1.서 론

기뢰(Mine)는 적은 비용으로 획득이 가능한 경제적이 며 효과적인 무기체계로, 일반적인 수중유도무기처럼 표 적을 추적하지 않고 적이 기뢰에 접근할 때까지 기다리 기 때문에 위치확인이 어려운 무기체계다. 기뢰는 비용 대 효과의 관점에서 뿐만 아니라 부설에 비해 소해에서 훨씬 많은 시간과 노력이 요구되며 또한 위험이 동반되 는 전형적인 비대칭 위협이다. 그러나 현대의 해양전은 이러한 기뢰의 위협으로부터 지체될 수 없는 빠른 템포 의 기동전으로 패러다임 변화가 요구되고 있다[5].

현대의 대기뢰전(MCM : Mine Countermeasure)은 효율 성과 기동력뿐만 아니라 안전성을 확보하는 방향으로 발전 하고 있으며 탐색용 자율무인잠수정(AUV : Autonomous Underwater Vehicle), 기뢰제거용 원격제어잠수정(ROV : Remotely Operated Vehicle), 무인수상정(USV : Unmanned Surface Vehicle) 등이 활용되고 있다.

1994년부터 2010년까지 군사용으로 개발된 무인잠수 정의 임무 비율을 분석한 결과 대기뢰전의 무인잠수정 활용이 가장 높은 비중을 차지하고 있다[5, 11]. 대기뢰 전 임무 수행에 적합한 해군의 무인화 체계 개발을 위해 서는 운용개념, 체계 요구 성능 등에 M&S를 사용한 성 능 분석 및 효과도 분석을 활용하는 것이 가장 효율적인 방법이다[3].

본 논문에서는 대기뢰전 무인화 체계에 가장 적합한 무인잠수정(UUV : Unmanned Underwater Vehicle)의 운 용 속도, 시간, 음향센서 및 항법센서 등의 요구 성능을 효과도 분석을 통해 제시하였다.

2.무인화 체계

기뢰는 <Figure 1>에서 보는 바와 같이 발화방식에 따 라 조종기뢰, 접촉기뢰 및 감응기뢰로, 부설위치에 따라 부유기뢰, 계류기뢰 및 해저기뢰로 그리고 부설수단에 의해 수상함, 잠수함 및 항공기부설기뢰로 분류할 수 있다[5].

현대의 최신 기뢰는 성능향상을 통해 부설수심 증가, 탐지능력 향상, 파괴범위 확대, 대기뢰대항(MCCM : Mine Counter Countermeasure) 능력이 강화되어 자항, 복합화, 능동추척 운용개념의 방향으로 발전되고 있다.

또한 최신 기뢰의 발전에 따라 전통적인 기뢰대항전 체계는 많은 시간과 비용이 소요되므로 무인잠수정, 무 인수상정 등의 무인화 체계를 이용하여 감시, 정찰, 탐지, 기뢰제거 등을 유기적으로 통합하는 것이 효율적이며 인 명 손실을 줄일 수 있다.

무인잠수정과 무인수상정을 포함하는 무인해양정(UMV : Unmanned Marine Vehicle)은 <Figure 2>와 같이 크게 대 기뢰전과 해양안보 분야로 구분할 수 있다[8].

2.1.무인잠수정

무인잠수정은 수면을 기준으로 수중에서 임무를 수행 하며 모선과 유선으로 연결되어 전원을 공급받고 제어되 는 원격제어잠수정(ROV)과 주행경로를 자율적으로 설정 하고 주어진 임무를 주율성을 가지고 수행하는 자율무인 잠수정(AUV)으로 구분된다[6]. 무인잠수정은 다양한 플랫 폼에서 운용되며 다음과 같은 임무를 수행할 수 있다[9].

대기뢰전을 위한 무인잠수정은 매우 유연한 대응 능 력을 제공한다. 자율무인잠수정은 탐색용 고가의 장비를 탑재하여 기뢰를 탐색하고 원격제어잠수정은 저가로 기 뢰 근처에서 자폭하여 기뢰를 제거한다. 대기뢰전에는 수상함이나 헬기에 연동되어 운용되는 원격제어잠수정 이 일반적으로 사용된다. 이들 원격제어잠수정은 일반 케이블 또는 광섬유를 이용하여 운용자에 의해 조종된 다. 최근에는 무인잠수정이 기뢰탐색, 탐지, 분류, 제거 등 대기뢰전의 플랫폼으로 적용되고 있다. <Table 1>은 대기뢰전용 주요 무인잠수정에 관한 사항이다[7].

2.2.무인수상정

무인수상정은 네트웍 기반 전장환경에서 효과적이고, 중요한 무기체계이며 다음과 같은 주요 임무를 수행할 수 있다[10].

무인수상정을 이용하면 안전한 작전 지역과 최단소해 항로(Q-Route)를 빠르고 넓게 확보할 수 있다. 특히 무인 수상정을 무인잠수정과 동시에 운용하면 대기뢰전이 갖 는 위험한 임무에 적합하다. 이러한 무인화 체계 운용은 운용시간과 수중에서의 유연성을 제공하여 저비용으로 기뢰제거 능력과 소해영역을 확대할 수 있는 효과를 배 가시켜준다[10]. 또한 <Figure 3> 및 <Figure 4>에서 보 는 바와 같이 무인수상정은 무인잠수정의 진수 및 회수 에도 이용될 수 있다[1, 12]. 대기뢰전을 수행하는 무인 수상정은 <Table 2>와 같다.

3.효과도 분석

본 논문에서 목표로 하고 있는 대기뢰전 무인체계의 성능을 검증하기 위한 효과도 분석은 공개되어있는 미 국 해군의 무인잠수정 기뢰탐색 작전 효과도 모델[2, 4] 을 기반으로 수행하였다. 미국 해군의 무인잠수정 기뢰 탐색 작전 효과도 모델은 ONR(Office of Naval Research) 로부터 지원을 받아 대기뢰전을 위한 다수 무인잠수정 의 운용 패러다임 범위를 정의하고 평가하기 위해 개발 되었다[2].

대기뢰전 무인체계는 <Table 3>과 같이 구성하고 MATLAB을 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다. MCM1은 수상함에서 무인잠수정을 진수 및 회수를 하고 기뢰탐 색구역에서 무인잠수정 단독으로 기뢰탐색 작전을 수행 한다.

관성항법(INS : Inertial Navigation System)은 가속도 센서와 자이로로 구성되며, 이들 센서로부터 측정된 가 속도와 각속도를 이용하여 속도, 위치, 자세각 등을 계산하는 알고리즘은 적분과정을 포함하기 때문에, 운 용시간이 증가함에 따라 적분오차가 쌓이는 특성을 가 지고 있다. 따라서 관성항법 성능이 도달 오차에 영향 을 미칠 것으로 예상할 수 있다[3]. 그러므로 MCM1은 관성항법과 DVL(Doppler Velocity Log)을 적용하기 때 문에 시간에 따라 항법오차가 증가하므로 주기적으로 위치보정을 위해 수면으로 부상하여 GPS 신호를 수 신한다.

MCM2는 <Figure 5>에서 보는 바와 같이 무인수상정 과 무인잠수정을 동시에 운용하는 개념으로 연동은 고속 수중통신 또는 광섬유를 이용한 유선통신을 적용한다. MCM2는 장시간 오차가 누적되지 않고 절대위치를 제공 하는 USBL(Ultra Short Base Line)을 적용하기 때문에 기 뢰탐색구역에서 무인잠수정은 주기적인 수면 부상을 하 지 않고 지속적으로 수중에서 기뢰탐색 작전을 수행할 수 있다. USBL은 무인수상정에 장착된 트랜시버(transceiver) 와 무인잠수정에 탑재된 트랜스폰더(transponder) 로 구성되며 트랜시버는 펄스를 송신하고 트랜스폰더가 응답한 신호를 수신하여 무인잠수정의 거리와 방향을 측 정하여 위치를 계산한다. 무인수상정에 GPS, 자세측정장 치 등의 항법센서를 이용하여 트랜시버의 자세 및 위치 를 보상하면 보다 정확한 무인잠수정의 위치를 추정할 수 있다.

MCM2 구성은 속도를 3노트와 5노트로 구분하여 효 과도분석을 수행하였다. MCM1은 항법오차 누적으로 인 해 주기적으로 수면으로 부상해서 GPS를 이용한 위치보 정을 일정 시간 동안 수행해야하기 때문에 MCM2와 비 교하여 탐색속도에서 큰 단점을 가지므로 MCM1은 3노 트 속도로 고정한다.

효과척도(MOE : Measure of Effectiveness)는 임무수행 시간과 임무성취도를 선정하였으며 <Table 4>와 같이 Sub- MOE와 성능척도(MOP : Measure of Performance)의 관 계를 설정하였다. 임무수행시간은 Sub-MOE로 정의된 유 효 영역 탐색율로 체계 전체 운용 시 기뢰 탐지속도와 탐지구역으로 이동 속도를 적용하였으며 임무성취도는 탐색 수준과 위치 정확도 Sub-MOE를 적용하였다.

기뢰탐색구역은 <Figure 6>과 같이 정의되며 T_mission은 진수 및 회수를 포함한 체계 전체 운용 시간을 의미한다.

유효 영역 탐색율은 식 (1과 같으며,

식 (1에서 사용된 각 항의 의미는 다음과 같다.

ACR_eff : Effective area coverage rate

L_search, W_search : Search area

T_mission : Total mission time

임무성취도의 탐색 수준에 대한 sub-MOE와 MOP 관 계식은 아래 식 (2, 식 (3 및 식 (4와 같다.

위 식들에 표시되어 있는 각 항의 의미는 아래와 같다.

P_search : Percent search through identification

μ : fraction of undetectable mines

P_imm : probability of identifying a mine as mine

M : Combined measure of area coverage level and detect/ class success

J : number of runs per track

A : sensor characteristic search width

B : characteristic probability of detection/ classification

D_track : ditance between tracks

Y : Coefficient of MCM efficiency

σ : std. of track keeping error

cnorm : cumulative normal distribution function

4.효과도 분석 결과

예상되는 기뢰부설 위치를 식별하기 위하여 제공하는 정형화된 탐색 패턴을 탐색 경로라고 정의 하고, 무인잠 수정의 기동 및 탑재 센서 특성을 고려한 탐색 패턴은 M자형, W자형, 4자형, 장방형, 정방형의 5가지 형태가 있다. 정밀탐색 시 최적의 탐색 패턴은 탐지율이 높은 장방형 패턴이다[6].

본 논문에서는 탐색 경로가 겹치지 않고 단시간 내 탐 색을 완료할 수 있는 장방형(‘ㄹ’자) 탐색 패턴을 이용하 여 시뮬레이션을 수행하였다.

기뢰탐색구역에서 탐색 트랙 간 거리를 결정하기 위 해 각 시스템 구성의 항법센서와 음향센서의 성능을 확인 하여야 한다. 음향센서는 측면주사소나(SSS : Side Scan Sonar)를 적용하여 200m 폭 이상으로 탐지 가능하며, 항 법성능은 10m이내 오차 조건으로 하여 무인잠수정이 트 랙을 벗어나지 않게 제한하였다.

MCM1 시스템 구성은 수중에서 절대위치를 얻을 수 없고 주기적으로 수면 부상 후 GPS 보정을 수행해야 하 기 때문에 10m이내 위치오차를 가질 수 있는 주행 거리 를 확보해야 하며 이를 위한 시뮬레이션은 <Table 5>의 센서 성능을 가진 Honeywell 회사의 HG1700 전술급 RLG를 기준으로 수행하였다. DVL은 Teledyne RDI회사 제품을 적용하여 수중복합항법을 구성하였다.

3kts 속도, 장방형 탐색 경로 주행 조건으로 MATLAB 을 이용하여 시뮬레이션을 수행하였으며 아래 <Figure 7>과 같이 위치오차 결과를 보였다. 10m CEP 성능을 가 지는 지점은 약 2,000m 주행 지점이며, MCM1 시스템은 2,000m 주행 마다 수면 위 부상하여 GPS 보정을 수행하 는 시나리오를 갖는다.

효과도 분석 시뮬레이션 시나리오를 정하기 위해 필 요한 효과도 모델 인자들은 아래 <Table 6>과 같다.

기뢰탐색구역은 1km×4km이며 MCM1 시스템은 아래 <Figure 8> 및 <Figure 9>과 같이 장방형 탐색 패턴을 주행 하면서 매 2,000m마다 수면 위로 부상하여 GPS 보정 후 다시 수심 20m로 이동하여 탐색을 계속한다. <Figure 10> 에서 무인잠수정이 GPS 보정을 수행하기 위해 수면으로 주행하는 것을 확인할 수 있으며 GPS 보정 후 잠항 전 수 면 부상하여 GPS 위치보정을 수행 시 기뢰탐색을 수행하 지 못한 트랙으로 되돌아가 모든 기뢰탐색구역을 빠짐없 이 탐색할 수 있도록 하였다. <Figure 11>에서 무인잠수정 의 속도는 3kts임을 확인할 수 있다.

MCM2 시스템은 <Figure 12>에서 보는 바와 같이 무 인수상정이 수상에서 무인잠수정과 통신을 이용하여 USBL이 측정한 무인잠수정의 위치를 전송하여 위치오 차 1∼3m를 얻을 수 있다. 주행 시 무인수상정과 무인잠 수정이 일정 간격 유지해야 통신 및 USBL 성능을 보장 할 수 있다.

아래 <Figure 13> 및 <Figure 14>에서 주행속도 3kts와 5kts를 확인할 수 있다.

<Figure 15>는 속도에 따른 임무수행 시간 효과도 분석 을 나타내며 MCM2-5kt의 효과도가 가장 높다. <Figure 16>은 MCM1, MCM2에 측면주사소나를 공통으로 적용 하였기 때문에 운용방법과 관계없이 동일한 효과를 나타 낸다. <Figure 17>은 INS/DVL을 적용한 MCM1의 위치 오차가 USBL을 적용한 MCM2보다 큰 결과를 보였다.

MCM1과 MCM2의 항법시스템 구성 시 최적의 성능과 비용을 고려한다면 <Table 7>과 같이 구성할 수 있다. 두 시스템에 공통으로 적용되는 GPS, 압력센서, 항법컴 퓨터는 동일 제품을 적용한다.

MCM1의 항법시스템은 <Figure 18>과 같이 Honeywell 회사의 전술급 IMU인 RLG타입의 HG1700와 RDI 회사 의 EXPLORER 시리즈를 이용하여 INS/DVL 항법필터 를 구성한다. MCM2의 항법시스템은 <Figure 19>와 같이 MicroStrain 회사의 AHRS인 3DM-GX3-25모델과 EVOLOGICS 회사의 S2CR 시리즈를 이용하여 INS/USBL 항 법필터를 구성하였다. MCM2의 무인잠수정은 절대값을 제공하는 USBL을 적용하고 추진전동기의 RPM 정보를 이용하면 고가의 관성항법장치나 DVL을 적용하지 않고 도 정확한 위치정확도를 얻을 수 있다.

<Figure 20>은 MCM1과 MCM2의 항법시스템 구성 시 순수 비용과 시스템의 위치정확도를 나타내며 저가의 센서와 USBL을 적용한 MCM2가 저비용으로 우수한 성 능을 보임을 알 수 있다.

5.결 론

본 논문에서는 해양기뢰 발전에 대응하기 위한 무인 수상정과 무인잠수정으로 구성된 대기뢰전 무인화 체계 운용개념 및 구성을 제시하였다. 또한 무인잠수정 단독 및 무인수상정과 무인잠수정 동시 운용에 대한 효과도 분석을 통하여 주행 속도에 따른 임무수행 시간과 항법 시스템 구성에 따른 위치측정 정확도를 확인하였다.

전통적인 대기뢰전 수행 시 많은 시간과 비용 소요 및 인명 손실 등 위험성을 무인수상정과 무인잠수정 등 무 인화체계를 유기적으로 통합하여 운용시간 단축 및 저비 용으로 기뢰제거 능력과 소해영역을 확대할 수 있다.

향후 과제로서는 측면주사소나(SSS) 이외 전방감시소 나(FLS : Forward Looking Sonar), 합성개구면소나(SAS : Synthetic Aperture Sonar)를 적용한 탐색임무성취도 분석 을 통한 무인체계의 제원 및 성능 도출 작업을 수행할 예정이다.