KR20220064103A - 무기체계 도플러 신호 모사 장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

무기체계 도플러 신호 모사 장치는 회전 날개에 의한 도플러 신호를 모사하기 위한 회전 날개 모사 모드, 연발 사격에 의한 도플러 신호를 모사하기 위한 연발 사격 모사 모드 및 강내 탄도에 의한 도플러 신호를 모사하기 위한 강내 탄도 모사 모드 중 적어도 어느 하나의 파라미터 설정에 따른 시변환 도플러 신호 알고리듬을 계산하는 알고리듬 계산부, 계산된 알고리듬 값을 이용하여 도플러 신호를 생성하는 도플러 신호 발생기, 상기 계산된 알고리듬 값을 이용하여 트리거 신호를 생성하는 트리거 신호 발생기, 및 상기 회전 날개 모사 모드, 상기 연발 사격 모사 모드 및 상기 강내 탄도 모사 모드 중 적어도 하나에 따른 도플러 신호를 방사하는 안테나를 포함한다.

Description

무기체계 도플러 신호 모사 장치 및 그 방법{WEAPON SYSTEM DOPPLER SIGNAL SIMULATION DEVICE AND METHOD THEREOF}
본 발명은 무기체계 도플러 신호 모사 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게 무기체계의 시험평가를 위하여 무기체계의 현상, 환경을 실제와 유사하게 모사하는 무기체계 도플러 신호 모사 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
다양한 플랫폼에서 발사하는 유도탄의 탄도 분석, 함포, 대공포, CIWS(Close-In Weapon System) 등의 연발 사격 무기체계의 탄속, 발사율의 시험평가, 장사거리 지능탄약체계의 강내 탄도 분석을 위하여 바이스태틱(bistatic) 연속파형 도플러 레이더를 주로 사용한다. 도플러 레이더는 전파를 송수신하는 과정에서 물체의 이동에 의해 발생하는 도플러 효과를 이용하여 속도를 측정하고, 모노펄스(monopulse) 방식으로 비행체를 추적한다. 하지만, 이러한 무기체계의 시험평가 시에 다음과 같은 문제점이 있다.
헬기, 프롭기, 제트기 등에서 발사하는 유도탄 추적 시에 로터 블레이드, 프로펠러, 팬 등의 회전으로 발생하는 도플러 신호와 유도탄 비행으로 발생하는 도플러 신호의 주파수가 중첩되어 유도탄의 초기 추적이 어렵다. 이러한 환경을 모사하기 위해서는 회전 날개가 장착된 모터를 제어하여 회전 날개 특성에 맞는 블레이드, 팬의 개수, 길이, 회전속도 등을 모사해야 한다. 하지만, 실제 스케일로 구현하기 어려우므로, 공력 특성 분석 등에만 간혹 사용된다.
도플러 레이더를 사용하여 연발 사격 무기체계의 탄속, 발사율을 동시에 측정할 수 있다. 이를 위해서는 도플러 레이더에서 발사율, 사격발수, 신호 미획득 타임아웃, 트리거 홀드오프 등의 파라미터를 설정하고, 도플러 신호가 저장되는 메모리 세그먼트의 크기를 결정하여야 한다. 하지만, 도플러 레이더의 파라미터가 정확하게 설정되었는지 확인할 수 있는 방법이 없으므로 연발 사격 후에나 파라미터 입력 오류를 알 수 있으며, 파라미터를 재설정하여 재사격을 수행하여야 한다.
도플러 레이더는 탄이 포구에서 이탈한 후의 천이, 강외 탄도 구간에서의 탄속과 탄도를 측정할 수 있다. 탄, 추진제 개발 시에 강내 탄도 분석은 필수적이지만, 센서 장착을 위하여 무장체계의 추가 가공이 수행되고, 강내에는 수만 psi 이상의 압력이 발생한다. 또한, 강내 탄도 구간의 측정시간은 수 ㎳에서 수십 ㎳ 이내로 짧고, 포신 내에서는 전파를 도파관(waveguide)으로 가정하여 분석해야 하므로 강내 탄도 측정이 어렵다. 따라서 강내 압력, 포구 속도를 근거로 한 해석 방법을 주로 사용하거나 가속도 이력 장치를 탄두에 장착하여 강내 탄도를 간접적으로 분석할 수 있지만 샘플링 속도가 제한된다.
무기체계의 시험평가는 일회성이며, 인력, 예산, 장비, 시설이 많이 투입된다. 따라서 신뢰성 있는 시험평가를 위해서는 개발, 운용되는 무기체계의 현상, 환경을 실제와 유사하게 모사하여 계측 장비의 상태 및 성능, 파라미터 설정 등을 검증할 수 있는 방법이 반드시 필요하다.
회전 날개와 관련하여, 도플러 레이더의 초기 추적 성공률을 향상시키기 위한 파라미터 설정, 최적의 계측 위치 선정 등을 위하여 회전 날개에 해당하는 도플러 신호를 모사하는 방법이 요구된다.
또한, 연발 사격과 관련하여, RF 모듈, 신호 처리기, 트리거센서, 케이블 등으로 구성된 도플러 레이더에서 연발 사격 시 탄속에 해당하는 도플러 신호 및 음압, 화염 등의 트리거 신호를 정확하게 획득하는지에 대한 사전 점검 방법이 요구된다.
최근에는 장사거리 지능탄약체계가 개발되고 있고, 기존의 도플러 레이더를 이용하여 강내 탄도를 측정할 수 있는 시험평가기술을 연구 중에 있고, 이에 대한 검증기술이 필요하다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 회전 날개, 연발 사격, 강내 탄도와 관련된 무기체계에 대한 시변환(time-varying) 도플러 신호를 모사하는 무기체계 도플러 신호 모사 장치 및 그 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무기체계 도플러 신호 모사 장치는 회전 날개에 의한 도플러 신호를 모사하기 위한 회전 날개 모사 모드, 연발 사격에 의한 도플러 신호를 모사하기 위한 연발 사격 모사 모드 및 강내 탄도에 의한 도플러 신호를 모사하기 위한 강내 탄도 모사 모드 중 적어도 어느 하나의 파라미터 설정에 따른 시변환 도플러 신호 알고리듬을 계산하는 알고리듬 계산부, 계산된 알고리듬 값을 이용하여 도플러 신호를 생성하는 도플러 신호 발생기, 상기 계산된 알고리듬 값을 이용하여 트리거 신호를 생성하는 트리거 신호 발생기, 및 상기 회전 날개 모사 모드, 상기 연발 사격 모사 모드 및 상기 강내 탄도 모사 모드 중 적어도 하나에 따른 도플러 신호를 방사하는 안테나를 포함한다.
상기 회전 날개에 의한 도플러 신호를 모사하기 위한 회전 날개 파라미터를 정의하는 회전 날개 모사부를 더 포함하고, 상기 회전 날개 파라미터는 블레이드 바깥쪽의 회전속도에 해당하는 깃끝속도, 도플러 레이더의 송신 주파수 및 전파속도로 정의되는 도플러 주파수를 정의할 수 있다.
상기 회전 날개 파라미터는 블레이드 개수 및 상기 회전속도로 정의되는 블레이드 플레시의 반복주기를 정의할 수 있다.
상기 연발 사격에 의한 도플러 신호를 모사하기 위한 연발 사격 파라미터를 정의하는 연발 사격 모사부를 더 포함하고, 상기 연발 사격 파라미터는 사격 시간 및 사격 발수로 정의되는 발사율을 정의할 수 있다.
상기 연발 사격 파라미터는 전파속도, 도플러 레이더의 송신 주파수 및 탄의 비행 속도에 해당하는 도플러 주파수로 정의되는 탄속을 정의할 수 있다.
강내 탄도에 의한 도플러 신호를 모사하기 위한 강내 탄도 파라미터를 정의하는 강내 탄도 모사부를 더 포함하고, 상기 강내 탄도 파라미터는 강내 탄도 구간에서 탄의 이동 속도인 탄속을 정의할 수 있다.
상기 탄속은 전파속도, 도플레 레이더의 송신 주파수 및 포신 내에서 상기 탄의 이동 속도에 해당하는 도플러 주파수로 정의될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 무기체계 도플러 신호 모사 방법은 회전 날개 모사 모드, 연발 사격 모사 모드 및 강내 탄도 모사 모드 중 어느 하나의 모드를 선택하는 단계, 선택된 모드의 파라미터 설정에 따른 시변환 도플러 신호 알고리듬을 계산하는 단계, 계산된 알고리듬 값을 이용하여 도플러 신호와 트리거 신호를 생성하는 단계, 상기 도플러 신호를 방사하는 단계, 및 도플러 레이더가 상기 트리거 신호에 동기하여 상기 도플러 신호를 계측하는 단계를 포함한다.
회전 날개 모사 모드의 회전 날개 파라미터는 블레이드 바깥쪽의 회전속도에 해당하는 깃끝속도, 도플러 레이더의 송신 주파수 및 전파속도로 정의되는 도플러 주파수를 정의할 수 있다.
상기 회전 날개 파라미터는 블레이드 개수 및 상기 회전속도로 정의되는 블레이드 플레시의 반복주기를 정의할 수 있다.
상기 연발 사격 모사 모드의 연발 사격 파라미터는 사격 시간 및 사격 발수로 정의되는 발사율을 정의할 수 있다.
상기 연발 사격 파라미터는 전파속도, 도플러 레이더의 송신 주파수 및 탄의 비행 속도에 해당하는 도플러 주파수로 정의되는 탄속을 정의할 수 있다.
상기 강내 탄도 모사 모드의 강내 탄도 파라미터는 강내 탄도 구간에서 탄의 이동 속도인 탄속을 정의할 수 있다.
상기 탄속은 전파속도, 도플레 레이더의 송신 주파수 및 포신 내에서 상기 탄의 이동 속도에 해당하는 도플러 주파수로 정의될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 무기체계 도플러 신호 모사 장치 및 그 방법으로, 회전 날개, 연발 사격, 강내 탄도와 관련된 무기체계의 현상, 환경을 실제와 유사하게 모사함으로써 도플러 레이더의 상태 및 성능, 파라미터 설정 등 계측에 대한 사전 검증을 수행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무기체계 도플러 신호 모사 장치를 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무기체계 도플러 신호 모사 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 3은 실제 항공기 발사 무기체계의 계측 방식을 예시하는 예시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 무기체계 도플러 신호 모사 장치를 이용하여 항공기 발사 무기체계의 계측을 모사하는 방법을 나타내는 예시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 무기체계 도플러 신호 모사 장치의 회전 날개 모사 알고리듬으로 구현된 도플러 신호와 트리거 신호를 나타내는 그래프이다.
도 6은 실제 연발 사격 무기체계의 계측 방식을 예시하는 예시도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 무기체계 도플러 신호 모사 장치를 이용하여 연발 사격 발사 무기체계의 계측을 모사하는 방법을 나타내는 예시도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 무기체계 도플러 신호 모사 장치의 연발 사격 모사 알고리듬으로 구현된 도플러 신호와 트리거 신호를 나타내는 그래프이다.
도 9는 실제 화포 무기체계의 강내 탄도의 계측 방식을 예시하는 예시도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 무기체계 도플러 신호 모사 장치를 이용하여 강내 탄도의 계측을 모사하는 방법을 나타내는 예시도이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 무기체계 도플러 신호 모사 장치의 강내 탄도 모사 알고리듬으로 구현된 도플러 신호와 트리거 신호를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무기체계 도플러 신호 모사 장치를 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 도플러 신호 모사 장치(10)는 알고리듬부(100) 및 제어부(200)를 포함한다. 알고리듬부(100)는 알고리듬 계산부(101), 회전 날개 모사부(102), 연발 사격 모사부(103) 및 강내 탄도 모사부(104)를 포함한다. 제어부(200)는 제어기(201), 도플러 신호 발생기(202), 트리거 신호 발생기(203), 증폭기(204) 및 안테나(205)를 포함한다.
알고리듬부(100)는 회전 날개 모사, 연발 사격 모사, 강내 탄도 모사를 위한 모드를 선택한다. 회전 날개 모사 모드는 회전 날개에 의한 도플러 신호를 모사하기 위한 모드이고, 연발 사격 모사 모드는 연발 사격에 의한 도플러 신호를 모사하기 위한 모드이며, 강내 탄도 모사 모드는 강내 탄도에 의한 도플러 신호를 모사하기 위한 모드이다.
알고리듬 계산부(101)는 모드별 파라미터 설정에 따른 시변환 도플러 신호 알고리듬을 계산한다. 회전 날개 모사부(102)는 회전 날개에 의한 도플러 신호를 모사하기 위한 회전 날개 파라미터를 정의한다. 연발 사격 모사부(103)는 연발 사격에 의한 도플러 신호를 모사하기 위한 연발 사격 파라미터를 정의한다. 강내 탄도 모사부(104)는 강내 탄도에 의한 도플러 신호를 모사하기 위한 강내 탄도 파라미터를 정의한다.
실시예에 따라, 알고리듬부(100)는 회전 날개 모사부(102), 연발 사격 모사부(103) 및 강내 탄도 모사부(104) 모두를 포함하지 않을 수 있고, 적어도 어느 하나의 모사부을 포함할 수 있고, 알고리듬 계산부(101)는 해당하는 어느 하나의 모사부의 파라미터 설정에 따른 시변환 도플러 신호 알고리듬을 계산할 수 있다.
제어부(200)는 알고리듬부(100)에서 계산된 알고리듬 값을 이용하여 시변환 도플러 신호와 트리거 신호를 생성한다. 제어기(201)는 시변환 도플러 신호와 트리거 신호를 생성을 위한 제어부(200)의 전반적인 기능을 제어한다. 제어기(201)의 제어에 따라, 도플러 신호 발생기(202)는 시변환 도플러 신호를 생성하고, 트리거 신호 발생기(203)는 트리거 신호를 생성한다. 증폭기(204)는 제어기(201)의 제어에 따라 도플러 신호의 증폭도를 조정한다. 안테나(205)는 제어기(201)의 제어에 따라 회전 날개, 연발 사격, 강내 탄도 등의 모사 모드 중 적어도 하나에 따른 도플러 신호를 방사한다.
도플러 신호 모사 장치(10)에는 케이블(30)을 통해 도플러 레이더(20)가 연결되어 있으며, 도플러 레이더(20)는 도플러 신호 모사 장치(10)에서 방사되는 도플러 신호를 획득한다. 도플러 레이더(20)는 케이블(30)을 통해 트리거 신호를 수신하여 도플러 신호의 계측 시작 시점을 획득할 수 있다.
도플러 레이더(20)에서 획득된 도플러 신호를 분석하여 도플러 레이더(20)의 상태 및 성능, 파라미터 설정 등 계측에 대한 사전 검증을 수행할 수 있다.
이제, 회전 날개 모사부(102)에 대하여 더욱 상세하게 설명한다. 헬기, 프롭기, 제트기 등의 다양한 항공기 플랫폼에서 발사하는 유도탄에 대한 도플러 레이더(20)의 초기 추적 성공률을 향상시키기 위해서는 로터 블레이드, 프로펠러, 팬 등의 회전 날개에 대한 도플러 신호를 모사하여야 한다. 따라서 회전 날개를 모사하는 시변환 도플러 신호를 연속적으로 출력하기 위하여 블레이드, 팬의 개수, 길이, 회전속도 등의 파라미터를 적용한 회전 날개 모사 알고리듬이 구성된다.
헬기의 로터 블레이드를 예로 들어 회전 날개 모사 알고리듬에 대하여 설명한다. 로터 블레이드의 형상과 회전을 고려할 경우, 도플러 레이더(20)의 전파 송신 방향과 로터 블레이드가 직각을 이룰 때 단면적이 가장 넓으므로 RCS(Radar Cross Section)가 최대가 되고 전파를 가장 많이 반사하게 된다. 그리고 블레이드가 로터 허브로부터 바깥쪽으로 멀어질수록 회전속도가 빠르므로 도플러 편이도 커진다. 즉, 도플러 신호가 로터 블레이드의 회전속도에 의해 주기적으로 커짐과 작아짐을 반복하게 되며, 이것을 블레이드 플래시라고 한다. 로터 블레이드 회전에 의한 도플러 신호의 주파수를 계산하기 위하여 다음과 같이 회전 날개 파라미터를 정의한다.
로터 블레이드 회전에 의한 도플러 신호의 주파수는 수학식 1과 같이 계산된다.
Figure pat00001
도플러 주파수는 로터 블레이드의 회전에 해당하는 도플러 신호의 주파수(단위: Hz)이고, 송신 주파수는 도플러 레이더(20)의 송신 주파수(단위: Hz)이고, 전파속도는 전파의 전파속도(≒3×108 m/s)이다. 깃끝속도는 수학식 2와 같이 계산된다.
Figure pat00002
깃끝속도는 블레이드 바깥쪽의 회전속도(단위: m/s)이고, 블레이드 반지름은 로터 블레이드의 반지름(단위: m)이고, 회전속도는 로터의 분단 회전속도(단위: rpm)이다.
그리고 블레이드 플래시의 반복주기는 수학식 3과 같이 계산된다.
Figure pat00003
반복주기는 블레이드 플레시의 반복주기(단위: s)이고, 블레이드 개수는 로터 블레이드의 개수이다.
또한, 회전 날개 파라미터로서 송신 출력과 트리거 신호가 더 정의된다. 송신 출력은 시변환 도플러 신호의 송신 출력(단위: dBm)이며, 도플러 레이더(20)의 수신단에 있는 안테나, 저잡음 증폭기, 이격 거리 등을 고려하여 설정된다. 트리거 신호는 로터 블레이드의 회전시에 도플러 레이더(20)에 계측 시작 시점을 알려준다.
이와 같이, 회전 날개 파라미터를 정의하여 회전 날개 모사 알고리듬을 계산할 수 있고, 회전 날개 모사 알고리듬으로 도플러 레이더(20)에서 회전 날개에 해당하는 주파수를 측정하는 것을 모사할 수 있다. 이를 위하여 도플러 신호 모사 장치(10)의 안테나(205)를 무기체계 근처에 설치하고, 도플러 레이더(20)에서 회전 날개 모사 도플러 신호와 유도탄의 초기 탄도 구간에서의 도플러 신호를 획득할 수 있다. 이로써 헬기에서 발사되는 유도탄의 추적 환경 모사뿐만 아니라, 파라미터를 설정하여 프롭기의 프로펠러, 제트기의 팬의 제트 엔진 변조(jet engine modulation)를 구현할 수 있고, 회전이 발생하는 다양한 항공기 플랫폼에서 발사되는 유도탄의 초기 추적 성공률을 향상시킬 수 있다. 회전 날개 모사 알고리듬으로 실제 항공기 발사 무기체계의 계측을 모사하는 도플러 신호와 트리거 신호에 대해서는 도 3 내지 5에서 설명한다.
다음으로, 연발 사격 모사부(103)에 대하여 더욱 상세하게 설명한다. 도플러 레이더(20)에서 연발 사격 무기체계의 탄속과 발사율을 동시에 측정하는 것을 모사하기 위해서는 탄이 포구에서 이탈하는 시점, 즉 도플러 신호가 생성되는 시점과 트리거 신호의 발생 시점이 일치해야만 한다. 도플러 신호가 생성되는 시점과 트리거 신호의 발생 시점이 일치해야만 정확하게 탄속이 모사되고 일정한 값으로 측정될 수 있다. 따라서 설정된 탄속과 발사율에 해당하는 시변환 도플러 신호를 연속적으로 출력하기 위하여 발사율, 사격 발수, 탄속, 감속도 등의 연발 사격 파라미터를 적용한 연발 사격 모사 알고리듬이 구성된다.
연발 사격의 발사율은 수학식 4와 같이 계산된다.
Figure pat00004
발사율은 연발 사격시의 분당 발사율(단위: rpm)이다. 사격 발수는 연발 사격시 전체 사격 발수이고, 연속으로 생성되는 도플러 신호의 개수와 동일하다. 사격 시간은 연발 사격시 첫 발과 마지막 발의 시간 간격(단위: s)이고, 첫 번째로 획득된 도플러 신호와 마지막으로 획득된 도플러 신호의 시간 간격과 동일하다. 연발 사격시 각 발의 사격 간격은 도플러 신호 사이의 시간 간격과 동일하다.
연발 사격의 탄속은 수학식 5와 같이 계산된다.
Figure pat00005
탄속은 연발 사격시 탄의 비행 속도(단위: m/s)이다. 전파속도는 전파의 전파속도(≒3×108 m/s)이고, 송신 주파수는 도플러 레이더(20)의 송신 주파수(단위: Hz)이고, 도플러 주파수는 탄의 비행 속도에 해당하는 도플러 주파수(단위: Hz)이다.
또한, 연발 사격 파라미터로서 감속도, 도플러 신호의 발생과 억제 시간, 트리거 신호, 송신 출력이 더 정의될 수 있다. 감속도는 공기 저항, 중력 등에 의한 탄의 감속도를 포구 속도 기준으로 % 비율로 정의한 것이다. 도플러 신호의 발생과 억제 시간은 각각의 탄의 도플러 신호의 발생과 억제 시간을 사격 간격 기준으로 % 비율로 정의한 것이다. 트리거 신호는 실제 사격시 트리거 센서에서 음압, 화염 등을 검출하여 출력하는 트리거 신호를 모사한 것으로, 도플러 신호의 발생 시점과 동일할 수 있다. 송신 출력은 시변환 도플러 신호의 송신 출력(단위: dBm)이며, 도플러 레이더(20)의 수신단에 있는 안테나, 저잡음 증폭기, 이격 거리 등을 고려하여 설정된다.
이와 같이, 연발 사격 파라미터를 정의하여 연발 사격 모사 알고리듬을 계산할 수 있고, 연발 사격 알고리듬으로 도플러 레이더(20)에서 연발 사격 무기체계의 탄속, 발사율을 동시에 측정하는 것을 모사할 수 있다. 이를 위하여 도플러 신호 모사 장치(10)의 안테나(205)를 도플러 레이더(20)의 전방 일정 거리에 설치하여 도플러 신호를 모사하고, 도플러 레이더(20)에서 연발 사격 모사 도플러 신호를 획득할 수 있다. 연발 사격 모사 알고리듬으로 실제 연발 사격 모기체계의 계측을 모사하는 도플러 신호와 트리거 신호에 대해서는 도 6 내지 8에서 설명한다.
다음으로, 강내 탄도 모사부(104)에 대하여 더욱 상세하게 설명한다. 도플러 레이더(20)에서 장사거리 지능탄약 무기체계의 강내 탄도를 측정하는 것을 모사하기 위해서는 발사 장비에서 추진제를 점화시켜 탄이 움직이기 시작하는 시점부터 탄이 포구를 이탈하는 시점까지의 탄속을 정확하게 모사해야 한다. 따라서 강내 탄도를 모사하는 시변환 도플러 신호를 연속적으로 출력하기 위하여 포구 속도, 포신 길이, 이동 시간, 가속도 등의 강내 탄도 파라미터를 적용한 강내 탄도 모사 알고리듬이 구성된다.
포신 내의 탄속은 이동 거리, 시점에 따라 수학식 6과 같이 계산된다.
Figure pat00006
탄속은 강내 탄도 구간에서 탄의 이동 속도(단위: m/s)이고, 탄속이 0 m/s인 정지 상태에서부터 추진체 점화 후 탄이 가속하여 포구를 이탈하는 시점에서의 포구 속도까지 가속되는 탄의 속도이다. 전파속도는 전파의 전파속도(≒3×108 m/s)이고, 송신 주파수는 도플러 레이더(20)의 송신 주파수(단위: Hz)이고, 도플러 주파수는 포신 내에서 탄의 이동 속도에 해당하는 도플러 주파수(단위: Hz)이다.
탄의 가속은 탄이 추진체 연소 가수의 압력을 받아 포신 내에서 가속되는 가속도이다. 포구 속도는 사격시 탄이 포구에서 이탈하는 시점의 탄속(단위: m/s)이며, 일반적으로 포구 전방에서의 탄속을 외삽하여 산출될 수 있다.
또한, 강내 탄도 파라미터로서 포신 길이, 이동 시간, 송신 출력, 트리거 신호가 더 정의된다. 포신 길이는 무기체계의 포신 길이(단위: m)이다. 송신 출력은 시변환 도플러 신호의 송신 출력(단위: dBm)이며, 도플러 레이더(20)의 수신단에 있는 안테나, 저잡음 증폭기, 이격 거리 등을 고려하여 설정된다. 트리거 신호는 사격시 추진체의 점화 시점이며 발사 장비에서의 발사 시점을 알려준다.
이와 같이, 강내 탄도 파라미터를 정의하여 강내 탄도 모사 알고리듬을 계산할 수 있고, 강내 탄도 모사 알고리듬으로 도플러 레이더(20)에서 강내 탄도를 측정하는 것을 모사할 수 있다. 즉, 탄속이 0 m/s인 정지 상태에서 시작하여 추진제 점화 후 탄이 가속하여 포구 이탈 시점에서의 포구 속도까지 가속하는 도플러 신호가 모사될 수 있다. 이를 위하여 도플러 신호 모사 장치(10)의 안테나(205)를 무기체계의 약실에 포구를 바라보도록 설치하여 강내 탄도를 모사하는 도플러 신호를 방사하고, 전파를 반사하는 리플렉터를 포구 전방에 설치하여 도플러 신호를 도플러 레이더(20)에 반사함으로써, 도플러 레이더(20)에서 강내 탄도 도플러 신호를 획득할 수 있다. 강내 탄도 모사 알고리듬으로 실제 강내 탄도를 모사하는 도플러 신호와 트리거 신호에 대해서는 도 9 내지 11에서 설명한다.
이하, 도 2 내지 11을 참조하여 도플러 신호 모사 장치(10)를 이용한 무기체계 도플러 신호 모사 방법에 대하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무기체계 도플러 신호 모사 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 3은 실제 항공기 발사 무기체계의 계측 방식을 예시하는 예시도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 무기체계 도플러 신호 모사 장치를 이용하여 항공기 발사 무기체계의 계측을 모사하는 방법을 나타내는 예시도이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 무기체계 도플러 신호 모사 장치의 회전 날개 모사 알고리듬으로 구현된 도플러 신호와 트리거 신호를 나타내는 그래프이다.
도 6은 실제 연발 사격 무기체계의 계측 방식을 예시하는 예시도이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 무기체계 도플러 신호 모사 장치를 이용하여 연발 사격 발사 무기체계의 계측을 모사하는 방법을 나타내는 예시도이고, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 무기체계 도플러 신호 모사 장치의 연발 사격 모사 알고리듬으로 구현된 도플러 신호와 트리거 신호를 나타내는 그래프이다.
도 9는 실제 화포 무기체계의 강내 탄도의 계측 방식을 예시하는 예시도이고, 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 무기체계 도플러 신호 모사 장치를 이용하여 강내 탄도의 계측을 모사하는 방법을 나타내는 예시도이고, 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 무기체계 도플러 신호 모사 장치의 강내 탄도 모사 알고리듬으로 구현된 도플러 신호와 트리거 신호를 나타내는 그래프이다.
도 2 내지 11을 참조하면, 도플러 신호 모사 장치(10) 및 도플러 레이더(20)를 설치한다(S110). 도플러 신호 모사 장치(10) 및 도플러 레이더(20)는 회전 날개 모사, 연발 사격 모사, 강내 탄도 모사 중 어느 하나의 모드에 맞추어 설치된다.
도 3에 예시한 바와 같이, 실제 항공기 발사 무기체계에서 발사되는 탄을 계측하기 위해서 도플러 레이더(20)를 탄이 이동 방향 측에 설치하고, 도플러 레이더(20)를 이용하여 탄을 계측한다.
실제 항공기 발사 무기체계의 계측을 모사하기 위한 회전 날개 모사 모드에서, 도 4에 예시한 바와 같이 항공기 발사 무기체계와 동일한 발사 장비를 갖는 지상 발사 무기체계에 인접하여 도플러 신호 모사 장치(10)의 안테나(205)가 설치되고, 도플러 레이더(20)는 케이블(30)을 통해 도플러 신호 모사 장치(10)에 연결된다.
도 6에 예시한 바와 같이, 실제 연발 사격 무기체계에서 발사되는 탄을 계측하기 위해서 트리거 센서(50)를 포신에 인접하여 설치하고, 도플러 레이더(20)는 음압, 화염 등에 의해 트리거 센서(50)에서 검출되는 트리거 신호에 따라 발사되는 연발 탄을 계측한다.
실제 연발 사격 무기체계의 계측 모사하기 위한 연발 사격 모사 모드에서, 도 7에 예시한 바와 같이 도플러 신호 모사 장치(10)의 안테나(205)는 도플러 레이더(20)의 전방 일정 거리에 설치되고, 도플러 레이더(20)는 케이블(30)을 통해 도플러 신호 모사 장치(10)에 연결된다.
도 9에 예시한 바와 같이, 실제 화포 무기체계의 강내 탄도를 계측하기 위하여 리플렉터(80)를 포구 전방에 설치하고, 도플러 레이더(20)는 리플렉터(80)에서 반사되는 도플러 신호를 획득할 수 있는 위치에 설치된다. 도플러 레이더(20)는 발사 장비(70)에서 전달되는 트리거 신호에 따라 도플러 신호를 측정하여 강내 탄도를 계측한다.
실제 화포 무기체계의 강내 탄도를 계측을 모사하기 위한 강내 탄도 모사 모드에서, 도 10에 예시한 바와 같이 도플러 신호 모사 장치(10)의 안테나(205)는 화포 무기체계의 약실에서 포구를 바라보도록 설치되고, 리플렉터(80)가 포기 전방에 설치되고, 도플러 레이더(20)는 도플러 레이더(20)는 리플렉터(80)에서 반사되는 도플러 신호를 획득할 수 있는 위치에 설치되어 도플러 신호 모사 장치(10)에 케이블(30)로 연결된다.
다시, 도 2를 참조하면, 회전 날개 모사, 연발 사격 모사, 강내 탄도 모사 중 어느 하나의 모드가 선택된다(S120).
도플러 신호 모사 장치(10)는 선택된 모드의 파라미터 설정에 따른 시변환 도플러 신호 알고리듬을 계산한다(S130). 시변환 도플러 신호 알고리듬은 회전 날개에 의한 도플러 신호를 모사하기 위한 회전 날개 파라미터를 적용한 회전 날개 모사 알고리듬, 연발 사격에 의한 도플러 신호를 모사하기 위한 연발 사격 파라미터를 적용한 연발 사격 모사 알고리듬, 및 강내 탄도에 의한 도플러 신호를 모사하기 위한 강내 탄도 파라미터를 적용한 강내 탄도 모사 알고리듬을 포함한다.
도플러 신호 모사 장치(10)는 도플러 신호를 방사하기 위한 안테나(205)를 선택하고 도플러 신호의 증폭도를 조절한다(S140).
도플러 신호 모사 장치(10)는 계산된 알고리듬 값을 이용하여 시변환 도플러 신호와 트리거 신호를 생성하고(S150), 도플러 레이더(20)가 트리거 신호를 기반으로 도플러 신호를 계측한다(S160).
도 4 및 5에 예시한 바와 같이, 지상 발사 무기체계에서 탄을 발사하는 순간 제어기(201)의 제어에 따라 도플러 신호 발생기(202)는 회전 날개 모사 알고리듬에 따른 도플러 신호를 방사하고 트리거 신호 발생기(203)는 트리거 신호를 생성한다. 도플러 신호는 증폭기(204)에 의해 증폭되어 안테나(205)에 전달되고, 안테나(205)를 통해 회전 날개의 회전에 의한 도플러 신호를 모사하는 회전 날개 모사 도플러 신호가 방사된다. 트리거 신호는 케이블(30)을 통해 도플러 레이더(20)에 전달된다. 도플러 레이더(20)는 트리거 신호에 의해 도플러 신호의 계측 시작 시점을 확인하고, 회전 날개 모사 도플러 신호와 발사된 탄에 의한 도플러 신호가 중첩된 도플러 신호를 계측할 수 있다.
도 7 및 8에 예시한 바와 같이, 제어기(201)의 제어에 따라 도플러 신호 발생기(202)는 연속 발사 모사 알고리듬에 따른 도플러 신호를 방사하고 트리거 신호 발생기(203)는 도플러 신호의 생성 시점에 동기하여 트리거 신호를 생성한다. 도플러 신호는 증폭기(204)에 의해 증폭되어 안테나(205)에 전달되고, 안테나(205)를 통해 연발 사격에 의한 도플러 신호를 모사하는 연발 사격 모사 도플러 신호가 방사된다. 트리거 신호는 케이블(30)을 통해 도플러 레이더(20)에 전달되고, 도플러 레이더(20)는 트리거 신호에 동기하여 연발 사격 모사 도플러 신호를 계측할 수 있다.
도 10 및 11에 예시한 바와 같이, 제어기(201)의 제어에 따라 도플러 신호 발생기(202)는 강내 탄도 모사 알고리듬에 따른 도플러 신호를 방사하고 트리거 신호 발생기(203)는 추진체 점화 시점에 해당하는 도플러 신호의 생성 시점에 동기하여 트리거 신호를 생성한다. 도플러 신호는 증폭기(204)에 의해 증폭되어 안테나(205)에 전달되고, 안테나(205)를 통해 강내 탄도에 의한 도플러 신호를 모사하는 강내 탄도 모사 도플러 신호가 방사된다. 트리거 신호는 케이블(30)을 통해 도플러 레이더(20)에 전달되고, 도플러 레이더(20)는 트리거 신호에 동기하여 강내 탄도 모사 도플러 신호를 계측할 수 있다.
지금까지 참조한 도면과 기재된 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10: 도플러 신호 모사 장치 20: 도플러 레이더
30: 케이블 100: 알고리듬부
101: 알고리듬 계산부 102: 회전 날개 모사부
103: 연발 사격 모사부 104: 강내 탄도 모사부
200: 제어부 201: 제어기
202: 도플러 신호 발생기 203: 트리거 신호 발생기
204: 증폭기 205: 안테나

Claims (14)

  1. 회전 날개에 의한 도플러 신호를 모사하기 위한 회전 날개 모사 모드, 연발 사격에 의한 도플러 신호를 모사하기 위한 연발 사격 모사 모드 및 강내 탄도에 의한 도플러 신호를 모사하기 위한 강내 탄도 모사 모드 중 적어도 어느 하나의 파라미터 설정에 따른 시변환 도플러 신호 알고리듬을 계산하는 알고리듬 계산부;
    계산된 알고리듬 값을 이용하여 도플러 신호를 생성하는 도플러 신호 발생기;
    상기 계산된 알고리듬 값을 이용하여 트리거 신호를 생성하는 트리거 신호 발생기; 및
    상기 회전 날개 모사 모드, 상기 연발 사격 모사 모드 및 상기 강내 탄도 모사 모드 중 적어도 하나에 따른 도플러 신호를 방사하는 안테나를 포함하는 무기체계 도플러 신호 모사 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 회전 날개에 의한 도플러 신호를 모사하기 위한 회전 날개 파라미터를 정의하는 회전 날개 모사부를 더 포함하고,
    상기 회전 날개 파라미터는 블레이드 바깥쪽의 회전속도에 해당하는 깃끝속도, 도플러 레이더의 송신 주파수 및 전파속도로 정의되는 도플러 주파수를 정의하는 무기체계 도플러 신호 모사 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 회전 날개 파라미터는 블레이드 개수 및 상기 회전속도로 정의되는 블레이드 플레시의 반복주기를 정의하는 무기체계 도플러 신호 모사 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 연발 사격에 의한 도플러 신호를 모사하기 위한 연발 사격 파라미터를 정의하는 연발 사격 모사부를 더 포함하고,
    상기 연발 사격 파라미터는 사격 시간 및 사격 발수로 정의되는 발사율을 정의하는 무기체계 도플러 신호 모사 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 연발 사격 파라미터는 전파속도, 도플러 레이더의 송신 주파수 및 탄의 비행 속도에 해당하는 도플러 주파수로 정의되는 탄속을 정의하는 무기체계 도플러 신호 모사 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    강내 탄도에 의한 도플러 신호를 모사하기 위한 강내 탄도 파라미터를 정의하는 강내 탄도 모사부를 더 포함하고,
    상기 강내 탄도 파라미터는 강내 탄도 구간에서 탄의 이동 속도인 탄속을 정의하는 무기체계 도플러 신호 모사 장치.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 탄속은 전파속도, 도플레 레이더의 송신 주파수 및 포신 내에서 상기 탄의 이동 속도에 해당하는 도플러 주파수로 정의되는 무기체계 도플러 신호 모사 장치.
  8. 회전 날개 모사 모드, 연발 사격 모사 모드 및 강내 탄도 모사 모드 중 어느 하나의 모드를 선택하는 단계;
    선택된 모드의 파라미터 설정에 따른 시변환 도플러 신호 알고리듬을 계산하는 단계;
    계산된 알고리듬 값을 이용하여 도플러 신호와 트리거 신호를 생성하는 단계;
    상기 도플러 신호를 방사하는 단계; 및
    도플러 레이더가 상기 트리거 신호에 동기하여 상기 도플러 신호를 계측하는 단계를 포함하는 무기체계 도플러 신호 모사 방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    회전 날개 모사 모드의 회전 날개 파라미터는 블레이드 바깥쪽의 회전속도에 해당하는 깃끝속도, 도플러 레이더의 송신 주파수 및 전파속도로 정의되는 도플러 주파수를 정의하는 무기체계 도플러 신호 모사 방법.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 회전 날개 파라미터는 블레이드 개수 및 상기 회전속도로 정의되는 블레이드 플레시의 반복주기를 정의하는 무기체계 도플러 신호 모사 방법.
  11. 제8 항에 있어서,
    상기 연발 사격 모사 모드의 연발 사격 파라미터는 사격 시간 및 사격 발수로 정의되는 발사율을 정의하는 무기체계 도플러 신호 모사 방법.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 연발 사격 파라미터는 전파속도, 도플러 레이더의 송신 주파수 및 탄의 비행 속도에 해당하는 도플러 주파수로 정의되는 탄속을 정의하는 무기체계 도플러 신호 모사 방법.
  13. 제8 항에 있어서,
    상기 강내 탄도 모사 모드의 강내 탄도 파라미터는 강내 탄도 구간에서 탄의 이동 속도인 탄속을 정의하는 무기체계 도플러 신호 모사 방법.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 탄속은 전파속도, 도플레 레이더의 송신 주파수 및 포신 내에서 상기 탄의 이동 속도에 해당하는 도플러 주파수로 정의되는 무기체계 도플러 신호 모사 방법.
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