In this dissertation, a guidance synthesis method for anti-ship missiles to enhance their survivability against ship-borne CIWS(Close-In Weapon System) is investigated. Using CFSQP(C code for Feasible Sequential Quadratic Programming) and CEALM(Co-Evolutionary Augmented Lagrangian Method), direct optimization techniques, an optimal control problem to minimize time-varying weighted sum of the inverse of aiming errors of CIWS is solved. The optimal evasive trajectory exhibits sinusoidal acceleration commands, resulting in barrel-roll type evasive maneuvers.
Inspired by the optimization results, 3-dimensional biased PNG laws to induce a barrel-roll maneuver during the homing phase are proposed. First, a biased PNG with a constant barrel-roll frequency is introduced. Another proposed BPNG has a time-varying barrel-roll frequency in order to use all possible energy of the missile. Capturability of the proposed guidance laws are proved by using the Lyapunov stability theory. In the capturability analysis, it is noted that a bias term of the BPNG perpendicular to the missile velocity vector and the LOS vector does not affect the capturability of the BPNG. In the case of the BPNG with a constant barrel-roll frequency, a proper choice of the barrel-roll direction guarantees that the missile altitude can be made lower bounded. Performance of the proposed guidance laws is compared with conventional PNG via simulations. The proposed guidance laws provide an effective evasive maneuver against the CIWS, while homing to the target. The evasion performance of the proposed guidance laws is close to the results of the optimal control problem.
본 논문에서는 대함 유도탄의 회피기동을 위한 유도법칙에 대하여 연구하였다. 유도법칙을 제안하기에 앞서, 함정의 근접방어무기체계 (CIWS)에 대한 최적의 회피기동을 찾기 위한 연구를 수행하였다. 근접방어무기의 조준오차가 0으로 수렴하는 특성을 고려하여 조준오차의 역수에 근접방어무기에서 발사된 탄환의 비행시간을 가중한 값을 시간에 따라 적분한 형태의 성능함수를 고려하였다. 직접적 최적화 방법을 기반으로 한 CFSQP와 공진화 기법(CEALM)을 이용하여 최적화를 수행하였다. 최적화 결과, 근접방어무기에 대한 대함 유도탄의 최적 회피기동은 배럴-롤 형태의 궤적을 생성하는 정현파 형태의 가속도를 가지며, 이는 배럴-롤 형태의 조준오차를 유발함을 알 수 있었다.
최적화 결과를 바탕으로, 본 논문에서는 배럴-롤 기동을 유발하기 위한 부가 비례항법 유도법칙을 제안하였다. 부가 비례항법 유도법칙은 표적을 요격하기 위한 순수 비례항법 유도명령과 배럴-롤 기동을 유발하기 위한 부가 유도명령으로 구성된다. 배럴-롤 기동은 배럴-롤 회전축과 회전속도에 의해 정의될 수 있으며, 배럴-롤 회전속도가 일정한 경우와 시변인 경우의 유도법칙을 제안하였다. 시변 배럴-롤 회전속도는 유도탄의 모든 에너지를 사용하도록 정의되었다. Lyapunov 안정성 이론을 이용하여 제안한 부가 비례항법 유도법칙의 요격성을 증명하였으며, 증명과정에서 유도탄의 속도 벡터와 시선각 벡터에 수직한 배럴-롤 가속도 명령은 요격성에 영향을 끼치지 않음을 확인할 수 있었다. 배럴-롤 회전속도가 일정한 경우에는 배럴-롤 회전방향의 선택을 통해 유도탄의 고도가 초기 고도 이하로 내려가지 않도록 하였다. 본 연구에서 제안한 부가 비례항법 유도법칙의 성능 분석을 위해 다양한 교전 시뮬레이션을 수행하였다. 분석 결과, 배럴-롤 기동을 유발하는 부가 비례항법 유도법칙은 함정의 근접방어무기체계에 대한 대함 유도탄의 생존성을 증대시키며, 수치적 방법으로 구한 최적 회피기동과 유사한 회피성능을 보였다.
