 송수신부는 안테나일 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다. 송수신부는 표적으로부터 반사되는 신호에 기초하여 표적의 현재 시점에서의 상태 정보를 나타내는 측정값을 획득할 수 있다.
제어부(910)는 항공기 탑재 레이다 장치(900)를 제어하기 위한 전반적인 역할을 할 수 있다. 예를 들어, 제어부(910)는 송수신부, 전원부 및 메모리(920)의 동작을 제어할 수 있다. 한편, 제어부(910)는 다수의 논리 게이트들의 어레이로 구현될 수 있고, 범용적인 마이크로 프로세서와 마이크로 프로세서에서 실행될 수 있는 프로그램이 저장된 메모리의 조합으로 구현될 수도 있다.
제어부(910)는 표적의 이전 시점에서의 상태 정보에 기초하여 표적의 현재 시점에서의 상태정보에 대한 예측값을 획득하고, 표적의 현재 시점에서의 상태정보를 실제로 측정함으로써 측정값을 획득하며, DTED를 이용하여 측정값을 보상하고, 예측값 및 보상된 측정값 간의 오차에 기초하여 표적의 상태정보를 재귀적으로 업데이트함으로써 표적을 추적할 수 있다.
예를 들어, 제어부(910)는 측정값에 대응되는 제1 직교좌표 값을 제1 위경고도좌표 값으로 변환하고, DTED로부터 제1 위경고도좌표 값의 위도 값 및 경도 값에 대응되는 제1 보상 고도 값을 획득하며, 제1 위경고도좌표 값의 고도 값을 제1 보상 고도 값으로 치환함으로써 제2 위경고도좌표 값을 획득하고, 획득된 제2 위경고도좌표 값을 다시 직교좌표계로 변환함으로써 제2 직교좌표 값을 획득하고, 제2 직교좌표 값을 보상된 측정값으로 결정할 수 있다.
DTED는 지표면에 일정 간격으로 분포된 지점들 각각의 고도 값을 기록한 데이터로서, 특정한 위도 값 및 경도 값에 대응되는 고도 값에 대한 정보를 포함할 수 있고, 표적의 상태정보는 표적의 3차원 위치 정보 및 3차원 속도 정보 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
한편, 제어부(910)는 측정 잡음이 존재하는 환경에서 표적의 현재 시점에서의 상태정보를 실제로 측정함으로써 측정값을 획득하는 것이며, 이 때, 측정 잡음에 대응되는 측정 잡음 공분산
Figure 112019057406040-pat00009
는 전술한 수학식 1을 따를 수 있다. k는 고각 에러를 감소시키기 위해 1보다 큰 값을 가져야 하는바, 1 초과의 실수일 수 있다. 또한, k가 너무 큰 값을 갖는 경우 확장 칼만 필터가 발산할 수 있으므로, k는 100 이하의 값을 갖는 것이 바람직할 수 있다.
한편, 제어부(910)는 DTED를 이용하여 예측값을 보상할 수도 있다. 예를 들어, 제어부(910)는 예측값에 대응되는 제3 직교좌표 값을 제3 위경고도좌표 값으로 변환하고, DTED로부터 제3 위경고도좌표 값의 위도 값 및 경도 값에 대응되는 제2 보상 고도 값을 획득하며, 제3 위경고도좌표 값의 고도 값을 제2 보상 고도 값으로 치환함으로써 제4 위경고도좌표 값을 획득하고, 획득된 제4 위경고도좌표 값을 다시 직교좌표계로 변환함으로써 제4 직교좌표 값을 획득하고, 제4 직교좌표 값을 보상된 예측값으로 결정할 수 있다.
이와 같이, 제어부(910)는 DTED를 이용하여 측정값 또는 예측값을 보상할 수 있고, 보상된 측정값 또는 보상된 예측값에 기초하여 표적의 상태정보를 업데이트하므로, 지상 또는 해상의 표적에 대응되는 고도 정보의 정확성이 향상될 수 있다.
메모리(920)는 항공기 탑재 레이다 장치(900) 내에서 처리되는 각종 데이터들을 저장하는 하드웨어로서, 예를 들어, 메모리는 항공기 탑재 레이다 장치(900)에서 처리된 데이터들 및 처리될 데이터들을 저장할 수 있다. 또한, 메모리는 항공기 탑재 레이다 장치(900)에 의해 구동될 애플리케이션들, 드라이버들 등을 저장할 수 있고, DTED를 미리 저장하고 있을 수 있다.
메모리(920)는 DRAM(dynamic random access memory), SRAM(static random access memory) 등과 같은 RAM(random access memory), ROM(read-only memory), EEPROM(electrically erasable programmable read-only memory), CD-ROM, 블루레이 또는 다른 광학 디스크 스토리지, HDD(hard disk drive), SSD(solid state drive), 또는 플래시 메모리를 포함할 수 있다. 메모리(920)는 항공기 탑재 레이다 장치(900)에 액세스될 수 있는 외부의 다른 스토리지 디바이스를 포함할 수도 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니다.
이상에서 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.

Claims (11)

  1. 항공기 탑재 레이다가 확장 칼만 필터(Extended Kalman Filter)를 이용하여 지상 또는 해상의 표적을 추적하는 방법에 있어서,
    상기 표적의 이전 시점에서의 상태 정보에 기초하여 상기 표적의 현재 시점에서의 상태정보에 대한 예측값을 획득하는 단계;
    상기 표적의 상기 현재 시점에서의 상태정보를 실제로 측정함으로써 측정값을 획득하는 단계;
    DTED(Digital Terrain Elevation Data)를 이용하여 상기 측정값을 보상하는 단계; 및
    상기 예측값 및 상기 보상된 측정값 간의 오차에 기초하여 상기 표적의 상태정보를 재귀적으로 업데이트함으로써 상기 표적을 추적하는 단계를 포함하고,
    상기 DTED를 이용하여 상기 측정값을 보상하는 단계는,
    상기 측정값에 대응되는 제1 직교좌표 값을 제1 위경고도좌표 값으로 변환하는 단계;
    상기 DTED로부터 상기 제1 위경고도좌표 값의 위도 값 및 경도 값에 대응되는 제1 보상 고도 값을 획득하는 단계;
    상기 제1 위경고도좌표 값의 고도 값을 상기 제1 보상 고도 값으로 치환함으로써 제2 위경고도좌표 값을 획득하는 단계; 및
    상기 획득된 제2 위경고도좌표 값을 다시 직교좌표계로 변환함으로써 제2 직교좌표 값을 획득하고, 상기 제2 직교좌표 값을 상기 보상된 측정값으로 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 DTED는 지표면에 일정 간격으로 분포된 지점들 각각의 고도 값을 기록한 데이터로서, 특정한 위도 값 및 경도 값에 대응되는 고도 값에 대한 정보를 포함하는, 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 표적의 상태정보는 상기 표적의 3차원 위치 정보 및 3차원 속도 정보 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 확장 칼만 필터는 상기 예측값 및 상기 보상된 측정값 간의 오차를 감소시키는 방향으로 상기 표적의 상태정보를 업데이트하는, 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 표적의 상기 현재 시점에서의 상태정보를 실제로 측정함으로써 측정값을 획득하는 단계는 측정 잡음이 존재하는 환경에서 수행되며,
    Figure 112020105640721-pat00027
    ,
    Figure 112020105640721-pat00028
    및
    Figure 112020105640721-pat00029
    각각은 거리, 방위각 및 고각 각각에 대한 공분산을 나타내며, k는 보상을 통해서 고각 에러를 감소시키고자 설정되는 상수라고 할 때, 상기 측정 잡음에 대응되는 측정 잡음 공분산
    Figure 112020105640721-pat00010
    는 다음의 수학식
    Figure 112020105640721-pat00011
    를 따르는, 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 k는 1 초과 100 이하의 실수인, 방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 방법은,
    상기 DTED를 이용하여 상기 예측값을 보상하는 단계; 및
    상기 보상된 예측값 및 상기 보상된 측정값 간의 오차에 기초하여 상기 표적의 상태정보를 재귀적으로 업데이트함으로써 상기 표적을 추적하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 DTED를 이용하여 상기 예측값을 보상하는 단계는,
    상기 예측값에 대응되는 제3 직교좌표 값을 제3 위경고도좌표 값으로 변환하는 단계;
    상기 DTED로부터 상기 제3 위경고도좌표 값의 위도 값 및 경도 값에 대응되는 제2 보상 고도 값을 획득하는 단계;
    상기 제3 위경고도좌표 값의 고도 값을 상기 제2 보상 고도 값으로 치환함으로써 제4 위경고도좌표 값을 획득하는 단계; 및
    상기 획득된 제4 위경고도좌표 값을 다시 직교좌표계로 변환함으로써 제4 직교좌표 값을 획득하고, 상기 제4 직교좌표 값을 상기 보상된 예측값으로 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
  10. 제 1항의 방법을 실행하는 명령어들을 포함하는 하나 이상의 프로그램이 기록된 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
  11. 확장 칼만 필터(Extended Kalman Filter)를 이용하여 지상 또는 해상의 표적을 추적하는 항공기 탑재 레이다 장치에 있어서,
    상기 표적의 이전 시점에서의 상태 정보에 기초하여 상기 표적의 현재 시점에서의 상태정보에 대한 예측값을 획득하고, 상기 표적의 상기 현재 시점에서의 상태정보를 실제로 측정함으로써 측정값을 획득하며, DTED(Digital Terrain Elevation Data)를 이용하여 상기 측정값을 보상하고, 상기 예측값 및 상기 보상된 측정값 간의 오차에 기초하여 상기 표적의 상태정보를 재귀적으로 업데이트함으로써 상기 표적을 추적하는 제어부; 및
    상기 DTED를 미리 저장하고 있는 메모리를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 측정값에 대응되는 제1 직교좌표 값을 제1 위경고도좌표 값으로 변환하고, 상기 DTED로부터 상기 제1 위경고도좌표 값의 위도 값 및 경도 값에 대응되는 제1 보상 고도 값을 획득하며, 상기 제1 위경고도좌표 값의 고도 값을 상기 제1 보상 고도 값으로 치환함으로써 제2 위경고도좌표 값을 획득하고, 상기 획득된 제2 위경고도좌표 값을 다시 직교좌표계로 변환함으로써 제2 직교좌표 값을 획득하고, 상기 제2 직교좌표 값을 상기 보상된 측정값으로 결정하는, 항공기 탑재 레이다 장치.
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