현대전에 있어서 유도무기의 역할은 어느 때 보다 강조되고 있으며, 최근의 무인비행기 및 로봇제어 기술발전 등과 연관되어 유도탄의 유도조종 기술에 대한 관심이 증대되고 있다. 본 논문에서는 유도탄의 유도조종기술을 전반적으로 알아보고 기존의 유도조종 알고리듬 설계 방법들을 소개하였다. 또한 나날이 발전하는 부시스템 기술에 부응하여 향후 발전될 것으로 예상되는 유도조종기술의 연구 방향에 대하여 논하였다.
비행체가 한 지점에서 다른 지점으로 이동하기 위하여는 적절한 유도 조종장치가 필요하게 된다. 좀 더 넓은 의미에서 생각하며, 일반적으로 이러한 system은 비행체의 동적 현상, 즉 가속도, 속도, 위치 및 각속도 등을 측정하는 다양한 감지기들과 신호처리장치, 그리고 힘과 moment를 발생시키는 구동장치로 이루어진다. 또 유도조종 system의 설계과정에서는 비행환경에 따라 신호(상태변수)의 양이 많고, 각 subsystem들은 상당히 고차에다 비선형적이다. 따라서 유도조종 system은 하나의 대규모 system으로 생각될 수 있다. 본문의 구성은, 2장에서 주로 비행체의 공력학적인 면을 다루고, 3장은 유도장치로서 각 유도방식에 따른 간략한 설명과 장단점을 비교하였다. 4장은 조종장치로서 조종방식과 비행체제에 필요한 계기 및 구동장치에 관하여 설명하였고, 5장은 설계 및 방법과 시험에 관하여 논하였으며, 끝으로 6장에서는 간략한 결론을 내렸다.
통합유도조종(IGC, Integrated Guidance and Control)은 기존의 분리형 유도조종루프의 성능한계를 극복하기 위해 제안된 개념이다. 본 논문에서는 입사각제어가 가능한 새로운 형태의 IGC 기법을 제안하였다. 제안된 IGC는 자동조종성능과 유도성능을 동시에 얻기 위해 받음각, 피치각속도, 피치각, 시선각을 상태변수로 고려한다. 제안된 IGC의 제어특성을 고찰하기 위하여 비선형 상태방정식에 대한 가제어성 해석 및 평형점 해석을 수행 하였다. IGC 모델에 대한 제어기법으로는 LQR(Linear Quadratic Regulator)을 사용하였으며 LQR을 IGC에 적용하기 위한 방법을 상세하게 설명하였다. 수치 시뮬레이션을 통해 분리형 유도조종루프와 IGC의 성능을 비교하였다. 성능 비교 결과 IGC는 급격한 기동이 필요한 유도기하에 대하여 분리형 유도조종루프에 비해 우수한 유도성능을 보임을 확인하였다.
고고도 교전 시 사용되는 궤도수정 및 자세제어 시스템(Divert and Attitude Control System, DACS)은 고가이며 복잡하다. 본 논문에서는 비교적 단순하고 저가인 추력벡터제어(Thrust Vector Control, TVC)를 탑재한 유도탄의 고고도 종말 유도조종 루프를 제안한다. 본 유도조종 루프는 쿼터니언 피드백 제어기법을 이용하여 진 비례항법유도로 산출된 가속도 명령으로부터 변환된 추력 자세각 명령을 추종하며 유도를 수행한다. 고고도에서 탄도탄에 대한 교전 시뮬레이션을 통하여 제안한 유도조종 루프의 성능을 분석한다.
본 논문에서는 유도형 활공 탄약의 방향과 자세 제어를 위한 4축 조종 날개의 위치 제어용 Sensorless BLDC 전동기 구동 시스템을 개발하였다. HILS(Hardware in the loop system)를 이용하여 유도형 탄약의 발사 조건과 비행 환경을 시뮬레이션하면서 비행 시 발생하는 공력 부하를 기구부로 재현하였고 이러한 조건하에서 4축 조종 날개의 위치 제어 특성을 확인함으로써 개발된 구동 시스템의 성능을 검증하였다.
본 논문에서는 최소센서 조합만을 이용하는 관측각 제어기반 종말유도조종 루프의 설계방안에 대하여 제안하였다. 조종루프에서 필요한 동체자세각속도 피드백 대신 관측각속도 피드백을 적용함과 동시에 종말유도법칙으로 관측각 제어법칙을 적용함으로써 1축 각 속도계와 스트랩다운 탐색기만으로 유도조종루프의 구성이 가능하도록 하였다. 또한 탐색기에서 출력되는 관측각에 시간지연이 있더라도 유도루프의 안정성을 유지할 수 있도록 지연여유를 고려하여 유도루프를 설계하였다. 본 논문에서 제안하는 종말유도조종 루프를 검증하기 위하여 6자유도기반 비선형시뮬레이션을 구성하였고, 몬테카를로 시뮬레이션을 통하여 다양한 불확실성 요소를 고려하여 유도조종루프의 강건성을 검증하였다.
안전성이 중요한 실시간 내장형 시스템인 유도조종장치에서 시간 제약성을 만족하는 것은 매우 중요한 문제이다. 기존 유도조종장치 소프트웨어 개발에서는 주로 테스트 단계에서 시간 제약성 만족을 확인한다. 하지만 이 방법은 늦은 오류의 발견으로 인해 전체 소프트웨어 개발 비용이 커질 가능성이 있다. 이러한 단점을 극복하기위해 본 논문에서는 설계 단계에 정형 기법을 적용하여 유도조총장치 소프트웨어의 시간 제약성을 검증하고자 한다. 이를 위해서 실시간 시스템에 대한 모델링과 검증을 지원하는 TIMES 도구를 유도조종장치 소프트웨어 설계에 적용하는 사례 연구를 수혈하고 그 결과를 분석 및 평가하였다.
BTT 미사일은 STT 미사일과 달리 피치와 롤 채널이 동역학적으로 결합되어 있기 때문에 유도 법칙 개발 시 3차원 추적 기하학을 고려하여야 한다. 기존 연구결과들과는 달리 본 논문에서는 3차원 추적 기하학뿐만 아니라 자동조종장치의 피치와 롤 채널 동역학을 모두 고려한 BTT 미사일의 최적 종말 유도 법칙을 제안한다. 그 결과, 제안하는 유도 법칙은 상대적으로 느린 자동조종장치 동역학에서도 시간 지연 효과로 인한 성능 하락 없이 작은 요격 오차의 높은 요격 성능을 보장한다. 또한, 제안하는 최적 유도 법칙은 잔여 비행시간의 함수를 계수로 하는 궤환 형태로 구해진다. 끝으로 다양한 요격 상황에서의 모의실험을 통해 그 성능을 입증한다.
한국항해항만학회 2006년도 International Symposium on GPS/GNSS Vol.2
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pp.447-450
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2006
최근 국내외에서 재래식 폭탄의 정확도와 사거리를 향상시킨 정밀 유도 무기에 관한 연구가 활발하게 진행 중에 있다. 국내에서는 국방과학연구소의 주도로 재래식 폭탄에 GAK(GPS Adapter Kit)를 장착하는 연구가 진행 중이다. GAK는 GPS/INS 복합 항법 모듈을 내장한 사거리 연장 유도 키트의 일종으로 폭탄이 투하되면 접혀 있던 날개가 전개되고 이후 날개의 플래퍼론을 구동하여 유도 조종을 수행한다. 복합 항법 모듈은 상용의 MEMS IMU, 내장형 GPS 수신기 및 항법 컴퓨터와 실시간 운영 체제에서 구동되는 항법 소프트웨어로 구성된다. 본 논문에서는 복합 항법 모듈의 비행 시험 결과를 제시하였다. 시험 결과 항법 모듈이 실시간으로 정상적인 동작을 수행하였으며 GPS 유도 폭탄의 유도 조종에 적합한 항법 정보를 제공하였음을 확인하였다.
과수원 방제 작업 시 인체에 해로운 농약으로부터 운전자를 보호하고 노동력 및 농약의 절감, 환경오염의 방지 등의 효과를 꾀하기 위하여 무선 전파 리모콘을 이용한 무인 스피드 스프레이어의 원격제어 시스템을 개발함과 동시에 유도케이블식 주행유도 장치에 의한 자율주행 무인스피드 스프레이어를 개발하였다. 무인 스피드 스프레이어는 원격조종 시스템, 유도케이블 시스템, 장해물 검출장치, 제어 액튜에이터 등으로 구성되어 있고 원격조종 및 자율주행이 가능한 시스템이다. 무인화 한 스피드 스프레이어의 특징은 다음과 같다. 1) 무선 전파 리모콘과 유도 케이블에 의한 주행 유도장치를 개발하여 스피드 스프레이어에 장착한 결과 리모콘 조작방식과 주행 유도방식 모두 가능하였다. 2) 원격 조종은 주행 (전진, 후진), 조향, 3방향의 노즐 및 팬, 분무기, 주행정지 등 16종류의 조작이 가능하다. 3) 농업용 리모콘으로는 FSK방식보다 전송에러가 적은 DTMF방식이 우수하였으며, 농업용 특정 소전력 무선국이 필요하다고 생각된다. 4) 5개의 저임피던스 검출코일과 윈도우 컴퍼레이터 회로로 구성된 디지털식 케이블 유도 시스템은 2개의 검출코일에 유기 된 상대적 전압치로서 궤도를 수정하는 아날로그 검출방식보다 주행 성능이 우수하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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