KR20230108899A - 유도 비행체의 추적 유도 실행 방법 및 그를 위한 장치 - Google Patents

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Abstract

유도 비행체의 추적 유도 실행 방법 및 그를 위한 장치를 개시한다.
본 발명의 실시예에 따른 추적 유도 실행 방법은, 탐색기로부터 탐색기 측정치를 획득하는 탐색기 측정치 획득 단계; 관성 센서로부터 관성 측정 정보를 획득하여 항법 정보를 생성하는 항법 정보 생성 단계; 상기 유도 비행체의 각속도 정보를 계측하는 각속도 계측 단계; 및 탐색기 측정치를 기반으로 종말 탐지/추적 모드에서 상기 항법 정보를 이용하여 관측각을 보상하고, 상기 각속도 정보를 기반으로 선도값을 산출하여 추적 유도를 실행하기 위한 유도 명령을 생성하는 유도 명령 생성 단계를 포함할 수 있다.

Description

유도 비행체의 추적 유도 실행 방법 및 그를 위한 장치{Method and Apparatus for Implementing　Pursuit Guidance of a Guided Vehicle}
본 발명은 고정형 탐색기를 탑재한 유도 비행체의 추적 유도를 실행하는 방법 및 그를 위한 장치에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 발명의 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
일반적으로 고정형 탐색기를 사용하는 유도 비행체의 경우 호밍 단계에서 비례 항법 유도, 추적 유도 등의 유도 기법을 사용한다.
비례 항법 유도는 다양한 표적에 대응하여 그 성능이 우수하나 적용을 위해서는 일반적으로 시선각속도를 추정하는 유도필터가 포함되어야 한다. 유도필터는 필터의 특성상 안정화 시간이 필요하고, 들어오는 탐색기 및 항법 정보들의 오차 수준에 따라 그 성능이 크게 달라진다.
반면에 추적 유도는 탐색기 지향각 정보만으로 유도명령을 산출하기에 알고리듬이 단순하고 적용이 쉽다. 그러나 이동표적에 대한 유도오차가 큰 단점을 갖고 있다.
추적 유도 또는 그 형태가 유사한 관측각 제어의 적용에 대한 연구들은 다음과 같다.
- 논문1: 스트랩다운 탐색기를 탑재한 유도탄의 관측각 제어 유도(제어 로봇 시스템 학회 논문지 제19권 제3호, 275 - 280, 2013.03)
- 논문2: 무인선의 도킹을 위한 유도법칙 설계(한국 해양 공학회지 제30권 제3호,208 - 213, 2016.06)
- 논문3: 보병휴대용 유도탄을 위한 유도조종 루프 설계(한국항공우주학회 2016년도 추계학술대회,906 - 907, 2016.11)
- 논문4: A Guidance Law for General Surface Targets(AIAA(American Institute of Aeronautics and Astronautics), 23 May 2012)
논문1에는 관측각 제어 형태의 추적 유도를 적용하고, 이동 표적을 위해 선도 추적이 필요함이 언급되어 있고, 논문2에는 무인선 도킹의 궤적 성형을 위한 앞섬(선도) 추적 유도의 적용에 대한 내용, 횡방향 거리오차를 이용한 선도값 결정에 대한 내용이 기재되어 있다. 또한, 논문3에는 시선각 속도를 추정하여 표적의 이동 여부 및 방향을 판단하고 선도값을 결정하는 내용이 기재되어 있고, 논문4에는 속도 베인(velocity vane)형 탐색기 유도탄의 이동표적 정확도 향상을 위하여 자이로를 이용하여 계산된 비행 경로각을 카나드 명령에 보상하는 내용이 기재되어 있다.
일부 연구에서는 표적 이동에 의한 오차가 누적되어 특정 한계치를 넘는 경우에만 선도값이 발생하므로 표적 이동에 대하여 연속적인 대응이 불가능하고, 선도값이 적용되는 호밍유도 구간이 짧아져 유도오차가 증가하는 문제점을 갖고 있다.
또한 논문4에서는 자이로만으로 비행경로각을 계산할 수 없으므로 속도 베인(velocity vane)과 유도탄 동체간 각도(받음각)을 측정할 수 있는 센서가 필요하며, 해당 논문의 유도명령은 속도 베인(velocity vane)과 카나드가 정렬되어 있어 비행 경로각을 카나드 명령에 직접적으로 보상할 수 있는 경우로 한정되어 있다.
본 발명은 탐색기 측정치를 기반으로 종말 탐지/추적 모드에서 항법 정보를 이용하여 관측각을 보상하고, 각속도 정보를 기반으로 선도값을 산출하여 유도 명령을 생성하는 유도 비행체의 추적 유도 실행 방법 및 그를 위한 장치를 제공하는 데 주된 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 목적을 달성하기 위한 유도 비행체에 장착된 추적 유도 장치에서 추적 유도를 실행하는 방법에 있어서, 추적 유도 실행 방법은, 탐색기로부터 탐색기 측정치를 획득하는 탐색기 측정치 획득 단계; 관성 센서로부터 관성 측정 정보를 획득하여 항법 정보를 생성하는 항법 정보 생성 단계; 상기 유도 비행체의 각속도 정보를 계측하는 각속도 계측 단계; 및 탐색기 측정치를 기반으로 종말 탐지/추적 모드에서 상기 항법 정보를 이용하여 관측각을 보상하고, 상기 각속도 정보를 기반으로 선도값을 산출하여 추적 유도를 실행하기 위한 유도 명령을 생성하는 유도 명령 생성 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 의하면, 상기 목적을 달성하기 위한 유도 비행체에 장착되어 추적 유도를 실행하는 장치에 있어서, 추적 유도 장치는, 탐색기로부터 탐색기 측정치를 획득하는 탐색기 측정치 획득부; 관성 센서로부터 관성 측정 정보를 획득하여 항법 정보를 생성하는 항법 정보 생성부; 상기 유도 비행체의 각속도 정보를 계측하는 각속도 계측부; 및 탐색기 측정치를 기반으로 종말 탐지/추적 모드에서 상기 항법 정보를 이용하여 관측각을 보상하고, 상기 각속도 정보를 기반으로 선도값을 산출하여 추적 유도를 실행하기 위한 유도 명령을 생성하는 유도 명령 생성부를 포함할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 가속도 제어가 가능한 고정형 탐색기 탑재 유도 비행체의 이동 표적에 대한 추적 유도 성능 향상이 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명의 유도 비행체는 유도 루프와 가속도 제어 루프를 구분하여 설계하므로 조종 날개의 위치와 형태에 제한받지 않는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 각속도센서 적분값을 선도값 또는 관측각 명령값으로 사용함에 따라 기 설정된 특정 속도 이하의 표적에 대해서도 유도 오차를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 추적 유도 기반의 유도 비행체를 개략적으로 나타낸 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 추적 유도 장치를 개략적으로 나타낸 블록 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 유도 비행체의 추적 유도 실행 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 추적 유도 장치의 유도 명령 생성부를 개략적으로 나타낸 블록 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 유도 비행체의 추적 유도 실행 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 고정형 탐색기의 관측각을 설명하기 위한 예시도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 유도 비행체의 추적 유도 실행을 위한 변수들을 설명하기 위한 예시도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 추적 유도 실행 방식을 종래의 방식들과 비교한 결과를 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다. 이하에서는 도면들을 참조하여 본 발명에서 제안하는 유도 비행체의 추적 유도 실행 방법 및 그를 위한 장치에 대해 자세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 추적 유도 기반의 유도 비행체를 개략적으로 나타낸 블록 구성도이다.
본 실시예에 따른 유도 비행체(100)는 고정형 탐색기(110), 관성 센서(120), 각속도 센서(130), 추적 유도 장치(140), 조종 장치(150) 및 유도 비행체 구동부(160)을 포함한다. 도 1의 유도 비행체(100)는 일 실시예에 따른 것으로서, 도 1에 도시된 모든 블록이 필수 구성요소는 아니며, 다른 실시예에서 유도 비행체(100)에 포함된 일부 블록이 추가, 변경 또는 삭제될 수 있다.
유도 비행체(100)는 탐지된 표적 대상으로 비행하는 비행체를 의미한다. 여기서, 유도 비행체(100)는 유도 무기인 것이 바람직하나 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 추적 유도를 기반으로 종말 제어를 수행하는 다양한 형태의 비행체일 수 있다.
유도 비행체(100)는 발사대(미도시), 통제소(미도시) 등에서 발사 전 지정된 위치로 초기 관성항법 방식을 통해 비행하며,
표적의 이동 범위가 탐색기의 탐색 범위 이내인 경우 표적 정보 업데이트 없이 초기 지정된 위치로 그대로 비행하나, 표적의 이동 범위가 탐색기의 탐색 범위 대비 넓다면 중기 유도 단계에서 데이터링크를 통해 실시간으로 표적 대상에 대한 정보를 업데이트한다. 또한, 유도 비행체(100)는 종말 단계에서 탐색기가 동작하여 종말 비행으로 표적 대상에 근접하게 되고, 이후 근접 또는 충격 센서 등 다양한 방식의 신관이 동작하여 탄두를 폭발시킴으로써 표적 대상을 요격하게 된다.
본 실시예에 따른 유도 비행체(100)는 종말 단계에서 추적 유도를 위한 선도값을 산출하고, 산출된 선도값을 기반으로 추적 유도 방식을 결정하여 표적 대상에 대한 추적 유도를 실행하는 동작을 수행한다. 이하, 유도 비행체(100)에 대한 구성요소 각각에 대해 설명하도록 한다.
고정형 탐색기(110)는 유도 비행체(100)에 장착된 탐색기를 의미하며, 특히 고정된 형태의 탐색기를 의미한다.
고정형 탐색기(110)는 표적에서 복사되는 적외선 신호를 감지하는 적외선 탐색기, 초고주파 신호를 표적에 조사하여 반사되어 오는 신호를 포착하여 표적의 위치를 판별하는 초고주파 탐색기 등으로 구현될 수 있다.
고정형 탐색기(110)는 기 설정된 방식으로 표적을 탐색하고, 표적이 탐지되면 표적의 위치를 획득하여 추적 유도 장치(140)로 전송한다.
고정형 탐색기(110)는 표적의 위치를 표적이 위치한 각도를 나타내는 관측각 등을 포함하는 탐색기 측정치를 추적 유도 장치(140)로 전송할 수 있다.
관성 센서(120)는 유도 비행체(100)의 위치를 판별하고, 판별된 유도 비행체의 위치에 대한 항법 정보를 추적 유도 장치(140)로 전송한다.
관성 센서(120)는 관성 측정 장치(IMU: Inertial Measurement Unit), 관성 항법 장치(INS: Inertial Navigation System) 등으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 관성 센서(120)가 관성 측정 장치(IMU)인 경우 추적 유도 장치(140)의 항법 정보 생성부(220)가 관성 항법 장치의 기능을 수행하는 모듈일 수 있다. 한편, 관성 센서(120)가 관성 항법 장치(INS)인 경우 항법 정보 생성부(220)가 관성 센서(120)에 포함된 형태일 수 있다.
관성 센서(120)는 관성 측정 장치로 구현된 경우 자이로스코프와 가속도계 등의 각종 센서를 구비하여 센싱 정보를 획득한다.
관성 센서(120)는 관성 측정 장치가 포함된 관성 항법 장치로 구현된 경우 이미 알고 있는 초기 위치에서 획득된 센싱 정보를 통해 계산되는 이동 거리 및 방향을 산출하여 병합함으로써, 외부의 도움없이 자신의 위치 및 속도 등의 정보를 산출할 수 있다. 관성 센서(120)는 외부의 도움 없이 위치 정보를 획득할 수 있으므로, 기상 상태나 전파 방해의 영향을 받지 않는 장점을 가지고 있다.
각속도 센서(130)는 유도 비행체(100)의 동체에 장착되어 피치와 요 각각에 대한 각속도를 측정한다.
각속도 센서(130)의 피치/요 축은 탐색기의 피치/요 축과 정렬되면 별도 변환 없이 바로 사용 가능하고, 축이 엇갈려 있는 경우 장착각의 차이를 측정하여 변환 가능하다. 각속도 센서로는 주로 자이로가 사용될 수 있다.
각속도 센서(130)의 각속도는 각속도 센서(130)를 이용하여 측정되는 것으로 기재하고 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 항법 정보 생성을 위한 관성 센서(120)를 활용하여 측정될 수도 있다.
추적 유도 장치(140)는 표적 대상에 대한 추적 유도를 실행하는 동작을 수행한다.
추적 유도 장치(140)는 탐색기 측정치를 기반으로 종말 탐지/추적 모드에서 항법 정보를 이용하여 관측각을 보상하고, 보상된 관측각을 기반으로 추적 유도 방식을 결정한 후 각속도 정보를 기반으로 선도값을 산출하여 추적 유도 실행에 따른 유도 명령을 생성한다.
추적 유도 장치(140)의 추적 유도는 관측각과 관측각 명령의 차이로 이루어진다.
추적 유도 장치(140)는 받음각 및 옆미끄럼각을 보상한 관측각을 계산한다. 이후, 추적 유도 장치(140)는 각속도센서 출력의 적분을 이용한 관측각 명령(선도값)을 계산한다.
고정형 탐색기가 탑재된 유도 비행체(100)는 출력 관측각의 0 도가 동체축에 정렬되므로 일반적으로 자세 추적(attitude pursuit)을 사용하게 되나 계산된 받음각 및 옆미끄럼각을 보상함으로써 속도 추적(velocity pursuit) 형태로 바꿔 유도 성능을 향상시킬 수 있다.
또한 추적 유도 장치(140)의 추적 유도는 시선각(LOS)과 비행 경로각이 일치할 때 표적을 향하게 된다. 그러나 표적이 이동하는 경우 시선각이 지속적으로 변하게 되어 비행경로각과 불일치가 발생하므로, 비행경로각을 시선각에 맞추도록 유도명령이 발생하게 된다. 비행경로각 변화에 따라 유도탄에 각속도가 발생하게 되어 이를 적분하는 경우, 과거에 표적 이동으로 발생한 시선각 변화량을 추정할 수 있으므로 해당값을 선도값으로 적용하고 선도 추적 유도를 수행하여 이동표적에 대한 유도 성능을 향상시킬 수 있다.
추적 유도 장치(140)에 대한 자세한 설명은 도 2 내지 도 4에서 기재하도록 한다.
조종 장치(150)는 유도 비행체의 비행을 제어하는 동작을 수행한다.
조종 장치(150)는 유도 비행체(100)의 발사 이후 고정형 탐색기(110)에서 표적을 탐지할 때까지 표적 위치 수신기(미도시)를 통해 전송되는 표적 위치 정보와 관성 센서(120)에서 획득된 유도 비행체(100)의 위치 정보를 기반으로 추적 유도 장치(140)에서 유도 비행체(100)의 이동 방향을 결정하면, 결정된 이동 방향으로 유도 비행체(100)가 이동하도록 유도 비행체 구동부(160)를 제어한다.
본 실시예에 따른 조종 장치(150)는 고정형 탐색기(110)에서 표적을 탐지한 후 종말 탐지/추적 모드에서 생성된 유도 명령을 기반으로 유도 비행체(100)의 비행 경로를 조정한다.
조종 장치(150)는 결정된 추적 유도 방식에 대응하여 산출된 선도값 기반의 유도 명령을 추적 유도 장치(140)로부터 수신하여 유도 비행체(100)의 비행 경로를 조정할 수 있다.
유도 비행체 구동부(160)는 조정된 비행 경로에 따라 비행을 위한 비행체 구동을 수행한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 추적 유도 장치를 개략적으로 나타낸 블록 구성도이다.
본 실시예에 따른 추적 유도 장치(140)는 탐색기 측정치 획득부(210), 항법정보 생성부(220), 각속도 계측부(230) 및 유도 명령 생성부(240)을 포함한다. 도 2의 추적 유도 장치(140)는 일 실시예에 따른 것으로서, 도 2에 도시된 모든 블록이 필수 구성요소는 아니며, 다른 실시예에서 추적 유도 장치(140)에 포함된 일부 블록이 추가, 변경 또는 삭제될 수 있다.
추적 유도 장치(140)는 탐색기 측정치를 기반으로 종말 탐지/추적 모드에서 항법 정보를 이용하여 관측각을 보상하고, 보상된 관측각을 기반으로 추적 유도 방식을 결정한 후 각속도 정보를 기반으로 선도값을 산출하여 추적 유도 실행에 따른 유도 명령을 생성한다.
탐색기 측정치 획득부(210)는 고정형 탐색기(110)로부터 탐색기 측정치를 획득하는 동작을 수행한다.
탐색기 측정치 획득부(210)는 고정형 탐색기(110)로 탐지 가능한 적어도 하나의 정보를 포함하는 탐색기 측정치를 획득할 수 있다. 여기서, 탐색기 측정치는 관측각에 대한 정보일 수 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
탐색기 측정치 획득부(210)는 고정형 탐색기(110)가 종말 탐지/추적 모드로 동작하는 상태에서 출력된 탐색기 측정치를 획득한다. 여기서, 탐색기 측정치 획득부(210)는 종말 탐지/추적 모드에서 출력되는 관측각에 대한 정보를 신뢰할 수 있음에 따라 고정형 탐색기(110)가 종말 탐지/추적 모드로 동작하는 상태에서 출력된 탐색기 측정치를 획득한다.
한편, 탐색기 측정치 획득부(210)는 추적 유도 장치(140)에 포함된 모듈인 것으로 기재하고 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 고정형 탐색기(110)에 포함된 형태로 구현될 수도 있다.
항법정보 생성부(220)는 관성 센서(120)로부터 관성 측정 정보를 획득하여 항법 정보를 생성하는 동작을 수행한다.
항법정보 생성부(220)는 유도 비행체(100)의 이동 경로에 따라 측정된 관성 측정 정보(예: 가속도, 각속도, 방위 기준 등)를 기반으로 현재 유도 비행체(100)의 위치, 속도 등에 대한 항법 정보를 생성할 수 있다.
항법정보 생성부(220)는 관성 센서(120)의 가속도, 각속도 등에 대한 출력 정보를 기 설정된 항법 알고리즘에 적용하여 유도 비행체(100)의 자세, 속도 등에 대한 정보로 계산하여 항법 정보를 생성한다. 여기서, 항법정보 생성부(220)는 별도의 가속도 센서, 자이로스코프 센서, 지자기 센서 등으로부터 획득된 정보를 이용하여 항법 정보를 생성할 수 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 통합된 형태의 센서로부터 획득된 정보를 이용하여 항법 정보를 생성할 수 있다.
예를 들어, 항법정보 생성부(220)는 자이로스코프 센서와 가속도 센서 등을 포함하는 관성 센서(120)에 의하여 유도 비행체(100)의 위치, 속도 등의 정보를 산출하며, 산출된 정보를 이용하여 비행 경로에 대응하는 항법 정보를 생성할 수 있다.
한편, 항법정보 생성부(220)는 추적 유도 장치(140)에 포함된 모듈인 것으로 기재하고 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 관성 센서(120)에 포함되어 관성 항법 장치의 형태로 구현될 수도 있다.
각속도 계측부(230)는 유도 비행체(100)의 각속도 정보를 획득하는 동작을 수행한다.
각속도 계측부(230)는 유도 비행체(100)에 대한 피치(Pitch) 및 요(Yaw) 각속도가 계측된 각속도 정보를 획득하는 동작을 수행한다.
각속도 계측부(230)는 각속도 센서(130)의 피치, 요 축이 고정형 탐색기(110)의 피치, 요 축과 정렬된 상태에서 각속도 정보가 계측된 경우 별도의 변환 처리 없이 각속도 정보를 획득한다.
한편, 각속도 계측부(230)는 각속도 센서(130)의 피치, 요 축이 고정형 탐색기(110)의 피치, 요 축과 정렬되지 않고 엇갈려 있는 상태에서 각속도 정보가 계측된 경우 각속도 센서(130) 및 고정형 탐색기(110) 각각의 장착각 차이를 측정하고, 차이를 보정하여 변환된 각속도 정보를 획득한다.
각속도 계측부(230)는 자이로스코프 센서를 포함하는 각속도 센서(130)에서 계측된 각속도 정보를 획득할 수 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 항법 정보를 생성하기 위한 관성 센서(120)를 활용하여 계측된 각속도 정보를 획득할 수도 있다.
한편, 각속도 계측부(230)는 추적 유도 장치(140)에 포함된 모듈인 것으로 기재하고 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 관성 센서(120) 또는 각속도 센서(130)에 포함된 형태로 구현될 수도 있다.
유도 명령 생성부(240)는 고정형 탐색기(110)가 종말 탐지/추적 모드에 들어간 이후 추적 유도 명령을 생성하는 동작을 수행한다.
일반적으로 비행 중인 유도 비행체(100)의 속도 벡터는 유도 비행체(100)의 x 축과 일치하지 않고, 동체 좌표계에서 나타낸 속도벡터는 동체의 x 축 대비 편향된 각도를 갖게 되며, 이를 받음각과 옆미끄럼각으로 볼 수 있다.
유도 명령 생성부(240)는 항법 정보를 이용하여 받음각과 옆미끄럼각을 계산하여 관측각에 보상하고 각속도 적분값을 선도값으로 사용하여 선도 추적 유도를 위한 유도 명령을 생성할 수 있다.
본 실시예에 따른 유도 명령 생성부(240)는 탐색기 측정치를 기반으로 종말 탐지/추적 모드에서 항법 정보를 이용하여 관측각을 보상하고, 각속도 정보를 기반으로 선도값을 산출하여 추적 유도를 실행하기 위한 유도 명령을 생성한다.
구체적으로, 유도 명령 생성부(240)는 유도 비행체(100)의 종말 유도에 대한 종말 탐지/추적 모드를 확인하고, 종말 탐지/추적 모드에서 고정형 탐색기(110)로부터 측정된 관측각을 획득한다.
유도 명령 생성부(240)는 항법 정보를 이용하여 받음각 및 옆미끄럼각을 산출하고, 받음각 및 옆미끄럼각 중 적어도 하나를 기반으로 관측각을 보상한다.
유도 명령 생성부(240)는 보상된 관측각을 기 설정된 추적 유도 조건과 비교하여 선도 추적 유도의 수행 가능 여부를 판단하고, 선도 추적 유도의 수행 가능 판단 결과에 근거하여 선도값을 산출하고, 산출된 선도값에 근거하여 선도 추적 유도 또는 순수 추적 유도 기반의 추적 유도를 통해 조종 장치(150)의 동작을 위한 유도 명령을 생성한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 유도 비행체의 추적 유도 실행 동작을 설명하기 위한 도면이다.
유도 비행체(100)의 유도 명령 생성부(240)는 관측각, 받음각 보상, 옆미끄럼각 보상, 선도값 등을 기반으로 추적 유도의 실행을 위한 유도 명령을 생성하며, 유도 명령은 유도 비행체(100)의 동체축(도 7 참고)에 수직한 가속도값으로 표현될 수 있다.
관측각 보상을 위한 받음각 및 옆미끄럼각은 항법 정보를 기반으로 생성된 항법 좌표계(NED: North east down) 기반의 속도 및 오일러각으로부터 계산된다.
본 실시예에 따른 유도 명령 생성부(240)에서 적용한 받음각 및 옆미끄럼각의 정의는 종래에 통용되는 받음각 및 옆미끄럼각과 반대부호인 것이 바람직하나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
구체적으로, 관측각 보상 처리부(420)는 항법 정보를 이용하여 항법 좌표계(NED: North east down) 기반의 속도 정보 및 오일러각 정보를 생성한다. 이후, 관측각 보상 처리부(420)는 생성된 속도 정보 및 오일러각 정보를 기반으로 받음각 및 옆미끄럼각을 산출하여 관측각(피치 관측각/요 관측각)을 보상한다.
유도 명령 생성부(240)는 보상된 관측각을 기 설정된 추적 유도 조건과 비교하여 추적 유도 조건을 만족하지 않는 경우, 초기 선도값을 기반으로 순수 추적 유도를 실행하기 위한 유도 명령을 생성한다. 여기서, 초기 선도값(관측각 명령값)은 초기 0 도로 설정되어 순수 추적 유도를 수행하게 된다.
한편, 유도 명령 생성부(240)는 보상된 관측각을 기 설정된 추적 유도 조건과 비교하여 추적 유도 조건을 만족하는 경우, 유도 비행체(100)의 속도 벡터가 시선 벡터와 일치하거나 기 설정된 기준 이하로 가까워진 후에 유도 비행체(100)의 각속도 적분을 시작하고 적분값에 기 설정된 이득(K2)이 곱해져 선도값으로 사용된다. 유도 명령 생성부(240)는 보상된 관측각과 선도값의 차이에 기 설정된 이득(K1)을 곱하여 유도 명령(가속도 유도 명령)을 생성할 수 있다. 선도값과 유도 명령 계산에 사용되는 K1 및 K2는 이득에 대해 기 설정된 설계값을 의미한다.
유도 비행체(100)의 속도 벡터와 시선 벡터가 일치된 상태에서 표적이 유도 비행체(100) 방향으로 이동하게 되면, 시선 벡터는 (-) 방향으로 증가하게 되는데, 이러한 이동 표적에 명중하기 위해서는 (+) 선도값이 요구된다. 따라서, 속도 벡터가 시선 벡터를 따라 피치다운 할때 (-) 각속도가 발생한다면 선도값은 각속도 적분값에 (-)가 곱해져야 하며, 전술한 방식으로 산출된 선도값을 이용하여 선도 추적 유도가 수행될 수 있다.
유도 명령 생성부(240)에서 선도값 및 유도 명령을 계산하는 방식은 도 7에서 자세히 설명하도록 한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 추적 유도 장치의 유도 명령 생성부를 개략적으로 나타낸 블록 구성도이다.
본 실시예에 따른 추적 유도 장치(140)의 유도 명령 생성부(240)는 탐색 모드 확인부(410), 관측각 보상 처리부(420), 추적 유도 조건 판단부(430) 및 추적 유도 실행부(440)를 포함한다. 도 4의 유도 명령 생성부(240)는 일 실시예에 따른 것으로서, 도 4에 도시된 모든 블록이 필수 구성요소는 아니며, 다른 실시예에서 유도 명령 생성부(240)에 포함된 일부 블록이 추가, 변경 또는 삭제될 수 있다.
본 실시예에 따른 유도 명령 생성부(240)는 탐색기 측정치를 기반으로 종말 탐지/추적 모드에서 항법 정보를 이용하여 관측각을 보상하고, 각속도 정보를 기반으로 선도값을 산출하여 추적 유도를 수행하기 위한 유도 명령을 생성한다. 이하, 유도 명령 생성부(240)에 포함된 구성요소 각각에 대해 설명하도록 한다.
탐색 모드 확인부(410)는 유도 비행체(100)의 종말 유도에 대한 종말 탐지/추적 모드를 확인하고, 종말 탐지/추적 모드에서 탐색기 측정치에 대응하는 관측각을 획득한다.
탐색 모드 확인부(410)는 탐색기(110)에서 표적에 대한 표적 신호 세기가 기 설정된 특정 임계값을 초과하면 종말 탐지/추적 모드로 전환된 것으로 확인하고, 종말 탐지/추적 모드의 탐색기(110)에서 출력된 탐색기 측정치에 대응하는 관측각을 획득한다.
관측각 보상 처리부(420)는 항법 정보를 이용하여 받음각 및 옆미끄럼각을 산출하고, 받음각 및 옆미끄럼각 중 적어도 하나를 기반으로 관측각을 보상한다.
구체적으로, 관측각 보상 처리부(420)는 항법 정보를 이용하여 항법 좌표계(NED: North east down) 기반의 속도 정보 및 오일러각 정보를 생성한다. 이후, 관측각 보상 처리부(420)는 생성된 속도 정보 및 오일러각 정보를 기반으로 받음각 및 옆미끄럼각을 산출하여 관측각(피치 관측각/요 관측각)을 보상한다.
추적 유도 조건 판단부(430)는 보상된 관측각을 기 설정된 추적 유도 조건과 비교하여 선도 추적 유도의 수행 가능 여부를 판단한다.
추적 유도 조건 판단부(430)는 기 설정된 임계 각도에 대한 추적 유도 조건과 비교하여 선도 추적 유도의 수행 가능 여부를 판단할 수 있다.
추적 유도 조건 판단부(430)는 추적 유도 조건에 포함된 기 설정된 임계 각도와 보상된 관측각(피치 관측각/요 관측각 각각)을 비교하여 보상된 관측각이 임계 각도 미만인 경우, 선도 추적 유도 기반의 추적 유도 실행이 가능한 것으로 판단한다.
한편, 추적 유도 조건 판단부(430)는 추적 유도 조건에 포함된 기 설정된 임계 각도와 보상된 관측각(피치 관측각/요 관측각 각각)을 비교하여 보상된 관측각이 임계 각도 이상인 경우, 선도 추적 유도 기반의 추적 유도 실행이 불가능하고 순수 추적 유도 기반의 추적 유도 실행이 가능한 것으로 판단한다.
여기서, 기 설정된 임계 각도는 1 도 이하의 작은 값으로 설정하는 것이 바람직하나 임계 각도는 변경될 수 있다.
또한, 추적 유도 조건 판단부(430)는 추적 유도의 시간 경과에 대한 추적 유도 조건과 비교하여 선도 추적 유도의 수행 가능 여부를 판단할 수 있다. 즉, 표적의 속도가 빠른 경우 관측각이 1 도 이내로 수렴하지 못하는 경우가 있는 것으로 고려하여, 추적 유도가 시작된 이후 유도 비행체(100)의 성능에 따라 기 설정된 임계 시간(Td sec) 후에는 관측각이 충분히 수렴하여 각속도 적분을 이용한 선도 추적 유도를 수행하는 것이 가능하다.
추적 유도 조건 판단부(430)의 추적 유도 조건은 [수학식 1]과 같이 정의될 수 있다.
(λb,pitch: 피치 관측각, λb,yaw: 요 관측각, αAOA: 받음각, αAOS: 옆미끄럼각, Td sec: 임계 시간)
추적 유도 실행부(440)는 선도 추적 유도의 수행 가능 판단 결과에 근거하여 선도값을 산출하고, 산출된 선도값에 근거하여 추적 유도를 실행한다. 여기서, 추적 유도의 실행은 선도 추적 유도 및 순수 추적 유도 중 하나의 추적 유도 방식에 대한 실행일 수 있다.
추적 유도 실행부(440)는 선도 추적 유도 기반의 추적 유도 실행이 가능한 것으로 판단된 경우, 각속도 정보를 적분 처리하고, 소정의 이득을 적용하여 선도 추적 유도를 위한 신규 선도값을 산출한다. 이후, 추적 유도 실행부(440)는 산출된 신규 선도값으로 선도 추적 유도 기반의 추적 유도 실행을 수행한다.
한편, 추적 유도 실행부(440)는 순수 추적 유도 기반의 추적 유도 실행이 가능한 것으로 판단된 경우, 초기에 설정된 초기 선도값을 유지하고, 초기 선도값으로 상기 순수 추적 유도 기반의 추적 유도 실행을 수행한다. 여기서, 초기 선도값은 0 도(degree) 인 것이 바람직하다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 유도 비행체의 추적 유도 실행 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
추적 유도 장치(140)는 탐색기 정보를 획득하면서 처음 탐색기가 종말 탐지/추적 모드가 될 때까지 대기하다가 탐지/추적 모드가 되면 종말유도를 시작한다(S510, S520, S530).
추적 유도 장치(140)는 항법 정보를 획득하고, 항법 정보를 이용하여 받음각을 계산하고, 관측각 보상에 사용한다(S540, S550).
추적 유도 장치(140)는 보상된 관측각이 선도조건(추적 유도 조건) 이내로 들어오면(S560), 획득된 각속도 정보를 이용하여 선도값을 계산하고(S570, S580), 선도 추적 유도를 수행한다(S90).
한편, 추적 유도 장치(140)는 보상된 관측각이 선도조건(추적 유도 조건)에 들어오지 못했다면, 초기 선도값인 0 도(deg) 상태를 유지하고(S582), 순수 추적 유도를 수행한다(S592).
도 5에서는 각 단계를 순차적으로 실행하는 것으로 기재하고 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 다시 말해, 도 5에 기재된 단계를 변경하여 실행하거나 하나 이상의 단계를 병렬적으로 실행하는 것으로 적용 가능할 것이므로, 도 5는 시계열적인 순서로 한정되는 것은 아니다.
도 5에 기재된 본 실시예에 따른 추적 유도 실행 방법은 애플리케이션(또는 프로그램)으로 구현되고 단말장치(또는 컴퓨터)로 읽을 수 있는 기록매체에 기록될 수 있다. 본 실시예에 따른 추적 유도 실행 방법을 구현하기 위한 애플리케이션(또는 프로그램)이 기록되고 단말장치(또는 컴퓨터)가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨팅 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치 또는 매체를 포함한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 고정형 탐색기의 관측각을 설명하기 위한 예시도이다.
탐색기 측정치 획득부(210)에서는 고정형 탐색기(110)의 탐색기 FOV(Field-Of-View) 내에 표적 대상이 위치하고, 표적 대상의 신호 세기가 기 설정된 특정치 이상인 경우, 종말 탐지/추적 모드로 전환된 상태에서 관측각을 포함하는 탐색기 측정치를 획득한다.
여기서, 탐색기 측정치에 포함된 관측각은 표적 대상의 신호 세기가 기 설정된 특정치 미만인 경우에도 탐색기에서 출력될 수 있으나 신뢰도가 낮기 때문에, 탐색기 측정치 획득부(210)는 종말 탐지/추적 모드로 전환된 상태에서 탐색기에서 출력되는 관측각을 획득할 수 있다.
도 6을 참고하면, 관측각(λb)은 유도 비행체(100)의 시선 벡터와 유도 비행체(100)의 동체축/탐색기축 사이의 각을 의미하며, 시선각(σ)은 기준축과 시선 벡터 사이의 각을 의미한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 유도 비행체의 추적 유도 실행을 위한 변수들을 설명하기 위한 예시도이다.
도 7의 (a)는 유도 기하를 나타내며, 도 7의 (b)는 표적 이동에 따른 시선각 및 각속도 변화를 나타낸다. 도 7의 (b)에서 제1 시선각(σk)는 제2 시선각(σk+1)보다 크며, 각속도(q)는 0보다 작은 것으로 가정한다.
[수학식 2]는 동체 좌표계 및 항법 좌표계(NED) 간 속도 성분의 좌표계 변환을 위한 수식을 나타낸다.
[수학식 3]은 받음각 및 옆미끄럼각을 산출하기 위한 수식을 나타낸다.
[수학식 4]는 추적 유도의 실행을 위한 유도 명령을 산출하기 위한 수식을 나타낸다. 여기서, 유도 명령은 가속도 유도 명령(Ab) 및 관측각 명령(λc)을 포함할 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 추적 유도 실행 방식을 종래의 방식들과 비교한 결과를 나타낸 도면이다.
일반적으로 추적 유도는 알고리듬이 단순하여 적용이 쉬운 장점이 있으나 그 성능이 비례항법유도에 비하여 떨어지므로 시선각 속도 추정을 위한 유도필터 구성이 불가능하거나 유도 필터의 신뢰도가 낮은 상황에서 부분적으로 사용하게 된다.
또한, 추적 유도를 적용하는 경우에도 이동 표적에 대한 유도 성능을 높이기 위해 선도 추적 유도가 고려되지만 선도값 결정이 모호하다는 단점을 갖고 있다. 동시에 고정형 탐색기의 추적 유도는 구현에 있어 제약이 따르므로 관측각 제어기에 PID 제어기를 고려하거나 속도 베인(velocity vane)형 탐색기와 같이 속도 추적 유도 형태로 바꿔줄 필요가 있다.
본 발명의 실시예에 따른 추적 유도 장치(140)에서는 이러한 문제점을 보완하기 위하여 기본적으로 항법정보 기반의 받음각 계산 및 보상을 통하여 자세 추적 유도를 속도 추적 유도와 유사하게 변경하고, 이동 표적을 위한 선도값 결정에는 추적 유도 시 시선각 변화에 따라 발생하는 각속도값을 이용하여 연속적으로 적절한 선도값 결정이 이루어지도록 한다.
본 발명의 실시예에 따른 추적 유도 장치(140)에서의 선도 추적 유도는 유도 비행체의 탐색기 장착 형태와 조종면 장착 위치에 제한받지 않고 구현이 가능하다.
도 8은 선도 추적 유도 성능을 비교하기 위하여 퇴각 이동표적에 대한 종말 유도 구간을 나타낸 예시도이다.
도 8은 비례 항법 유도, 순수 추적 유도 및 선도 추적 유도를 비교한 그래프이며, 도 8의 (a)는 비행 궤적에 대한 비교 그래프이고, 도 8의 (b)는 관측각에 대한 비교 그래프이며, 도 8의 (c)는 유도 명령에 대한 비교 그래프이다.
도 8을 참고하면, 순수 추적 유도는 이동표적 명중에 실패하였고, 선도 추적 유도의 유도오차는 비례 항법 유도보다는 컸으나 이동표적에 명중한 것을 확인할 수 있다. 추적 유도 장치(140)에서의 선도 추적 유도는 초기에 순수 추적 유도와 동일하게 동작하기 때문에 관측각을 0 deg로 만든 후에 선도값을 적용하므로 유도 후반으로 갈수록 비례 항법 유도 대비 유도 명령을 크게 쓰기는 하나 알고리듬의 단순함으로 인해 실제 장비 적용에 유용할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명의 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 유도 비행체
110: 고정형 탐색기 120: 관성 센서
130: 각속도 센서 140: 추적 유도 장치
150: 조종 장치 160: 유도 비행체 구동부
210: 탐색기 측정치 획득부 220: 항법정보 생성부
230: 각속도 계측부 240: 유도 명령 생성부

Claims (13)

  1. 유도 비행체에 장착된 추적 유도 장치에서 추적 유도를 실행하는 방법에 있어서,
    탐색기로부터 탐색기 측정치를 획득하는 탐색기 측정치 획득 단계;
    관성 센서로부터 관성 측정 정보를 획득하여 항법 정보를 생성하는 항법 정보 생성 단계;
    상기 유도 비행체의 각속도 정보를 계측하는 각속도 계측 단계; 및
    탐색기 측정치를 기반으로 종말 탐지/추적 모드에서 상기 항법 정보를 이용하여 관측각을 보상하고, 상기 각속도 정보를 기반으로 선도값을 산출하여 추적 유도를 실행하기 위한 유도 명령을 생성하는 유도 명령 생성 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 추적 유도 실행 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유도 명령 생성 단계는,
    상기 유도 비행체의 종말 유도에 대한 상기 종말 탐지/추적 모드를 확인하고, 상기 종말 탐지/추적 모드에서 상기 탐색기로부터 측정된 관측각을 획득하는 탐색 모드 확인 단계;
    상기 항법 정보를 이용하여 받음각 및 옆미끄럼각을 산출하고, 상기 받음각 및 상기 옆미끄럼각 중 적어도 하나를 기반으로 상기 관측각을 보상하는 관측각 보상 처리 단계;
    상기 보상된 관측각을 기 설정된 추적 유도 조건과 비교하여 선도 추적 유도의 수행 가능 여부를 판단하는 추적 유도 조건 판단 단계; 및
    상기 선도 추적 유도의 수행 가능 판단 결과에 근거하여 선도값을 산출하고, 산출된 선도값에 근거하여 추적 유도를 실행하는 추적 유도 실행 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 추적 유도 실행 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 탐색 모드 확인 단계는,
    상기 탐색기에서 표적에 대한 표적 신호 세기가 기 설정된 특정 임계값을 초과하면 상기 종말 탐지/추적 모드로 전환된 것으로 확인하고, 상기 종말 탐지/추적 모드에서 출력된 관측각을 획득하는 것을 특징으로 하는 추적 유도 실행 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 관측각 보상 처리 단계는,
    상기 항법 정보를 이용하여 항법 좌표계(NED: North east down) 기반의 속도 정보 및 오일러각 정보를 생성하고, 생성된 속도 정보 및 오일러각 정보를 기반으로 상기 받음각 및 상기 옆미끄럼각을 산출하여 상기 관측각을 보상하는 것을 특징으로 하는 추적 유도 실행 방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 추적 유도 조건 판단 단계는,
    상기 추적 유도 조건에 포함된 기 설정된 임계 각도와 상기 보상된 관측각(피치 관측각/요 관측각 각각)을 비교하여 상기 보상된 관측각이 상기 임계 각도 미만인 경우, 선도 추적 유도 기반의 추적 유도 실행이 가능한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 추적 유도 실행 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 추적 유도 실행 단계는,
    선도 추적 유도 기반의 추적 유도 실행이 가능한 것으로 판단된 경우, 상기 각속도 정보를 적분 처리하고, 소정의 이득을 적용하여 선도 추적 유도를 위한 신규 선도값을 산출하고, 산출된 신규 선도값으로 상기 선도 추적 유도 기반의 추적 유도 실행을 수행하는 것을 특징으로 하는 추적 유도 실행 방법.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 추적 유도 조건 판단 단계는,
    상기 추적 유도 조건에 포함된 기 설정된 임계 각도와 상기 보상된 관측각(피치 관측각/요 관측각 각각)을 비교하여 상기 보상된 관측각이 상기 임계 각도 이상인 경우, 선도 추적 유도 기반의 추적 유도 실행이 불가능하고, 순수 추적 유도 기반의 추적 유도 실행이 가능한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 추적 유도 실행 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 추적 유도 실행 단계는,
    순수 추적 유도 기반의 추적 유도 실행이 가능한 것으로 판단된 경우, 초기에 설정된 초기 선도값을 유지하고, 초기 선도값으로 상기 순수 추적 유도 기반의 추적 유도 실행을 수행하는 것을 특징으로 하는 추적 유도 실행 방법.
  9. 유도 비행체에 장착되어 추적 유도를 실행하는 장치에 있어서,
    탐색기로부터 탐색기 측정치를 획득하는 탐색기 측정치 획득부;
    관성 센서로부터 관성 측정 정보를 획득하여 항법 정보를 생성하는 항법 정보 생성부;
    상기 유도 비행체의 각속도 정보를 계측하는 각속도 계측부; 및
    탐색기 측정치를 기반으로 종말 탐지/추적 모드에서 상기 항법 정보를 이용하여 관측각을 보상하고, 상기 각속도 정보를 기반으로 선도값을 산출하여 추적 유도를 실행하기 위한 유도 명령을 생성하는 유도 명령 생성부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 추적 유도 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 유도 명령 생성부는,
    상기 유도 비행체의 종말 유도에 대한 상기 종말 탐지/추적 모드를 확인하고, 상기 종말 탐지/추적 모드에서 상기 탐색기로부터 측정된 관측각을 획득하는 탐색 모드 확인부;
    상기 항법 정보를 이용하여 받음각 및 옆미끄럼각을 산출하고, 상기 받음각 및 상기 옆미끄럼각 중 적어도 하나를 기반으로 상기 관측각을 보상하는 관측각 보상 처리부;
    상기 보상된 관측각을 기 설정된 추적 유도 조건과 비교하여 선도 추적 유도의 수행 가능 여부를 판단하는 추적 유도 조건 판단부; 및
    상기 선도 추적 유도의 수행 가능 판단 결과에 근거하여 선도값을 산출하고, 산출된 선도값에 근거하여 추적 유도를 실행하는 추적 유도 실행부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 추적 유도 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 관측각 보상 처리부는,
    상기 항법 정보를 이용하여 항법 좌표계(NED: North east down) 기반의 속도 정보 및 오일러각 정보를 생성하고, 생성된 속도 정보 및 오일러각 정보를 기반으로 상기 받음각 및 상기 옆미끄럼각을 산출하여 상기 관측각을 보상하는 것을 특징으로 하는 추적 유도 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 추적 유도 조건 판단부는,
    상기 추적 유도 조건에 포함된 기 설정된 임계 각도와 상기 보상된 관측각(피치 관측각/요 관측각 각각)을 비교하여 상기 보상된 관측각이 상기 임계 각도 미만인 경우, 선도 추적 유도 기반의 추적 유도 실행이 가능한 것으로 판단하고,
    상기 추적 유도 실행부는, 상기 각속도 정보를 적분 처리하고, 소정의 이득을 적용하여 선도 추적 유도를 위한 신규 선도값을 산출하고, 산출된 신규 선도값으로 상기 선도 추적 유도 기반의 추적 유도 실행을 수행하는 것을 특징으로 하는 추적 유도 장치.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 추적 유도 조건 판단부는,
    상기 추적 유도 조건에 포함된 기 설정된 임계 각도와 상기 보상된 관측각(피치 관측각/요 관측각 각각)을 비교하여 상기 보상된 관측각이 상기 임계 각도 이상인 경우, 선도 추적 유도 기반의 추적 유도 실행이 불가능하고, 순수 추적 유도 기반의 추적 유도 실행이 가능한 것으로 판단하고,
    상기 추적 유도 실행부는, 초기에 설정된 초기 선도값을 유지하고, 초기 선도값으로 상기 순수 추적 유도 기반의 추적 유도 실행을 수행하는 것을 특징으로 하는 추적 유도 장치.
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