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무인전투기를 위한 가상 추적점 기반 공중 교전 유도 법칙 설계 = Design of an aerial combat guidance law using virtual pursuit point concept
서명 / 저자 무인전투기를 위한 가상 추적점 기반 공중 교전 유도 법칙 설계 = Design of an aerial combat guidance law using virtual pursuit point concept / Dong-Il You.
저자명 You, Dong-Il ; 유동일
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2014].
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초록정보

In this thesis, a virtual pursuit point (VPP) based combat guidance law for autonomous close air-to-air combat of a UCAV is proposed, and X-Plane based nonlinear six-degrees-of-freedom combat simulation results are presented. For realizing practical implementation and good real-time performance, the guidance law is designed using the VPP concept and a typical pure pursuit guidance law. For the guidance design phase, states that are observable and available from the radar for practical implementation are identified and determined. VPPs are introduced to perform tactical maneuvers, including lag and lead pursuit courses. The VPPs consist of virtual lag and lead points. These points are generated based on energy-maneuverability analysis for turn performance, weapon characteristics, and basic fighter maneuver principles of manned fighters. The tactical velocity command, which is essential for an engagement is designed based on the determined optimal flight region by the corner velocity and altitude and environmental parameters such as the opponent’s velocity, relative distance, deviation, and aspect angle. In addition, a normal load factor command is constrained for the management of excessive specific energy. Then, an algorithm for generating a single point using the VPPs and determining the type of maneuvers is introduced by the vehicle’s state-based probabilistic functions. This smoothing technique generates a single pursuit point with a constrained sequence that switches maneuvers between lead and lag. For performance validation, the X-Plane-based real-time combat simulator is employed for testing with a human pilot in a manner similar to that in heuristic approaches. The combat simulation results indicate that the VPP-based guidance law produces plausible maneuvers for one-on-one close air-to-air engagement. The proposed methodology has the advantage of not only allowing wide-ranging combat maneuvers from high-g agile to delicate gunshot maneuvers but also performing tactical pursuit maneuvers in real time using the VPP. In addition, this guidance law is expandable in that heuristic and theoretical methods can be applied for producing the VPP and optimizing the design parameter of this guidance law.

본 논문에서는 무인전투기의 자율 근접 공중 교전을 위한 교전 유도 법칙을 제안하고 X-Plane 기반의 비선형 6자유도 교전 시뮬레이션 결과를 도시하였다. 제안된 유도 법칙은 현실적인 구현과 실시간 성능을 위해서 가상 추적점 개념과 일반적인 일치 추적 유도 법칙을 기반으로 설계하였다. 먼저, 유도 법칙을 설계하기 위해 레이더로부터 관측 및 가용한 상태 변수를 식별하고 결정하였다. 가상 추적점은 무인전투기가 지연, 선도, 일치 추적 등을 포함하는 전술 기동을 수행할 수 있도록 하기 위해 도입하였고, 이는 지연과 선도 추적점으로 구성된다. 이러한 가상의 추적점들은 선회 능력 특성을 위한 에너지-기동성 해석 결과와 무기 특성, 그리고 유인전투기의 기본 전술 기동의 원리를 토대로 생성된다. 교전에 필수적인 교전 속도 명령은 에너지-기동성 해석 결과로 얻어진 코너 속도와 고도, 그리고 적기의 속도, 상대 거리, 교차각, 편차각 등의 기하학적인 조건에 따라 생성되도록 설계하였다. 그리고 무인전투기의 비여유마력을 관리하기 위해 에너지-기동성 해석 결과와 최대 양력 계수, 순간 수직 하중 배수 등을 고려하여 설계하여 최대 하중 배수를 계산하고 이를 이용해 수직 하중 배수를 제한하였다. 또한, 앞서 계산된 가상 추적점들을 교전에 필요한 하나의 추적점으로 생성하기 위해 비행체 상태 변수 기반의 확률 함수를 도입하여 추적 기동의 종류를 결정하도록 하였다. 본 논문에서 제안한 가상 추적점의 스무딩 기법은 지연, 일치 그리고 선도 추적을 실시하는 동안 급작스런 기동 전환을 방지하기 위해 구속 조건을 갖는 전환 방식을 설계하고 이를 기준으로 교전에 필요한 하나의 추적점을 생성하였다. 제안된 기법은 X-Plane 기반의 실시간 교전 시뮬레이터를 사용하여 경험적 연구 방식과 유사하게 유인 조종사와의 교전을 통해 성능을 검증하였다. 시뮬레이션 결과, 가상 추적점 기반 교전 유도 법칙은 일대일 근접 교전 상황에서 합리적이고 이성적인 기동들을 수행하는 것을 확인하였다. 제안된 기법은 높은 하중의 기동에서 기총 사격을 위한 정밀 조준 기동까지 넓은 영역의 기동이 가능할 뿐만 아니라 가상 추적점을 이용해 실시간으로 전술 교전 기동이 가능한 장점이 있다. 또한, 이 유도 법칙은 VPP를 생성하고 설계 변수들의 최적화를 위한 기존의 경험적 또는 이론적 방식의 확장 적용이 가능하다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DAE 14021
형태사항 vi, 66p : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 유동일
지도교수의 영문표기 : Hyun-Chul Shim
지도교수의 한글표기 : 심현철
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 항공우주공학전공,
서지주기 References : p. 58-60
주제 Autonomous aerial combat
virtual pursuit point
dogfight
unmanned combat aerial vehicle
X-Plane
자율 공중 교전
가상 추적점
도그파이트
무인전투기
X-Plane
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