1. 서 론

미래 해상전에서 예측되는 위협 변화는 빠르고 정확하게 대응하기에 매우 어려운 상황을 부여받고 있다[7,17]. 특히 현대 해상전에서는 전술탄도탄미사일 방어(Tactical Ballistic Missile Defense) 및 수중 위협에 대한 대잠전(Anti Submarine Warfare)에서 위협 유형이 다양화되고 동시․복합적으로 발생하고 있어, 다양한 센서의 광범위한 데이터 처리를 기반으로 신속하고 정확한 지휘․통제 시스템의 의사결정과 이를 지원하는 전기추진시스템 등 지원 시스템들의 유기적인 통합․운영이 요구되고 있다[8,18,32].

또한 출생률 저하로 병역 자원 감소 문제가 심화되고 있으며, 이를 해결하기 위해 시스템 운용 효율성을 향상시켜 소수의 승조원으로 함정을 운영해야 하는 문제에 직면하고 있다[9,19,25]. 이러한 문제들을 극복하기 위해서 최근 통합함정컴퓨팅환경(Total Ship Computing Environment, 이하 TSCE) 기반의 체계통합 함정을 건조하여 작전 효율성 향상 및 승조원 최적화를 추진하고 있다[1,26]. 선진국에서는 미래전에 대비한 체계통합기반의 차세대 함정 건 조를 통하여 작전효율성 증대 및 승조원 최적화를 상당 부분 달성하고 있다. 대표적인 예는 미 해군의 차세대 구축함인 줌왈트(DDG-1000)로 건조 단계에서 함교시스템, 통합기관제어시스템, 손상통제체계 등을 유기적으로 자동화가 가능하도록 통합하여 운용성 및 전투 성능을 극대화 하였다. 또한 소형연안전투함(Littoral Combat ship, 이하 LCS)에서도 TSCE 기반의 체계통합 및 모듈형 연동 개념을 반영하여 다양한 작전 환경에서 신속하고 효과적으로 임무를 수행할 수 있게 되었다[3,18,30].

국내 학계와 해군, 조선소에서는 함정의 전투수행 능력을 개선하고 소수의 승조원으로 함정을 운영할 수 있도록 체계통합 기반의 차세대 함정 건조에 관한 활발한 연구가 진행되고 있다. 한국 해군과 국방과학연구소를 중심으로 차세대 함정에 적합한 체계통합 이론 및 적용 방법에 대한 기초연구가 진행되었으며[22,24], 차세대 함정에 적용하기 위한 함정체계통합 구축 방법론 연구를 통하여 TSCE 기반 아키텍처를 구축하고, 체계통합 전과 후의 효율성에 대하여 포괄적인 검증을 수행하였으며, 이후 TSCE를 기반으로 건조 예정인 차세대 초계함에 대한 적정 인력 운영에 대한 연구가 수행되었다[1,28].

이 결과를 바탕으로 최근 TSCE 기반 체계통합형 함정을 건조하여 작전효율성 향상 및 최적 승조원운영을 위한 노력을 경주하고 있으나, 다양한 임무수행을 위한 구축함급 이상의 함정을 건조해야 하는 현실은 많은 어려움이 주어지고 있다 [2,4,29]. 또한 국내개발/국외구매 장비가 혼재되어 있는 다종의 탑재장비를 통합하여 자동화가 이루어져야 작전 효율성을 극대화할 수 있으며, 소수의 승조원으로 함정 운영이 가능하나, 이기종 체계통합에 대한 체계통합 방법론 및 검증에 대한 연구가 미흡하여 차세대 구축함을 체계통합형 함정으로 건조하는 데 어려움을 겪고 있는 실정이다[15].

따라서 본 논문에서는 한국 해군에서 추진하고 있는 차세대 구축함 건조를 위한 연구의 일환으로서, ① TSCE 기 반 체계통합 이론 및 선진국 체계통합 사례를 살펴보고, 한국해군 함정 건조 시 체계통합 수준을 분석하였다. 분석 결과를 바탕으로 설문을 통한 체계통합 방안에 대한 공감대 형성 및 차세대 구축함 체계 통합에 대한 대안을 도출 하였다.

② 도출된 대안을 기반으로 차세대 구축함에 적용할 수 있는 TSCE 기반 함정체계통합 방안을 제시하였다. 이를 위해 요구 성능 분석과 기능아키텍쳐의 하부체계 할당을 위한 하부시스템 및 기능아키텍처 분석, 그리고 기능아키 텍처를 물리아키텍처로 구현하였다. ③ 앞서 제시한 방안을 검증하기 위해 Phython 및 ARENA 프로그램을 통해 작전 효율성을 비교․검증하였으며, TSCE 기반 체계통합 적용 유무에 따른 함정 유형별 운영 인원 분석을 통한 차세대 구축함 최적 승조원을 제시하였다.

2. TSCE 기반 체계통합(SSI) 및 수준분석

2.1 함정체계통합

함정체계통합은 TSCE 아키텍처를 활용하여 전투체계를 중심으로 항해, 통신, 기관, 손상통제 등 함정의 핵심 시스템을 유기적으로 연계, 운용하여 전투력을 최적화하는 첨단 기술이다. TSCE는 개방형 구조(Open Architecture, 이하 OA)와 중앙집중식 데이터 관리 시스템을 통해 뛰어난 효율성과 적응성을 바탕으로 고도화된 시스템 운용 성능을 실현 한다[22,26].

함정체계통합은 해양 안보 환경에서 미래 해군의 대응 능력을 강화하기 위해 필수적이며, 위협 탐지부터 의사결정 및 대응 무기체계 할당 등의 시간을 획기적으로 단축시킨다. 또한, 다양한 센서와 추적 시스템이 생성하는 방대한 데이터를 실시간으로 처리 및 분석할 뿐만 아니라, 레일건이나 레이저포 같은 차세대 고에너지 무기체계의 효과적인 통합과 운용을 위한 정밀한 에너지 관리를 통해 최상의 작전 효율성을 보장한다[18,26].

한국 해군은 미래 전투수행 능력의 향상과 승조원수의 감소를 목표로 TSCE 기반 함정체계 통합을 추진하고 있다. 과거에는 주로 무장체계와 전투체계를 해외에서 구매 했으나, 최근에는 대부분의 전투체계와 장비가 국산화되므로 컴퓨팅 환경 기반의 함정 체계 통합을 자체적으로 추진할 수 있는 기술적 기반이 마련되었다[1,26]. 특히, 신형 탄도미사일이나 첨단 잠수함과 같은 위협에 대응할 수 있는 능력이 필수적이므로, 전투체계와 자동화된 탑재 장비를 통합한 ‘SMART 함정’ 개념의 차세대 구축함 건조를 추진하고 있다[25,26,29].

2.2 체계통합 수준 분석

함정체계통합 수준은 <Figure 1>과 같이 5가지 유형으로 정의하고 있다. Level 1은 단순한 신호 및 정보를 교환 하고, 개별 콘솔을 통해 대상 장비를 통제하는 수준이며, Level 1+은 시스템 콘솔을 경유하여 신호 및 정보를 통제 하는 수준이다. Level 2∼4는 전투체계에서 직접 신호 및 정보를 통제하는 수준을 의미한다[31].

한국해군은 2010년대 이후 신조 함정에 전투체계와 주 요 무기체계와 탐지 장비는 국산화가 완료 단계에 있으나, 체계통합 수준은 낮은 편이다. 즉, 대부분의 탑재 시스템의 독립적 구성으로 상호운용성(Interoperability)이 제한되어 시스템별 별도의 컴퓨팅 자산이 운용되어 활용률이 저조하다[15].

미국 해군은 함정의 전투력과 운영 효율성을 향상시키기 위해서 센서, 무장, 통신 시스템을 하나의 유기적인 네트워크로 연결하여 작전의 신속성과 정확성의 극대화를 추진하고 있다. 줌왈트급 구축함과 LCS는 체계통합 기술이 적용된 대표적인 함정이다. 줌왈트급 구축함은 미국 해군의 혁신적인 체계 통합 기술이 집약된 차세대 구축함이며, TSCE기반의 통합 시스템을 채택하여, 전투체계를 기반으로 조정․통제되고 있다. TSCE 기반 체계통합은 <Figure 2>와 같이 함정의 센서, 무기, 통신, 지휘 통제 시스템을 하나의 통합된 함정에서 실시간 운영을 통하여, 작전 대응능력을 획기적으로 향상시켰다.

줌왈트급 구축함의 주요 특징 중 하나는 고도의 자동화 시스템이다. 자동화 덕분에 기존의 구축함에 비해 필요한 승조원 수를 줄일 수 있었으며, 이는 운영 비용 절감과 함께 전투 효율성을 높이는데 기여했다.

또한, 기존 함정보다 많은 전력을 무기 체계와 센서에 제공할 수 있는 강력한 전력 공급 능력을 갖추고 있어, 다양한 지상 목표를 타격할 뿐만 아니라, <Figure 3>과 같이 강력한 무기 시스템인 어드밴스건 시스템(Advanced Gun System)과 장거리 공격 미사일 등을 지원함으로써, 다목적 임무 수행이 가능하다[5,18].

또 다른 해상플랫폼인 LCS는 미국 해군의 차세대 연안 작전용 함정으로, 고도의 모듈화 설계를 통해 다양한 임무에 신속하게 대응할 수 있다.

LCS는 TSCE기반에 다양한 임무 모듈을 탑재할 수 있어, 필요에 따라 임무 구성을 변경할 수 있어 대함전, 대잠전, 소해전, 대공전 등 다양한 작전을 효과적으로 수행할 수 있다. LCS는 TSCE기반 아키텍처와 OA 개념을 적용하여 다양한 시스템 간의 상호운용성을 높였으며, 이를 통해 시스템의 체계 통합과 자동화를 달성하였다[3,32].

한국의 TSCE 기반 체계통합 수준은 현재 도입 초기 단계이며, 구축함의 전투체계 중심으로 통합이 진행 중이나, 미국 등 선진국과 비교하면 시스템 통합, OA, 소프트웨어 정의 네트워킹 등에서 기술 격차가 존재한다. 현재 탑재장비 중 상당 부분이 체계별로 독립 컴퓨팅 시스템으로 구현되어 있어, 완벽한 체계통합에 의한 신속한 의사결정 등 작전 수행 효율성이 일부 미흡한 실정이며, 시스템 간 통합 운용 소요 발생 시 기존 서버의 활용이 제한된다. 현재의 함정에 탑재되어 있는 시스템 구조는 독립적 구성으로 인해 통합성과 효율성이 떨어지고 있고, 이는 상호운용성 (Interoperability) 제한, 그리고 컴퓨팅 자원의 비효율적 활용으로 이어져, 전반적인 작전 수행 능력과 함정의 생존성에 부정적 영향을 미치고 있다[13]. 이러한 상황에서 국내 주요 방산업체와 국방과학연구소를 중심으로 관련 기술 개발이 활발히 수행하고 있으며, 차세대 구축함 사업에서 TSCE 개념을 적용하기 위한 노력이 진행되고 있다[1,33].

3. 차세대 함정을 위한 체계통합구축 방법

3.1 체계통합 방안 및 요구성능분석

본장에서는 차세대 구축함에 적용할 수 있는 TSCE 기반 체계통합 설계방안을 제시하였다. 함정 체계통합 대안에 대한 설문을 통해 차세대 구축함 체계통합 방안을 제시한 후, 요구 성능 분석과 전투체계를 중심으로 탑재 장비와의 효율적 연동을 실현하는 기능아키텍처를 활용 하여 탐지․추적, 위협 판단, 의사결정 및 대응무기체계를 할당하는 작전수행 전 과정을 물리아키텍처로 구현하였다[10].

3.1.1 차세대 구축함 체계통합 방안

함정체계통합 분야 전문가들을 대상으로 구축함 체계 통합에 대한 심층적인 의견수렴을 기반으로 차세대 구축함에 가장 적합한 체계통합 방안을 도출하기 위한 설문조사를 <Table 1> 수행하였다.

설문조사는 체계통합의 수준에 따라 개별 통제, 부분 통합통제, 완전 통합통제, 소형함정용 완전통합통제 등 네가지 주요 범주로 구분하여 수행되었으며, 해군 전투병과 전문가들의 차세대 구축함 체계통합에 대한 다양한 수준의 체계적이고 깊이 있는 의견이 집약되었다[1,26]. 설문조 사의 신뢰도 확보를 위해 전문가 집단을 선정하고 95% 신뢰 수준과 ± 10% 이내의 표본 오차를 만족하는 설문조사 표본 크기를 식 (1), 식 (2)처럼 계산하였다.

계산을 통해 약 96명 이상의 설문 인원이 확보되어야 신뢰성 있는 설문 결과를 확보할 수 있음을 확인하였다.

과거에는 함교, 전투정보실(Combat Information Center 이하 CIC), 기관조종실(Machine Control Room 이하 MCR)의 각 임무별 탑재장비를 개별적으로 운영하는 1안(23%) 과 2안(42%)이 지지를 받았고, <Figure 4>의 왼쪽 결과와 같이 체계통합 3안(16%)은 비교적 적은 지지를 얻었다. 이는 함교에서의 전투지휘를 선호하고 임무수행을 위한 탑재장비 성능 향상에 중점을 두었기 때문이다[26].

최근 비슷한 구성의 해군 전투병과(함장 및 부장, 작전관 등), 예비역(구축함 이상 근무경험자) 및 함정기술 전문가(조함기술처, 국방과학연구소 등) 98명으로 수행된 설문 조사에서는 <Figure 4> 오른쪽 결과처럼 체계통합을 하지 않는 1안은 더 이상 지지를 받지 못했다. 미국 줌왈트급 구축함의 체계통합 방안을 적용한 3안이 57%의 지지를 얻었으며, 4안 즉 탑재공간이 적은 소형함정의 체계 통합안이 10%로 함정 전문가 집단 내에서 체계통합의 필요성에 대한 설문자의 67%가 완전체계통합, 나머지 33%도 완전체계통합은 동의하며 전투함, 지원함, 상륙함 등 특성별 통합방안인 기타방안에 대한 의견제시로 체계통합 필요성에 대한 인식변화에 대한 유의점을 확인하였다. 4안은 소형 함정에 적합한 체계통합으로 판단되며, 5안은 진부한 개념으로 고려되지 않았다[1,26].

설문 결과에 대하여 통계적 유의 분석을 카이제곱 적합도 검정을 진행 하였고 통계량 계산을 식(3)을 활용하여, 92.25가 나옴을 확인하였다.

설문 5가지에 대한 지지율은 동일하고 유의미한 차이가 없다는 귀무가설 기각 여부를 판단하기 위해 식(4)과 같이 카이제곱 통계량을 활용하여 p-value 값을 계산하였고 0.05보다 훨씬 적은 4.379438 × 10^{- 19} 이 계산된 것을 확인 할 수 있었다.

이는 관찰된 결과와 기대 결과 간에 통계적으로 유의미한 차이가 있음을 나타내며, 설정한 귀무가설을 기각하고, 설문조사 특정안에 대한 지지가 무작위적이지 않다는 것이 입증 되었다.

3.1.2 요구성능 분석

(1 ) 함 정 체 계 통 합 요 구 성 능

함정체계통합의 요구 성능은 현대 해군이 직면한 복잡한 안보 환경에 효과적으로 대응하기 위해 재정립되고 있으며, 비대칭 위협에 대한 강화된 대응 능력을 중심으로 진행하고 있다. 특히 탄도미사일과 잠수함 등의 위협에 대한 방어 능력 향상이 핵심이다[26,33]. 이를 위해 TSCE 및 OA를 기반으로 고성능 데이터 처리 시스템을 도입하여, 대탄도미사일, 대공, 대함, 대잠 작전을 동시에 수행할 수 있는 복합전 능력을 확보해야 한다. 또한, 첨단 기술을 활용하여 함정 운용에 필요한 인력을 최소화하고 효율적인 작전 수행이 가능한 시스템 구축이 요구되고, 이러한 접근은 현대 해군 함정이 다양한 위협에 유연하게 대응하고, 제한된 자원으로 최대의 작전 효과를 달성할 수 있도록 하는 것을 목표로 한다[9,19,25].

(2 ) 함 정 체 계 통 합 요 구 조 건

체계통합 요구 성능을 충족하기 위해서는 개별 탑재 시스템들의 통합운용이 필수적이며, 미래함정의 이상적인 모델은 완전통합 방식의 통제 시스템이지만, 함형별 운용 개념, 체계통합 개념, 그리고 기술 수준을 고려할 때 이를 단기간에 일괄 적용하기 위해서는 상당한 어려움이 주어 지고 있다.

따라서 완벽한 체계통합을 실현하기 위해서는 단계적이고 진화적인 접근이 필요하고 부분통합에서 시작하여 점진적으로 완전통합으로 나아가는 방식을 채택해야 한다. 이러한 전략은 기술 발전과 운용 경험을 축적하면서 체계적으로 통합 수준을 높여가야 한다. 즉, 현재의 기술적 제약을 인정하면서도 미래의 발전 가능성을 열어두는 균형 잡힌 방법론이 필요하다. 결과적으로, 함정의 작전 능력을 지속적으로 향상시키면서 미래 기술 변화에 유연 하게 대응할 수 있는 대안별 전략적 접근이 필요하다[33].

3.2 차세대 구축함 체계통합 방안

3.2.1 기존 함정(Legacy)의 체계통합

(1 ) O p tio n 1 : 전 투 체 계 도 입 전 함 정

해외 장비와 국내 무기체계 개발업체에서 개발한 체계는 각각 별도의 콘솔을 보유하고 있어, 장비를 운용하는 해군의 입장에서는 체계통합 수준이 낮아 위협 분석, 의사 결정 및 대응무기체계 할당 등 작전수행에 필요한 시간이 증대되고, 시스템 운용을 위한 다수의 승조원 필요하다. 또한 신규 탑재 예정인 무기체계가 있을 경우에도 추가적인 체계통합이 어려울 뿐만 아니라 승조원들이 추가 운영 되어야 한다.

(2 ) O p tio n 2 : 전 투 체 계 탑 재 함 정

부분적인 함정체계통합 구현은 첫째, 함교 및 CIC 인접 배치를 통한 함정통제소 부분 통합통제 방식 적용, MCR 개별통제 등 통합통제에 따른 함정통제소의 배치 및 운용을 검토하였으며, 둘째, 체계통합 수준 설정을 위한 기준은 상호운용성, 호환성 및 연동성을 위한 표준화된 공통 프로토콜 적용, 개방형 통합 아키텍처 설계를 적용하여 하드웨어, 운영체제, 미들웨어, 기반/응용 소프트웨어 설계 및 사이버전 대비 암․복호화(Encryption/Decryption) 기술을 적용한다[26,31]. 셋째, 무기체계의 출처와 개발 주체에 따라 통합 수준을 차별화하였고 국외 도입 무기체계는 최소 레벨 1 이상, 국내 개발 무기체계는 레벨 2 이상으로 분류하여 OA를 적용하였다. 이는 통합기관제어체계, 통합 함교체계, 손상관리체계, 사이버방호체계 등 주요 시스템을 포함한다[33].

<Figure 5>에 제시된 바와 같이, TSCE 기반의 부분적 체계통합 구현 방안을 통해 기존 시스템과 신규 시스템 간의 효율적인 통합 및 상호운용성을 확보하였다.

3.2.2 차세대 구축함의 체계통합

본장에서는 기존의 체계통합 방법론을 사용하는 Option 1 및 Option 2와 달리, Option 3과 Option 4에서는 새로운 통합 방법론을 적용하여 보다 효율적인 함정 운용이 가능하도록 제시하였다.

(1 ) O p tio n 3 : 완 전 통 합 형 함 정

차세대 구축함에 적용될 함정 체계통합방법으로 전투 체계 / 임무통제센터 /함교체계 / 기관제어체계에 대해 TSCE 및 OA를 적용하여 완전체계통합을 구현한다. 체계 통합 수준 설정을 위한 기준은 요구조건에 추가하여 운용자 임무수행별로 기능전환이 가능한 공통 다기능콘솔 설계구현과 데이터 공유환경 및 자원관리 기능을 구축하고, 마지막으로 강화된 고성능 처리장치 및 GPU(Graphic Processing Unit)기반 그래픽 성능을 적용하여 체계통합 레 벨 3 혹은 4를 구현한다.

줌왈트에서는 통합기관제어체계(Engineering Control System 이하 ECS), 손상관리체계, 사이버방호체계, 무장/센서체계 등의 체계에 대해서는 체계통합을 바탕으로 운용될 수 있도록 구현하였지만, 차세대 구축함에서는 전투체계 중심으로 연동대상 함정 탑재 장비/무기체계의 운용 콘솔을 지휘통제실에서 최적의 승조원들이 운용 가능하도록 공통 운용콘솔로 통합하여 운용해야 하며, 완전통합 기술이 필요하다. 함정 네트워크 구축을 위해서는 전투체계 중심으로 생존성 및 효율성 향상을 위한 다중화 분산 네트워크 구축하고 연동대상 장비/무기체계에 대한 분산형 통제장비(Distributed Control Unit) 및 원격제어장치(Remote Terminal Unit) 구성을 통한 생존성 및 효율성 극대화가 필요하며 공통운용환경을 기반으로 서버, 콘솔, 전시기, 저장장치를 기능적으로 연동하여 <Figure 6>과 같이 제시할 수 있다.

(2 ) O p tio n 4 : 완 전 통 합 형 소 형 함 정

Option 3과 같이 완전한 체계통합이 구현 되었으나, 소 형함정의 경우 공간 문제로 탄도탄 및 대잠전 등 센서 및 무장 미탑재 그리고 작전수행 기능이 주어지 않는 함정으로서 함교와 임무수행센터를 한 공간에 구축하는 개념으로 체계통합을 구현한다.

전투체계를 중심으로 모든 연동대상 함정 탑재 장비/무기체계의 개별 운용 콘솔을 지휘통제실에서 공용 운용콘솔로 통합하여 <Figure 7>과 같이 구현할 수 있다.

3.3 기능아키텍처 설계

3.3.1 Option 1 기능아키텍처

함정체계통합 이전의 전투체계 위주의 기능아키텍처를 살펴보면 표적이 함정에 접근하게 되면 탐지 센서에서 표적을 접촉하고 추적을 시작하면서 표적의 추적정보가 최신화 되고 수집된 표적정보를 바탕으로 지휘/통제체계 (Command & Control 이하 C2)에서 적성여부 판단 및 위협평가가 표적식별/지정단계에서 이루어진다. 표적이 적성으로 판별 되었을 시 교전명령을 생성하게 되며, 교전 명령에 따라 교전계획이 이루어진다. 마지막으론 무장 통제 체계(Weapon Control System 이하 WCS)에서는 무장 발사 준비 및 표적을 해당 무장에 할당 후 교전이 이루어지는 과정을 거치게 된다. C2, WCS 등 각각의 통제 체계가 독립적으로 운용되는 기능 구조이다.

3.3.2 Option 2 기능아키텍처

일부 센서 및 무장, 장비 등은 Option 1에서와 같이 전투 체계 위주로 개별콘솔로 운용되나, 일부 센서 및 무장 등 부분적으로 TSCE기반 체계통합을 구현하여 대공전, 대잠 전에 대한 동시 교전 능력을 향상시키고[16], C2, WCS, 센서통제, 함정통제, IBS 등의 대용량 데이터 처리 능력을 개선하며, 대응 시간을 단축하기 위해 함정에 탑재된 여러 통제 체계를 하나의 통합된 컴퓨팅 환경 내에서 운용할 수 있도록 <Figure 8>에 구현하였다.

3.3.3 Option 3 기능아키텍처

Option 1, 2의 전투체계의 기능아키텍처를 개선하기 위해 요구성능 분석 결과를 기반으로 TSCE 기반 체계 통합 기능 아키텍처를 제시하면, <Figure 9>와 같다.

함정 통합 기능아키텍처는 대공전, 대함전, 특히 대탄도 미사일전 및 대잠전에 대한 동시 교전 능력을 향상시키고, 센서 및 무장, C2, IBS 및 ECS 등의 대용량 데이터 처리 및 전력지원 능력을 개선하며, 대응 시간을 단축하기 위해 함정에 탑재된 여러 통제체계를 하나의 통합된 컴퓨팅 환경 내에서 운용할 수 있어야 한다. 또한, 기술 변화에 빠르 게 대응할 수 있는 네트워크 고도화와 TSCE 기반의 함정 임무 체계가 반영되어야 한다.

플랫폼 임무 체계의 컴퓨팅 능력을 공통으로 운용하는 기능 구조로 변화하여 단계별 위협분석을 위한 표적융합, 분석, 무장할당 등의 대응시간을 획기적으로 단축 할뿐만 아니라 정확한 위협판단을 진행할 수 있다.

3.3.4 Option 4 기능아키텍처

Option 3처럼 완전한 체계통합이 구현되었으나, 소형함 정의 경우 탑재 공간문제로 탄도탄 및 대잠전 등 센서 및 무장 미탑재, 작전수행 기능이 주어지 않는 함정으로서 함 교와 임무수행센터를 하나의 공간에 구축하는 개념으로 체계통합을 구현한다.

대공/대함전에 대한 동시 교전 능력을 향상시키기 위해서, C2, WCS, 센서통제, 함정 통제 등의 대용량 데이터 처리 능력을 개선하고 시간 단축 및 소규모 승조원으로 운영 가능토록 <Figure 10>과 같이 제시하였다.

3.4 물리아키텍처 설계

물리아키텍처란 제시된 기능아키텍처에 각각의 해당되는 기능별 장비들을 연계하여 작전수행 과정을 표현하고 있다. 이때 각 기능별로 요구되는 성능만

아니라 전투체계와 장비 간 인터페이스 및 시스템 부분 통합 혹은 완전통합을 기반으로 위협분석, 의사결정 및 무 장할당 등을 위한 작전 수행의 효율성 및 시스템 운용요원 최적화를 구현해야 한다[10,20,33].

3.4.1 Option 1, 2 물리아키턱처

TSCE기반 함정체계통합 이전 Option 1, 2 기능아키텍처를 활용하여 현재 한국 해군이 보유하고 있는 함정 전투 체계의 물리아키텍처를 구현하면 <Figure 11>과 같다. 전투체계의 교전 프로세스는 표적탐지, 표적지정, 표적식별, 위협평가, 교전계획 및 무장할당, 사격통제, 무장발사, 무장유도, 교전평가의 과정을 거친다. 각각의 단계에서 장비와 기능의 국산화, 상호운용성, 기술적 가능성, 운용개념 등을 고려한 체계통합방법의 적용이 필요하다.

3.4.2 Option 3 물리아키텍처

차세대 구축함 체계통합을 구현하기 위해서 고속․대용량 자료처리 시스템과 TSCE 및 OA를 활용하여 단계별 기능아키텍처와 연결되어 있는 개별 단위 체계가 통합되어 작전수행 뿐 만 아니라, 지휘관과 운용통제관이 효율적 협업이 가능한 함정 임무체계를 물리아키텍처에 구현시켜야 한다. 탄도탄 방어를 위한 방대한 데이터 처리를 지원하는 데이터룸과 고성능 서버 및 지원 전력량을 제공할 수 있는 ECS가 필요하다. TSCE기반의 함정체계통합 물리 아키텍처는 <Figure 12>와 같이 구현할 수 있다.

3.4.3 Option 4 물리아키텍처

대유도탄전, 대잠전을 제외한 임무를 수행시 3.4.2항을 분석한 내용보다 적은 데이터를 사용하여, 교전을 수행한다. 단위체계가 간단하고 적을 처리하는 프로세스가 간단하며, 동일 장소에서 협업하여 신속한 업무가 가능하다. TSCE기반의 구축함 체계통합 요구성능을 만족하는 기능 아키텍처를 활용하여 물리아키텍처를 <Figure 13>과 같이 구현할 수 있다.

4. TSCE기반 차세대 구축함 체계통합 방법 검증

4.1 작전 효율성

4.1.1 체계통합 아키텍처 모델링

체계통합효과를 검증하기 위해서 TSCE기반 체계통합의 주요 원인 중 하나인 탄도탄 방어 부분에 대한 비교 시뮬레이션을 수행하였고, 이후 대탄도미사일, 대공, 대함, 대잠 표적에 대해서도 동시에 시뮬레이션을 진행하였다. 이를 위해서 Option별 TSCE기반의 체계통합을 반영한 Option 1, 2를 모델링하기 위해서 체계통합 아키텍처를 모델링 하여 비교 분석하였다. 구축 결과에 대한 검증을 위한 모델링은 첫째로 TSCE기반 체계통합의 주된 사유인 탄도탄방어 효율성을 비교검증하기 위해서 탄도탄무장할당(Target Evaluation and Weapon Allocation 이하 TEWA) 을 위한 효과 비교를 위해 Phython 프로그램을 활용하였으며, 대공․대함․대잠 효과도 비교를 위해서는 ARENA 를 활용한 모델링 및 시뮬레이션 결과를 사용하였다.

적용된 데이터는 공개된 자료와 각 대안별 탐지 추적 데이터 및 시간, 전투체계 의사결정시간 및 무장할당 시간 등 구체적인 수치는 보안상 비공개로 하거나 임의 값을 적용하였다. 탄도탄 TEWA효과도 비교를 위해 기존 함정 전투체계와 TSCE를 적용한 함정체계통합 아키텍처를 Phython 시뮬레이션 소프트웨어를 이용하여 모델링 하면 각각 <Figure 14>, <Figure 15>와 같이 표현할 수 있다. <Figure 14>는 C2․WCS 등이 복잡한 전투체계 내에서 각각 독립적으로 혹은 일부 통합하여 운영하는 현황을 <Figure 15>는 TSCE기반으로 한 임무 체계를 통합하여 운영하는 함정 크기 및 공간, 시스템 미탑재로 일부 작전 (수상전 및 일부 대공전)수행 가능한 통합이 이루어진 현황을 나타내고 있다.

4.1.2 입력데이터 및 표적발생비율 설정

대안별 기존전투체계 및 체계통합 구축결과를 비교분 석을 위하여 대함/대공전 시뮬레이션은 외부 공개된 데이터를 기반으로 대공/대함 레이더 탐지능력, 소나의 거리대 별 탐지율을 설정하였고, 전투체계 의사결정 시간 및 무기 체계별 명중률과 유효사거리는 보안상 임의 설정 값을 시 뮬레이션에 적용하였다[27].

탄도탄 위협 기반 시뮬레이션은 탄도탄 위협 궤적데이터는 외부 공개된 데이터를 기반으로 표적생성을 기존함정, 부분통합함정 및 완전체계통합 함정으로 구분하여 작전수행 전 과정에서 구별되는 대응시간을 구현한 아키텍처모델을 통해 분석하였다. 보안상 공개된 데이터 이외의 데이터인 탄도미사일/대공/대함/대잠 작전 수행 간 표적탐지, 추적, 데이터 융합시간, 정확도, 전투체계 대응시간 및 무장할당 등 아키텍처 기능별 수행 시간 등의 자료는 각각 임의 값으로 가정하여 적용하였다[27,33,34].

(1 ) 탐 지 장 비 입 력 데 이 터 설 정

표적 탐색 시 탑재 장비 관련 요소, 환경에 관련된 요소들이 표적에 대한 탐지율 증가와 감소에 영향을 준다. 다양한 형태의 환경요인을 반영하기 위하여 일반화된 형태의 탐지 확률 곡선을[31] 활용하면 식 (5)과 같다.

P(d)는 탐지확률, d는 함정과 표적과의 거리, dmax는 탐지 장비의 최대 탐지거리를 나타내며 α는 탐색환경계수로 함정 및 환경요인의 영향에 따른 가중치(0 ≺ _ α ≺ _ 1)를 반영 한다. 탐색환경계수는 함정의 특성과 환경요소의 수준으로 본 논문에서는 임의의 값을 사용하였다[32].

(2 ) 명 중 률 및 유 효 사 거 리 입 력 데 이 터 설 정

본 연구에서 무장별 명중률은 일반적으로 알려진 명중률에 삼각 분포를 따른다고 가정하여 입력값을 사용하였다. 유효사거리의 경우 각 무기체계 최대사거리의 00% 수준으로 가정하여 적용하였으며 <Table 2>는 이를 적용한 입력 데이터이다.

4.1.3 시뮬레이션 결과 비교분석

기존 함정의 부분적인 체계통합기반의 전투체계와 TSCE기반 함정체계통합 구축결과를 비교하기 위하여 시나리오 및 위협탄도탄 궤적 데이터는 워게임결과 및 공개된 자료[11,21,36] 참고하였으며, 평가요소인 표적별 위 협분석, 융합, 의사결정 및 무장 대응시간, 무기체계 특성 자료는 임의 데이터값을 이용하여 101회 시뮬레이션 분석을 <Table 3>과 같이 수행하였다.

(1 ) 탄 도 탄 표 적 별 대 응 시 간 및 대 응 (T E W A ) 결 과

체계통합이 적용되지 않은 기존 함정 전투체계와 TSCE기반 함정체계통합이 이후 시뮬레이션 결과 대응시간 및 대응 TEWA 결과는 <Table 4>와 같이 산출되었다.

(2 ) 표 적 별 대 응 시 간 결 과 비 교 분 석

기존 함정(Legacy), 부분체계통합(PI) 및 완전체계통합(SSI)별 표적 대응시간 결과를 비교하면 ① 탄도미사일표 적에 대한 TEWA 및 교전 대응시간에 대해서 <Table 4>에 서와 같이 무장할당에서 체계통합 전후의 효과가 2∼3배 증대됨을 알 수 있으며, 이러한 성능 향상은 단순한 수치 상의 증가가 아니라, 실제 전투 상황에서 표적에 대한 요격 성공률을 높이고, 함정의 생존 가능성을 크게 증대시긴다는 점에서 중요하고 기존 구축함은 탄도탄 대응능력이 없어 제외하였다[27].

② 대공 표적에 대해서는 기존 함정(Legacy), 부분통합 함정, 완전통합함정 103.68초, 82.94초, 56.17초로 47.51초, ③ 대함 표적은 76.99초, ④ 대잠표적은 81.34초가 각각 감소하였다. 마지막으로 전투체계에서의 표적처리 시간은 44.89초가 감소하였다.

위의 증감 결과를 정리하면 대공, 대함 및 대잠전 교전 시간 분석결과는 <Table 5>, 총 교전시간 비교분석 결과는 <Figure 16>에서 보는 바와 같이 완전체계통합을 이룬 함정의 경우 다양한 시나리오를 기반으로 교전 대응시간 감소와 교전능력을 안정적으로 혁신할 수 있음을 판단할 수 있다. 표적 대응시간의 감소와 무장할당 등 교전능력의 개선은 전투력향상에 매우 중요한 요소로 차세대 구축함 발전추세에도 부합하고 있다. 또한, 대탄도미사일전․대공 전․대함전․대잠전을 동시에 복합적으로 수행하고 인원 감소에 따른 중앙통제가 가능한 TSCE 및 OA를 기반으로 하는 체계통합형 함정임무체계가 지휘․무장통제체계의 처리능력을 향상시켜 대응시간 단축을 기반으로 전투성능이 획기적으로 향상되었을 뿐만 아니라 다양한 상황의 전투에서도 향상된 대응능력을 보여주고 있음을 확인하였다. 이 결과는 차세대 구축함의 발전 추세에 부합하며, 체계통합이 전투성능을 획기적으로 향상시킬 수 있음을 시사하며, TSCE 기반은 완전 통합 시스템은 향후 해군 전력 강화의 핵심요소로 자리잡을 것이다.

4.2 승조원 최적화

4.2.1 미국 및 일본해군 함정 승조원 분석

<Table 6>처럼 미국 해군의 경우 TSCE기반 체계통합을 추진하여 종합적으로 38%~51%의 인력절감을 달성하였으며, 줌왈트급은 만재배수량이 15,000톤급임에도 불구하고 승조원을 140명 선으로 조정하였으며, 9,000톤급 구축 함인 알레이버크급 300여명 대비 50% 수준으로 운용되고 있다[6,35].

일본 해군의 경우 구축함급 함정 인원은 기존 함정대비 30%, 호위함은 90명 수준으로 미해군 수준의 승조원으로 운영하고 있다[12,13,14].

4.2.2 한국해군 함정 승조원

한국 해군의 차세대 구축함 및 초계함급 함정의 TSCE기반 체계통합을 기반으로 자동화, 빅데이터, IBS(Integrated Bridge System) 등 신기술이 접목된 함교, 임무수행센터, 기관실 및 통신실 등의 운용인원을 Legacy 함정과 체계통합이 적용된 함정으로 구분하여 검토하였다[35]. 이 결과를 바탕으로 함교, 임무수행센터, 기관실, 통신실 등 시스템체 계통합 운용 관련 직무별/시스템별 조정 가능 인원을 분석하여 관련 핵심전문가들인 함정임무센터 근무장교, 전투체계 개발자, 전투체계 훈련센터 교관들과의 인터뷰를 통해 본 연구에서 판단한 적정 승조원에 대한 세부적인 인터뷰, 직무수행에 대한 분석평가 및 의견청취를 통한 검증을 수행 하였다[1,19]. 검증결과 <Table 7>과 같이 구축함급은 TSCE기반 체계통합이 구축되면 기존 함정/일부체계 통합 구현 함정 대비 25%~30%, 초계함급은 30%~40% 운용인원 조정이 가능한 것으로 확인하였다. TSCE 기반 체계통합 적용 후 운용 인원 감소가 통계적으로 유의미한 것으로 나타났으며, 이는 체계통합이 실제로 운용 효율성을 높이고 인력 최소화에 기여할 수 있음을 시사한다. 특히, 구축함급과 초계함급 모두에서 인력 조정 비율의 차이가 통계적으로 유의미한 차이를 보였으며, 인터뷰 및 직무분석을 통해 수집된 데이터와의 일치도 역시 높은 것으로 분석되었다. 이는 체계통합이 도입된 함정에서 자동화 및 신기술 도입이 인력 효율화에 중요한 역할을 하고 있음을 보여준다.

5. 결론 및 향후 연구 방향

본 논문에서는 한국해군에서 추진하 있는 차세대 구축함 건조에 적용 할 수 있는 TSCE 기반 체계통합 구축 방법을 제시하고 작전효율성 증대 및 승조원 최적화를 검증 하였다. 이를 수행하기 위해서 미해군의 줌왈트 구축함과 LCS를 분석하고 체계통합실태를 살펴본 후, 한국해군 함 정 건조시 필요한 TSCE기반 체계통합의 필요성과 방법에 대한 공감대 형성 및 적용대안을 도출하였다.

이론적으로 TSCE 기반 체계통합이 함정의 작전 효율성을 극대화하고 승조원 최적화에 기여할 수 있음을 입증하였으며, 기존의 체계통합 이론을 발전시키는 중요한 기초 자료가 될 수 있다. 또한, 이론적 프레임워크의 수정이나 확장을 위한 실질적인 근거를 제공한다. 실무적으로는, 향후 추진될 예정인 차세대 구축함의 시스템 발전사항을 반영한 TSCE 기반 체계통합 구현을 통해 함정의 고도화된 작전 효율성을 확보 및 운영에 필요한 최적 승조원을 검증 하였다.

향후 함정 건조시 TSCE기반 체계통합 관련한 함정별 요구조건도출을 위해서는 다양한 함정별로 체계통합 수준 및 방법에 대한 연구가 지속되어야 할 것이다. 특별히 함정 승조원 관련사항은 본연구 결과를 기반으로 차세대 구축함 건조에 활용하고 그 결과를 피드백하여 선진국 해군에서 경험한 시행착오를 줄이고자 하는 노력이 필요할 것 이다.