도플러 정보를 이용한 실시간 수중 운동체 거리 추정에 관한 연구

Abstract

수중방사소음은 함정의 생존성과 관련된 중요한 요소로서 함정 피아식별, 피탐지 위험성 평가, 소음 수준 적부 평가 및 함정의 주기적인 정비에 필수적으로 관리되어야 한다. 따라서 함정의 수중방사소음 측정 및 분석은 매우 중요한 사항으로 수중방사소음 측정 시 반드시 고려되어야 할 요소는 함정과 수중 센서간의 상대 거리 측정이다. 측정된 거리를 이용하여 음파전달 손실 준위를 계산하고 이를 센서에 수신된 소음 준위에 보상함으로써 완전한 함정 수중방사소음 준위를 산출할 수 있다. 일반적으로 수상 기동하는 함정은 GPS를 이용하여 정밀한 상대 거리 측정이 가능하지만, 수중 기동하는 함정은 GPS를 활용할 수 없으므로 수중 음파를 이용하여 거리를 측정한다.

본 연구에서는 복잡한 수중환경에서 능동신호를 사용하여 고속으로 이동하는 수중 운동체의 거리 추정 신뢰도를 높이기 위해 최적 능동신호 설계 및 기동 운동체의 환경을 고려한 도플러 뱅크 기반의 실시간 TOA 거리 추정 기법을 제안한다.

능동신호 설계를 위하여 CW, LFM 및 PRN 신호의 시간 지연 및 도플러 천이에 대한 모호 함수 분석을 통해 PRN 신호가 거리 추정에 좋은 성능을 보였다. PRN 신호를 사용하여 1m 정도의 거리 추정 해상도를 갖고 표적의 거리를 추정하기 위해서는 최소 1kHz 이상의 대역폭이 필요하다. 그리고 도플러 천이가 발생하는 환경하에서 거리 추정 정확도를 높이기 위해서는 도플러 주파수 해상도가 높아야 하지만, 이는 2차원 상호 상관도를 구하는 계산량이 많아짐으로 실시간 거리 추정이 불가능하다. 따라서 요구되는 거리 추정 성능을 만족하기 위해 적절한 길이의 신호와 도플러 주파수 해상도를 설정하여야 한다. 본 논문에서는 주파수 해상도 분석을 통해 76-bit PN Code2 기준으로 약 1m 거리 해상도를 만족하기 위해서는 약 75msec 신호 길이를 가져야 한다. 그에 따라 도플러 주파수 해상도는 약 12Hz로 표적의 기동 속도와 송신 주파수를 고려하면 최대/최소 도플러 주파수는 약 ±200Hz로 정합 필터에 적용할 도플러 뱅크는 약 33개가 필요하다. 이러한 도플러 뱅크 개수는 거리 추정 시 많은 계산량이 요구됨으로 이를 줄이기 위하여 대략의 도플러 주파수 추정을 위한 CW 신호를 PRN 신호와 복합하여 송신하도록 하였다. 즉, CW 신호를 이용하여 대략의 도플러 주파수를 찾은 후, 이 도플러 주파수 인근의 복제 신호만을 이용하여 상호 상관도를 구하면 계산량을 대폭 감소시킬 수 있다. 그리고 상호 상관도를 구하기 위해 MCPSP(Modified Cross Power Spectrum Phase)와 같이 변형된 방법을 적용하였다.

AWGN 채널과 실제 해양 모델에 기반한 모의실험을 통해 신호의 대역폭이 1∼2kHz인 PRN 신호가 거리 추정에 적절하며, SNR이 5dB 이상에서 신호 길이가 31-bit 이상이면 오차는 2m 이내이다. 또한, 호수실험 결과를 통하여 제안된 방법은 기존의 1차원 상호 상관도를 이용한 방법보다 안정적인 성능을 유지하였으며, 1.5~2m 정도의 거리 추정 오차를 나타내었다. 해상실험에서는 표적 기동 경로 분석을 통하여 거리 추정결과에 대한 적용 가능성을 확인하였다.