KR101790123B1 - 비행체 요격용 반능동 유도 비행체 - Google Patents
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Abstract
비행체 요격용 반능동 유도 비행체를 공개한다. 본 발명은 표적을 탐지하기 위해 발사 통제 레이더에서 방사된 방사 신호가 표적에 반사된 신호를 각각 전방 신호로서 수신하는 복수개의 전면 안테나와 발사 통제 레이더에서 방사된 방사 신호를 직접 후방 신호로서 수신하는 적어도 하나의 후면 안테나를 구비하고, 복수개의 전방 신호 각각과 후방 신호를 합성하여 주파수 하향 변환하고, 주파수 하향 변환된 복수개의 전방 신호를 분석하여 표적의 위치를 판별하는 탐색기, 유도 비행체의 추진력을 제공하고, 핀을 구동하여 유도 비행체의 비행 방향을 조절하는 구동 및 추진부, 및 발사 통제 레이더와 통신을 수행하여 표적 위치 정보를 인가받고, 표적 위치 정보에 따라 표적을 추적하기 위해 구동 및 추진부를 제어하며, 탐색기가 표적의 위치를 판별하면, 탐색기가 판별한 표적의 위치에 따라 표적이 유도 비행체의 조준선에 위치하도록 구동 및 추진부를 제어하는 유도 조종부를 포함한다.
Description
본 발명은 반능동 유도 비행체에 관한 것으로, 특히 비행체 요격용 반능동 유도 비행체에 관한 것이다.
유도 비행체의 유도 방식은 유도 비행체에 탑재되는 탐색기가 표적을 탐색하는 방식에 따라 구분되며, 크게 능동 유도(Active Homing) 방식, 반능동 유도 방식(Semi-Active Homing) 방식 및 수동 유도(Passive Homing) 방식으로 구분된다.
수동 유도 방식은 유도 비행체가 어떠한 신호도 방사하지 않고, 표적에서 방출된 열 또는 전자파 등을 감지하여 표적을 추적하는 방식을 의미하며, 능동 유도 방식은 유도 비행체의 탐색기가 표적을 탐색하기 위한 신호를 방사하고, 반사된 수신 신호를 수신하여 표적을 추적하는 방식을 의미한다. 그리고 반능동 유도 방식은 능동 유도 방식과 수동 유도 방식이 혼합된 형태이다. 반능동 유도 방식에서는 외부의 별도 장치가 표적을 향해 미리 지정된 파형의 전자파를 방사하고, 유도 비행체의 탐색기는 수동 유도 방식과 마찬가지로 직접 신호를 방사하지 않고, 표적에 반사되어 수신되는 신호만을 분석한다.
능동 유도 방식은 유도 비행체의 내부에 탑재된 탐색기에서 직접 표적을 감지하기 위한 신호를 방사하고, 반사되는 신호를 분석하여 표적을 추적하므로, 표적을 빠르게 식별할 수 있다는 장점이 있으나, 송신기, 주파수 합성기 등과 같이 신호를 방사하기 위한 구성이 구비되어야 하므로, 제작 비용이 높을 뿐만 아니라, 유도 비행체의 소형화에 장애가 된다는 문제가 있다.
그에 비해 수동 유도 방식은 신호를 방사하기 위한 구성이 불필요하여 유도 비행체를 저렴하게 구현할 수 있는 장점이 있으나, 표적에서 방출된 열 또는 전자파 등을 감지하여 표적을 추적하므로, 감지할 수 있는 표적이 제한되는 한계가 있다.
반능동 유도 방식은 수동 유도 방식과 마찬가지로 신호를 방사하기 위한 구성이 불필요하여 능동 유도 방식에 비해 저비용으로 유도 비행체를 구현할 수 있을 뿐만 아니라 표적에 대한 제한없이 탐지 및 추적이 가능하다. 따라서 반능동 유도 방식의 유도 비행체에 대한 요구가 계속적으로 증가되고 있는 추세이다.
그러나 기존의 반능동 유도 방식 유도 비행체의 경우, 기본적으로 미사일과 같은 대형 비행체를 탐지 및 추적하여 요격하도록 설계되어 있는 반면, 소형 비행체에 대한 요격 방식은 고려되어 있지 않다.
이에 현재에는 소형 로켓이나 박격포 및 장사정포와 같은 소형 비행체가 접근하면, 유사한 다수의 소형 비행체를 발사하여 대응하고 있으나, 명중률이 매우 낮아 효율적이지 못할 뿐만 아니라 불필요한 추가 피해를 발생할 수 있다는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 복수개의 전방 안테나와 적어도 하나의 후방 안테나를 통해 발사 통제 레이더에서 방사된 신호와 표적에 반사된 신호를 모두 이용하여 표적을 탐지함으로써, 소형 비행체의 정밀 요격이 가능한 비행체 요격용 반능동 유도 비행체를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 예에 따른 비행체 요격용 반능동 유도 비행체는 표적을 탐지하기 위해 발사 통제 레이더에서 방사된 방사 신호가 상기 표적에 반사된 신호를 각각 전방 신호로서 수신하는 복수개의 전면 안테나와 상기 발사 통제 레이더에서 방사된 상기 방사 신호를 직접 후방 신호로서 수신하는 적어도 하나의 후면 안테나를 구비하고, 복수개의 상기 전방 신호 각각과 상기 후방 신호를 합성하여 주파수 하향 변환하고, 주파수 하향 변환된 복수개의 상기 전방 신호를 분석하여 상기 표적의 위치를 판별하는 탐색기; 유도 비행체의 추진력을 제공하고, 핀을 구동하여 상기 유도 비행체의 비행 방향을 조절하는 구동 및 추진부; 및 상기 발사 통제 레이더와 통신을 수행하여 상기 표적 위치 정보를 인가받고, 상기 표적 위치 정보에 따라 상기 표적을 추적하기 위해 상기 구동 및 추진부를 제어하며, 상기 탐색기가 상기 표적의 위치를 판별하면, 상기 탐색기가 판별한 상기 표적의 위치에 따라 상기 표적이 상기 유도 비행체의 조준선에 위치하도록 상기 구동 및 추진부를 제어하는 유도 조종부; 를 포함한다.
상기 탐색기는 상기 유도 비행체의 관형의 동체 전방에 서로 균등한 각도로 이격 배치되는 복수개의 상기 전면 안테나를 구비하는 전방 안테나부; 상기 동체의 후방에 배치되는 적어도 하나의 상기 후면 안테나를 구비하는 후방 안테나부; 복수개의 상기 전방 신호 각각과 상기 후방 신호를 합성하여 주파수 하향 변환하고, 주파수 하향 변환된 복수개의 상기 전방 신호를 디지털 신호로 변환하는 수신부; 및 상기 복수개의 전면 안테나의 배치 위치에 따라 복수개의 상기 디지털 신호를 조합하여, 합 신호와 상기 표적의 상대 위치를 판별하기 위한 고각 신호 및 방위각 신호를 생성하고, 생성된 상기 합 신호와 상기 고각 신호 및 상기 방위각 신호로부터 상기 표적과의 거리 및 상대 위치를 판별하고, 판별된 상기 표적과의 거리 및 상대 위치에 따라 거리 정보, 고각 조준 오차 정보 및 방위각 조준 오차 정보를 생성하는 신호 처리부; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 수신부는 상기 후방 신호를 인가받아 복수개로 분배하여 출력하는 분배기; 각각 상기 복수개의 전면 안테나 중 대응하는 전면 안테나로부터 상기 전방 신호를 인가받아 상기 분배기에서 분배되어 인가되는 상기 후방 신호와 합성하여 주파수 하향 변환하는 복수개의 합성기; 상기 복수개의 합성기에서 주파수 하향 변환된 복수개의 상기 전방 신호를 필터링하여 잡음을 제거하는 필터부; 및 상기 필터부에서 출력되는 복수개의 상기 전방 신호 각각을 디지털 신호로 변환하는 AD 컨버터; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 전방 안테나부는 상기 유도 비행체의 전면 중심을 기준으로 균일한 간격으로 분산 배치되고, 각각 상기 신호 처리부의 제어에 응답하여 지향 방향이 조절되는 4개의 상기 전면 안테나를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 신호 처리부는 4개의 상기 전면 안테나에 대응하는 4개의 상기 디지털 신호를 인가받아 합하여 상기 합 신호를 생성하고, 4개의 상기 디지털 신호 중 행 방향으로 배치된 2개씩의 상기 전면 안테나에 대응하는 상기 디지털 신호를 각각 합하여 2개의 행 신호를 생성하고, 생성된 상기 2개의 행신호를 상호 차감하여 상기 고각 신호를 생성하며, 4개의 상기 디지털 신호 중 열 방향으로 배치된 2개씩의 상기 전면 안테나에 대응하는 상기 디지털 신호를 각각 합하여 2개의 열 신호를 생성하고, 생성된 상기 2개의 열신호를 상호 차감하여 상기 방위각 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 한다.
상기 전면 안테나는 기지정된 패턴으로 배열되어 행 단위 그룹화된 복수개의 급전 소자; 및 상기 신호 처리부의 제어에 응답하여 상기 복수개의 급전 소자에서 인가되는 신호를 그룹 단위로 위상 제어하는 복수개의 위상 전이기; 를 구비하는 웨이퍼 스케일 안테나 모듈로 구현되는 것을 특징으로 한다.
상기 방사 신호는 Ka 대역의 FMCW 신호인 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명의 비행체 요격용 반능동 유도 비행체는 전방에 기설정된 각도 간격으로 배치된 복수개의 안테나와 후방에 배치된 적어도 하나의 안테나를 구비하여, 발사 통제 레이더에서 방사된 Ka 대역의 FMCW 신호가 표적에 반사된 신호를 복수개의 전방 안테나를 통해 인가받고, 후방 안테나를 통해 발사 통제 레이더에서 방사된 FMCW 신호를 직접 인가받아 표적의 거리 및 각도 정보를 획득하므로, 능동 시스템과 유사한 성능을 가질 수 있을 뿐만 아니라, 정밀한 탐색이 가능하여 소형 비행체를 정확하게 요격할 수 있다. 특히 전방에 배치되는 복수개의 안테나를 통해 표적의 거리와 고각 및 방위각 위치를 정밀하게 탐지할 수 있다.
도1 은 반능동 유도 방식의 개념을 나타낸다.
도2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 비행체의 구성을 나타낸다.
도3 은 도2 의 전방 안테나부의 상세 구성을 나타낸다.
도4 는 도2 의 수신부의 상세 구성을 나타낸다.
도5 는 도2 의 신호 처리부가 수신부에서 인가되는 신호로부터 표적의 위치를 판별하는 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도6 은 본 발명의 반능동 비행체 요격 시스템의 운용 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도7 은 본 발명의 반능동 비행체 요격 시스템에서 활용되는 방사 신호의 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도8 은 본 발명의 일 실시예에 따른 반능동 비행체 요격 방법을 나타낸다.
도2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 비행체의 구성을 나타낸다.
도3 은 도2 의 전방 안테나부의 상세 구성을 나타낸다.
도4 는 도2 의 수신부의 상세 구성을 나타낸다.
도5 는 도2 의 신호 처리부가 수신부에서 인가되는 신호로부터 표적의 위치를 판별하는 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도6 은 본 발명의 반능동 비행체 요격 시스템의 운용 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도7 은 본 발명의 반능동 비행체 요격 시스템에서 활용되는 방사 신호의 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도8 은 본 발명의 일 실시예에 따른 반능동 비행체 요격 방법을 나타낸다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 설명하는 실시예에 한정되는 것이 아니다. 그리고, 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략되며, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다.
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. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "...기", "모듈", "블록" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도1 은 반능동 유도 방식의 개념을 나타낸다.
도1 은 반능동 유도 방식 비행체 요격 시스템에 대한 도면으로, 지대공 요격 시스템으로서, 지상에 배치된 발사 통제 레이더(FCR)와 표적(TG)인 비행체를 요격하기 위한 유도 비행체(GW) 및 유도 비행체(GW)를 발사하기 위한 발사대(LC)를 구비한다.
반능동 유도 방식은 유도 비행체(GW)와 별도로 구비되는 발사 통제 레이더(FCR)에서 표적을 탐지하기 위한 신호를 방사하므로, 수동 유도 방식과 마찬가지로 유도 비행체(GW)에 신호를 방사하기 위한 구성이 불필요하여 유도 비행체(GW)의 제작 비용이 저렴하고, 소형화하는데 유리하다는 장점이 있다. 또한 신호를 방사하는 레이더 장치(RA)가 수신해야 할 신호의 세기를 조절하여 방사할 수 있어, 상대적으로 먼거리의 표적(TG)을 요격할 수 있다는 장점이 있다.
그러나 반능동 유도 방식의 유도 비행체는 능동 유도 방식과 달리 자체적으로 신호를 방사하지 않으므로, 표적에 대한 식별이 느리다는 단점이 있다. 유도 비행체(GW)의 제어부인 유도 조종 장치는 비례 항법 제어 방식을 통해 표적(TG)의 예상 이동 위치로 유도 비행체(GW)가 이동하도록 제어하고, 최종 근거리에서 조준점(Aiming Point) 선택을 통해 정밀 추적을 수행한다.
도2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 비행체의 구성을 나타낸다.
도2 를 참조하면, 유도 비행체(GW)는 전방 안테나부(110), 후방 안테나부(120), 수신부(130), 신호 처리부(140), 유도 조종부(150), 구동 및 추진부(160)를 구비한다.
전방 안테나부(110)는 발사 통제 레이더(FCR)에서 방사된 방사 신호가 표적(TG)에 반사된 반사 신호를 감지하기 위한 구성으로, 기존에도 반능동 유도 방식을 이용하는 유도 비행체(GW)는 대부분 전방 안테나를 구비한다. 다만 기존의 유도 비행체(GW)는 유도 비행체(GW)의 전면에 1개의 안테나를 구비하는 반면, 본 발명의 전방 안테나부(110)는 관형의 동체에 전방에 서로 균등한 각도로 이격 배치되는 복수개의 전면 안테나(FANT1 ~ FANT4)를 구비한다.
복수개의 전면 안테나(FANT1 ~ FANT4) 각각은 타원형의 웨이퍼 스케일 안테나 모듈(wafer-scale antenna module)로서, 위상 변위 배열(Phased Shift array) 안테나로 구현될 수 있다. 알려진 바와 같이 위상 변위 배열(Phased Shift array) 안테나는 기지정된 패턴으로 배열된 복수개의 급전 소자(feed)를 구비하고, 복수개의 급전 소자 각각으로 인가되는 신호의 위상을 조절하는 빔 포밍 기법에 따라 각각의 안테나의 지향 방향을 조절할 수 있다. 따라서 복수개의 전면 안테나(FANT1 ~ FANT4) 각각은 유도 비행체(GW)의 전방에서 수신되는 신호를 감지할 수 있도록 지향 방향이 조절될 수 있다. 복수개의 전면 안테나(FANT1 ~ FANT4)는 신호 처리부(140)의 제어에 따라 지향 방향이 조절될 수 있다.
원칙적을 전면 안테나(FANT1 ~ FANT4)의 개수는 제한되지 않으나, 도2 에서 별도로 도시한 전면도에 나타난 바와 같이, 전면 안테나(FANT1 ~ FANT4)의 개수가 4개이면, 유도 비행체(GW)의 진행 방향을 중심으로 서로 다른 사사분면에 대해 4개의 전면 안테나(FANT1 ~ FANT4)가 배치된다. 따라서 4개의 전면 안테나(FANT1 ~ FANT4) 각각으로 수신된 신호를 분석함으로써, 표적(TG)의 위치를 매우 용이하게 확인할 수 있다는 장점이 있다. 따라서 본 발명에서는 전방 안테나부(110)가 4개의 전면 안테나(FANT1 ~ FANT4)를 구비하는 것으로 가정한다.
후방 안테나부(120)는 발사 통제 레이더(FCR)에서 방사된 방사 신호를 직접 감지하기 위한 구성으로, 유도 비행체(GW)의 전방 안테나부(110)보다 후방으로 관형 동체 둘레에 적어도 하나의 후면 안테나(RANT)를 구비한다. 기존의 유도 비행체(GW)는 방사 신호를 직접 감지하기 위한 구성이 포함되어 있지 않다. 그러나 본 발명은 후방 안테나부(120)가 방사 신호를 직접 인가받고, 인가받은 방사 신호를 전방 안테나부(110)의 복수개의 전면 안테나(FANT1 ~ FANT4) 각각에서 수신된 신호와 합성함으로써, 표적 탐지 정밀도를 높여 소형 비행체를 탐색할 수 있도록 한다.
발사 통제 레이더(FCR)에서 방사된 방사 신호는 대부분 유도 비행체(GW)의 후방에서 수신되므로, 후방 안테나부(120)는 전방 안테나부(110)보다 후방에 배치되는 것이 바람직하며, 유도 비행체(GW)가 발사 통제 레이더(FCR)의 정확한 위치를 확인할 필요성이 없으므로, 하나의 후면 안테나(RANT)만을 구비해도 무방하다. 다만 유도 비행체(GW)가 발사 통제 레이더(FCR)의 위치를 인지하는 경우, 더욱 정확하게 표적(TG)의 위치를 확인할 수 있으므로, 후방 안테나부(120)는 복수개의 후면 안테나(RANT)를 구비할 수도 있다.
수신부(130)는 전방 안테나부(110)의 복수개의 전면 안테나(FANT1 ~ FANT4) 및 후방 안테나부(120)의 적어도 하나의 후면 안테나(RANT)를 통해 전송되는 신호를 수신하여 신호 처리부(140)가 분석할 수 있는 신호로 변환한다.
여기서 수신부(130)는 복수개의 전면 안테나(FANT1 ~ FANT4) 각각이 수신한 신호를 후방 안테나부(120)를 통해 수신된 방사 신호와 합성하여, 주파수 하향 변환하고, 하향 변환된 복수개의 신호를 각각 디지털 신호로 변환하여, 신호 처리부(140)로 전달한다.
신호 처리부(140)는 복수개의 전면 안테나(FANT1 ~ FANT4) 각각이 반사 신호를 감지할 지향 방향을 결정하고, 복수개의 전면 안테나(FANT1 ~ FANT4) 각각이 결정된 지향 방향을 감지하도록 빔포밍 기법에 따라 제어한다.
그리고 수신부(130)에서 인가되는 복수개의 디지털 신호를 조합 및 분석함으로써, 표적(TG)의 위치를 판별한다. 신호 처리부(140)가 복수개의 디지털 신호를 이용하여 표적(TG)의 위치를 판별하는 방법에 대한 상세한 설명은 후술하도록 한다.
신호 처리부(140)는 유도 비행체(GW)가 발사대(LC)에서 발사된 후, 복수개의 디지털 신호를 이용하여 표적(TG)의 위치를 직접 판별할 수 있을 때까지는 유도 조종부(600)에서 전송되는 표적 위치 정보에 기반하여, 복수개의 전면 안테나(FANT1 ~ FANT4) 각각의 지향 방향을 결정하고, 표적(TG)의 위치를 직접 판별할 수 있으면, 판별된 표적(TG)의 위치에 따라 복수개의 전면 안테나(FANT1 ~ FANT4) 각각의 지향 방향을 결정한다.
본 발명에서 전방 안테나부(110), 후방 안테나부(120), 수신부(130) 및 신호 처리부(140)는 유도 비행체(GW)에 장착되는 탐색기에 대한 구성이다. 즉 본 발명의 유도 비행체(GW)는 전방 안테나부(110), 후방 안테나부(120), 수신부(130) 및 신호 처리부(140)가 포함된 탐색기를 구비한다.
한편, 유도 조종부(150)는 통신 수단(미도시)을 구비하여 발사 통제 레이더(FCR)와 통신을 수행할 수 있다. 유도 조종부(150)는 우선 발사 통제 레이더(FCR)로부터 발사 명령이 인가되면, 구동 및 추진부(160)를 구동하여 유도 비행체(GW)가 발사대(LC)로부터 발사되도록 한다. 그리고 발사 통제 레이더(FCR)로부터 인가되는 표적(TG)의 예상 이동 위치로 이동하도록 구동 및 추진부(160)를 제어한다. 이후 유도 조종부(600)는 주기적으로 발사 통제 레이더(FCR)와 통신을 수행하여 표적 위치 정보를 인가받고, 유도 비행체(GW)가 표적(TG)의 예상 이동 위치로 이동하도록 구동 및 추진부(160)를 제어함과 동시에, 표적(TG)의 표적 위치 정보를 신호 처리부(140)로 전송한다. 이에 신호 처리부(140)는 표적 위치 정보에 응답하여, 빔포밍 기법으로 복수개의 전면 안테나(FANT1 ~ FANT4) 각각의 지향 방향을 조절하여 표적(TG)을 탐색한다.
또한 유도 조종부(150)는 신호 처리부(140)가 표적을 탐지하여 표적 탐지 정보를 전송하면, 표적 탐지 정보에 포함된 표적의 방향, 이동 속도 및 거리를 분석하여 표적의 예상 이동 경로를 계산하고, 예상 이동 경로로 유도 비행체(GW)가 이동하도록 구동 및 추진부(160)를 제어한다.
구동 및 추진부(160)는 유도 조종부(150) 의 제어에 따라 점화되어 유도 비행체(GW)가 비행하기 위한 추진력을 제공하고, 유도 비행체(GW)의 핀(Fin)을 구동함으로써, 유도 비행체(GW)의 비행 방향을 조절한다.
그리고 도시하지 않았으나, 유도 비행체(GW)는 표적을 타격하기 위한 탄두가 구비되며, 유도 비행체(GW)가 직접 표적(TG)에 접촉하지 않더라도 탄두를 폭발시켜, 표적(TG)에 타격을 주기 위한 근접 신관 센서(미도시)를 더 구비할 수 있다.
도3 은 도2 의 전방 안테나부의 상세 구성을 나타낸다.
도3 에서도 상기한 바와 같이, 전방 안테나부(110)가 4개의 전면 안테나(FANT1 ~ FANT4)를 구비하는 것으로 가정하였다. 4개의 전면 안테나(FANT1 ~ FANT4) 각각은 기지정된 패턴으로 배열된 복수개의 급전 소자(feed)를 구비하고, 복수개의 급전 소자는 행 단위 또는 열 단위로 그룹화되어 그룹 단위로 위상 제어될 수 있다. 여기서 복수개의 급전 소자 각각을 개별적으로 제어하지 않고, 행 또는 열 단위로 그룹화하여 그룹 단위로 제어하는 것은 본 발명의 유도 비행체(GW)가 기존에 단일 안테나를 구비하는 유도 비행체와 달리 기설정된 각도 간격으로 분산 배치되어 있기 때문이다. 기존의 단일 안테나를 구비하는 유도 비행체의 경우, 유도 비행체의 진행 방향을 기준으로 넓은 각도 범위에서 표적을 감지할 수 있도록 전방향 빔포밍이 수행되어야 하였다. 뿐만 아니라, 전방향 빔포밍으로도 감지할 수 없는 영역을 감지할 수 있도록 안테나를 2축 짐벌에 거치하고 2축 짐벌을 구동하여 안테나 자체의 지향 방향을 조절하는 경우도 있었다.
그러나 본 발명의 경우, 도2 에 도시된 바와 같이, 복수개의 전면 안테나(FANT1 ~ FANT4)가 유도 비행체(GW)의 전방에 각각 지정된 위치에 배치되면, 각각의 전면 안테나는 지정된 영역만을 감지하면 된다. 즉 지정된 사분면에서의 영역만을 감지하면 되며, 인접하여 배치된 전면 안테나의 감지 영역을 감지할 필요가 없다. 따라서 복수개의 전면 안테나(FANT1 ~ FANT4) 각각이 유도 비행체(GW)의 진행 방향을 기준으로 1축 방향으로만 빔의 지향 방향이 가변되어도 복수개의 전면 안테나(FANT1 ~ FANT4) 각각에서 감지한 신호를 통합하여 해석함으로써, 광범위한 영역에서 표적을 탐지할 수 있다. 그리고 이후 설명하는 신호 처리부(140)의 동작을 고려할 때, 전면 안테나(FANT1 ~ FANT4)가 1축 방향이 아닌 2축 방향으로 빔포밍을 수행하여 신호를 감지하게 되면, 오히려 표적의 위치를 정확히 추적하지 못하게 될 수 있다. 따라서 본 발명에서는 도3 에 도시된 바와 같이, 전면 안테나(FANT1 ~ FANT4) 각각에서 복수개의 급전 소자는 행 단위 또는 열 단위로 그룹화되어 그룹 단위로 위상 제어된다. 복수개의 전면 안테나(FANT1 ~ FANT4)의 배치 방향에 따라 행 단위로 그룹화되거나 열단위로 그룹화되지만, 본 발명에서는 복수개의 전면 안테나(FANT1 ~ FANT4) 각각의 복수개의 급전 소자의 행이 유도 비행체(GW) 진행 방향과 수직 방향인 것으로 가정하여, 행 단위로 그룹화되는 것으로 설명한다.
한편 복수개의 전면 안테나(FANT1 ~ FANT4) 각각은 모듈(Module) 형태로 구현되어, 각각 복수개의 급전 소자뿐만 아니라 복수개의 위상 전이기(Phased Shifter)(PS)와 복수개의 저잡음 증폭기(LNA)를 더 구비할 수 있다. 복수개의 위상 전이기(PS) 및 복수개의 저잡음 증폭기(LNA)는 급전 소자 그룹 개수에 대응하는 개수로 구비되고, 복수개의 위상 전이기(PS) 각각은 신호 처리부(140)에서 인가되는 위상 제어 신호에 응답하여, 복수개의 급전 소자를 통해 수신되는 신호의 위상을 조절하고, 복수개의 저잡음 증폭기(LNA) 각각은 대응하는 위상 전이기(PS)에서 인가되는 신호를 저잡음 증폭하여 수신부(130)로 전달한다.
상기에서는 복수개의 전면 안테나(FANT1 ~ FANT4)가 모듈(Module) 형태로 구현되어, 복수개의 위상 전이기(PS) 및 복수개의 저잡음 증폭기(LNA)를 구비하는 것으로 설명하였으나, 복수개의 위상 전이기(PS) 및 복수개의 저잡음 증폭기(LNA)는 수신부(130)에 구비될 수도 있다.
비록 도시하지 않았으나 적어도 하나의 후방 안테나 또한 도3 의 전면 안테나(FANT1 ~ FANT4)와 유사하게 구성될 수 있다.
도4 는 도2 의 수신부의 상세 구성을 나타낸다.
도4 를 참조하면, 수신부(130)는 분배기(DV)와 복수개의 혼합기(MX1 ~ MX4), 필터부(FT) 및 AD 컨버터(ADC)를 구비한다.
분배기(DV)는 후방 안테나부(120)에서 수신한 신호를 분배하여 복수개의 혼합기(MX1 ~ MX4) 각각으로 전달한다. 이때 수신부(130)는 도4 에 도시된 바와 같이, 저잡음 증폭기(LNA)를 더 구비하여, 분배기(DV)가 저잡음 증폭된 신호를 인가받아 분배하도록 구성될 수 있다. 또한 경우에 따라서는 도3 에 도시된 복수개의 전면 안테나(FANT1 ~ FANT4)와 마찬가지로 후면 안테나(RANT)가 모듈로 구현되어 저잡음 증폭기(LNA)를 포함할 수도 있다.
복수개의 혼합기(MX1 ~ MX4) 각각은 복수개의 전면 안테나(FANT1 ~ FANT4) 중 대응하는 전면 안테나에서 인가되는 신호와 분배기(DV)에서 분배되어 인가되는 신호를 합성한다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 복수개의 전면 안테나(FANT1 ~ FANT4)에서 인가되는 신호를 전방 신호라고 하고, 후면 안테나(RANT)에서 인가되는 신호를 후방 신호라고 한다.
복수개의 혼합기(MX1 ~ MX4)는 복수개의 전방 신호 중 대응하는 전방 신호를 분배된 후방 신호와 합성함으로써, 전방 신호를 중간 주파수 대역의 중간 주파수 신호로 주파수 하향 변환을 수행한다. 상기한 바와 같이, 후방 신호는 발사 통제 레이더(FCR)에서 방사된 방사 신호를 수신한 신호이며, 전방 신호는 발사 통제 레이더(FCR)에서 방사된 방사 신호가 표적(TG)에서 반사된 반사 신호인 경우가 대부분이다. 따라서 전방 신호와 후방 신호를 합성하면, 능동 유도 방식의 유도 비행체(GW)에서 수신부가 방사 신호와 수신 신호를 합성하여 중간 주파수 신호를 생성하는 것과 마찬가지로 중간 주파수 신호를 획득할 수 있다.
필터부(FT)는 획득된 중간 주파수 신호를 대역 통과 필터링하여 잡음을 제거한다. 그리고 AD 컨버터는 잡음이 제거된 중간 주파수 신호를 디지털 신호로 변환하여 신호 처리부(140)로 전달한다.
도5 는 도2 의 신호 처리부가 수신부에서 인가되는 신호로부터 표적의 위치를 판별하는 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도2 에 도시된 전방 안테나부(110)의 복수개의 전면 안테나(FANT1 ~ FANT4) 배치를 고려하여, 도5 의 신호 처리부(140)의 동작을 설명하면, 신호 처리부(140)는 수신부(130)로부터 복수개의 디지털 신호를 인가받는다. 그리고 복수개의 디지털 신호를 모두 합하여 합 신호(Σ)를 생성한다.
또한 복수개의 전면 안테나(FANT1 ~ FANT4) 중 행 방향으로 배치된 2개씩의 전면 안테나((FANT1, FANT2), (FANT1, FANT2))에 대응하는 디지털 신호를 합하여 2개의 행 신호를 생성한 후, 서로 차감함으로써 고각 신호(ΔEL)를 생성한다.
한편 신호 처리부(140)는 복수개의 전면 안테나(FANT1 ~ FANT4) 중 열 방향으로 배치된 2개씩의 전면 안테나((FANT1, FANT4), (FANT2, FANT3))에 대응하는 디지털 신호를 합하여 2개의 열 신호를 생성한 후, 서로 차감함으로써 방위각 신호(ΔAZ)를 생성한다.
신호 처리부(140)는 합 신호(Σ)와 고각 신호(ΔEL) 및 방위각 신호(ΔAZ)가 생성되면, 생성된 3개의 신호를 이용하여 표적(TG)과의 거리 및 상대 위치를 판별 할 수 있다. 합 신호(Σ)와 고각 신호(ΔEL) 및 방위각 신호(ΔAZ)를 이용하여 표적(TG)과의 거리 및 상대 위치를 판별하는 기법은 기존의 모노펄스 레이더에서 이미 활용되고 있는 기법이므로, 여기서는 상세하게 설명하지 않는다.
그리고 신호 처리부(140)는 합 신호(Σ)와 고각 신호(ΔEL) 및 방위각 신호(ΔAZ)로부터 표적(TG)과의 거리 및 상대 위치가 판별되면, 거리(RANGE), 고각 조준 오차(Elevation Boresight error) 및 방위각 조준 오차(Azimuth Boresight error) 정보를 생성하여 유도 조종부(150)로 전송한다.
이에 유도 조종부(150)는 유도 비행체(GW)의 진행 방향의 정면, 즉 조준선에 표적(TG)이 위치하도록 유도 비행체(GW)를 이동 시킬 수 있다.
도6 은 본 발명의 반능동 비행체 요격 시스템의 운용 효과를 설명하기 위한 도면이다.
유도 비행체(GW)가 발사 통제 레이더(FCR)로부터 근거리(예를 들면 20m 이내)에서 발사되어, 도6 에 도시된 바와 같이, 발사 통제 레이더(FCR)에서 방사 신호가 방사되는 방향과 유도 비행체(GW)의 시선각 사이의 변화가 적은 경우에는 후방 신호를 이용하여 전방 신호에 대한 중간 주파수 신호를 생성하고, 전방 신호를 수신하는 전방 안테나부(110)의 복수개의 전면 안테나(FANT1 ~ FANT4)의 배치 구조에 따라 표적의 위치를 판별할 수 있는 본 발명의 유도 비행체(GW)는 유도 비행체가 직접 방사 신호를 방사하는 능동 유도 방식과 거의 동일한 추적 성능을 획득할 수 있게 된다. 즉 고속으로 정밀 추적이 가능하게 된다.
도7 은 본 발명의 반능동 비행체 요격 시스템에서 활용되는 방사 신호의 특성을 설명하기 위한 도면이다.
상기한 바와 같이, 본 발명은 소형 로켓이나 박격포 및 장사정포와 같은 소형 비행체를 표적(TG)로서 요격하기 위한 반능동 비행체 요격 시스템에 관한 발명으로, 방사 신호로 높은 거리 분해능과 적은 대역폭을 필요로 하는 FMCW(Frequency modulated continuous wave)) 파형의 신호를 이용하는 것으로 가정한다. 특히 Ka 대역의 FMCW 파형의 방사 신호를 방사하는 것으로 가정한다.
도6 에 도시된 바와 같이, 방사 신호의 스윕(sweep) 대역폭(Δf)이 900MHz 일때, 대역폭에 다른 해상도는 수학식 1 에 따라 0.167m 로 계산된다.
표적(TG)인 소형 비행체의 크기가 1m 인 것으로 가정하면, 표적(TG)를 식별하기 위해서는 6개의 거리 셀이 필요하다. 그리고 표적(TG)을 탐지거리가 1Km 이라면, 6000개의 거리 셀이 필요하게 된다. 도6 에서와 같이 스윕 시간이 1ms 인 경우 비트 주파수(Beat Frequency: BF)는 수학식 2와 같이 계산된다.
나이키스트 판정법(Nyquist criterion)에 따라서 최소 샘플링율은 2배 이상이어야 하므로, 방사 신호의 주파수는 24MHz 이상이어야 한다. 여기서 안티 앨리어싱 필터의 특성을 고려하면, 일반적으로 방사 신호의 주파수는 비트 주파수(BF)의 2.5배로 설정된다. 즉 주파수(BF)에 대한 샘플링 비율은 30MHz로 설정로 설정될 수 있다.
도8 은 본 발명의 일 실시예에 따른 반능동 비행체 요격 방법을 나타낸다.
도1 내지 도6 을 참조하여, 도8 의 반능동 비행체 요격 방법을 설명하면,
우선 발사 통제 레이더(FCR)가 Ka 대역의 FMICW 형태의 방사 신호를 방사하고, 방사 신호가 반사된 수신 신호를 분석하여 표적(TG)을 탐색한다(S10).
그리고 발사 통제 레이더(FCR)는 표적이 탐지되는지 판별한다(S20). 만일 표적이 탐지된 것으로 판별되면, 발사 통제 레이더(FCR)는 발사대(LC) 및 유도 비행체(GW)로 발사 명령을 인가하여 유도 비행체(GW)가 발사대(LC)에서 발사되도록 한다(S30). 이때, 발사 통제 레이더(FCR)는 판별된 표적의 위치, 이동 방향, 거리, 속도 등이 포함된 표적 위치 정보를 유도 비행체(GW)로 전송하여 유도 비행체(GW)가 발사 초기에 이동해야 할 위치를 미리 확인하도록 할 수 있다. 그리고 유도 비행체(GW)가 곧바로 표적의 예상 이동 위치 방향으로 발사되도록 발사대(LC)의 지향 방향을 조절할 수 있다.
유도 비행체(GW)는 발사대(LC)에서 발사되면, 발사 통제 레이더(FCR)에서 인가된 표적 위치 정보를 기초로 이동 경로를 설정하여 이동하며, 이동하는 동안에도 발사 통제 레이더(FCR)와 통신을 수행하여, 표적 위치 정보를 수신함으로써 이동 경로를 수정하여 이동한다.
유도 비행체(GW)는 표적 위치 정보에 따른 위치로 이동하면서, 전방 안테나부(110)의 복수개의 전면 안테나(FANT1 ~ FANT4)를 통해 복수개의 전방 신호를 수신하고, 후방 안테나부(120)의 적어도 하나의 후면 안테나(RANT)를 통해 후방 신호를 수신한다(S50).
그리고 복수개의 전방 신호 각각을 후방 신호와 합성하여 주파수 하향 변환하고 디지털 신호로 변환한 후, 복수개의 디지털 신호를 상기한 바와 같이 조합함으로써, 합 신호(Σ)와 고각 신호(ΔEL) 및 방위각 신호(ΔAZ)를 생성한다(S60). 유도 비행체(GW)의 신호 처리부(140)는 합 신호(Σ)와 고각 신호(ΔEL) 및 방위각 신호(ΔAZ)를 분석하여 표적(TG)이 탐지되는지 판별한다(S70).
표적(TG)이 탐지되면, 신호 처리부(140)는 합 신호(Σ)와 고각 신호(ΔEL) 및 방위각 신호(ΔAZ)로부터 표적(TG)과의 거리 및 상대 위치가 판별되면, 거리, 고각 조준 오차 및 방위각 조준 오차 정보를 생성하여 유도 조종부(150)로 전송한다(S80).
유도 조종부(150)는 거리, 고각 조준 오차 및 방위각 조준 오차 정보에 응답하여, 유도 비행체(GW)의 조준선에 표적(TG)이 위치하도록 구동 및 추진부(160)를 제어하여 유도 비행체(GW)를 이동시킴으로써, 표적(TG)을 추적한다(S90).
그리고 표적(TG)이 매우 근접하여 요격 거리에 도달하였는지 판별한다(S100). 요격 거리는 유도 비행체(GW)에 구비된 근접 신관 센서(미도시)가 표적을 감지하는지 여부로 판별할 수 있다. 만일 표적(TG)가 요격 거리에 도달한 것으로 판별되면, 유도 비행체(GW)는 내부의 탄두를 폭발시킴으로써, 표적을 요격한다(S110).
본 발명에 따른 방법은 컴퓨터에서 실행 시키기 위한 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램으로 구현될 수 있다. 여기서 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스 될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 또한 컴퓨터 저장 매체를 모두 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함하며, ROM(판독 전용 메모리), RAM(랜덤 액세스 메모리), CD(컴팩트 디스크)-ROM, DVD(디지털 비디오 디스크)-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광데이터 저장장치 등을 포함할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
Claims (7)
- 표적을 탐지하기 위해 발사 통제 레이더에서 방사된 방사 신호가 상기 표적에 반사된 신호를 각각 전방 신호로서 수신하는 복수개의 전면 안테나와 상기 발사 통제 레이더에서 방사된 상기 방사 신호를 직접 후방 신호로서 수신하는 적어도 하나의 후면 안테나를 구비하고, 복수개의 상기 전방 신호 각각과 상기 후방 신호를 합성하여 주파수 하향 변환하고, 주파수 하향 변환된 복수개의 상기 전방 신호를 분석하여 상기 표적의 위치를 판별하는 탐색기;
유도 비행체의 추진력을 제공하고, 핀을 구동하여 상기 유도 비행체의 비행 방향을 조절하는 구동 및 추진부; 및
상기 발사 통제 레이더와 통신을 수행하여 상기 표적 위치 정보를 인가받고, 상기 표적 위치 정보에 따라 상기 표적을 추적하기 위해 상기 구동 및 추진부를 제어하며, 상기 탐색기가 상기 표적의 위치를 판별하면, 상기 탐색기가 판별한 상기 표적의 위치에 따라 상기 표적이 상기 유도 비행체의 조준선에 위치하도록 상기 구동 및 추진부를 제어하는 유도 조종부; 를 포함하고,
상기 탐색기는
상기 유도 비행체의 관형의 동체 전방에 서로 균등한 각도로 이격 배치되는 복수개의 상기 전면 안테나를 구비하는 전방 안테나부;
상기 동체의 후방에 배치되는 적어도 하나의 상기 후면 안테나를 구비하는 후방 안테나부;
복수개의 상기 전방 신호 각각과 상기 후방 신호를 합성하여 주파수 하향 변환하고, 주파수 하향 변환된 복수개의 상기 전방 신호를 디지털 신호로 변환하는 수신부; 및
상기 복수개의 전면 안테나의 배치 위치에 따라 복수개의 상기 디지털 신호를 조합하여, 합 신호와 상기 표적의 상대 위치를 판별하기 위한 고각 신호 및 방위각 신호를 생성하고, 생성된 상기 합 신호와 상기 고각 신호 및 상기 방위각 신호로부터 상기 표적과의 거리 및 상대 위치를 판별하고, 판별된 상기 표적과의 거리 및 상대 위치에 따라 거리 정보, 고각 조준 오차 정보 및 방위각 조준 오차 정보를 생성하는 신호 처리부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 비행체 요격용 반능동 유도 비행체. - 삭제
- 제1 항에 있어서, 상기 수신부는
상기 후방 신호를 인가받아 복수개로 분배하여 출력하는 분배기;
각각 상기 복수개의 전면 안테나 중 대응하는 전면 안테나로부터 상기 전방 신호를 인가받아 상기 분배기에서 분배되어 인가되는 상기 후방 신호와 합성하여 주파수 하향 변환하는 복수개의 합성기;
상기 복수개의 합성기에서 주파수 하향 변환된 복수개의 상기 전방 신호를 필터링하여 잡음을 제거하는 필터부; 및
상기 필터부에서 출력되는 복수개의 상기 전방 신호 각각을 디지털 신호로 변환하는 AD 컨버터; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 비행체 요격용 반능동 유도 비행체. - 제3 항에 있어서, 상기 전방 안테나부는
상기 유도 비행체의 전면 중심을 기준으로 균일한 간격으로 분산 배치되고, 각각 상기 신호 처리부의 제어에 응답하여 지향 방향이 조절되는 4개의 상기 전면 안테나를 구비하는 것을 특징으로 하는 비행체 요격용 반능동 유도 비행체. - 제4 항에 있어서, 상기 신호 처리부는
4개의 상기 전면 안테나에 대응하는 4개의 상기 디지털 신호를 인가받아 합하여 상기 합 신호를 생성하고,
4개의 상기 디지털 신호 중 행 방향으로 배치된 2개씩의 상기 전면 안테나에 대응하는 상기 디지털 신호를 각각 합하여 2개의 행 신호를 생성하고, 생성된 상기 2개의 행신호를 상호 차감하여 상기 고각 신호를 생성하며,
4개의 상기 디지털 신호 중 열 방향으로 배치된 2개씩의 상기 전면 안테나에 대응하는 상기 디지털 신호를 각각 합하여 2개의 열 신호를 생성하고, 생성된 상기 2개의 열신호를 상호 차감하여 상기 방위각 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 비행체 요격용 반능동 유도 비행체. - 제4 항에 있어서, 상기 전면 안테나는
기지정된 패턴으로 배열되어 행 단위 그룹화된 복수개의 급전 소자; 및
상기 신호 처리부의 제어에 응답하여 상기 복수개의 급전 소자에서 인가되는 신호를 그룹 단위로 위상 제어하는 복수개의 위상 전이기; 를 구비하는 웨이퍼 스케일 안테나 모듈로 구현되는 것을 특징으로 하는 비행체 요격용 반능동 유도 비행체. - 제1 항에 있어서, 상기 방사 신호는
Ka 대역의 FMCW 신호인 것을 특징으로 하는 비행체 요격용 반능동 유도 비행체.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| KR102445412B1 (ko) * | 2021-06-29 | 2022-09-20 | 엘아이지넥스원 주식회사 | 유도 무기, 표적 추적 시스템 및 표적 추적 방법 |
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- 2017-03-28 KR KR1020170038995A patent/KR101790123B1/ko active IP Right Grant
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