KR20160070383A - 위상배열 안테나 기반의 감시망 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 네트워크(10) 상에서 비행물체의 이동을 감시하는 시스템에 있어서: 상기 네트워크(10) 상으로 연결된 다수의 위상배열 안테나(21)를 구비하는 레이더수단(20); 상기 각각의 레이더수단(20)에 구동용 전원을 제공하도록 설치되는 전원수단(30); 및 상기 레이더수단(20)의 신호를 수신하여 비행물체의 이동정보를 연산하는 탐지수단(40);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 지형적이나 기후적 변화가 많은 국내 환경에서 신뢰성을 지닌 네트워크 구현이 가능하고, 중개기에 설치될 정도의 소형으로 구현되어 건물 옥상에 설치가 가능하므로 무인체제를 앞당기는 효과가 있다.

Description

위상배열 안테나 기반의 감시망 시스템{Surveillance network system based on phased array antenna}
본 발명은 비행물체의 감시에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 지형적이나 기후적 변화가 많은 국내 환경에서 신뢰성을 지닌 네트워크 구현이 가능한 위상배열 안테나 기반의 감시망 시스템에 관한 것이다.
국내 국방항공 분야에서 무인기의 운용ㆍ탐지와 같은 무인체계를 갖추기 위하여 센서, 통신, 제어와 관련된 핵심적인 기반기술 및 응용기술을 개발하려는 시도가 이어지고 있다. 이는 독립적인 시스템의 집합 혹은 배열을 통하여 다양한 방식으로 네트워크화하는 방향으로 진행이 예상된다.
하기의 선행문헌 1은 항공기가 제공하는 ADS-B 자료 및 레이더가 제공하는 레이더 자료를 이용하여 상기 항공기의 항적을 추정하는 항적 추정부, 상기 ADS-B 자료를 이용한 제1 항적을 계산하고 상기 레이더 자료를 이용한 제2 항적을 계산하는 계산부 및 상기 제1 항적과 상기 제2 항적의 오차가 제1 임계치 이상인 경우 상기 식별 정보를 블랙 리스트에 추가하는 처리부를 포함한다.
하기의 선행문헌 2는 레이더 기반의 감시 자료를 수신하여, 레이더의 추적 환경에 따른 항공기의 위치 추적을 위한 자료 처리를 수행하는 감시자료 처리시스템; 및 항공기의 비행과 관련된 비행 자료를 수신하여, 비행 계획, 기상 정보, 비행 상태 관리, 항로 및 항적 모델링 중 적어도 하나의 인터페이스에 따라 처리하여 자료 처리에 반영하는 비행자료 처리시스템을 포함한다.
그러나, 선행문헌 1의 ADS-B 정보나 선행문헌 2의 감지사료는 민간 항공기에 관련되므로 군용항공기의 보안을 유지하면서 정보를 활용할 수 있는 방안에 대한 대책이 수반되어야 한다.
국내의 현실을 살피면 일부 분야를 제외하고 여러 가지 장애 요소가 많아 아직 답보 상태에 있다. 일예로, 휴전선 근처에 건축된 건물 옥상마다 적진에서 출몰하거나 날라온 비행ㄴ물체 혹은 미사일을 적어도 하나의 레이더가 탐지 및 감지하고 있다. 종래의 레이더는 너무 크고 고중량이라 건물이나 옥상에 설치하기가 부담스럽고 건물주의 허락을 받기에도 녹녹치 못했다. 이에 옥상에 이미 설치된 중개기마다 각각의 레이더를 설치하는 네트워크 구현이 곤란하다.
1. 한국 등록특허공보 제1454102호 "ADS-B 자료를 이용한 항공 감시자료 처리 시스템 및 방법" (공개일자 : 2014. 7. 24.) 2. 한국 등록특허공보 제1425287호 "항공 관제 통합 시스템" (공개일자 : 2014. 7. 24.)
상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 지형적이나 기후적 변화가 많은 국내 환경에서 신뢰성을 지닌 네트워크 구현이 가능한 위상배열 안테나 기반의 감시망 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 중개기에 설치될 정도의 소형으로 구현되어 건물 옥상에 설치가 가능하므로 무인체제를 앞당기는 위상배열 안테나 기반의 감시망 시스템을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 네트워크 상에서 비행물체의 이동을 감시하는 시스템에 있어서: 상기 네트워크 상으로 연결된 다수의 위상배열 안테나를 구비하는 레이더수단; 상기 각각의 레이더수단에 구동용 전원을 제공하도록 설치되는 전원수단; 및 상기 레이더수단의 신호를 수신하여 비행물체의 이동정보를 연산하는 탐지수단;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 레이더수단은 RF 신호의 송신과 수신을 처리하는 송수신부, 위상배열 안테나의 지향자세를 변동하는 구동부, 위상배열 안테나의 위상오차를 보정하는 보정부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 위상배열 안테나는 능동위상배열(Active-Phased Array) 방식을 채용하고, 복사소자를 분할된 영역에 분산하여 배열한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 전원수단은 솔라셀, 축전지, 중개기 전원 중에서 선택되는 보조전원부, 전원의 공급에 이상이 발생하면 경보하는 알람부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 탐지수단은 각각의 레이더수단의 지향자세 변동을 지령하는 구동서버, 입력된 신호로 비행물체의 이동정보를 연산하는 위치추적서버, 네트워크 상으로 종합적인 제어를 수행하는 중앙관제서버를 구비하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 구동서버는 네트워크의 접근과 공유를 위하여 각각의 레이더수단에 대한 인증을 처리하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 중앙관제서버는 다수의 레이더수단을 핸드오프 방식으로 연계하여 비행물체에 대한 타겟 트레킹을 수행하는 것을 특징으로 한다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 지형적이나 기후적 변화가 많은 국내 환경에서 신뢰성을 지닌 네트워크 구현이 가능하고, 중개기에 설치될 정도의 소형으로 구현되어 건물 옥상에 설치가 가능하므로 무인체제를 앞당기는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 시스템의 주요부를 전체적으로 나타내는 구성도
도 2는 본 발명에 따른 시스템의 작동예를 나타내는 플로우차트
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 네트워크(10) 상에서 비행물체의 이동을 감시하는 시스템에 관하여 제안한다. 비행물체는 무인기, 미사일 등을 대상으로 하지만 반드시 이에 국한되지 않는다. 네트워크(10)는 군용 레이더망 외에 CDMA망, Wibro망, LTE망, DGPS(Differential Global Positioning System) 등을 활용할 수 있다. 네트워크(10)는 건물 등의 옥상에 설치된 다수의 중개기(도시 생략)를 포함한다.
본 발명에 따르면 레이더수단(20)이 네트워크(10) 상으로 연결된 다수의 위상배열 안테나(21)를 구비하는 구조이다. 레이더수단(20)은 초고주파대(2.4G~70G)를 사용하는 구성이 선호되지만 여타의 구성을 배제하는 것은 아니다. 위상배열 안테나(21)는 초고주파 시스템에서 위상 변화로 복사 방향이나 지향성을 신속하고 정확하게 조절한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 레이더수단(20)은 RF 신호의 송신과 수신을 처리하는 송수신부(24), 위상배열 안테나(21)의 지향자세를 변동하는 구동부(26), 위상배열 안테나(21)의 위상오차를 보정하는 보정부(28)를 구비하는 것을 특징으로 한다. 송수신부(24)는 방출되는 송신 전파와 반사되는 수신 전파의 강도, 위상 및 경로를 제어한다. 구동부(26)는 위상배열 안테나(21)의 소자 어레이에 적어도 2축운동을 부가하여 지향자세를 변동한다. 구동부(26)의 운동은 엔코더를 지닌 스테핑모터나 서보모터를 사용한다. 보정부(28)는 실시간으로 송수신부(24)의 상태를 점검하기 위하여 송신한 신호를 기준 안테나로 수신하고 최대의 전파강도(전압)를 유지하도록 복사소자의 위상오차를 보정한다.
이외에 레이더수단(20)은 후술하는 탐지수단(40)과 양방향 통신을 수행하기 위한 통신부(22)를 구비한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 위상배열 안테나(21)는 능동위상배열(Active-Phased Array) 방식을 채용하고, 복사소자를 분할된 영역에 분산하여 배열한 것을 특징으로 한다. 능동위상배열은 복사소자가 각각의 송수신부(24)와 연결되는 구성을 택한다. 즉, 송수신부(24)가 송신을 위한 HPA(High-Power Amplifiers), 수신을 위한 LNA(Low-Noise Amplifiers), MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuits) 등의 능동소자를 포함한다. 복사소자가 동일한 평면상에 일자로 배열되면 외형이 커지므로 네트워크(10)의 중개기에 수용하기 곤란한 경우가 있다. 이에 "ㄱ"자와 같이 동일한 평면이 아닌 분할된 영역으로 분산하면 크기를 축소하는데 유리하다. 이 경우 건물의 옥상에 기 설치된 중개기에 수용하기 용이하여 네트워크(10)의 신뢰성을 높일 수 있다.
또, 본 발명에 따르면 전원수단(30)이 상기 각각의 레이더수단(20)에 구동용 전원을 제공하도록 설치된다. 전원수단(30)의 주전원부(32)는 설치대상 시설물에 공급되는 전원을 사용할 수 있으나 여타의 장소에서 분기하여 연결한 상용전원을 배제하는 것은 아니다. 후술하는 탐지수단(40)은 레이더수단(20)과 달리 관제소(도시 생략)에 설치되므로 별도의 전원수단(30)을 사용한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 전원수단(30)은 솔라셀, 축전지, 중개기 전원 중에서 선택되는 보조전원부(34), 전원의 공급에 이상이 발생하면 경보하는 알람부(36)를 구비하는 것을 특징으로 한다. 보조전원부(34)는 솔라셀, 축전지, 중개기 전원 중에 연결하기 용이한 것을 하나 또는 복수로 선택한다. 보조전원부(34)는 주전원부(32)의 고장시 자동적인 전환을 수행한다. 알람부(36)는 주전원부(32) 또는 보조전원부(34) 중에서 이상이 발생한 상태를 감지하여 신호를 발생한다. 전원의 이상을 감지하기 위해 저전압 센서 등을 사용할 수 있다.
만일 다수의 레이더수단(20) 중 어느 하나에서 주전원부(32)와 보조전원부(34)가 모두 블랙아웃되면 전력선 망을 통해 주변에 있는 레이더수단(20)으로부터 필요한 전원을 제공받는다.
또, 본 발명에 따르면 탐지수단(40)이 상기 레이더수단(20)의 신호를 수신하여 비행물체의 이동정보를 연산하는 구조를 특징으로 한다. 탐지수단(40)은 관제소에 설치되며 다수의 서버를 통하여 비행물체의 탐지를 수행한다. 위상배열 안테나(21)를 탑재한 다수의 레이더수단(20)은 모두 탐지수단(40)의 통신서버(42)를 통하여 양방향 통신을 수행하므로 원격으로 동작이 제어될 수 있다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 탐지수단(40)은 각각의 레이더수단(20)의 지향자세 변동을 지령하는 구동서버(44), 입력된 신호로 비행물체의 이동정보를 연산하는 위치추적서버(46), 네트워크(10) 상으로 종합적인 제어를 수행하는 중앙관제서버(48)를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 구동서버(44)는 레이더수단(20)의 구동부(26)에 인터럽트를 발생하여 레이더수단(20)의 긴급적/임시적 제어를 처리할 수 있다. 이에 비행물체의 예상 경로상에 배치된 다수의 레이더수단(20)을 집중적으로 통제하기 용이하다.
상기 위치추적서버(46)는 사전에 좌표가 인지된 레이더수단(20)에 대한 비행물체의 좌표를 삼격형의 원리로 연산한다. 이에 비행물체의 좌표 정보가 생성되면 보정을 거쳐 정확한 이동정보(위치, 속도)의 연산이 가능하다.
상기 중앙관제서버(48)는 내부적으로 통신서버(42), 구동서버(44), 위치추적서버(46)에 연결되는 동시에 외부적으로 레이더수단(20), 전원수단(30), 데이터베이스(50) 등에 연결된다. 이에 다수의 비행물체가 출몰한 경우에도 각각의 경로상에 있는 레이더수단(20)을 최적으로 활용하여 연산시간을 축소하면서 이동상황을 실시간으로 디텍팅(detecting)할 수 있다.
이때, 상기 구동서버(44)는 네트워크(10)의 접근과 공유를 위하여 각각의 레이더수단(20)에 대한 인증을 처리하는 것을 특징으로 한다. 특히 군사적 목적의 중요성에 비추어 다수의 네트워크(10)는 보안, 신뢰성 등의 이유로 인증을 통하여 접근과 공유를 통제한다. 사용인증이 완료된 레이더수단(20)은 네트워크(10)를 통하여 중앙관제서버(48)에 연결되어 양방향 정보 교환이 가능하다.
한편, 상기 중앙관제서버(48)는 다수의 레이더수단(20)을 핸드오프 방식으로 연계하여 비행물체에 대한 타겟 트레킹을 수행하는 것을 특징으로 한다. 적어도 하나의 레이더수단(20)을 통해 동적으로 움직이는 비행물체를 핸드 오프방식으로 크로스 체크한다. 즉, 비행물체의 경로상에서 인접한 레이더수단(20)과 레이더수단(20) 사이의 정보교환이 연속적으로 이어지므로 신뢰성 있는 타겟 트레킹(target tracking)을 수행할 수 있다.
본 발명의 탐지수단(40)은 관제소 내부 또는 외부의 데이터베이스(50)를 활용할 수도 있다. 이에 다수의 레이더를 통해 실시간으로 입수된 비행물체 정보들(벡터량 성분, 스칼라량 성분)은 위치추적서버(46), 중앙관제서버(48) 등에 의해서 정밀 분석, 갱신, 통계화가 용이하다.
도 2의 작동예를 참조하면, 본 발명의 제1단계는 레이더 지향을 위한 구동을 수행하면서 지향자세 보정을 처리하고, 제2단계는 레이더 신호를 송신하고 수신하는 과정에서 증폭, 노이즈 제거, 신호분배, 변조 등의 처리를 수행하고, 제3단계는 설정된 알고리즘에 따라 비행물체의 이동정보를 연산하여 위치를 추적한다. 위치추적서버(46)는 비행물체의 이동방향, 이동거리, 이동속도를 실시간으로 중앙관제서버(48)에 전달하여 비행물체 혹은 미사일에 대한 타켓 트래킹을 수행한다. 제4단계는 비행물체에 대한 정체 확인을 거치고, 제5단계는 감시자의 육안 식별이 용이하도록 디스플레이한다.
본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.
10: 네트워크 20: 레이더수단
21: 위상배열 안테나 22: 통신부
24: 송수신부 26: 구동부
28: 보정부 30: 전원수단
32: 주전원부 34: 보조전원부
36: 알람부 40: 탐지수단
42: 통신서버 44: 구동서버
46: 위치추적서버 48: 중앙관제서버
50: 데이터베이스

Claims (7)

  1. 네트워크(10) 상에서 비행물체의 이동을 감시하는 시스템에 있어서:
    상기 네트워크(10) 상으로 연결된 다수의 위상배열 안테나(21)를 구비하는 레이더수단(20);
    상기 각각의 레이더수단(20)에 구동용 전원을 제공하도록 설치되는 전원수단(30); 및
    상기 레이더수단(20)의 신호를 수신하여 비행물체의 이동정보를 연산하는 탐지수단(40);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 위상배열 안테나 기반의 감시망 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이더수단(20)은 RF 신호의 송신과 수신을 처리하는 송수신부(24), 위상배열 안테나(21)의 지향자세를 변동하는 구동부(26), 위상배열 안테나(21)의 위상오차를 보정하는 보정부(28)를 구비하는 것을 특징으로 하는 위상배열 안테나 기반의 감시망 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 위상배열 안테나(21)는 능동위상배열(Active-Phased Array) 방식을 채용하고, 복사소자를 분할된 영역에 분산하여 배열한 것을 특징으로 하는 위상배열 안테나 기반의 감시망 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 전원수단(30)은 솔라셀, 축전지, 중개기 전원 중에서 선택되는 보조전원부(34), 전원의 공급에 이상이 발생하면 경보하는 알람부(36)를 구비하는 것을 특징으로 하는 위상배열 안테나 기반의 감시망 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 탐지수단(40)은 각각의 레이더수단(20)의 지향자세 변동을 지령하는 구동서버(44), 입력된 신호로 비행물체의 이동정보를 연산하는 위치추적서버(46), 네트워크(10) 상으로 종합적인 제어를 수행하는 중앙관제서버(48)를 구비하는 것을 특징으로 하는 위상배열 안테나 기반의 감시망 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 구동서버(44)는 네트워크(10)의 접근과 공유를 위하여 각각의 레이더수단(20)에 대한 인증을 처리하는 것을 특징으로 하는 위상배열 안테나 기반의 감시망 시스템.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 중앙관제서버(48)는 다수의 레이더수단(20)을 핸드오프 방식으로 연계하여 비행물체에 대한 타겟 트레킹을 수행하는 것을 특징으로 하는 위상배열 안테나 기반의 감시망 시스템.
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