항공우주산업기술동향 11 권 2 호 (2013) pp. 144~149 산업동향 ( 기술동향 ) http://library.kari.re.kr 에서보실수있습니다. 발사체추적용도플러레이더의기술개발동향 노영환 *, 박두진 **, 김태형 *** 1) Technical Development Trend of Doppler Radar for Tracking of Launch Vehicle Noh, Young-Hwan *, Park, Doo-jin *, Kim, Tae-Hyung ** ABSTRACT Doppler Radar is an equipment to track position of the target using phase difference principle that is based on the doppler effect. It is widely used for launch vehicle, aircraft, rocket, flying bullet, ship, airport, harbor and meteorological watch, etc. In this paper, we introduce the technical development trend of Doppler Radar and operating state of Doppler Radar for tracking of Launch Vehicle. 초록 도플러레이더는도플러효과를기본으로도플러위상차를이용하여표적의위치를추적하기위한장비이다. 현재도플러레이더는발사체, 항공기, 로켓, 비행탄자, 선박, 공항, 항만, 기상상태감시등에널리활용되고있다. 본논문에서는도플러레이더의기술개발동향과최근발사체를추적하기위해활용되고있는도플러레이더의운용현황에대해기술한다. Key Words : Doppler Radar( 도플러레이더 ), MF-CW( 다중주파수방식 ), FM-CW( 주파수변조방식 ), Debris radar( 데브리스레이더 ) * 노영환, 한국항공우주연구원나로우주센터체계기술실기술관리팀 nyh@kari.re.kr ** 박두진, 한국항공우주연구원나로우주센터체계기술실기술관리팀 djpark@kari.re.kr, *** 김태형, 한국항공우주연구원나로우주센터체계기술실기술관리팀 thkim@kari.re.kr
노영환외 / 항공우주산업기술동향 11/2 (2013) pp. 144~149 145 1. 서론 도플러 (Doppler) 효과는 1842년오스트리아의물리학자도플러 (C.J. 도플러 ) 가발광체의빛깔은이물체와관측자간의상대운동에의해서변해야함을논하면서최초로발견되었다. 도플러효과 (Doppler effect) 는파동일반에적용되며도플러자신은그의원리를음파에적용하는것에대해언급하였고이효과의실험적입증이 1845년네덜란드에서 Buys Ballot 에의해수행되었다. 전자파를이용하여물체를식별하고자하는착상은 1889년러시아출생의미국인 N. 테슬러로부터시작되어 1931년미국해군연구소의테일러팀이 60MHz의 FM(Frequency Modulation) 도플러레이더로 65km 전방의비행기를탐지하는데성공하였다. 이후도플러레이더는계속되는기술발전을거치게되어현재발사체, 항공기, 로켓, 비행탄자, 선박, 공항, 항만, 기상상태등의식별과감시및측정등에널리활용되고있다 {1}. 도플러레이더는 3~10GHz의주파수를사용하며전파방식은연속파 (CW: Continuous Wave) 와펄스파 (PW: Pulse Wave) 로구분되고있으나발사체추적용도플러레이더는연속파방식을주로사용한다. 본기고에서는도플러레이더의여러활용분야중발사체의추적용으로활용되고있는도플러레이더의기술발전동향을설명하고자한다. 그림 1. MF-CW 레이더 ( 나로우주센터 ) 2.1.1 시선속도측정시선속도 (Radial velocity) 는물체가시선방향으로운동할때의속도를말한다. 이동하는목표물에의하여반사되어레이더에수신되는반사파의주파수는초기에레이더에서보낸송신파의주파수와차이가발생하게된다. 이를주파수천이에의해발생하는도플러주파수라부르며, 시선속도는도플러주파수의 FFT (Fast Fourier Transform) 기법을활용한스펙트럼분석과디지털프로세싱과정을통하여산출된다. 그림2 는시선속도측정원리를나타내고있다. 2. 도플러레이더의기술발전 2.1 MF-CW 레이더 1990년대후반에개발된 MF-CW( 다중주파수방식, Multi Frequency-CW) 레이더는주파수연속변조파를활용한다. 도플러레이더의경우하나의정현파만으로는거리측정이불가능하므로, 반복적인주파수변조를통해거리측정이가능하도록설계되었다. 여기서변조주파수를낮게하고대역폭을넓혀거리의구분을작게하면펄스레이더로는불가능한초근거리의측정과고정밀도로거리를측정할수있다. 2.1.2 각도측정 그림 2. 시선속도측정원리 비행물체의방위각, 고각의변화는모노펄스위상비교 (Mono-pulse Phase-Phase comparison) 로산출된다. 각도를측정하기위하여 4개의수신기가이용되며수신기에입력된신호를기준으로상, 하고각성분과
146 노영환외 / 항공우주산업기술동향 11/2 (2013) pp. 144~149 좌, 우방위각성분으로결합한후고각, 방위각성분의위상차를측정하여각도정보를계산한다. 그림3은각도측정원리를나타내고있다. 그림 3. 각도측정원리 2.1.3 사거리측정 MF-CW 레이더로사거리 (Slant range) 를측정하기위해서는두개의오실레이터로부터동시에두개의주파수를송신한다. 송신하는두개의주파수중하나는모노펄스위상비교를적용하여속도를측정하기위한일정한값의주파수를송신하며, 나머지하나는시간에따라주파수가변하는계단연속파 (stepped CW) 를송신하여 ambiguity를해결한다. 사거리는두송신주파수의차와두개의수신기에수신된도플러주파수의위상차를이용하여산출한다. 그림4는사거리측정원리를나타내고있다. 2.2 CW/FM-CW 레이더 2000년대초반에개발된 FM-CW( 주파수변조방식, Frequency Modulation-CW) 레이더는 MF-CW 레이더의단점을보완하기위하여개발되었다. MF-CW 레이더의경우주어진전송대역폭에서보다정확한사거리측정이가능하나자료처리의시간이길고제로- 도플러 (Zero-Doppler) 물체및정지물체의추적과사거리측정이불가능하다. 그러나 FM-CW 방식을활용하면제로-도플러물체나정지물체의추적및사거리를측정할수있다. FM-CW 레이더의단점으로는근거리에서지면간 그림 4. 사거리측정원리 (MF-CW 레이더 ) 섭에민감하고 MF-CW 레이더와동일대역폭조건에서비행거리측정의정확도가떨어진다. 그러므로최근에는 CW/FM-CW 방식과같이 CW와 FM-CW 방식으로혼용하여사용하고있다. CW/FM-CW 레이더의속도및각도측정은 CW 도플러레이더방식에기초한다. 레이더는두개의오실레이터로부터동시에두개의주파수를송신한다. 송신하는두개의주파수중하나는모노펄스위상비교를적용하여시선속도 10m/s 이상의물체에대한각도측정및도플러측정의정확도향상을위하여일정한값의주파수 (X-band) 로송신하며, 나머지하나는시간에따라주파수가연속적으로변하는삼각파 (triangular CW) 를송신하여시선속도 10m/s 이하물
노영환외 / 항공우주산업기술동향 11/2 (2013) pp. 144~149 147 체에대한각도측정및시선속도분리가가능한여러개의물체를동시에추적하는용도로활용한다. 사거리는신호의방향변환때문에생기는갑작스러운위상변화에민감하지않은디지털프로세싱을사용하여중간파 (IF) 가몇번 Zero Crossing을하였는지확인할수있다. 이중간파신호를분석하기위해서는 IF 스펙트럼이필요하며 FFT 기법을사용하고, 간섭반사파를제거해서사거리를산출한다. 그림5는 CW/FM-CW 레이더의사거리측정원리를나타내며, 그림 6은 CW/FM-CW 레이더의제로-도플러물체의추적을보여주고있다. 2.3 데브리스 (Debris) 레이더 2000년대초반에개발된데브리스레이더는다중추적레이더로써 CW/FM-CW, CW/MF-CW 방식을활용하여빔폭내에서이동하는여러개의표적신호를동시에감지하고추적하기위한용도로개발되었다. 그림 5. 사거리측정원리 (CW/FM-CW 레이더 ) 그림 7. Debris 레이더 ( 일본, 다네가시마우주센터 ) 그림 6. 제로도플러물체추적 (CW/FM-CW) 기존의도플러레이더는비행물체의추적시부스터및단분리와같은이벤트가발생할경우신호대잡음비 (SNR, Signal to Noise Ratio) 가높은물체를추적하게된다. 따라서발사임무수행시분리이벤트가발생할경우낙하물의추적및위치정보를획득할수없다. 그러나데브리스레이더를활용할경우빔폭내에
148 노영환 외 / 항공우주산업기술동향 11/2 (2013) pp. 144~149 서 발사체 추적과 분리 이벤트 후 낙하하는 물체의 위 치추적 및 모션분석이 가능하다. 또한 데브리스 레이더는 탐지 레이더와 연동하여 우주파편(Space Debris)를 추적하는 용도로도 활용되 고 있다. 2.4 발사체 추적용 도플러 레이더의 운용 1990년대 후반 MF-CW 도플러 레이더는 발사체 추 적 임무시 사거리 측정을 위한 용도로 활용되었으나 현재는 발사체의 추적 및 낙하물의 위치추적, 모션분 석과 회수의 용도로 활용되고 있다. 미국은 Cape Canaveral, Wallops Island, Vandengerg AFB 등에서 여러대의 데브리스 레이더 를 운용중이며 Space shuttle, Delta, Atlas, Titan, Falcon 9(Space X) 등의 발사 임무시에 활용하고 있다. 2006년 미국 Cape Canaveral 미공군기지에서 발사된 Delta 발사체의 경우 두 대의 데브리스 레이더가 운용 되었다. 한 대는 로켓 및 낙하체를 추적하기 위한 용도 그림 10. Air lit booster fall off(debris DTI) 로 활용되었으며, 나머지 한 대는 배에 탑재하여 낙하 체의 위치추적 및 회수의 용도로 활용되었다. 그림 8, 그림 9, 그림 10은 2006년 미국의 Cape Canaveral 미공군기지에서 발사된 Delta 발사체를 데 브리스 레이더로 추적한 결과이다. 일본과 유럽 또한 현재 데브리스 레이더를 운용중 이다. 일본의 경우 데브리스 레이더를 Epsilon, H2B 의 그림 8. Delta Rocket Launch(Debris DTI) 그림 11. H2B-F3(다네가시마 우주센터, Debris DTI) 그림 9. Ground lit booster fall off(debris DTI) 그림 12. Ariane5(Kourou 우주센터, Debris DTI)
노영환외 / 항공우주산업기술동향 11/2 (2013) pp. 144~149 149 발사에활용하고있으며, 유럽의경우 Ariane5, Vega, Soyuz 발사에활용하고있다. 그림 11은 2012년다네가시마우주센터에서발사된 H2B-F3 발사체를데브리스레이더로추적한결과이며, 그림 12는 2013년 Kourou에서발사된 Ariane5 발사체를데브리스레이더로추적한결과이다. 3. 결론 본논문에서는도플러레이더의개념과기술발전현황을알아보고현재발사체추적용으로활용되고있는도플러레이더의운용현황을살펴보았다. 사거리측정용으로시작된도플러레이더는연속파의송신과신호처리방식의발전으로현재데브리스레이더까지개발되었으며, 데브리스레이더의경우제로도플러물체에대한추적과함께빔폭내에이동하는여러개의표적신호를동시에감지하고추적할수있어세계각국의발사장에서발사체의추적및분리낙하체의위치추적과모션분석에활용하고있다. 참고문헌 1. 최주호, 박용석, 도플러레이더의활용분야와기술발전추세, 국방과기술, 2008년 9월호, pp.32-33 [ 휴먼명조 9.5] 2. WEIBEL radar conference", cardiz spain, 2006 3. WEIBEL radar conference", copenhagen denmark, 2013 4. 성백능외, 대학일반기초물리학, 서울, 이우출판사, 1990, pp.312-316 5. http://www.weibel.dk/ 6. http://www.cnes.fr/