KR102501275B1 - 고기동 표적의 동특성 추정 및 다중경로 억제를 통한 정밀 궤적예측 방법 및 장치 - Google Patents

고기동 표적의 동특성 추정 및 다중경로 억제를 통한 정밀 궤적예측 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이더의 표적 궤적 예측 방법에 있어서, 다중경로 환경에서 표적으로부터 수신되는 표적 신호를 이용하여 레이더와 표적 간의 거리-도플러 맵을 산출하는 단계, 거리-도플러 맵을 통해 상기 레이더와 표적 간의 표적 측정치 및 다중경로 환경에 따른 허위표적과 레이더 간의 허위표적 측정치를 통해 유효 측정치를 결정하는 단계, 표적의 표적 궤적 예측 필터 모델을 결정하고, 유효 측정치에 기반하여 표적 궤적 예측 필터 모델에 미리 결정된 복수의 회피 기동 가설들을 적용하여 표적의 비행동특성 추정 필터 뱅크를 생성하는 단계, 비행동특성 추정 필터 뱅크로부터 획득한 필터 별 측정치 우도를 통해 가설확률을 산출하고, 이전 시점과 현재 시점에서 채택된 회피 기동 가설을 비교하여 회피 기동 가설을 검정하는 단계 및 검정된 회피 기동 가설에 따라 표적의 궤적을 예측하는 단계를 포함하는 표적 궤적 예측 방법을 제안한다.

Description

고기동 표적의 동특성 추정 및 다중경로 억제를 통한 정밀 궤적예측 방법 및 장치{Precise trajectory prediction method and apparatus of a highly maneuvering target through flight dynamics estimation and multipath suppression}
본 발명은 표적 궤적 예측 방법 및 장치에 관한 것이며, 특히, 고기동 해상 표적의 동특성 추정 및 다중경로 억제를 통한 고기동 해상 표적의 동특성 추정 및 다중경로 억제를 통한 표적 궤적 예측 방법 및 장치에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
종래의 표적의 등속도/등가속도 운동 모델을 고려하여 추적필터를 설계한 뒤 파라미터를 이용하여 궤적 예측을 수행하는 방법은 비행동특성을 비 고려한 문제가 있으며, 고기동 해상 표적 대응을 위해 제한적인 유도법칙 추론(수직면)에 근거한 표적 상대운동 추정을 통해 궤적 예측을 수행하는 방법은 수평면 급선회 기동패턴에 대응이 불가한 문제가 있다.
또한, 해면에 밀착 비행하는 해상 표적 추적 시 레이더 전파의 다중경로로 인한 성능저하 문제를 해결하는 종래 기술로 레이더의 합/차 채널 수신 신호를 이용하여 고각 측정치 편향오차를 개략적으로 보상하는 방법이 있으나, 레이더 신호 처리부의 연산량 부담이 가중되는 문제가 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 표적의 일반화된 유도명령 및 표적의 기동전략에 기반한 가설 검정을 통해 상대운동 정보와 함께 비행동특성을 실시간 추정하여 정밀 표적 궤적 예측을 수행하고, 다중경로의 기하학적 정보를 활용하여 실제표적의 탐지영역 중심점을 산출하는 방법을 도입하여 실제표적 및 다중경로로 인한 허위표적 측정치를 판단함으로써 다중경로 억제를 수행하는 것에 있다.
본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 수 있다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 레이더의 표적 궤적 예측 방법에 있어서, 다중경로 환경에서 표적으로부터 수신되는 표적 신호를 이용하여 상기 레이더와 상기 표적 간의 거리-도플러 맵을 산출하는 단계; 상기 거리-도플러 맵을 통해 상기 레이더와 상기 표적 간의 표적 측정치 및 상기 다중경로 환경에 따른 허위표적과 상기 레이더 간의 허위표적 측정치를 통해 유효 측정치를 결정하는 단계; 상기 표적의 표적 궤적 예측 필터 모델을 결정하고, 상기 유효 측정치에 기반하여 상기 표적 궤적 예측 필터 모델에 미리 결정된 복수의 회피 기동 가설들을 적용하여 상기 표적의 비행동특성 추정 필터 뱅크를 생성하는 단계; 상기 비행동특성 추정 필터 뱅크로부터 획득한 필터 별 측정치 우도를 통해 가설확률을 산출하고, 이전 시점과 현재 시점에서 채택된 상기 회피 기동 가설을 비교하여 상기 회피 기동 가설을 검정하는 단계; 및 상기 검정된 회피 기동 가설에 따라 상기 표적의 궤적을 예측하는 단계를 포함하는 표적 궤적 예측 방법을 제안한다.
바람직하게는, 상기 유효 측정치를 결정하는 단계는, 상기 레이더, 상기 표적 및 상기 허위표적이 표면에 반사되는 반사점을 이용하여 상기 표적의 탐지영역 중심점을 산출하는 단계; 및 상기 탐지영역 중심점을 통해 획득된 상기 표적 측정치 및 상기 허위표적 측정치를 표적 측정치 모델에 적용하여 유효 측정치를 결정하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 표적의 탐지영역 중심점을 산출하는 단계는, 상기 표적의 고도 변화가 없는 것으로 가정하여 상기 표적의 수직 방향의 속력 변화를 무시하며, 상기 표적의 접근 속력을 최대화하는 각도 값을 상기 레이더와 상기 허위표적 간의 상대 거리와 상기 허위표적 신호가 표면에 반사되는 지점에 따른 값에 대입하여 탐지영역 중심점을 산출하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 표적은 상기 허위표적에 따른 신호가 표면에 반사되는 지점을 중심으로 상기 반사되는 지점과 상기 허위표적 간의 거리를 반지름으로 하는 곡선 상에 위치하며, 상기 접근 속력은 상기 레이더로부터 상기 표적까지의 위치를 잇는 시선 벡터와 상기 표적의 속력이 이루는 사잇각이 작아질수록 커지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 표적 측정치 모델에 적용하여 유효 측정치를 결정하는 단계는, 상기 레이더와 상기 허위표적 간의 상대 거리와 상기 허위표적에 따른 신호가 표면에 반사되는 지점에 따른 값에 대입하여 산출된 탐지영역 중심점을 통해 획득한 상기 표적 측정치 및 상기 허위표적 측정치를 상기 표적 측정치 모델에 적용하여 상기 유효 측정치를 결정하며, 상기 표적 측정치 모델은 상기 표적의 위치 및 상기 레이더의 고도를 이용하여 구한 값과 측정 잡음을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 표적의 비행동특성 추정 필터 뱅크를 생성하는 단계는, 상기 표적에 작용하는 양력, 항력, 추력 및 중력에 의한 가속도 성분을 이용하여 비선형 미분 방정식으로 형성되는 표적 운동 모델을 생성하고, 상기 표적의 회피 기동을 모사하는 수평면 및 수직면 유도명령을 이용하여 상기 표적의 받음각을 계산하며, 상기 받음각을 통해 상기 표적 운동 정보를 재산출하며, 상기 표적 운동 모델, 상기 수평면 및 수직면 유도명령과 상기 재산출된 표적 운동 정보를 이용하여 필터 계산 주기로 이산화하여 상기 표적 궤적 예측 필터 모델을 결정하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 표적의 비행동특성 추정 필터 뱅크를 생성하는 단계는, 상기 유효 측정치에 기반하여 상기 표적 궤적 예측 필터 모델에 상기 미리 결정된 복수의 회피 기동 가설들을 적용하여 각각의 회피 기동 가설에 따른 적어도 하나의 부필터를 포함하는 상기 비행동특성 추정 필터 뱅크를 생성하고, 상기 회피 기동 가설은 상기 표적의 순항 비행, 상기 표적의 수평면 급선회, 상기 표적의 급상승 또는 급하강에 따른 가설을 적어도 하나 포함하여 수립되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 회피 기동 가설을 검정하는 단계는, 적어도 하나의 부필터를 포함하는 상기 비행동특성 추정 필터 뱅크의 각각의 필터 별 측정치 우도를 이용하여 가설 확률을 산출하고, 상기 가설 확률 중 가장 높은 확률에 해당되는 회피 기동 가설을 채택하는 단계; 및 이전 시점과 현재 시점에서의 상기 채택된 가설을 비교하여 상기 회피 기동 변화로 인한 오차공분산 재초기화 여부를 판단하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 오차공분산 재초기화 여부를 판단하는 단계는, 상기 표적이 비행 중 회피 기동 전략을 달리한 것으로 판별되는 경우 상기 비행동특성 추정 필터 뱅크의 적어도 하나의 부필터의 오차 공분산 재초기화를 진행하도록 상기 표적을 탐지하는 단계 또는 상기 표적의 유효 측정치를 획득하는 단계를 재수행하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 표적의 궤적을 예측하는 단계는, 상기 표적의 현재 시점에서 상기 표적의 회피 기동을 모사하는 수평면 및 수직면 유도명령에 사용된 제어이득과 비행동특성 파라미터 추정치를 이용하여 상기 표적의 궤적 예측을 수행하며, 상기 표적 궤적 예측 필터 모델을 쌍 선형 변환으로 이산화하여 예측 시간만큼 전파(propagation)를 수행하여 상기 표적의 예측 궤적을 산출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명은 프로세서 및 상기 프로세서에 의해 실행되는 프로그램을 저장하는 메모리를 포함하는 표적 궤적 예측 장치에 있어서, 상기 프로세서는, 다중경로 환경에서 표적으로부터 수신되는 표적 신호를 이용하여 상기 레이더와 상기 표적 간의 거리-도플러 맵을 산출하고, 상기 거리-도플러 맵을 통해 상기 레이더와 상기 표적 간의 표적 측정치 및 상기 다중경로 환경에 따른 허위표적과 상기 레이더 간의 허위표적 측정치를 통해 유효 측정치를 결정하며, 상기 표적의 표적 궤적 예측 필터 모델을 결정하고, 상기 유효 측정치에 기반하여 상기 표적 궤적 예측 필터 모델에 미리 결정된 복수의 회피 기동 가설들을 적용하여 상기 표적의 비행동특성 추정 필터 뱅크를 생성하고, 상기 비행동특성 추정 필터 뱅크로부터 획득한 필터 별 측정치 우도를 통해 가설확률을 산출하고, 이전 시점과 현재 시점에서 채택된 상기 회피 기동 가설을 비교하여 상기 회피 기동 가설을 검정하며, 상기 검정된 회피 기동 가설에 따라 상기 표적의 궤적을 예측하는 것을 특징으로 하는 표적 궤적 예측 장치를 제안한다.
바람직하게는, 상기 프로세서는, 상기 레이더, 상기 표적 및 상기 허위표적이 표면에 반사되는 반사점을 이용하여 상기 표적의 탐지영역 중심점을 산출하고, 상기 탐지영역 중심점을 통해 획득된 상기 표적 측정치 및 상기 허위표적 측정치를 표적 측정치 모델에 적용하여 유효 측정치를 결정하며, 상기 표적의 고도 변화가 없는 것으로 가정하여 상기 표적의 수직 방향의 속력 변화를 무시하며, 상기 표적의 접근 속력을 최대화하는 각도 값을 상기 레이더와 상기 허위표적 간의 상대 거리와 상기 허위표적 신호가 표면에 반사되는 지점에 따른 값에 대입하여 탐지영역 중심점을 산출하고, 상기 레이더와 상기 허위표적 간의 상대 거리와 상기 허위표적에 따른 신호가 표면에 반사되는 지점에 따른 값에 대입하여 산출된 탐지영역 중심점을 통해 획득한 상기 표적 측정치 및 상기 허위표적 측정치를 상기 표적 측정치 모델에 적용하여 상기 유효 측정치를 결정하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 프로세서는, 상기 표적에 작용하는 양력, 항력, 추력 및 중력에 의한 가속도 성분을 이용하여 비선형 미분 방정식으로 형성되는 표적 운동 모델을 생성하고, 상기 표적의 회피 기동을 모사하는 수평면 및 수직면 유도명령을 이용하여 상기 표적의 받음각을 계산하며, 상기 받음각을 통해 상기 표적 운동 정보를 재산출하며, 상기 표적 운동 모델, 상기 수평면 및 수직면 유도명령과 상기 재산출된 표적 운동 정보를 이용하여 필터 계산 주기로 이산화하여 상기 표적 궤적 예측 필터 모델을 결정하고, 상기 유효 측정치에 기반하여 상기 표적 궤적 예측 필터 모델에 상기 미리 결정된 복수의 회피 기동 가설들을 적용하여 각각의 회피 기동 가설에 따른 적어도 하나의 부필터를 포함하는 상기 비행동특성 추정 필터 뱅크를 생성하며, 상기 회피 기동 가설은 상기 표적의 순항 비행, 상기 표적의 수평면 급선회, 상기 표적의 급상승 또는 급하강에 따른 가설을 적어도 하나 포함하여 수립되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 본 발명은 해상 표적의 상대운동 정보만을 이용하는 것이 아니라, 비행동특성 파라미터를 함께 추정한 뒤 이를 표적 궤적 예측에 활용함으로써 궤적 예측 정확도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 고기동 해상 표적의 수평면/수직면에 관한 일반화된 유도명령을 고려함으로써 수평면/수직면에서의 복합 기동하는 해상 표적에 대한 정밀 궤적 예측을 수행할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 해상 표적의 기동전략이 순차적으로 구사된다는 가정을 토대로 회피 기동에 대한 가설 검정을 수행함으로써 불필요한 가설 배제를 통해 표적 궤적 예측 필터 모델의 빠른 수렴특성 및 실시간 구현 가능성을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해 될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 표적 궤적 예측 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 표적 궤적 예측의 흐름을 자세히 나타내는 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다중경로 영향에 따른 허위표적 억제를 위한 상대기하를 정의하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 거리-도플러 맵에서 실제표적 검출을 위해 다중경로 기하를 이용하여 탐지 영역 중심점을 산출하는 개념을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 표적의 운동을 모델링하기 위한 상대운동을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 회피 기동가설에 기반한 비행동특성 추정 필터 뱅크를 나타내는 도면이다.
도 7은 실시예들에서 사용되기에 적합한 컴퓨팅 기기를 포함하는 컴퓨팅 환경을 예시하여 설명하기 위한 블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 게시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 게시가 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.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
본 발명은 표적 궤적 예측 방법 및 장치에 관한 것이다.
종래에는 상대운동 정보(위치/속도/가속도) 추정 결과만을 사용하여 궤적 예측 수행하였으며, 고기동 대응을 위한 종말 유도법칙 추론에 근거하여 상태를 추정하였고, 다중 경로 고려를 위해 합/차 채널로 고각 폭을 개략 산출하여 편향오차 보상하였다.
이에, 종래에는 궤적 예측을 위해, 표적 등속도/등가속도 운동모델을 가정하여 추적필터 설계함에 따라 해상 표적의 종말 회피 기동에 대한 적절한 CIWS 대응이 어려운 문제가 있었으며, 속력, 고도, 받음각, 추력 등 비행동특성 변화를 고려하지 않은 궤적 예측을 수행함에 따라 레이더 측정치를 이용한 장시간 표적궤적 예측 성능저하를 야기하였으며, 특히, 종래 기술로는 급선회 고기동 표적의 궤적 예측방법이 전무한 문제가 있다. 또한, 제한된 유도법칙(랑데부, 비례항법유도) 추론에 근거한 고기동 표적 궤적 예측은 수직/수평면을 모두 고려한 복합유도명령을 지닌 해상 표적의 궤적 예측 불가하였으며, 종래 허위표적 억제 방법은 레이더 신호처리부의 연산량 부담을 가중시키는 문제가 있다.
전투 함정은 위협 표적으로부터의 보호를 위해 근접방어체계(CIWS) 탑재하고 있다. 이때, 표적의 궤적 변화 및 요격탄 탄착시간을 고려하는 예상 명중점의 정확도가 중요하며, 예상 명중점 성능 좌우요인은 표적 궤적 예측 기술의 성능 수준에 있다.
해상 표적이 속력, 고도, 받음각, 추력과 같은 비행동특성이 시간에 따라 변화하고, 시변 비행동특성 성분 비 고려 시, 장시간에 걸친 표적 궤적 예측성능 저하에 따른 비행동특성 변화를 고려해야 했으며, 최신 해상 표적은 종말단계에서 다양한 회피 기동(급선회, 급상승, 급하강)을 보유하고 있으며, CIWS의 표적 궤적 예측 문제를 더 어렵게 만드는 요인 중 하나이므로, 고기동 해상 표적에 대응이 필요하다. 또한, 다중경로 수신신호 획득으로 인해 허위표적 측정치가 발생하고, 허위표적을 표적 측정치로 오인할 경우 표적 추적 및 궤적 예측성능 저하가 발생하며, 허위표적을 유발하는 다중경로 영향을 고려하여 궤적 예측 신뢰도 제고 필요함에 따라 다중경로 영향을 고려해야 한다.
이에 따라, 본 발명은 종래 레이더 신호처리와 달리, 다중경로의 기하학적 상관관계로부터 실제표적을 검출하기 위한 탐지영역 중심점을 레이더 신호 처리부에 되먹임 하는 구조를 취함으로써 해상 표적이 해면 밀착비행 시에도 실제표적과 다중경로에 의해 빈번히 출현되는 허위표적을 판단할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 표적 궤적 예측 장치(10)에 따른 표적 궤적 예측 방법은 해상 표적의 일반화된 유도명령 추정 소프트웨어, 비행 자세 혹은 기동에 따른 비행동특성 변화 추정 소프트웨어, 표적 정밀 궤적 예측 및 예상 명중점 산출 소프트웨어, 다중경로 영향에 따른 허위표적을 억제하는 자료연관 표적 추적 소프트웨어 등에 사용될 수 있으며, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 표적 궤적 예측 방법을 나타내는 흐름도이다. 표적 궤적 예측 방법은 표적 궤적 예측 장치에 의하여 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 표적은 해상 표적으로 구현될 수 있으며, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
표적 궤적 예측 방법은 다중경로 환경에서 표적으로부터 수신되는 표적 신호를 이용하여 레이더와 표적 간의 거리-도플러 맵을 산출하는 단계(S110), 거리-도플러 맵을 통해 레이더와 표적 간의 표적 측정치 및 다중경로 환경에 따른 허위표적과 레이더 간의 허위표적 측정치를 통해 유효 측정치를 결정하는 단계(S120), 표적의 표적 궤적 예측 필터 모델을 결정하고, 유효 측정치에 기반하여 표적 궤적 예측 필터 모델에 미리 결정된 복수의 회피 기동 가설들을 적용하여 표적의 비행동특성 추정 필터 뱅크를 생성하는 단계(S130), 비행동특성 추정 필터 뱅크로부터 획득한 필터 별 측정치 우도를 통해 가설확률을 산출하고, 이전 시점과 현재 시점에서 채택된 회피 기동 가설을 비교하여 회피 기동 가설을 검정하는 단계(S140) 및 검정된 회피 기동 가설에 따라 표적의 궤적을 예측하는 단계(S150)를 포함한다.
거리-도플러 맵을 통해 레이더와 표적 간의 표적 측정치 및 다중경로 환경에 따른 허위표적과 레이더 간의 허위표적 측정치를 통해 유효 측정치를 결정하는 단계(S120)는 레이더, 표적 및 허위표적이 표면에 반사되는 반사점을 이용하여 표적의 탐지영역 중심점을 산출하는 단계 및 탐지영역 중심점을 통해 획득된 표적 측정치 및 허위표적 측정치를 표적 측정치 모델에 적용하여 유효 측정치를 결정하는 단계를 포함한다.
레이더, 표적 및 허위표적이 표면에 반사되는 반사점을 이용하여 표적의 탐지영역 중심점을 산출하는 단계는 표적의 고도 변화가 없는 것으로 가정하여 표적의 수직 방향의 속력 변화를 무시하며, 표적의 접근 속력을 최대화하는 각도 값을 레이더와 허위표적 간의 상대 거리와 허위표적 신호가 표면에 반사되는 지점에 따른 값에 대입하여 탐지영역 중심점을 산출할 수 있다.
표적은 허위표적에 따른 신호가 표면에 반사되는 지점을 중심으로 반사되는 지점과 허위표적 간의 거리를 반지름으로 하는 곡선 상에 위치할 수 있다.
접근 속력은 레이더로부터 표적까지의 위치를 잇는 시선 벡터와 표적의 속력이 이루는 사잇각이 작아질수록 커질 수 있다.
탐지영역 중심점을 통해 획득된 표적 측정치 및 허위표적 측정치를 표적 측정치 모델에 적용하여 유효 측정치를 결정하는 단계는 레이더와 허위표적 간의 상대 거리와 허위표적에 따른 신호가 표면에 반사되는 지점에 따른 값에 대입하여 산출된 탐지영역 중심점을 통해 획득한 표적 측정치 및 허위표적 측정치를 표적 측정치 모델에 적용하여 유효 측정치를 결정할 수 있다. 여기서, 유효 측정치는 실제표적의 측정치를 나타낼 수 있다.
표적 측정치 모델은 표적의 위치 및 레이더의 고도를 이용하여 구한 값과 측정 잡음을 이용하여 형성될 수 있다.
표적의 표적 궤적 예측 필터 모델을 결정하고, 표적 궤적 예측 필터 모델에 미리 결정된 복수의 회피 기동 가설들을 적용하여 표적의 비행동특성 추정 필터 뱅크를 생성하는 단계(S130)는 표적에 작용하는 양력, 항력, 추력 및 중력에 의한 가속도 성분을 이용하여 비선형 미분 방정식으로 형성되는 표적 운동 모델을 생성하며, 표적의 회피 기동을 모사하는 수평면 및 수직면 유도명령을 이용하여 표적의 받음각을 계산하며, 받음각을 통해 표적 운동 정보를 재산출하고, 표적 운동 모델, 수평면 및 수직면 유도명령과 재산출된 표적 운동 정보를 이용하여 필터 계산 주기로 이산화하여 표적 궤적 예측 필터 모델을 결정할 수 있다.
표적의 표적 궤적 예측 필터 모델을 결정하고, 표적 궤적 예측 필터 모델에 미리 결정된 복수의 회피 기동 가설들을 적용하여 표적의 비행동특성 추정 필터 뱅크를 생성하는 단계(S130)는 유효 측정치에 기반하여 표적 궤적 예측 필터 모델에 미리 결정된 복수의 회피 기동 가설들을 적용하여 각각의 회피 기동 가설에 따른 적어도 하나의 부필터를 포함하는 비행동특성 추정 필터 뱅크를 생성할 수 있다.
회피 기동 가설은 표적의 순항 비행, 표적의 수평면 급선회, 표적의 급상승 또는 급하강에 따른 가설을 적어도 하나 포함하여 수립될 수 있다.
비행동특성 추정 필터 뱅크로부터 획득한 필터 별 측정치 우도를 통해 가설확률을 산출하고, 이전 시점과 현재 시점에서 채택된 회피 기동 가설을 비교하여 회피 기동 가설을 검정하는 단계(S140)는 적어도 하나의 부필터를 포함하는 비행동특성 추정 필터 뱅크의 각각의 필터 별 측정치 우도를 이용하여 가설 확률을 산출하고, 가설 확률 중 가장 높은 확률에 해당되는 회피 기동 가설을 채택하는 단계 및 이전 시점과 현재 시점에서의 채택된 가설을 비교하여 회피 기동 변화로 인한 오차공분산 재초기화 여부를 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
이전 시점과 현재 시점에서의 채택된 가설을 비교하여 회피 기동 변화로 인한 오차공분산 재초기화 여부를 판단하는 단계는 표적이 비행 중 회피 기동 전략을 달리한 것으로 판별되는 경우 비행동특성 추정 필터 뱅크의 적어도 하나의 부필터의 오차 공분산 재초기화를 진행하도록 표적을 탐지하는 단계(S110) 또는 표적의 유효 측정치를 획득하는 단계(S120)를 재수행할 수 있다.
검정된 회피 기동 가설에 따라 표적의 궤적을 예측하는 단계(S150)는 표적의 현재 시점에서 상기 표적의 회피 기동을 모사하는 수평면 및 수직면 유도명령에 사용된 제어이득과 비행동특성 파라미터 추정치를 이용하여 상기 표적의 궤적 예측을 수행하며, 표적 궤적 예측 필터 모델을 쌍 선형 변환으로 이산화하여 예측 시간만큼 전파(propagation)를 수행하여 표적의 예측 궤적을 산출할 수 있다.
도 1에서는 각각의 과정을 순차적으로 실행하는 것으로 개재하고 있으나 이는 예시적으로 설명한 것에 불과하고, 이 분야의 기술자라면 본 발명의 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 도 1에 기재된 순서를 변경하여 실행하거나 또는 하나 이상의 과정을 병렬적으로 실행하거나 다른 과정을 추가하는 것으로 다양하게 수정 및 변형하여 적용 가능할 것이다.
이하, 도 2 내지 도 6을 참조하여 본 발명에 따른 다중경로 환경에서 레이더의 고기동 해상 표적의 동특성 추정 및 다중경로 억제를 통한 정밀 궤적 예측의 구성 및 효과를 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 표적 궤적 예측 방법을 자세히 나타내는 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 표적 궤적 예측 방법은 허위/실제표적 탐지 알고리듬 형성 단계(S210), 허위표적 억제 및 실제표적 측정치 판단 단계(S220), 회피 기동 가설 기반 비행동특성 추정 필터 뱅크 생성 단계(S230), 회피 기동 가설 검정 단계(S240), 표적 장시간 궤적 예측 단계(S250) 및 CIWS(위협 평가 및 무기 할당) 단계(S260)를 포함한다.
여기서, 상술하는 단계 S210 내지 S250은 도 1의 단계 S110 내지 S150에 각각 대응될 수 있으며, 단계 S210 내지 S260을 통해 표적 궤적 예측 방법을 더 자세히 설명하도록 한다.
허위/실제표적 탐지 알고리듬 형성 단계(S210)는 다중경로 환경에서 표적 상대거리-도플러(접근속력)을 탐지/추출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 허위/실제표적 탐지 알고리듬 형성 단계(S210)는 레이더의 신호 처리부에서 수행될 수 있다. 여기서, 레이더의 신호 처리부는 프로세서로서, 상술한 방법을 수행할 수 있으며, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
허위/실제표적 탐지 알고리듬 형성 단계(S210)는 거리-도플러 맵 추출 단계 및 상기 거리-도플러 맵에서 다중경로 기하를 고려하는 표적 탐지 단계를 포함할 수 있다.
거리-도플러 맵은 특정 거리에서 수신되는 표적 반사신호를 수집하여 표적 신호에 대한 거리 및 상대속도 특성을 표현한 맵을 나타낸다.
허위표적 억제 및 실제표적 측정치 판단 단계(S220)는 다중경로 영향으로 발생하는 허위표적을 억제하기 위한 자료연관을 수행할 수 있다.
허위표적 억제 및 실제표적 측정치 판단 단계(S220)는 허위표적 억제 및 실제표적 측정치 판단을 수행할 수 있다.
허위표적 억제 및 실제표적 측정치 판단 단계(S220)는 레이더의 신호 처리부(프로세서)에서 제공하는 거리-도플러 맵을 이용하여 허위표적 및 실제 해상 표적을 탐지하여 측정치를 생성하는 단계 및 상기 측정치와 표적 측정치 모델을 이용하는 표적의 유효 측정치 판단 및 상태 추정치 갱신 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 측정치는 레이더와의 거리와 레이더와의 각도를 포함할 수 있으며, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
표적 측정치 모델은 표적을 탐지하여 생성된 실제표적 측정치와 허위표적 측정치를 이용하여 실제표적 또는 다중경로로 인한 허위표적으로 유래된 측정치인가를 판단할 수 있으며, 이를 통해 유효 측정치를 판단할 수 있다. 여기서, 유효 측정치는 실제표적의 측정치를 나타낸다.
회피 기동 가설 기반 비행동특성 추정 필터 뱅크 생성 단계(S230)는 회피 기동 가설 기반의 해상 표적의 비행동특성을 추정할 수 있으며, 회피 기동 가설 기반 비행동특성 추정 필터 뱅크를 형성할 수 있다.
회피 기동 가설 기반 비행동특성 추정 필터 뱅크 생성 단계(S230)는 해상 표적으로부터 유래된 유효 측정치에 기반하여 회피 기동 가설에 따라 간소화된 3개의 부필터를 이용하여 표적의 상대 운동학적 정보, 비행동특성 및 유도명령 파라미터를 추정할 수 있다.
회피 기동 가설 검정 단계(S240)는 비행동특성 추정 필터 뱅크로부터 획득된 필터 별 측정치 우도를 이용하여 가설확률을 산출하고 가장 높은 확률에 해당되는 회피 기동 가설을 채택하는 가설 검정 단계 및 회피 기동 변화로 인한 오차공분산 재초기화 여부를 판단하기 위해, 이전 시점과 현재 시점에 채택된 가설을 비교하는 로직 처리 단계를 포함할 수 있다. 여기서, 비행동특성 추정 필터 뱅크는 비행동특성 추정 필터들의 집합을 나타낸다.
필터 별 측정치 우도는 필터 별로 측정치 각각에 대해 특정 값을 취할 확률을 가지는 함수를 나타내며, 이를 통해 가설확률을 산출할 수 있다.
회피 기동 변화로 인한 오차공분산 재초기화 여부를 판단하기 위해, 이전 시점과 현재 시점에 채택된 가설을 비교하는 로직 처리 단계는 오차공분산을 통해 앞서 채택된 가설을 사용할 것인지를 판단할 수 있다. 오차공분산은 채택된 가설이 얼마나 정확한지를 알려주는 척도이며, 표적의 궤적을 더 정확하게 추정하기 위해 사용될 수 있다.
표적 장시간 궤적 예측 단계(S250)는 고기동 표적의 장시간 정밀 궤적 예측을 수행할 수 있다.
표적 장시간 궤적 예측 단계(S250)는 상기 로직에서 갱신된 최신 상태 추정치를 기반으로 요구되는 예측 시간만큼 적분과정을 반복 수행하여 해상 표적의 궤적을 예측할 수 있다. 여기서, 갱신된 최신 상태 추정치는 표적 궤적 예측 필터 모델에 의해 갱신된 것으로서, 표적 궤적 예측 필터 모델에 채택된 회피 기동 가설의 적용에 의해 산출된 추정치를 나타낼 수 있다.
따라서, 고기동 해상 표적의 동특성 추정 및 다중경로 억제를 통한 정밀 궤적 예측 방법은 다중경로 상황에서 허위표적과 실제표적 측정치를 효과적으로 판별함으로써, 추적필터의 안정적 운용을 가능하게 하며, 해상 표적의 상대운동 정보와 더불어 비행동특성 파라미터를 함께 추정함으로써 궤적 예측 정확도를 획기적으로 향상시킬 수 있고, 해상 표적의 회피 기동에 대한 가설 검정을 통해 불필요한 가설을 배제함으로써, 표적 궤적 예측 필터 모델의 빠른 수렴특성을 담보할 수 있다. 또한, 고기동 해상 표적의 동특성 추정 및 다중경로 억제를 통한 정밀 궤적 예측 방법은 해상 표적이 급기동 하더라도 예상 조우점을 높은 신뢰도로 산출할 수 있어, 동일 해상 표적에 대한 근접방어체계의 교전 횟수를 최소화하고 복수 표적에 대한 교전 능력을 제고할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다중경로 영향에 따른 허위표적 억제를 위한 상대기하를 정의하는 도면이다.
도 3은 다중경로 영향에 따른 허위표적 억제 방법을 설명하기 위한 레이더, 표적 및 허위표적에 따른 반사점에 대한 상대기하를 나타낸다.
도 3을 참조하면, hr은 레이더 고도를 나타내고, (xt, yt)는 실제표적의 위치를 나타내며, Rt 및 λt는 실제표적의 거리와 각도를 나타내고, Rg 및 λg는 허위표적의 거리와 각도를 나타내며, r1 및 r2는 허위표적의 다중경로 거리를 나타내고, V는 표적 속력을 나타낸다. 여기서, r1은 레이더에서 허위표적에 따른 반사점까지의 거리를 나타내며, r2는 허위표적에 따른 반사점에서 허위표적 또는 실제표적까지의 거리를 나타낸다.
레이더와 허위표적 간의 상대거리는 Rg = r1 + r2 로 나타낼 수 있다. 이때,
Figure 112021015422988-pat00001
로 나타낼 수 있으므로, 허위표적과 관련된 주요 매개변수를 수학식 1로 나타낼 수 있다.
Figure 112021015422988-pat00002
상술한 수학식 1에서, r2는 허위표적에 따른 반사점(dg)에서 허위표적 또는 실제표적까지의 거리를 나타내며, 원 C의 반지름을 나타낼 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 거리-도플러 맵에서 실제표적 검출을 위해 다중경로 기하를 이용하여 탐지 영역 중심점을 산출하는 개념을 나타내는 도면이다.
도 4는 거리-도플러 맵에서 실제표적 검출을 위해 다중경로 기하를 이용하여 탐지 영역의 중심점을 산출하는 개념을 나타낸다.
이때, 실제표적의 검출을 위한 기본 가정을 수립할 수 있다. 기본 가정은 해면 밀착 비행 시 다중 경로에 의한 허위표적이 빈번하게 출현하므로 해상 표적이 고도 변화 없이 순항하는 것으로 가정하여 수직 방향의 속도 변화를 무시하는 가정과 레이더의 해면 고도는 함정에 탑재된 관성항법장치로부터 획득하는 가정을 포함할 수 있으며, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
관성항법장치는 비행체의 이동에 따르는 3차원 가속도를 적분하여 이동 거리를 구함으로써 수행되는 항행 방식으로, 비행체의 위치, 속도, 방향 등을 표시할 수 있다.
실제표적은 신호가 반사되는 지점(dg, 0)을 중심으로 반지름 r2인 원 C 위에 존재할 수 있다.
레이더와 표적의 접근 속력은 레이더로부터 표적 위치를 잇는 시선 벡터와 표적 속력이 이루는 사잇각이 작아질수록 점차 커지게 된다. 이때, 기하 관계로부터 원 C에서 접근 속력을 최대화하는 지점을 표적 위치 주변으로 볼 수 있다.
접근 속력을 최대화하는 조건은 각도 θ로 표현될 수 있으며, 수학식 2를 통해 나타낼 수 있다.
Figure 112021015422988-pat00003
상술한 수학식 2에서,
Figure 112021015422988-pat00004
는 접근 속력을 최대화하는 조건에 따른 각도를 나타낸다.
접근속력을 최대화하는 조건은 각도 θ를 미분한 값이 0인 경우를 통해 산출할 수 있다. 이에 θ 값을 산출할 수 있으며, 이를 통해 탐지영역 중심점을 산출할 수 있다.
수학식 2는 접근 속력을 최대화하는 조건을 각도로 표현한 것으로 거리-도플러 맵 상에서 실제표적을 검출하기 위한 탐지영역 중심점을 계산할 수 있다. 여기서, 탐지영역 중심점은 수학식 3으로 나타낼 수 있다.
Figure 112021015422988-pat00005
상술한 수학식 3에서,
Figure 112021015422988-pat00006
는 탐지영역 중심점을 나타낸다. 여기서, 탐지영역은 미리 정해져 있을 수 있으며, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
상술한 다중경로 영향에 따른 허위표적 억제를 위한 탐지영역 중심점 검출은 첨두를 검출하고, 모노펄스 처리를 통해 허위표적의 측정치를 획득하여 실제표적의 탐지영역 중심점을 산출할 수 있다. 이때, 탐지 영역의 중심점을 통해 실제표적의 측정치를 획득할 수 있다.
허위표적 측정치와 실제표적 측정치는 레이더와의 거리 및 각도를 각각 포함할 수 있으며, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 구체적으로, 도 3를 참조하면, 허위표적 측정치는
Figure 112021015422988-pat00007
로 나타낼 수 있으며, 실제표적 측정치는
Figure 112021015422988-pat00008
로 나타낼 수 있다.
표적 측정치 모델에 허위표적 측정치 또는 실제표적 측정치를 적용하여 실제표적 또는 다중경로로 인한 허위표적으로 유래된 측정치인지를 판단할 수 있다. 표적 측정치 모델은 수학식 4로 나타낼 수 있다.
Figure 112021015422988-pat00009
상술한 수학식 4에서, zt는 표적 측정치 모델을 나타내며, v는 측정 잡음을 나타낸다.
상술한 표적 측정치 모델을 통해 실제표적 측정치 판단 과정을 거치며, 이를 통해 추출된 실제표적 측정치를 이용하여 정밀 궤적 예측 필터링을 수행할 수 있다. 이를 통해 다중경로 영향으로 인한 허위표적 측정치가 존재하는 상황에서도 표적 추적 실패 가능성을 현저히 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 표적의 운동을 모델링하기 위한 상대운동을 나타내는 도면이다.
도 5는 대함 유도탄 표적의 운동을 모델링하기 위한 상대운동을 나타내는 도면이다. 여기서, 대함 유도탄은 지상이나 해상, 항공에서 함정을 겨냥하여 쏘는 유도탄으로서, 본 발명을 설명하기 위한 일 예로서 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
도 5의 (a)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 관성 좌표계 및 시선좌표계를 나타내는 도면이고, 도 5의 (b)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 표적 속도 좌표계를 나타내는 도면이다.
도 5의 (a)는 레이더를 기준으로 나타내는 좌표계이며, 도 5의 (b)는 도 5의 (a)에 따른 표적을 기준으로 나타내는 좌표계이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, I는 관성 좌표계를 나타내고, L는 레이더로부터 표적을 잇는 시선 벡터를 XL축으로 하는 시선 좌표계를 나타낸다. 또한, V는 원점을 표적 무게중심으로 나타내어, XV축을 표적의 속도 벡터 방향으로 하는 표적 속도 좌표계를 나타낸다.
도 5를 참조하면, R은 레이더와 표적 사이의 거리를 나타내고, λh 및 λv는 수평/수직면 시선각을 나타내며,
Figure 112021015422988-pat00010
및
Figure 112021015422988-pat00011
는 수평/수직면 비행 경로각을 나타내며, α는 받음각을 나타내고,
Figure 112021015422988-pat00012
는 뱅크각을 나타낸다. 또한, g는 표적의 중력을 나타낸다.
Figure 112021015422988-pat00013
상술한 수학식 5는 도 5의 (a)의 관성 좌표계로부터 시선 좌표계까지의 좌표변환행렬(CL I) 및 회전각속도(WL IL)를 나타내고, 관성 좌표계로부터 표적 속도 좌표계까지의 좌표변환행렬(CV I) 및 회전각속도(WV IV)를 나타낸다.
상술한 수학식 5에서,
Figure 112021015422988-pat00014
은 χ축을 중심으로
Figure 112021015422988-pat00015
만큼 회전시키는 회전변환행렬(Rotation Matrix)을 의미하며,
Figure 112021015422988-pat00016
이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 회피 기동가설에 기반한 비행동특성 추정 필터 뱅크를 나타내는 도면이다.
도 6은 도 5의 좌표계를 참조하여 회피 기동 가설 기반 비행동특성 추정 필터 뱅크를 나타낸 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 회피 기동 가설에 따른 부필터 방정식을 산출하기 전 일반화된 해상 표적의 6자유도 운동 모델을 유도할 수 있다.
고기동 해상 표적에 작용하는 양력(Lift), 항력(Drag), 추력(Thrust) 및 중력(Gavity)에 의한 가속도 성분은 표적 속도좌표계 상에서 수학식 6으로 나타낼 수 있다.
Figure 112021015422988-pat00017
상술한 수학식 6에서, aV L은 양력(Lift)에 의한 가속도 성분을 나타내고, aV D는 항력(Drag)에 의한 가속도 성분을 나타내고, aV T는 추력(Thrust)에 의한 가속도 성분을 나타내고, gV는 중력(Gavity)에 의한 가속도 성분을 나타낸다.
여기서, 양력에 의한 가속도 aV L은 레이더가 부착된 유도 비행체의 속도에 수직한 방향으로 인가되는 유도명령 (ay, az)에 의한 것이며, 항력에 의한 가속도 aV D는 속도 벡터의 반대 방향으로 작용할 수 있다. 표적의 특성 상 대부분의 운용 구간에서 받음각이 비교적 작게 유지되므로 양력에 의한 가속도 및 항력에 의한 가속도에 근사식을 적용하여 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112021015422988-pat00018
상술한 수학식 7에서, q는 동압(Dynamic Pressure)을 나타내며, Sref와 m은 각각 레이더가 부착된 유도 비행체의 동체 단면적과 질량, CLα 및 CD0는 공력미계수를 나타낸다. 이에, 표적의 비행동특성은 수학식 8과 같이 기술될 수 있다.
Figure 112021015422988-pat00019
상술한 수학식 8에서, 표적 속도좌표계의 표적 속도벡터는 VV = [V 0 0]T로 나타낼 수 있다. 이때, 수학식 6으로부터 수학식 8을 계산할 수 있으며, 수학식 5의 관성 좌표계에서 표적 속도좌표계로의 좌표변환행렬 및 회전각속도와 수학식 8을 이용하여 표적의 동특성 방정식을 미분방정식으로 재정리할 수 있다.
표적의 동특성 방정식은 표적 속력 V, 표적의 수평면 비행 경로각
Figure 112021015422988-pat00020
및 표적의 수직면 비행 경로각
Figure 112021015422988-pat00021
를 각각 미분한 방정식으로 표현될 수 있다.
또한, 표적 상대기하 변화를 고려하기 위해 상술한 바와 마찬가지로 코리올리 방정식을 적용하여 수학식 9를 얻을 수 있다.
Figure 112021015422988-pat00022
상술한 수학식 9에서, 시선 좌표계의 표적 위치벡터는 RL = [R 0 0]T 로 나타낼 수 있다. 상술한 수학식 9와 수학식 5의 관성 좌표계로부터 시선 좌표계까지의 좌표변환행렬(CL I) 및 회전각속도(WL IL)를 이용하여 표적의 상대기하 변화를 기술할 수 있다.
표적의 상대기하 변화는 레이더와 표적 사이의 거리를 나타내는 R, 레이더의 수평면 시선각 λh, 레이더의 수직면 시선각 λv을 각각 미분한 방정식으로 표현될 수 있다.
이를 통해 표적의 동특성과 상대운동이 6차 비선형 미분방정식으로 간략화될 수 있다. 구체적으로, 상술한 수학식 5 내지 수학식 9를 활용한 고기동 해상 표적의 간략한 운동 모델은 수학식 10과 같이 6차 비선형 미분방정식으로 나타낼 수 있다.
Figure 112021015422988-pat00023
상술한 수학식 10은 레이더와 표적 사이의 거리를 나타내는 R, 레이더의 수평면 시선각 λh, 레이더의 수직면 시선각 λv, 표적 속력 V, 표적의 수평면 비행 경로각
Figure 112021015422988-pat00024
및 표적의 수직면 비행 경로각
Figure 112021015422988-pat00025
를 각각 미분한 것이다.
6차 비선형 미분방정식에 따른 운동 모델은 유도명령(ay, az), 공력, 추력과 관련한 미지변수를 포함한다. 이에 따라, 표적의 장시간 궤적 예측을 위해 레이더에서 제공하는 상대거리 및 시선각 측정치를 이용하여 미지 변수를 추정할 할 수 있다.
고기동 해상 표적의 회피 기동을 모사하기 위한 일반화된 수평면 및 수직면 유도명령은 하기의 수학식 11과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112021015422988-pat00026
상술한 수학식 11에서, ay는 수평면 유도명령을 나타내고, az는 수직면 유도명령을 나타낸다. 또한, η7 ~ η11은 유도단계에 따라 값이 변화하는 구간상수로 나타내며, η12, η13은 비행동특성 파라미터를 나타낸다. 비행동특성 파라미터(η12, η13)는 실제 상황에서 변화폭이 크기 않기 때문에 랜덤 워크(Random Walk) 모델로 근사할 수 있다. 여기서, 랜덤 워크(Random Walk) 모델은 변화폭이 임의의 방향으로 진행되는 경우를 나타내며, 이산 변수, 연속 변수 등에 활용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, η7과 η8은 각각 수평면 유도오차를 0으로 만들기 위한 비례항법상수 및 선회기동에 사용된 제어이득을 나타낼 수 있다. 또한, η9 ~ η11 은 수직면 급기동 및 입사각 제어를 위한 이득을 의미하며, aZ의 우변 마지막 항은 중력보상항을 나타낸다.
이때, 상술한 수학식 11의 유도명령(ay, az)을 이용하여 고기동 해상 표적의 받음각(α)을 수학식 12와 같이 계산할 수 있다.
Figure 112021015422988-pat00027
상술한 수학식 12의 받음각을 활용하여 해상 표적의 속력 변화를 수학식 13와 같이 재 기술할 수 있다.
Figure 112021015422988-pat00028
상술한 수학식 10 내지 수학식 13을 종합하여 필터 계산주기(Ts)로 이산화할 경우, 장시간 표적 궤적 예측 필터 모델을 산출할 수 있다. 표적 궤적 예측 필터 모델은 수학식 14와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112021015422988-pat00029
수학식 14에서, x는 상태변수를 나타내며, f(x)는 비선형 함수를 나타내고, y는 레이더 측정치를 나타내며, H는 측정행렬을 나타내고, u는 공정잡음을 나타내며, v는 측정잡음을 나타낸다. 상술한 변수들은 수학식 15와 같이 정의될 수 있다.
Figure 112021015422988-pat00030
수학식 15에 따른 표적 궤적 예측 필터 모델에 따른 방정식의 차수는 13차로 상태 변수의 느린 수렴 속도를 문제점으로 가지고 있으며, 이로 인해 CIWS가 해상 표적을 요격하기에 충분한 시간을 확보하지 못한다는 문제점을 가지고 있다. 따라서, 고차원 표적 궤적 예측 필터 모델의 문제점을 해결하기 위해 해상 표적의 특성상 수평면 및 수직면 기동을 동시에 수행하지 못하고, 이들 기동전략을 순차적으로 구사하는 복합유도를 수행한다는 사실에 착안하여, 3가지 회피 기동 가설을 수립할 수 있다.
3가지의 회피 기동 가설은 (i) 순항비행인 경우, η8 = η9 = η10 = η11 = 0 (ii) 수평면 급선회인 경우, η9 = η10 = η11 = 0 (iii) 급상승/급하강인 경우, η8 = 0으로 수립할 수 있다.
이에, 도 6은 상술한 과정에 따라 회피 기동 가설에 기반한 비행동특성 추정 필터 뱅크를 나타낸다.
상술한 3가지의 회피 기동 가설을 이용하여 수학식 9의 13차 비선형 표적 궤적 예측 필터 모델을 9~12차 필터로 간소화할 수 있고, 이는 비행동특성 추정 필터의 수렴 속도를 빠르게 할 뿐만 아니라 불필요한 연산을 제거하여 필터의 실시간 구현성을 제고할 수 있다.
수학식 14에 따른 표적 궤적 예측 필터 모델에 비선형 칼만필터를 적용하여 표적에 대해 시스템 전파 및 측정치 갱신을 수행할 수 있다. 이는 하기의 수학식 16을 통해 확인할 수 있다.
Figure 112021015422988-pat00031
회피 기동 가설을 검정하는 단계는 비행동특성 추정 필터 뱅크로부터 획득한 측정치 우도를 이용하여 가설 확률을 산출할 수 있다. 가설 확률은 수학식 17과 같이 정의될 수 있다.
Figure 112021015422988-pat00032
상술한 수학식 17에서,
Figure 112021015422988-pat00033
는 가설 확률을 나타내며,
Figure 112021015422988-pat00034
는 측정치 우도를 나타내고, Si k는 i번째 부필터에 해당하는 잔차 ri k의 공분산을 나타내며,
Figure 112021015422988-pat00035
는 가설천이확률을 나타내고, Nm은 가설 개수를 나타내며, c는 정규화 상수를 나타낸다.
산출된 가설 확률 중 확률이 가장 높은 가설을 현시점에 수행되는 표적의 회피 기동으로 채택하며, 해당 가설에 대한 추정치를 표적 궤적 예측을 위한 추정치로 사용 할 수 있다. 만일, 해상 표적이 비행 중 회피 기동 전략을 달리한 것으로 판별되면 비행동특성 추정 필터 뱅크의 부필터의 오차 공분산 재초기화를 진행할 수 있다.
이를 통해, 회피 기동 가설 검정을 통해 불필요한 가설들은 원천 배제되어, 표적 궤적 예측 필터 모델을 빠르게 수렴시킬 수 있을 뿐만 아니라 급기동 표적에 대한 예상 명중점의 산출 정확도를 향상시킬 수 있다.
표적의 궤적을 예측하는 단계는 현재 시점의 해상 표적의 유도명령 제어이득(η7 ~ η11)과 비행동특성 파라미터(η12, η13) 추정치를 이용하여 해상 표적의 장기간 궤적 예측을 수행할 수 있다. 비행동특성 파라미터는 비행 중 느리게 변화하는 점을 착안하여 예측 시간 내에는 구간 상수로 간주할 수 있다.
쌍 선형 변환(Bilinear transform)으로 이산화된 표적 궤적 예측 필터 모델은 수학식 18과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112021015422988-pat00036
상술한 쌍 선형 변환(Bilinear Transform)으로 이산화된 표적 궤적 예측 필터 모델을 통해 예측 시간만큼 시스템 전파(Propagation)를 수행하여 고기동 해상 표적의 예측 궤적을 산출할 수 있다.
이때, 수학식 18에서, xP k와 fP(x)는 수학식 19와 같이 정의된다.
Figure 112021015422988-pat00037
상술한 수학식 19에서, xP k는 부필터의 사후 추정치에 따른 상태변수를 나타내고, fP(x)는 비선형 함수를 나타내며, 이를 상술한 수학식 18에 대입하여 표적의 궤적을 예측할 수 있다.
도 7은 실시예들에서 사용되기에 적합한 컴퓨팅 기기를 포함하는 컴퓨팅 환경을 예시하여 설명하기 위한 블록도이다.
도 7은 예시적인 실시예들에서 사용되기에 적합한 컴퓨팅 기기를 포함하는 컴퓨팅 환경을 예시하여 설명하기 위한 블록도이다. 도시된 실시예에서, 각 컴포넌트들은 이하에 기술된 것 이외에 상이한 기능 및 능력을 가질 수 있고, 이하에 기술되지 것 이외에도 추가적인 컴포넌트를 포함할 수 있다.
도시된 컴퓨팅 환경은 표적 궤적 예측 장치(10)를 포함한다. 일 실시예에서, 표적 궤적 예측 장치(10)는 타 단말기와 신호를 송수신하는 모든 형태의 컴퓨팅 기기일 수 있다.
표적 궤적 예측 장치(10)는 적어도 하나의 프로세서(12), 컴퓨터 판독 가능한 저장매체(14) 및 통신 버스(19)를 포함한다. 프로세서(12)는 표적 궤적 예측 장치(10)로 하여금 앞서 언급된 예시적인 실시예에 따라 동작하도록 할 수 있다. 예컨대, 프로세서(12)는 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체(14)에 저장된 하나 이상의 프로그램들을 실행할 수 있다. 상기 하나 이상의 프로그램들은 하나 이상의 컴퓨터 실행 가능 명령어를 포함할 수 있으며, 상기 컴퓨터 실행 가능 명령어는 프로세서(12)에 의해 실행되는 경우 표적 궤적 예측 장치(10)로 하여금 예시적인 실시예에 따른 동작들을 수행하도록 구성될 수 있다.
컴퓨터 판독 가능한 저장 매체(14)는 컴퓨터 실행 가능 명령어 내지 프로그램 코드, 프로그램 데이터 및/또는 다른 적합한 형태의 정보를 저장하도록 구성된다. 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체(14)에 저장된 프로그램(15)은 프로세서(12)에 의해 실행 가능한 명령어의 집합을 포함한다. 일 실시예에서, 컴퓨터 판독한 가능 저장 매체(14)는 메모리(랜덤 액세스 메모리와 같은 휘발성 메모리, 비휘발성 메모리, 또는 이들의 적절한 조합), 하나 이상의 자기 디스크 저장 기기들, 광학 디스크 저장 기기들, 플래시 메모리 기기들, 그 밖에 표적 궤적 예측 장치(10)에 의해 액세스되고 원하는 정보를 저장할 수 있는 다른 형태의 저장 매체, 또는 이들의 적합한 조합일 수 있다.
통신 버스(19)는 프로세서(12), 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체(14)를 포함하여 표적 궤적 예측 장치(10)의 다른 다양한 컴포넌트들을 상호 연결한다.
표적 궤적 예측 장치(10)는 또한 하나 이상의 입출력 장치(미도시)를 위한 인터페이스를 제공하는 하나 이상의 입출력 인터페이스(16) 및 하나 이상의 통신 인터페이스(18)를 포함할 수 있다. 입출력 인터페이스(16) 및 통신 인터페이스(18)는 통신 버스(19)에 연결된다. 입출력 장치(미도시)는 입출력 인터페이스(16)를 통해 표적 궤적 예측 장치(10)의 다른 컴포넌트들에 연결될 수 있다. 예시적인 입출력 장치는 포인팅 장치(마우스 또는 트랙패드 등), 키보드, 터치 입력 장치(터치패드 또는 터치스크린 등), 음성 또는 소리 입력 장치, 다양한 종류의 센서 장치 및/또는 촬영 장치와 같은 입력 장치, 및/또는 디스플레이 장치, 프린터, 스피커 및/또는 네트워크 카드와 같은 출력 장치를 포함할 수 있다. 예시적인 입출력 장치(미도시)는 표적 궤적 예측 장치(10)를 구성하는 일 컴포넌트로서 표적 궤적 예측 장치(10)의 내부에 포함될 수도 있고, 표적 궤적 예측 장치(10)와는 구별되는 별개의 장치로 컴퓨팅 기기와 연결될 수도 있다.
본 실시예들에 따른 동작은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능한 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능한 매체는 실행을 위해 프로세서에 명령어를 제공하는 데 참여한 임의의 매체를 나타낸다. 컴퓨터 판독 가능한 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들면, 자기 매체, 광기록 매체, 메모리 등이 있을 수 있다. 컴퓨터 프로그램은 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수도 있다. 본 실시예를 구현하기 위한 기능적인(Functional) 프로그램, 코드, 및 코드 세그먼트들은 본 실시예가 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있을 것이다.
본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
표적 궤적 예측 장치(10)는 상술한 표적 궤적 예측 방법을 수행할 수 있다.
표적 궤적 예측 장치(10)는 프로세서 및 프로세서에 의해 실행되는 프로그램을 저장하는 메모리를 포함한다. 표적 궤적 예측 장치(10)는 프로세서에 의해 상술한 표적 궤적 예측 방법이 수행될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 표적 궤적 예측 장치
12: 프로세서
14: 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체
15: 프로그램
16: 입출력 인터페이스
18: 통신 인터페이스
19: 통신 버스

Claims (13)

  1. 레이더의 표적 궤적 예측 방법에 있어서,
    다중경로 환경에서 표적으로부터 수신되는 표적 신호를 이용하여 상기 레이더와 상기 표적 간의 거리-도플러 맵을 산출하는 단계;
    상기 거리-도플러 맵을 통해 상기 레이더와 상기 표적 간의 표적 측정치 및 상기 다중경로 환경에 따른 허위표적과 상기 레이더 간의 허위표적 측정치를 통해 유효 측정치를 결정하는 단계;
    상기 표적의 표적 궤적 예측 필터 모델을 결정하고, 상기 유효 측정치에 기반하여 상기 표적 궤적 예측 필터 모델에 미리 결정된 복수의 회피 기동 가설들을 적용하여 상기 표적의 비행동특성 추정 필터 뱅크를 생성하는 단계;
    상기 비행동특성 추정 필터 뱅크로부터 획득한 필터 별 측정치 우도를 통해 가설확률을 산출하고, 이전 시점과 현재 시점에서 채택된 상기 회피 기동 가설을 비교하여 상기 회피 기동 가설을 검정하는 단계; 및
    상기 검정된 회피 기동 가설에 따라 상기 표적의 궤적을 예측하는 단계를 포함하는 표적 궤적 예측 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유효 측정치를 결정하는 단계는,
    상기 레이더, 상기 표적 및 상기 허위표적이 표면에 반사되는 반사점을 이용하여 상기 표적의 탐지영역 중심점을 산출하는 단계; 및
    상기 탐지영역 중심점을 통해 획득된 상기 표적 측정치 및 상기 허위표적 측정치를 표적 측정치 모델에 적용하여 유효 측정치를 결정하는 단계를 포함하는 표적 궤적 예측 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 표적의 탐지영역 중심점을 산출하는 단계는,
    상기 표적의 고도 변화가 없는 것으로 가정하여 상기 표적의 수직 방향의 속력 변화를 무시하며, 상기 표적의 접근 속력을 최대화하는 각도 값을 상기 레이더와 상기 허위표적 간의 상대 거리와 상기 허위표적 신호가 표면에 반사되는 지점에 따른 값에 대입하여 탐지영역 중심점을 산출하는 것을 특징으로 하는 표적 궤적 예측 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 표적은 상기 허위표적에 따른 신호가 표면에 반사되는 지점을 중심으로 상기 반사되는 지점과 상기 허위표적 간의 거리를 반지름으로 하는 곡선 상에 위치하며,
    상기 접근 속력은 상기 레이더로부터 상기 표적까지의 위치를 잇는 시선 벡터와 상기 표적의 속력이 이루는 사잇각이 작아질수록 커지는 것을 특징으로 하는 표적 궤적 예측 방법.
  5. 제2항에 있어서,
    표적 측정치 모델에 적용하여 유효 측정치를 결정하는 단계는,
    상기 레이더와 상기 허위표적 간의 상대 거리와 상기 허위표적에 따른 신호가 표면에 반사되는 지점에 따른 값에 대입하여 산출된 탐지영역 중심점을 통해 획득한 상기 표적 측정치 및 상기 허위표적 측정치를 상기 표적 측정치 모델에 적용하여 상기 유효 측정치를 결정하며,
    상기 표적 측정치 모델은 상기 표적의 위치 및 상기 레이더의 고도를 이용하여 구한 값과 측정 잡음을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 표적 궤적 예측 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 표적의 비행동특성 추정 필터 뱅크를 생성하는 단계는,
    상기 표적에 작용하는 양력, 항력, 추력 및 중력에 의한 가속도 성분을 이용하여 비선형 미분 방정식으로 형성되는 표적 운동 모델을 생성하고,
    상기 표적의 회피 기동을 모사하는 수평면 및 수직면 유도명령을 이용하여 상기 표적의 받음각을 계산하며, 상기 받음각을 통해 상기 표적 운동 정보를 재산출하며,
    상기 표적 운동 모델, 상기 수평면 및 수직면 유도명령과 상기 재산출된 표적 운동 정보를 이용하여 필터 계산 주기로 이산화하여 상기 표적 궤적 예측 필터 모델을 결정하는 것을 특징으로 하는 표적 궤적 예측 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 표적의 비행동특성 추정 필터 뱅크를 생성하는 단계는,
    상기 유효 측정치에 기반하여 상기 표적 궤적 예측 필터 모델에 상기 미리 결정된 복수의 회피 기동 가설들을 적용하여 각각의 회피 기동 가설에 따른 적어도 하나의 부필터를 포함하는 상기 비행동특성 추정 필터 뱅크를 생성하고,
    상기 회피 기동 가설은 상기 표적의 순항 비행, 상기 표적의 수평면 급선회, 상기 표적의 급상승 또는 급하강에 따른 가설을 적어도 하나 포함하여 수립되는 것을 특징으로 하는 표적 궤적 예측 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 회피 기동 가설을 검정하는 단계는,
    적어도 하나의 부필터를 포함하는 상기 비행동특성 추정 필터 뱅크의 각각의 필터 별 측정치 우도를 이용하여 가설 확률을 산출하고, 상기 가설 확률 중 가장 높은 확률에 해당되는 회피 기동 가설을 채택하는 단계; 및
    이전 시점과 현재 시점에서의 상기 채택된 가설을 비교하여 상기 회피 기동 변화로 인한 오차공분산 재초기화 여부를 판단하는 단계를 포함하는 표적 궤적 예측 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 오차공분산 재초기화 여부를 판단하는 단계는,
    상기 표적이 비행 중 회피 기동 전략을 달리한 것으로 판별되는 경우 상기 비행동특성 추정 필터 뱅크의 적어도 하나의 부필터의 오차 공분산 재초기화를 진행하도록 상기 표적을 탐지하는 단계 또는 상기 표적의 유효 측정치를 획득하는 단계를 재수행하는 것을 특징으로 하는 표적 궤적 예측 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 표적의 궤적을 예측하는 단계는,
    상기 표적의 현재 시점에서 상기 표적의 회피 기동을 모사하는 수평면 및 수직면 유도명령에 사용된 제어이득과 비행동특성 파라미터 추정치를 이용하여 상기 표적의 궤적 예측을 수행하며,
    상기 표적 궤적 예측 필터 모델을 쌍 선형 변환으로 이산화하여 예측 시간만큼 전파(Propagation)를 수행하여 상기 표적의 예측 궤적을 산출하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 표적 궤적 예측 방법.
  11. 프로세서 및 상기 프로세서에 의해 실행되는 프로그램을 저장하는 메모리를 포함하는 표적 궤적 예측 장치에 있어서,
    상기 프로세서는,
    다중경로 환경에서 표적으로부터 수신되는 표적 신호를 이용하여 레이더와 상기 표적 간의 거리-도플러 맵을 산출하고,
    상기 거리-도플러 맵을 통해 상기 레이더와 상기 표적 간의 표적 측정치 및 상기 다중경로 환경에 따른 허위표적과 상기 레이더 간의 허위표적 측정치를 통해 유효 측정치를 결정하며,
    상기 표적의 표적 궤적 예측 필터 모델을 결정하고, 상기 유효 측정치에 기반하여 상기 표적 궤적 예측 필터 모델에 미리 결정된 복수의 회피 기동 가설들을 적용하여 상기 표적의 비행동특성 추정 필터 뱅크를 생성하고,
    상기 비행동특성 추정 필터 뱅크로부터 획득한 필터 별 측정치 우도를 통해 가설확률을 산출하고, 이전 시점과 현재 시점에서 채택된 상기 회피 기동 가설을 비교하여 상기 회피 기동 가설을 검정하며,
    상기 검정된 회피 기동 가설에 따라 상기 표적의 궤적을 예측하는 것을 특징으로 하는 표적 궤적 예측 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 레이더, 상기 표적 및 상기 허위표적이 표면에 반사되는 반사점을 이용하여 상기 표적의 탐지영역 중심점을 산출하고, 상기 탐지영역 중심점을 통해 획득된 상기 표적 측정치 및 상기 허위표적 측정치를 표적 측정치 모델에 적용하여 유효 측정치를 결정하며,
    상기 표적의 고도 변화가 없는 것으로 가정하여 상기 표적의 수직 방향의 속력 변화를 무시하며, 상기 표적의 접근 속력을 최대화하는 각도 값을 상기 레이더와 상기 허위표적 간의 상대 거리와 상기 허위표적 신호가 표면에 반사되는 지점에 따른 값에 대입하여 탐지영역 중심점을 산출하고,
    상기 레이더와 상기 허위표적 간의 상대 거리와 상기 허위표적에 따른 신호가 표면에 반사되는 지점에 따른 값에 대입하여 산출된 탐지영역 중심점을 통해 획득한 상기 표적 측정치 및 상기 허위표적 측정치를 상기 표적 측정치 모델에 적용하여 상기 유효 측정치를 결정하는 것을 특징으로 하는 표적 궤적 예측 장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 표적에 작용하는 양력, 항력, 추력 및 중력에 의한 가속도 성분을 이용하여 비선형 미분 방정식으로 형성되는 표적 운동 모델을 생성하고, 상기 표적의 회피 기동을 모사하는 수평면 및 수직면 유도명령을 이용하여 상기 표적의 받음각을 계산하며, 상기 받음각을 통해 상기 표적 운동 정보를 재산출하며,
    상기 표적 운동 모델, 상기 수평면 및 수직면 유도명령과 상기 재산출된 표적 운동 정보를 이용하여 필터 계산 주기로 이산화하여 상기 표적 궤적 예측 필터 모델을 결정하고,
    상기 유효 측정치에 기반하여 상기 표적 궤적 예측 필터 모델에 상기 미리 결정된 복수의 회피 기동 가설들을 적용하여 각각의 회피 기동 가설에 따른 적어도 하나의 부필터를 포함하는 상기 비행동특성 추정 필터 뱅크를 생성하며,
    상기 회피 기동 가설은 상기 표적의 순항 비행, 상기 표적의 수평면 급선회, 상기 표적의 급상승 또는 급하강에 따른 가설을 적어도 하나 포함하여 수립되는 것을 특징으로 하는 표적 궤적 예측 장치.
KR1020210017109A 2021-02-05 2021-02-05 고기동 표적의 동특성 추정 및 다중경로 억제를 통한 정밀 궤적예측 방법 및 장치 KR102501275B1 (ko)

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