Electronic attack on air defense radar networks by unmanned aerial vehicles (UAVs) is considered. The radar networks are deceived through generating a coherent phantom track for a radar network to make it track a vehicle that does not exist by using UAVs, each capable of intercepting and sending delayed returns of radar pulses.
The inverse problem, to synthesize the UAV trajectory required to create the desired time dependent phantom track, is solved. The result of analysis is applied to construct detailed flyable ranges for an UAV generating a straight and circular phantom track. It is shown that assumption of constant speed of UAV and phantom severely restricts the flyable region where the UAV can fly. Thus constant speed assumption should be relaxed.
One of the most common methods of trajectory generation is optimal approach. The important feature of generating phantom track is kinematic and dynamic constraints. These constraints restrict the freedom of UAV. The dimension of optimal control problem is reduced by using these relations and the optimal control problem to generate a phantom converted into a finite dimensional nonlinear programming problem. Optimal control problem to deceive radar networks is formulated and direct single shooting method is used to solve the problem.
Finally a new guidance law considering the error of the phantom condition in feedback form is proposed to generate a 3D phantom track. The main idea is motivated by the fact that if a UAV tracks the LOS of a phantom from the radar, then the phantom condition is satisfied. The problem is regarded as a LOS guidance problem in which the UAVs track the LOS of the phantom. First, a LOS guidance law is derived for a pre-specified phantom track by using a single UAV, and then the guidance law is extended to an unspecified phantom trajectory generation problem by multiple UAVs. The LOS guidance law for a specified phantom track for maintaining phantom condition is derived by using the input-output feedback linearization technique. As the resultant system is over-actuated, another approach to determine the actual control input is needed. An optimization problem is formulated by inserting an additional objective term, which causes the parallel motion of UAVs and the phantom into a cost function by using a predictive control method. The additional objective term penalizes the extra output tracking error related to the parallel flight at one-step ahead. Finally, a closed-form solution corresponding to a specific phantom track is obtained for the control of UAVs. The performance of the proposed guidance law is demonstrated through a simulation study.
본 논문에서는 무인기를 활용한 방공 레이더망에 대한 전자공격을 다루었다. 레이더 전파를 가로채 분석하고 지연된 전파를 내보내는 전자공격 장비를 탑재한 무인기를 사용하여 실제로 존재하지 않는 환영기를 생성하고 레이더 망에 일관된 환영궤적을 보이게 함으로써 대공레이더 망을 기만할 수 있다.
환영기 생성 문제를 분석하기 위해서 시간에 따라 주어진 환영궤적에 대해 환영기를 생성할 수 있는 무인기의 궤적을 생성하는 문제를 구성하고 해를 구하고 분석하였다. 분석 결과를 적용하여 직선 및 원형 환영궤적을 생성할 수 있는 무인기의 상세한 비행 가능한 영역을 구하였다. 무인기 및 환영기의 등속운동을 가정함으로써 얻은 결과는 무인기의 비행영역을 지나치게 제한하기 때문에 등속운동 조건은 완화되어야 된다는 결론을 얻을 수 있다.
최적제어 기법은 비행궤적생성을 하는 문제에 가장 범용적으로 적용되는 방식중의 하나이다. 환영궤적을 생성하는 문제의 가장 중요한 특성은 운동역학 및 동역학의 제한 조건이다. 이러한 제한조건은 무인기의 운동의 자유도를 제한하게 된다. 이러한 제약조건을 수식적으로 풀어서 최적제어 문제의 규모를 축소할 수 있다. 그리고 제어입력을 매개변수화 함으로써 환영기를 생성하는 최적제어 문제를 유한한 비선형 프로그래밍 문제로 전환하였다. 이렇게 구성된 레이더를 기만하는 최적 제어 문제를 direct single shooting방법을 사용하여 풀어내었다.
최종적으로 환영 생성조건의 오차를 고려한 3차원의 환영궤적을 생성하는 피드백 형태의 새로운 유도법칙을 제안하였다. 주된 발상은 UAV가 레이더와 환영기 사이의 시선각을 따라가면 환영 생성조건을 만족한다는 사실로부터 파생되었다.
환영기 생성문제를 무인기가 레이더와 환영사이의 시선각을 추종하는 시선지령식 유도 문제로 간주하였다. 첫번째로 미리 정의된 환영궤적에 대한 단일 무인기의 시선지령식 유도법칙을 유도하고 다수 무인기에 대한 지정되지 않은 환영 궤적을 생성하는 문제로 확장하였다. 미리 정의된 환영궤적에 대한 환영생성 조건을 유지하도록 하는 시선지령식 유도법칙을 input-output feedback linearization기법을 활용하여 유도하였다. 이렇게 얻어진 제어시스템은 과구동 시스템이기 때문에 실제 제어 입력을 결정하는 제어 재분배 기법이 필요하게 된다. 비선형 예측제어 기업을 활용하여 환영기와 무인기의 평행 운동을 유발하는 부가적인 목적함수를 비용함수에 추가하여 최적화 문제를 구성하였다. 최종적으로는 미리 정의된 환영궤적을 추종하는 무인기의 제어 입력 closed form 형태의 해를 얻었다. 제안된 유도법칙에 대한 성능을 수치 시뮬레이션을 통하여 입증하였다.
