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  1. (Department of Mechanical and Control Engineering, Handong Global University, Korea.)
  2. (Agency for Defense Development, Korea.)



target tracking, converted measurement, predicted line-of-sight coordinate, airborne AESA radar

1. 서 론

능동 전자주사 위상배열(AESA: active electronically scanned array) 레이다는 다중 빔 독립제어를 통한 다표적 동시 탐색/추적, 우수한 항재밍 능력 등 다양한 장점을 지니고 있는 차세대 전투기의 핵심 센서이다 (1,2). 실제 전장 환경에서 이러한 장점들이 발휘되려면 AESA 레이다가 탑재된 전투기의 자세 변화를 고려한 표적 추적 알고리듬 개발이 필수적이다. 불행하게도 지금까지 수행된 관련 연구들은 대부분 레이다가 지상에 고정된 상황을 가정하고 있어, 전투기 탑재 AESA 레이다 직접 응용 시 여러 문제점들이 있는 것으로 알려져 있다 (3).

기존 레이다 표적 추적필터 설계 방식은 표적 상태변수와 레이다 측정치가 정의되는 좌표계의 일치여부에 따라 혼합좌표계 및 단일좌표계 기법으로 구분된다. 일반적으로 혼합좌표계 추적필터는 구좌표계에서 정의되는 레이다 측정치와 직교좌표계에서 정의되는 표적 상태변수 간의 비선형성을 별도의 사전처리 없이 직접 처리한다. 이를 위해 측정함수 근사기법인 확장(extended) 칼만필터를 비롯해 샘플기반 확률밀도함수 모멘트 근사기법으로 분류되는 무향(unscented) 칼만필터, 구적(quadratic) 칼만필터, 입체구적(cubature) 칼만필터 등 다양한 비선형 필터 이론들이 활용될 수 있다 (4,5). 이 경우, 레이다 측정잡음의 통계적 특성을 온전히 반영하여 추적필터를 설계할 수 있다는 장점이 있지만 장거리 표적추적 성능저하, 연산량 증가 등은 비선형 필터 이론을 적용한 표적추적 알고리듬 설계를 어렵게 하는 장애물로 여겨지고 있다.

이에 대한 현실적 대안으로 단일좌표계 필터링 기법이 제안되었다 (6-11). 이 방법의 핵심 아이디어는 상태변수와 동일한 좌표계에서 정의된 측정치를 사용하여, 해석 및 구현이 상대적으로 용이한 선형 추적필터를 설계하는 것이다. 그 대표적 예로 소위 상대거리-방향코사인 필터와 변환측정치(CM: converted measurement) 필터를 생각할 수 있다. 상대거리-방향코사인 필터는 레이다-표적 간 상대거리와 방향코사인을 상태변수로 하는 시변 표적 운동모델을 활용하여 표적 정보를 추정한다 (6,7). 이 방법은 비선형 필터와 마찬가지로 측정잡음 특성을 정확히 반영할 수 있지만, 상대거리 및 방향코사인 추정치로부터 표적의 관성좌표계 위치/속도를 재산출하는 과정이 필요하며, 거리-방향코사인 필터의 시변 결합(coupling) 특성으로 인해 추정성능이 저하될 수 있다 (7). 이와 달리, CM 필터는 레이다 측정치로 재 정의된 관성좌표계 의사(pseudo) 위치 측정치를 활용하는 방식을 택한다. 이 과정에서 의사 측정잡음의 상관성(correlation)으로 인해 필연적으로 편향오차(bias error)가 발생하므로, 이를 상쇄하기 위한 별도의 보상 항이 추적필터에 추가된다 (8-11). CM 기법을 적용함으로써 누릴 수 있는 가장 큰 이점은 표적 추적필터 구조가 단순해진다는 것이다. 하지만, 장거리 표적 조우상황에서 만족할 만한 추적성능을 얻기 위해 측정잡음의 고차 모멘트를 고려하여 오차 보상항을 복잡하게 설계해야 한다는 것은 CM 기법의 단점으로 지적되고 있다 (10,11). 특히, 의사 측정잡음의 통계적 속성이 적절히 근사되지 않는 경우 측정잡음 분산이 커짐에 따라 추적성능의 민감도도 급격히 증가하는 경향이 있어 추적필터 설계 시 주의가예측시선좌표계 상에서는 의사측정잡음의 공분산행렬이 대각화되므로 기존 기법에서는 불가능했던 비결합(decoupled) 표적 추적필터 설계가 가능해진다. 이 경우, 각 축방향 필터의 차수를 낮출 수 있어 표적 추적 알고리듬의 실시간 구현에 매우 유리하다. 결과적으로 다표적 동시교전 시 급격한 연산량 증가로 인해 표적추적 시스템이 포화되는 현상을 효과적으로 억제할 수 있다. 모의실험을 통해 제안된 기법이 기존 CM 필터링에 비해 우수한 표적 추적성능을 제공함을 확인한다.

그림. 1. 좌표계 정의

Fig. 1. Definitions of coordinate systems

../../Resources/kiee/KIEE.2020.69.6.914/fig1.png

2. 좌표계 정의에 따른 의사측정잡음의 통계적 속성

2.1 좌표계 정의

동체좌표계(B-frame)

전투기 동체에 고정되어 무게중심을 원점, 기수축을 $X_{B}$축, 오른쪽 날개방향을 $Y_{B}$축, 수직 하 방향을 $Z_{B}$축으로 하는 오른손좌표계이다. 전투기 및 표적 운동방정식이 기술되는 관성좌표계(흔히 국지 NED좌표계로 설정된다)에서 동체좌표계로의 좌표변환행렬 $C_{I}^{B}$은 다음과 같이 정의된다.

(1)
$$C_{I}^{B}=R_{x}(\phi)R_{y}(\theta)R_{z}(\psi)$$

여기서 $\psi$, $\theta$, $\phi$는 전투기의 요, 피치, 롤 자세각을, $R_{\chi}(\epsilon)$은 3차원 벡터를 기준축 $\chi$에 대해 각도 $\epsilon$만큼 회전시키는 회전행렬을 의미한다. 고성능 항법장치로부터 제공되는 자세각 및 위치에 포함되어 있는 오차는 전투기의 작전 시간을 고려하여 무시할 만한 수준으로 가정한다. 좌표변환행렬은 직교행렬이므로 $C_{B}^{I}\equiv(C_{I}^{B})^{-1}=(C_{I}^{B})^{T}$을 만족한다.

전투기에 스트랩다운형 AESA 레이다가 장착되므로, 동체좌표계 각 축은 안테나좌표계 각 축과 고정된 대응관계를 갖는다. 따라서, 본 논문에서는 수식 전개의 편의상 안테나좌표계와 동체좌표계가 일치하는 것으로 생각한다.

시선좌표계(L-frame)

레이다로부터 표적을 잇는 시선벡터를 $X_{L}$축으로 하는 직교좌표계이다. 즉, 시선좌표계 상에서는 $X$축 방향 표적위치는 상대거리 $r$이 된다. 참고로 레이다에서 제공되는 표적 $r$과 방향코사인 $u$, $v$는 그림 1에 도시한 바와 같이 동체좌표계를 기준으로 정의된 변수들이다. 이를 표적 상대위치 성분 $x^{B}$, $y^{B}$, $z^{B}$으로 표현하면 다음과 같다.

(2)
$$r\equiv\sqrt{(x^{B})^{2}+(y^{B})^{2}+(z^{B})^{2}}, u\equiv y^{B}/ r, v\equiv z^{B}/ r$$

위 식을 이용하여 동체좌표계에서 시선좌표계로의 좌표변환행렬 $C_{B}^{L}$을 정의할 수 있다.

(3)
$$C_{B}^{L}=\begin{bmatrix}w & u & v \\ - u /\eta & w /\eta & 0 \\- w v /\eta &- uv /\eta & \eta\end{bmatrix}$$

위의 식에서 $w\equiv\sqrt{1-u^{2}-v^{2}}$, $\eta\equiv\sqrt{1-v^{2}}$이다.

예측시선좌표계(P-frame)

예측시선좌표계는 그림 1과 같이 추적필터에서 제공되는 표적위치 사전추정치 $\overline{x}^{B}$, $\overline{y}^{B}$, $\overline{z}^{B}$를 이용하여 예측된 표적 시선방향을 $X_{P}$축으로 하는 직교좌표계로 정의된다. 동체좌표계에서 예측시선좌표계로의 좌표변환행렬 $C_{B}^{P}$는 다음과 같이 계산된다.

(4)
$$ C_{B}^{P}=\begin{bmatrix}\overline{w}&\overline{u}&\overline{v}\\ -\overline{u}/\overline{\eta}&\overline{w}/\overline{\eta}& 0 \\-\overline{w}\overline{v}/\overline{\eta}& -\overline{u}\overline{v}/\overline{\eta}&\overline{\eta}\end{bmatrix} $$

여기서

$\overline{r}\equiv\sqrt{(\overline{x}^{B})^{2}+(\overline{y}^{B})^{2}+(\overline{z}^{B})^{2}}$, $\overline{u}\equiv\overline{y}^{B}/\overline{r}$, $\overline{v}\equiv\overline{z}^{B}/\overline{r}$,

$\overline{w}=\sqrt{1 -\overline{u}^{2}-\overline{v}^{2}}$, $\overline{\eta}=\sqrt{1 -\overline{v}^{2}}$.

사전추정오차가 작은 경우, 예측시선좌표계 $X_{P}$축과 시선좌표계의 $X_{L}$축이 거의 일치하는 것으로 간주할 수 있다.

2.2 의사측정치 특성 분석

표적 추적필터 설계에 앞서 좌표계 선정의 적절성이 의사측정잡음의 통계적 특성 분석 결과와 추적 알고리듬 구현에 어떤 영향을 끼치는지 확인해보자.

레이다 출력에는 수신단 열잡음(thermal noise) 등 다양한 요인에 의해 발생하는 부가(additive) 측정잡음이 포함되므로, 가용한 상대거리 및 방향코사인 측정치를 식 (5)와 같이 기술할 수 있다.

(5)
$$\widetilde r_{k}= r_{k}+\delta r_{k}, \widetilde u_{k}= u_{k}+\delta u_{k}, \widetilde v_{k}= v_{k}+\delta v_{k}$$

식 (5)에서 측정잡음 $\delta r_{k}$, $\delta u_{k}$, $\delta v_{k}$는 상호 비상관되어 있는 영평균 백색잡음으로 가정한다.

(6)
$$\delta r_{k}\sim N\left(0,\:\sigma_{r}^{2}\right), \delta u_{k}\sim N\left(0,\:\sigma_{u}^{2}\right), \delta v_{k}\sim N\left(0,\:\sigma_{v}^{2}\right)$$

2.2.1 동체좌표계 및 관성좌표계 의사측정치

상대거리, 방향코사인 측정치 $\widetilde r_{k}$, $\widetilde u_{k}$, $\widetilde v_{k}$를 이용하여 동체좌표계 의사측정치 $\widetilde x^{B}_{k}$, $\widetilde y^{B}_{k}$, $\widetilde z^{B}_{k}$를 산출하면 식 (7)과 같다.

(7)
$$\boldsymbol{y}_{k}^{B} \equiv\left[\begin{array}{c} \tilde{x}_{k}^{B} \\ \tilde{y}_{k}^{B} \\ \tilde{z}_{k}^{B} \end{array}\right]=\left[\begin{array}{c} \tilde{r}_{k} \sqrt{1-\tilde{u}_{k}^{2}-\tilde{v}_{k}^{2}} \\ \tilde{r}_{k} \tilde{u}_{k} \\ \tilde{r}_{k} \tilde{v}_{k} \end{array}\right]=\boldsymbol{p}_{k}^{B}+\boldsymbol{v}_{k}^{B}$$

여기서

$\boldsymbol{p}_{k}^{B} \equiv r_{k}\left[w_{k} u_{k} v_{k}\right]^{T}, \quad \boldsymbol{v}_{k}^{B}=\left[\delta x_{k}^{B} \delta y_{k}^{B} \delta z_{k}^{B}\right]^{T}, \quad w_{k} \equiv \sqrt{1-u_{k}^{2}-v_{k}^{2}}$

만일, 상대거리 및 방향코사인 측정잡음이 참값에 비해 작은 값을 갖는다면 2차 테일러 근사를 통해 식 (7)의 동체좌표계 의사측정잡음 $\boldsymbol v_{k}^{B}$을 다음과 같이 근사할 수 있다 (10).

(8)
$$\begin{aligned} \delta x^{B}=\tilde{x}^{B}-x^{B} \approx & \frac{d \tilde{x}^{B}}{d r} \delta r+\frac{d \tilde{x}^{B}}{d u} \delta u+\frac{d \tilde{x}^{B}}{d v} \delta v \\ &+\frac{1}{2}\left(\frac{d^{2} \tilde{x}^{B}}{d r^{2}} \delta r^{2}+\frac{d^{2} \tilde{x}^{B}}{d u^{2}} \delta u^{2}+\frac{d^{2} \tilde{x}^{B}}{d v^{2}} \delta v^{2}\right) \\ &+\frac{d^{2} \tilde{x}^{B}}{d r d u} \delta r \delta u+\frac{d^{2} \tilde{x}^{B}}{d r d v} \delta r \delta v+\frac{d^{2} \tilde{x}^{B}}{d u d v} \delta u \delta v \\ \delta y^{B}=\tilde{y}^{B}-y^{B} \approx & \frac{d \tilde{y}^{B}}{d r} \delta r+\frac{d \tilde{y}^{B}}{d u} \delta u+\frac{d^{2} \tilde{y}^{B}}{d r d u} \delta r \delta u, \\ \delta z^{B}=\tilde{z}^{B}-z^{B} \approx & \frac{d \tilde{z}^{B}}{d r} \delta r+\frac{d \tilde{z}^{B}}{d v} \delta v+\frac{d^{2} \tilde{z}^{B}}{d r d v} \delta r \delta v \end{aligned}$$

식 (6)의 상대거리 및 방향코사인 측정잡음이 서로 비상관되어 있는 것으로 가정했으므로, 동체좌표계 측정잡음 $\boldsymbol v^{B}$의 평균과 분산은 각각 식 (9)식 (10)과 같이 계산된다.

(9)
$$\boldsymbol{\mu}^{B} \equiv E\left\{\boldsymbol{v}^{B}\right\}=\left[\begin{array}{c} \mu_{x}^{B} \\ \mu_{y}^{B} \\ \mu_{z}^{B} \end{array}\right] \approx\left[\begin{array}{c} \frac{\tilde{r}}{2 \tilde{w}}\left(1+\frac{\tilde{u}^{2}}{\tilde{w}^{2}}\right) \sigma_{u}^{2}+\frac{\tilde{r}}{2 \tilde{w}}\left(1+\frac{\tilde{v}^{2}}{\tilde{w}^{2}}\right) \sigma_{v}^{2} \\ 0 \\ 0 \end{array}\right]$$

(10)
$$R^{B} \equiv cov\left\{\boldsymbol v^{B}\right\} =\begin{bmatrix}R_{xx}& R_{xy}& R_{xz}\\ * & R_{yy}&R_{yz}\\* & * &R_{zz}\end{bmatrix}$$

여기서

$\begin{align*} \left. R_{xx}\approx\left(\dfrac{d\widetilde x^{B}}{dr}\right)^{2}\sigma_{r}^{2}+\left(\dfrac{d\widetilde x^{B}}{du}\right)^{2}\sigma_{u}^{2}+\left(\dfrac{d\widetilde x^{B}}{dv}\right)^{2}\sigma_{v}^{2} +\dfrac{3}{4}\left(\dfrac{d^{2}\widetilde x^{B}}{drdu}\sigma_{u}^{4}+\dfrac{d^{2}\widetilde x^{B}}{drdv}\sigma_{v}^{4}\right)\\ + 3(\mu_{x}^{B})^{2} +\left(\dfrac{d^{2}\widetilde x^{B}}{drdu}\right)^{2}\sigma_{r}^{2}\sigma_{u}^{2}+\left(\dfrac{d^{2}\widetilde x^{B}}{drdv}\right)^{2}\sigma_{r}^{2}\sigma_{v}^{2} +\left(\dfrac{d^{2}\widetilde x^{B}}{dudv}\right)^{2}\sigma_{u}^{2}\sigma_{v}^{2} \right |_{\widetilde r_{k,\:}\widetilde u_{k,\:}\widetilde v_{k}} \end{align*}$

$R_{yy}\approx\widetilde r^{2}\sigma_{u}^{2}+\widetilde u^{2}\sigma_{r}^{2}+\sigma_{r}^{2}\sigma_{u}^{2}$,

$R_{zz}\approx\widetilde r^{2}\sigma_{v}^{2}+\widetilde v^{2}\sigma_{r}^{2}+\sigma_{r}^{2}\sigma_{v}^{2}$,

$\left. R_{xy}\approx\dfrac{d\widetilde x^{B}}{du}\widetilde r\sigma_{u}^{2}+\dfrac{d\widetilde x^{B}}{dr}\widetilde u\sigma_{r}^{2} \right |_{\widetilde r_{k,\:}\widetilde u_{k,\:}\widetilde v_{k}}$,

$\left. R_{xz}\approx\dfrac{d\widetilde x^{B}}{dv}\widetilde r\sigma_{v}^{2}+\dfrac{d\widetilde x^{B}}{dr}\widetilde v\sigma_{r}^{2} \right |_{\widetilde r_{k,\:}\widetilde u_{k,\:}\widetilde v_{k}}$,

$R_{yz}\approx\widetilde u\widetilde v\sigma_{r}^{2}$.

전통적인 변환측정치 필터링 기법을 적용하기 위해서는 식 (7)의 동체좌표계 의사측정치를 관성좌표계로 변환해야 한다. 식 (1)에서 정의한 관성좌표계-동체좌표계 간 좌표변환 관계를 이용하여 동체좌표계 의사측정치 (7)을 다시 쓰면 다음 식을 얻는다.

(11)
$$\boldsymbol y_{k}^{I} = C_{B}^{I}\boldsymbol y_{k}^{B}+ \boldsymbol p_{f,\:k}^{I} = C_{B}^{I}\boldsymbol p_{k}^{B} + \boldsymbol p_{f,\:k}^{I} + \boldsymbol v^{I}_{k}$$

여기서 관성좌표계 의사측정잡음은 $\boldsymbol{v}_{k}^{I} \equiv\left[\delta x_{k}^{I} \delta y_{k}^{I} \delta z_{k}^{I}\right]^{T}=C_{B}^{l} v_{k}^{B}$이며, 관성좌표계와 동체좌표계 간 평행이동을 나타내는 전투기의 관성좌표계 위치벡터는 $\boldsymbol{p}_{f, k}^{I} \equiv\left[x_{f, k}^{I} y_{f, k}^{I} z_{f, k}^{I}\right]^{T}$ 이다.

동체좌표계 의사측정잡음 $\boldsymbol v_{k}^{B}$와 관성좌표계 의사측정잡음 $\boldsymbol v^{I}_{k}$사이의 관계가 식 (11)에 기술된 바와 같이 좌표변환행렬 $C_{B}^{I}$로 표현되므로, 관성좌표계 의사측정잡음의 통계적 특성은 다음과 같이 구해진다.

(12)
$$\boldsymbol \mu^{I}\equiv E\left\{\boldsymbol v^{I}\right\} = C_{B}^{I} \boldsymbol \mu^{B}, R^{I}\equiv cov\left\{\boldsymbol v^{I}\right\} = C_{B}^{I}R^{B}C_{I}^{B}$$

잘 알려져 있듯이 식 (11)의 의사측정치를 사용하는 경우 선형 추적필터의 설계가 가능하지만, 의사측정잡음의 상관성으로 인해 편향오차가 유발될 수 있다. 이러한 현상은 전투기 자세변화에 따른 좌표변환행렬 $C_{I}^{B}$가 개입되는 경우 더욱 복잡한 양상을 띠게 된다. 따라서, 식 (12)의 근사 정확도가 의사측정치 기반 표적 추적필터의 편향오차 보상항 설계와 성능향상에 결정적 영향을 끼친다. 불행하게도 식 (12)를 정확히 계산하기 위해서는 적어도 레이다 측정잡음의 4차 모멘트가 필요하다. 설사 이들 정보가 사전에 정확히 알려져 있다 하더라도, 의사측정잡음 오차공분산 행렬 $R^{I}$의 비대각(off-diagonal) 성분에 의해 $XYZ$ 각 축방향 필터의 결합특성(coupling)이 초래되는 상황을 피할 수 없다. 즉, 기존 측정치 변환기법을 사용하는 경우 3차원 표적추적을 위해서는 9차 시스템 모델을 직접 활용하여야 하며 이는 표적 필터의 차수 및 계산량 증가로 이어진다.

이상의 관찰결과로부터 CM 기법을 적용하여 전투기 탑재 AESA 레이다 추적 필터를 설계하는 경우 고려되어야 하는 주요 기술적 이슈를 다음과 같이 요약할 수 있다.

첫째, 의사측정치의 통계적 특성을 가급적 레이다 측정잡음의 저차 모멘트를 활용하여 정확히 근사하여 보상항에 대한 추적필터 성능 민감도를 낮춰야 한다.

둘째, 실시간 구현을 위해 $XYZ$축 이득의 결합특성을 완화하여 분리형 의사측정치 필터를 설계할 필요가 있다.

2.2.2 예측시선좌표계 의사측정치

앞서 언급한 기술적 이슈들을 해결하기 위해 예측시선좌표계를 도입하는 방안을 생각해보자. 예측시선좌표계 의사측정치를 정의하기 위한 기본 가정은 다음과 같다.

A1) 공대공 교전 상황에서 방향코사인은 비교적 작은 값을 가지며, AESA 레이다의 방향코사인 측정잡음 표준편차는 통상 수~수십 $mrad$ 수준이다.

A2) 표적 상대위치의 사전추정 오차는 영평균이다.

A3) AESA 레이다의 빔운용 특성을 감안할 때, 표적 상대위치 사전 추정치로 계산된 시선각 예측오차의 크기는 빔폭(수°) 이내로 제한된다.

가정 A1로부터 방향코사인 $u$,$v$의 크기는 1보다 충분히 작은 값을 가지므로, 이들 값이 측정잡음 분산과 더불어 3차 이상의 고차항을 구성하는 경우 0으로 간주해도 무방하다. 즉, 방향코사인 측정치 (5)는 다음과 같이 근사된다.

(13)
$$\widetilde w\equiv\sqrt{1 -\widetilde u^{2}-\widetilde v^{2}}= w+\delta w, \widetilde u = u +\delta u,\:\widetilde v = v +\delta v$$

여기서

\begin{align*} \delta w &\approx -\dfrac{u}{w}\delta u-\dfrac{v}{w}\delta v -\dfrac{1}{2}\left( \dfrac{w^{2}+u^{2}}{w^{3}}\delta u^{2} +\dfrac{w^{2}+v^{2}}{w^{3}}\delta v^{2}\right) -\dfrac{uv}{w^{3}}\delta u\delta v \\ &\approx -\dfrac{1}{w}\left\{u\delta u + v\delta v +\dfrac{1}{2}\left( \delta u^{2} +\delta v^{2}\right)\right\} \end{align*}

일반적으로 표적 상대위치의 사전추정오차 $(\Delta\overline{x}^{B},\:\Delta\overline{y}^{B},\:\Delta\overline{z}^{B})$는 상대거리 $r$에 비해 매우 작으므로 다음 식이 만족된다.

(14)
$$\begin{bmatrix}\overline{w}\\\overline{u}\\\overline{v}\end{bmatrix} =\dfrac{1}{\overline{r}}\begin{bmatrix}\overline{x}^{B}\\\overline{y}^{B}\\\overline{z}^{B}\end{bmatrix} \approx\begin{bmatrix}w \\ u \\ v\end{bmatrix}+\begin{bmatrix}H_{w}\\ H_{u}\\ H_{v}\end{bmatrix}\boldsymbol e ,\\ \overline{\eta}=\dfrac{1}{\overline{r}}\sqrt{(\overline{x}^{B})^{2}+(\overline{y}^{B})^{2}}\approx\eta -\dfrac{v}{\eta}H_{v}\boldsymbol e, \dfrac{1}{\overline{\eta}}\approx\dfrac{1}{\eta}+\dfrac{v}{\eta^{3}}H_{v}\boldsymbol e $$

여기서

$\boldsymbol e\equiv\left[\Delta w \Delta u \Delta v\right]^{T} =\dfrac{1}{r}\left[\Delta\overline{x}^{B} \Delta\overline{y}^{B} \Delta\overline{z}^{B}\right]^{T}$,

$H_{w}=\begin{bmatrix}u^{2}+v^{2}& -wu & -wv\end{bmatrix}$,

$H_{u}=\begin{bmatrix}-wu & w^{2}+v^{2}& -uv\end{bmatrix}$,

$H_{v}=\begin{bmatrix}-wv & -uv & w^{2}+u^{2}\end{bmatrix}$.

식 (3)식 (4)의 좌표변환행렬 $C_{L}^{P}= C_{B}^{P}C_{L}^{B}$을 이용하면 예측시선좌표계 표적 상대위치 벡터를 상대거리와 방향코사인의 함수로 표현할 수 있다.

(15)
$$\boldsymbol p^{P}= C_{L}^{P}\boldsymbol p^{L} =r\begin{bmatrix} \overline{w}w+\overline{u}u+\overline{v}v \\ (\overline{w}u - w\overline{u})/\overline{\eta}\\ v\overline{\eta}-(\overline{w}w+\overline{u}u)\overline{v}/\overline{\eta}\end{bmatrix}$$

식 (15)에서 $\boldsymbol{p}^{P} \equiv\left[x^{P} y^{P} z^{P}\right]^{T}$와 $\boldsymbol p^{L}\equiv\left[\begin{matrix}r &0 &0\end{matrix}\right]^{T}$는 각각 예측시선좌표계와 시선좌표계 표적상대위치를 의미한다.

이제, 식 (15)에서 상대거리 및 방향코사인 참값 $r,\:u,\:v$를 레이다 측정치 $\widetilde r ,\:\widetilde u ,\:\widetilde v$로 대체하면 예측시선좌표계 의사측정치 $\boldsymbol y^{P}$를 정의할 수 있다.

(16)
$$ \boldsymbol{y}^{P} \equiv\left[\begin{array}{c} \tilde{x}^{P} \\ \tilde{y}^{P} \\ \tilde{z}^{P} \end{array}\right]=\tilde{r}\left[\begin{array}{c} \bar{w} \tilde{w}+\bar{u} \tilde{u}+\bar{v} \tilde{v} \\ (\bar{w} \tilde{u}-\bar{u} \tilde{w}) / \bar{\eta} \\ \widetilde{v} \bar{\eta}-(\bar{w} \tilde{w}+\bar{u} \tilde{u}) \bar{v} / \bar{\eta} \end{array}\right]$$

식 (13)식 (14)식 (16)의 예측시선좌표계 의사측정치 $\boldsymbol y^{P}$에 대입하면 의사측정잡음 $\boldsymbol v^{P}$를 얻는다.

(17)
$$\boldsymbol v^{P}\equiv \boldsymbol y^{P}- \boldsymbol p^{P} \approx(r+\delta r)\left(\dfrac{1}{r}\boldsymbol p^{P}+ \boldsymbol e^{P}\right)- \boldsymbol p^{P} = \boldsymbol v_{1}^{P}+ \boldsymbol v_{2}^{P}+ \boldsymbol v_{3}^{P}, $$

여기서

$\boldsymbol v_{1}^{P}= r \boldsymbol e^{P}$, $\boldsymbol v_{2}^{P}=\delta r\dfrac{1}{r}\boldsymbol p^{P}$, $\boldsymbol v_{3}^{P}=\delta r \boldsymbol e^{P}$, $\boldsymbol e^{P}=(C_{B}^{L}+\Delta C_{B}^{P})\begin{bmatrix}\delta w\\\delta u \\\delta v\end{bmatrix}$,

$\Delta C_{B}^{P} =\begin{bmatrix} H_{w}\boldsymbol e & H_{u}\boldsymbol e &H_{v}\boldsymbol e \\ -\dfrac{1}{\eta}\left(H_{u}+\dfrac{uv}{\eta^{2}}H_{v}\right)\boldsymbol e &\dfrac{1}{\eta}\left(H_{w}+\dfrac{wv}{\eta^{2}}H_{v}\right)\boldsymbol e & 0\\ -\dfrac{1}{\eta}\left(v H_{w}+\dfrac{w}{\eta^{2}}H_{v}\right)\boldsymbol e & -\dfrac{1}{\eta}\left(v H_{u}+\dfrac{u}{\eta^{2}}H_{v}\right)\boldsymbol e & -\dfrac{v}{\eta}H_{v}\boldsymbol e\end{bmatrix}$

가정 A2와 식 (14)의 정의에 따라 $E\{\boldsymbol e\}= \boldsymbol 0$ 이 성립한다. 또한, AESA 레이다 측정잡음 (6)과 표적 상대위치의 사전추정치는 상호 비상관되어 있으므로 다음 식이 만족한다.

(18)
$$E\{\Delta C_{B}^{P}\delta u\}= E\{\Delta C_{B}^{P}\}E\{\delta u\},\: E\{\Delta C_{B}^{P}\delta v\}= E\{\Delta C_{B}^{P}\}E\{\delta v\}$$

위의 결과를 이용하면 식 (17)에 정의된 $\boldsymbol v^{P}$의 통계적 특성을 근사적으로 계산할 수 있다.

(19)
$$\boldsymbol \mu^{P} \equiv E\left\{\boldsymbol v^{P}\right\} \approx E\left\{\boldsymbol v_{1}^{P}\right\} = r m_{w}\begin{bmatrix}w \\ - u /\eta \\ - wv /\eta\end{bmatrix}$$

(20)
$$R^{P}\equiv cov\left\{\boldsymbol v^{P}\right\} \approx cov\left\{\boldsymbol v_{1}^{P}- \boldsymbol \mu^{P}\right\}+ cov\left\{\boldsymbol v_{2}^{P}+ \boldsymbol v_{3}^{P}\right\}$$

여기서 $m_{w}\equiv -(\sigma_{u}^{2}+\sigma_{v}^{2})/2w$ 이다.

가정 A3에 의해 방향코사인 예측오차 $\boldsymbol e$의 크기 역시 1보다 충분히 작은 값을 가지므로 식 (13)의 유도과정과 유사한 방법으로 근사식 (21)을 얻는다.

(21)
$$cov\left\{\boldsymbol v_{1}^{P}- \boldsymbol \mu^{P}\right\} \approx r^{2}E\left\{\boldsymbol e^{P}(\boldsymbol e^{P})^{T}\right\} \approx r^{2} diag(0,\:\sigma_{u}^{2}\eta^{2}/w^{2},\:\sigma_{v}^{2}/\eta^{2}),\\ \dfrac{1}{\sigma_{r}^{2}}cov\left\{\boldsymbol v_{2}^{P}+ \boldsymbol v_{3}^{P}\right\} \approx E\left\{\boldsymbol e^{P}(\boldsymbol e^{P})^{T}\right\} + \boldsymbol u_{x}\boldsymbol u_{x}^{T} \approx diag(1,\:\sigma_{u}^{2}\eta^{2}/w^{2},\:\sigma_{v}^{2}/\eta^{2})$$

위의 식에서 $\boldsymbol u_{x} \equiv \left[1 0 0 \right]^{T}$이다.

식 (21)식 (20)에 대입하면 예측시선좌표계 의사측정잡음 분산을 다시 쓸 수 있다.

(22)
$$R^{P}\approx \begin{bmatrix} \sigma_{r}^{2}(1+2wm_{w})& 0 & 0 \\ 0 & (r^{2}+\sigma_{r}^{2})\dfrac{\eta^{2}}{w^{2}}\sigma_{u}^{2}& 0 \\ 0 & 0 & (r^{2}+\sigma_{r}^{2})\dfrac{1}{\eta^{2}}\sigma_{v}^{2}\end{bmatrix}$$

이상의 결과로부터 예측시선좌표계 상에서는 식 (19)의 의사측정잡음 평균 $\boldsymbol \mu^{P}$ 및 식 (22)의 분산 $R^{P}$를 AESA 레이다 측정잡음의 1,2차 모멘트만을 이용하여 근사할 수 있다. 더욱이, 측정잡음 분산 $R^{P}$가 대각행렬 형태를 가지므로 예측시선좌표계 상에서는 의사측정치의 결합특성이 크게 완화되는 효과가 있다.

Remark 1. 잘 알려져 있듯이, 측정잡음 분산의 불확실성은 칼만필터의 안정성을 저해하지 않으며 다만 추정오차 분산에 영향을 끼칠 뿐이다 (13). 이와 달리, 오차보상항의 정확도는 표적 추정치의 편향오차(bias error)에 밀접한 관계를 갖는다. 제안된 기법의 유효성을 확인하기 위해 2차원 표적 조우상황$(v=0)$을 가정하자. 방향코사인 측정잡음 표준편차가 $\sigma_{u,\:v}=0.025[rad]$인 경우, 오차보상항의 근사정확도 $\Delta \boldsymbol \mu\equiv E\{\boldsymbol v^{P}\}- \boldsymbol \mu^{P}$는 그림 2와 같이 계산된다. CMKF1과 CMKF2는 기존 오차보상항 산출방법을, PLCCS는 제안하는 예측시선좌표계 도입 방식을 지칭한다. 가정 A3에 따라 시선각 예측오차가 $|\Delta\lambda |$≤$5^{\circ}$범위에서 변화하더라도, 오차보상항의 정확도 변화는 미미하다. 시선각이 작은 경우 제안된 기법에 의한 오차보상항 산출 정확도는 CMKF2와 거의 동일하다. 시선각이 커짐에 따라 $|\Delta \boldsymbol \mu |$가 점차 증가하는 특성을 보이지만, 그 최대 크기는 $0.1 mrad$에 불과하다. 이로 인해 유발되는 편향오차는 상대거리 $50km$에서 약 $5m$로 레이다의 거리 해상도보다 작은 무의미한 값이다. 즉, 제안된 기법은 방향코사인 측정잡음의 저차 모멘트만을 사용함에도 불구하고 실제상황에서 CMKF2와 대등한 편향오차 특성을 보일 것으로 예상된다.

그림. 2. 거리로 정규화한 편향오차 근사 정확도

Fig. 2. Normalized bebiasing error

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Remark 2. 추적필터 구현에 사용된 방향코사인 표준편차 $\sigma_{u,\:v}^{f}$의 불확실성은 오차보상항 근사 정확도를 떨어뜨리는 요인 중 하나이다. $\sigma_{u,\:v}^{f}$의 불확실성이 $+-30\%$일 때 $|\Delta \boldsymbol \mu |$는 그림 3과 같다. 제안된 기법의 경우 $|\Delta\lambda |$≤$5^{\circ}$일 때, $|\Delta \boldsymbol \mu |$의 최댓값을 도시하였다. 그림 3(a)와 3(b)에서 확인할 수 있듯이 표적 시선각에 따라 $\sigma_{u,\:v}^{f}$ 불확실성이 $|\Delta \boldsymbol \mu |$에 미치는 영향이 달라지지만, 제안된 기법의 경우 기존 방법(CMKF2)에 비해 $\sigma_{u,\:v}^{f}$ 불확실성에 상대적으로 둔감한 특성을 보인다.

그림. 3. 측정잡음 불확실성에 대한 편향오차 근사 정확도

Fig. 3. Effect of the uncertain noise standard deviation on the normalized debiasing error

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3. 예측시선좌표계 추적필터 설계 및 구현

앞서 유도된 결과를 이용하여 표적 추적필터를 설계해보자. 먼저, 표적 운동을 기술하기 위해 관성좌표계 3차원 표적 위치, 속도, 가속도벡터를 상태변수로 설정하자.

(23)
$$\boldsymbol x^{I}\equiv\left[\begin{matrix}x_{t}^{I}& y_{t}^{I}& z_{t}^{I}&\dot x_{t}^{I}&\dot y_{t}^{I}&\dot z_{t}^{I}&\ddot x_{t}^{I}&\ddot y_{t}^{I}&\ddot z_{t}^{I}\end{matrix}\right]^{T}$$

편의상 Singer 모델에 따라, 표적 기동특성은 다음 이산시간 시스템으로 기술된다 (7).

(24)
$$\boldsymbol x_{k+1}^{I}= F \boldsymbol x_{k}^{I}+ \boldsymbol u_{k}^{I},\: \boldsymbol u_{k}^{I}\sim N(0,\:Q_{k})$$

여기서 표적 기동시정수 $\tau_{m}$과 샘플링시간 $T_{s}$이 $T_{s}$≪$\tau_{m}$을 만족한다면, 시스템행렬 $F$와 표적운동 모델링 오차를 반영하기 위해 도입된 공정잡음 $\boldsymbol u_{k}^{I}$의 통계적속성은 설계 파라미터 $q$를 이용하여 다음과 같이 정의된다 (7).

$$F =\begin{bmatrix}I^{3\times 3}&T_{s}I^{3\times 3}&\dfrac{T_{s}^{2}}{2}I^{3\times 3}\\ O^{3\times 3}&I^{3\times 3}& T_{s}I^{3\times 3}\\ O^{3\times 3}&O^{3\times 3}&I^{3\times 3}\end{bmatrix},\: Q= q\begin{bmatrix} \dfrac{T_{s}^{5}}{20}I^{3\times 3}&\dfrac{T_{s}^{4}}{8}I^{3\times 3}&\dfrac{T^{3}}{6}I^{3\times 3}\\ \dfrac{T_{s}^{4}}{8}I^{3\times 3}&\dfrac{T_{s}^{3}}{3}I^{3\times 3}&\dfrac{T_{s}^{2}}{2}I^{3\times 3}\\ \dfrac{T_{s}^{3}}{6}I^{3\times 3}&\dfrac{T_{s}^{2}}{2}I^{3\times 3}& T_{s}I^{3\times 3}\end{bmatrix}$$

2.2절의 결과로부터 예측시선좌표계 표적추적 필터 설계를 위한 측정방정식은 다음과 같이 정리된다.

(25)
$$\boldsymbol y_{k}^{P}+ C_{I}^{P}\boldsymbol p_{f}^{I}= H \boldsymbol x_{k}^{P}+ \boldsymbol v^{P}_{k},$$

여기서 의사측정잡음 $\boldsymbol v_{k}^{P}$의 확률분포는 $\boldsymbol v_{k}^{P}\sim N(\boldsymbol \mu_{k}^{P},\:R_{k}^{P})$이며, 사용된 행렬들은 직교합 $\oplus$에 의해 다음과 같이 정의된다.

$$ H =\begin{bmatrix}I^{3\times 3}& O^{3\times 3}& O^{3\times 3}\end{bmatrix}, \enspace C_{I}^{P}= C_{B}^{P}C_{I}^{B}, \enspace T_{I}^{P}\equiv C_{I}^{P}\oplus C_{I}^{P}\oplus C_{I}^{P}$$

참고로, 실제 필터 구현 시에는 방향코사인 참값을 사용할 수 없으므로 필요에 따라 예측치 $\overline{r},\:\overline{u},\:\overline{v}$를 이용해 식 (19)의 $\boldsymbol \mu_{k}^{P}$와 식 (22)의 $R_{k}^{P}$를 계산한다.

표적 운동모델 (24) 및 레이다 측정치 모델 (25)가 모두 선형방정식이므로, 칼만필터를 적용하여 손쉽게 표적추적 필터를 설계할 수 있다. 다만, 식 (16)의 $\boldsymbol y_{k}^{P}$를 그대로 사용하면 필터의 편향오차가 유발되므로 사전에 의사측정치 평균 $\boldsymbol \mu_{k}^{P}$를 보상한 측정치를 사용해야 한다.

(26)
$$\boldsymbol z_{k}^{P}= \boldsymbol y_{k}^{P}+ C_{I}^{P}\boldsymbol p_{f}^{I}- \boldsymbol \mu^{P}_{k}$$

그림. 4. 예측시선좌표계 표적 추적필터 구조

Fig. 4. Target tracking filter structure

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본 논문에서 제안하는 추적필터는 예측시선좌표계를 순차 갱신하는 방식으로 구현 가능하다 (12). 하지만, 관성좌표계에 대한 예측시선벡터의 변화, 즉 좌표변환행렬 $C_{I}^{P}$를 별도로 추출하면 필터링 과정을 보다 수월하게 이해할 수 있다. 이 경우, 그림 4에 도시된 바와 같이 추적필터의 시스템 전파는 관성좌표계 상에서, 측정치 갱신은 예측시선좌표계 상에서 수행하게 된다. 예측시선좌표계 표적 추적필터 순환식을 정리하면 다음과 같다.

좌표변환 (I-frame $\to$ P-frame)

(27)
$$\begin{array}{l} \Delta \boldsymbol{p}_{k | k-1}^{I}=H \hat{\boldsymbol{x}}_{k | k-1}^{I}-\boldsymbol{p}_{f, k}^{I}, \quad T_{I}^{P} \equiv C_{I}^{P} \oplus C_{I}^{P} \oplus C_{I}^{P}, \\ \Delta \boldsymbol{p}_{k | k-1}^{B}=C_{I}^{B} \Delta \boldsymbol{p}_{k | k-1}^{I}, \quad \bar{r}=\left\|\Delta \boldsymbol{p}_{k | k-1}^{B}\right\|, \\ {\left[\begin{array}{cc} \bar{w} \quad \bar{u} & \bar{v} \end{array}\right]^{T}=\Delta \boldsymbol{p}_{k | k-1}^{B} / \bar{r}, \quad \bar{\eta}=\sqrt{1-\bar{v}^{2}}}, \\ \hat{\boldsymbol{x}}_{k | k-1}^{P}=T_{I}^{P} \hat{x}_{k | k-1}^{I}, \quad P_{k | k-1}^{P}=T_{I}^{P} P_{k | k-1}^{I} T_{P}^{I}, \\ z_{k}^{P}=\tilde{r}_{k}\left[\begin{array}{c} \bar{w} \tilde{w}_{k}+\bar{u} \tilde{u}_{k}+\bar{v} \tilde{v}_{k} \\ \left(\bar{w} \tilde{u}_{k}-\bar{u} \tilde{w}_{k}\right) / \bar{\eta} \\ \tilde{v}_{k} \bar{\eta}-\left(\left(\bar{w} \tilde{w}_{k}+\bar{u} \tilde{u}_{k}\right) \bar{v}\right) / \bar{\eta} \end{array}\right]+C_{I}^{P} \boldsymbol{p}_{f, k}^{I}-\boldsymbol{\mu}_{k}^{P} \end{array}$$

측정치 갱신 (P-frame)

(28)
$$\begin{array}{l} K_{f, k}=P_{k | k-1}^{P} H^{T}\left(R_{k}^{P}+H P_{k | k-1}^{P} H^{T}\right)^{-1} \\ P_{k | k}^{P}=\left(I-K_{f, k} H\right) P_{k | k-1}^{P} \\ \hat{x}_{k | k}^{P}=\hat{x}_{k | k-1}^{P}+K_{f, k}\left(z_{k}^{P}-H \hat{x}_{k | k-1}^{P}\right) \end{array}$$

좌표변환 (P-frame $\to$ I-frame)

(29)
$$\hat{x}_{k | k}^{I}=T_{P}^{I} \hat{x}_{k | k}^{P}, P_{k | k}^{I}=T_{P}^{I} P_{k | k-1}^{P} T_{I}^{P}$$

시스템 전파 (I-frame)

(30)
$$\hat{\boldsymbol{x}}_{k+1 | k}^{I}=F \hat{\boldsymbol{x}}_{k | k}^{I}, \quad P_{k+1 | k}^{I}=F P_{k | k}^{I} F^{T}+Q$$

참고로, 레이다로부터 표적이 충분히 멀리 떨어져 있다면, 추적필터의 샘플링 주파수에 비해 시선변화율 동특성이 훨씬 느리므로 공간상에서 시선벡터의 변화가 미미한 것으로 간주할 수 있다. 만일 관성좌표계를 초기 시선벡터 방향으로 설정한다면, 그림 2에 사용된 좌표변환행렬의 역할은 크지 않다. 게다가 식 (27)~(30)에서 $F$와 $H$가 상수행렬이고 $R_{k}^{P}$이 대각행렬이므로 추적필터가 각 축별로 분리된다. 즉, 기존 9차원 CM 필터와 달리 제안한 방법은 3개의 3차 필터로 구현되므로 계산량을 현저히 낮출 수 있다.

4. 표적추적 성능분석

제안된 표적 추적필터의 성능을 확인하기 위해 공대공 교전상황에서의 기동표적 시나리오를 가정하고 모의실험을 수행하였다. 전투기-표적 궤적은 그림 5, 표적의 관성좌표계 기동가속도는 그림 6과 같으며, 이외의 실험조건들은 표 1에 정리하였다. 성능비교 대상인 CMKF2는 레이다 측정잡음의 4차 모멘트까지를 사용하여 구현되는 반면, CMKF1와 제안한 기법은 레이다 측정잡음의 1/2차 모멘트만을 사용하여 구현된다 (10). 모든 필터들은 전투기 동체 운동을 고려하기 위해 3.1절에서 언급된 바와 같이 시스템 전파는 관성좌표계 상에서, 측정치 갱신은 동체 혹은 예측시선좌표계 상에서 수행하는 방식을 취하였다. 기존 기법과 제안된 기법에 대해 200회 몬테칼로 시뮬레이션을 수행하였다.

그림. 5. 교전 시나리오

Fig. 5. Engagement geometry

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그림. 6. 관성좌표계 표적 가속도

Fig. 6. Target acceleration in I-frame

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표 1. 모의실험 조건

Table 1. Simulation conditions

전투기

(레이다)

초기 위치, 속력

$(0,\: 0,\: 10)[k{m}]$, $300[{m}/{s}]$

비행경로각

수평면 $0^{\circ}$, 수직면 $0^{\circ}$

표적

초기 위치, 속력

$(80,\: 10,\: 8)[k{m}]$, $280[{m}/{s}]$

비행경로각

수평면 $180^{\circ}$, 수직면 $0^{\circ}$

추적필터

설계 파라미터

$q= 10^{2}[m^{2}/s^{5}]$

샘플링 시간

$T_{s}=0.05[\sec]$

측정잡음

상대거리

$\sigma_{r}= 50[{m}]$

방향코사인

$\sigma_{u}=\sigma_{v}= 0.025[{rad}]$

시뮬레이션을 통해 얻어진 관성좌표계 위치, 속도 추정오차의 평균 및 표준편차는 그림 7~9와 같다. 그림 7(a)에서 확인할 수 있듯이 $Y$/$Z$축 방향 위치 추정오차의 경우, 세 기법 모두 표적이 기동하는 구간에서 추정오차 평균이 다소 증가하나 전반적으로 영평균을 유지함을 확인할 수 있다. 반면, 의사측정치의 비선형성이 가장 크게 영향을 미치는 $X$축 위치 추정오차를 살펴보면 CMKF1 추정치에 약 15~60[m]의 편향오차가 관찰된다. 이는 CMKF1 설계 시 과도한 근사에 의해 식 (9)의 의사측정치의 평균 보상항이 부정확하게 계산되었기 때문이다. 이와 달리, 제안한 기법은 레이다 측정잡음의 고차 모멘트를 사용한 CMKF2와 마찬가지로 추정오차의 무편향성을 보장한다.

그림. 7. 관성좌표계 표적 위치 추정오차

Fig. 7. Position estimation errors in I-frame

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그림 8~9에서 확인할 수 있듯이, 표적 기동구간을 제외하면 속도 및 가속도 추정오차는 영평균 특성을 보이며, 추정오차 표준편차는 제안하는 기법이 CMKF1보다 더 작은 값을 가진다. $X$축 방향 가속도 추정오차의 표준편차는 필터 구동 초기에는 제안하는 기법이 CMKF1와 CMKF2의 중간 값을, 정상상태에 이르러서는 가장 작은 값을 갖는다. 이상의 결과를 종합하면 제안한 기법의 성능은 CMKF1보다는 우수하고, CMKF2와 전반적으로 유사하다. 하지만, 제안한 기법은 레이다 측정잡음의 고차모멘트를 사용하지 않으므로 CMKF2와 비교할 때 상대적으로 오차보상항의 구현이 용이하다. 또한, 예측시선좌표계의 도입은 필터의 구조적 확장성 측면에서 여러 장점을 지닌다. 특히 AESA 레이다가 시선변화율 측정치를 제공하는 경우, 기존 CM 기법은 의사속도측정치의 정의와 활용이 매우 어렵다 (14).

그림. 8. 관성좌표계 표적 속도 추정오차

Fig. 8. Velocity estimation errors in I-frame

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그림. 9. 관성좌표계 표적 가속도 추정오차

Fig. 9. Acceleration estimation errors in I-frame

../../Resources/kiee/KIEE.2020.69.6.914/fig9.png

반면, 예측시선좌표계 상에서는 상대거리변화율이 X축 속도측정치로 근사되므로 식 (25)의 측정모델에 의사속도추정치를 하나 더 추가함으로써 손쉽게 추적필터를 설계할 수 있다.

참고로 제안한 기법에 의한 방향코사인 $u$,$v$ 예측오차의 평균치는 2mrad 이내 수준(그림 10)이다. 이는 2.2.2절의 예측시선좌표계 의사측정잡음의 통계적 특성 근사를 위한 가정(방향코사인 예측오차의 크기가 1보다 충분히 작다)이 타당함을 뒷받침하는 결과이다.

그림. 10. 방향코사인 예측오차

Fig. 10. Predicted direction cosine errors

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마지막으로 AESA 레이다의 방향코사인 측정잡음 수준에 따른 추적필터의 추정성능 변화를 분석한다. 이를 위해, 레이다에서 제공되는 방향코사인 측정치의 측정잡음 분산을 증감하면서 표적 위치추정치에 대한 RMSE의 변화추이를 관찰하였다. 편의상, 각 축 방향 위치추정치 RMSE를 3차원 거리로 환산하여 그림 11에 도시하였다. 방향코사인 측정잡음이 커질수록 의사측정잡음 특성의 근사정확도가 점차 저하되므로 세 기법 모두 추정오차에 대한 RMSE 증가 특성이 확인된다. 특히, 오차 보상항의 정확도가 낮은 CMKF1의 성능이 방향코사인 측정잡음에 민감하게 변화하는 경향이 있다. 이와 달리, 제안한 기법은 레이다 방향코사인 측정잡음의 1/2차 모멘트만을 사용하여 설계되었음에도 불구하고, CMKF2 기법과 유사한 RMSE를 갖는다.

그림. 11. 측정잡음 표준편차에 따른 거리오차 변화

Fig. 11. RMSE of position estimates according to the measurement noise standard deviation

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한편, 필터 구현에 사용된 방향코사인 측정잡음 표준편차에 불확실성이 존재하는 경우, 표적 위치추정치 RMSE는 그림 12와 같다. 시뮬레이션 결과에서 확인할 수 있듯이 제안된 기법은 CMKF2에 비해 방향코사인 측정잡음 표준편차 불확실성에 상대적으로 견실한 추정성능을 제공한다.

그림. 12. 측정잡음 표준편차 불확실성에 따른 거리오차 변화

Fig. 12. RMSE of position estimates with uncertainty in the measurement noise standard deviation

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5. 결 론

전투기 자세변화로 인해 심화되는 의사측정치의 통계적 비선형성을 효과적으로 다루기 위해 예측시선좌표계 표적 추적필터 설계 방법을 제시하였다. 예측시선좌표계를 도입함으로써 레이다 측정잡음의 1,2차 모멘트만으로 편향오차 보상항을 기존 의사측정치 필터에 비해 매우 정확하게 근사할 수 있음을 보였다.

제안한 기법을 적용하는 경우 측정잡음 공분산이 대각화되어 연산량이 상대적으로 적은 비결합 추적필터 구현이 가능하다는 장점이 있다. 모의실험을 통해 제안한 기법이 기존 기법에 비해 우수한 추정성능을 가질 뿐만 아니라, 방향코사인 측정잡음 분산의 크기가 증가하더라도 안정적인 추정성능을 제공함을 확인하였다.

Acknowledgements

본 연구는 국방과학연구소의 지원에 의해 수행되었습니다. 연구지원에 감사드립니다.

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저자소개

정보영 (Bo-Young Jung)
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2019년 한동대학교 기계제어공학부(공학사)

2019년~현재 동 대학원 기계제어공학과 석사과정

관심분야는 상태추정이론, 표적추적필터, 센서융합 등.

E-mail : 이메일

함다혜 (Dahye Ham)
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2019년 한동대학교 기계제어공학부(공학사)

2019년~현재 동 대학원 기계제어공학과 석사과정

관심분야는 상태추정이론, 다중표적추적 등.

서의석 (Ui-Suk Suh)
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2015년 한동대학교 기게제어공학부 공학사

2017년 동대학원 기계제어공학과 공학석사

2019년~현재 동대학원 기계제어공학과 박사과정

관심분야는 자동표적인식, 정보융합필터, 자율이동체 항법 및 제어 등.

나원상 (Won-Sang Ra)
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1998년, 2000년, 2009년 연세대학교 전기공학과(공학사), 전기컴퓨터공학과(공학석사), 전기전자공학과(공학박사).

2000년~2009년 국방과학연구소 유도조종부 선임연구원.

2009년~현재 한동대학교 기계제어공학부 부교수.

2015년 2월~2016년 2월 Cranfield University 방문교수.

관심분야는 상태추정 및 정보융합 이론, 표적추적필터, 자율이동체 유도조종기법 등.

윤보람 (Boram Yoon)
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2014년 서울시립대학교 컴퓨터과학 및 공간정보공학(공학사)

2016년 동 대학원 공간정보공학(공학석사)

현재 국방과학연구소 항공기레이다체계개발단 연구원

관심분야는 AESA 레이다 시스템 설계, 레이다 신호처리, 지상/해상 이동표적 탐지, 합성개구레이다 등.

김동환 (Dong-Hwan Kim)
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2005년 아주대학교 전자공학부(공학사)

2007년 서울대학교 전기 및 컴퓨터공학부(공학석사)

2007년~현재 국방과학연구소 항공기레이다체계개발단 선임연구원

2016년 3월~현재 충남대학교 전자전파정보통신공학과 박사과정

관심분야는 AESA 레이다 시스템 설계, 레이다 신호처리, 다중표적추적, 레이다와 무선통신 간 스펙트럼 공유 등.