KR20120009640A

KR20120009640A - 천해용 잠수함 경계 시스템

Info

Publication number: KR20120009640A
Application number: KR1020100069744A
Authority: KR
Inventors: 임성호
Original assignee: 임성호
Priority date: 2010-07-19
Filing date: 2010-07-19
Publication date: 2012-02-02

Abstract

본 발명에서는, 수심이 100M 이내로 낮고, 수온차로 인하여 음영 구역 문제가 있어 수평 방향으로 멀리 떨어진 함정에서 잠수함을 감지하기 어려운 서해 지역에서, 침투 초기에 정확하고 안전하고 높은 탐지율로 대잠수함을 감지하고 타격할 수 있으며, 아울러 피아를 식별할 수 있는 시스템을 구현하고자 하였다. 또한 쌍끌이 어선의 그물, 물고기 충격, 태풍에 의한 물쌀 등에도 훼손되지 않도록 구현하고자 하였으며, 센서 및 제어 장치를 위한 전기는 자체적으로 충당할 수 있도록 하고자 하였다. 또한 센서에서 탐지된 정보를 원격지에 있는 함정 및 관제센터에서 신속하게 전달되도록 하며, 함정 및 관제센터에서 내려진 제어 명령은 제어 장치에 정확하게 실시간으로 전송되도록 하여, 경계지역에서 멀리 떨어진 함정 및 관제센터에서 안전하고도 신속 정확하게 대잠수함을 탐지하고 대응할 수 있도록 하고자 하였다.
탐지 정확도 개선 및 안전하고 신속한 탐지 및 대응을 위하여, SONAR를 함정에 부착하거나 견인하지 않고 감시할 해역의 바다밑에 두고, 가까운 거리에 있는 물체만 감지하도록 하고, 탐지 범위를 벗어나는 지점에는 다시 SONAR를 더 설치하여, FALSE ALRAM이 매우 적고 정확도는 매우 높은 감시 장치가 되도록 하였다.
음영 구역 문제를 줄이기 위해, 감시 해역에 그물망 구조로 다수 설치된 SONAR는 코드로 구별되는 고유의 초음파 펄스를 부여하여, 다수의 SONAR가 동시에 동작하도록 하여, 한 SONAR가 음영구역 문제가 발생하더라도, 다른 SONAR는 정상적으로 반사파를 감지할 수 있도록 하였다. 또한 한 SONAR가 송출한 펄스를 다른 SONAR에서도 식별할 수 있도록 하여 음역구역 문제를 좀더 개선하였다.
적군과 아군을 식별하기 위하여, SONAR에 반응하여 아군임을 알리는 초음파 식별 장치를 구현하였으며, 피아식별 과정은 SONAR 특성을 이용하여 은밀하게 자동적으로 작동하도록 하여, 아군의 위치 및 피아식별 의도에 의한 정보 노출이 최소화되도록 하였다.
쌍끌이 어선의 그물, 물고기 충격, 태풍에 의한 강한 물쌀 등에도 훼손되지 않도록하기 위하여, 각 노드에는 전원 및 통신과 지지를 위한 케이블을 사용하지 않는 방법을 도출하였다. 먼저 전원 케이블을 사용하지 않기 위해서, 각 노드에서 필요한 전력은 자체적으로 충당할 수 있는 조류를 이용한 소형 발전기를 구현하였다. 통신 케이블을 사용하지 않기 위해서는 초음파 송수신기 및 라우터를 두어, 중계 전송하도록 하였으며, 먼 거리에 있는 함정 및 관제센터에도 무선으로 보낼 수 있도록 하였다. 전기 발생을 위한 회전체, 센서, 제어장치, 통신장치 등을 보호하게 위해 보호망을 적용하였으며, 보호망은 전력 발생 효율을 저하시키지 않으며 상기 외력에 의한 훼손을 적게 받도록 모기장 구조의 반구형 형태로 구현하였다. 또한 지지 케이블을 없애기 위해서는 노드를 소형화하고 다양한 바다 바닥 설치에 적합한 고정 장치 구현하였으며, 또한 설치 및 유지보수를 신속하고 간단하게 하기 위해서 함정에서 원격으로 설치 및 보수 가능한 원격 제어 장치를 구현하였다.
또한 센서와 제어 장치 및 기폭장치를 바닥속에서 네트워크화하여, 탐지된 정보를 함정 및 관제센터에 신속하게 전달되도록 하며, 판단에 의해 내려진 제어 명령은 해당 지점에 위치한 제어 및 기폭 장치에 실시간으로 전송되도록 하여, 함정 및 관제센터에서 안전하고도 신속 정확하게 대 잠수함을 탐지하고 대응할 수 있도록 하였다.
따라서 본 발명은 서해와 같이 낮고 수온차가 크고, 조류의 변화가 크고, 일반 어선의 조업이 활발하게 이루어지는 난해한 상황에서도 신속하고 정확하고 안정적으로 잠수함 침투를 조기에 감지하고 대응할 수 있는 대잠수함 조기 경보 체계에 크게 도움이 될 것이다. 또한 SOSUS 등 고가의 감시체계에 비해 상대적으로 매우 적은 비용으로 구축 가능하고, 유지비용 및 시간도 상대적으로 크게 절감할 수 있을 것으로 사료된다.

Description

천해용 잠수함 경계 시스템 {ANTISUBMARINE WARNING SYSTEM FOR THE SHALLOW SEA}

본 발명은 바다속으로 침투하는 잠수함을 감시 경계하는 시스템에 관한 기술이다.

서해에서 천안함 침몰로 인하여 함정에 대한 새로운 방어체계가 시급하게 필요한 상태이다. 특히 서해처럼 수심이 낮고 조류가 급격하게 변화하는 바다에서는 기존 레이더 및 소나 만을 이용하여 방어하는 것으로는 크게 부족하다. 심해를 포함하여 모든 바다에 적용되는 초음파를 감지하여 잠수함을 감지하는 SOSUS가 있으나 쌍끌이 어선의 조업이 행해지고 있고 태풍의 영향을 받는 천해인 서해에는 장치의 훼손, 낮은 깊이, 음영 구역 문제 등으로 인하여 부적합하다. 따라서 서해 바다와 같이 수심이 낮은 바다를 경계하기에 적합한 대잠수함 경계 체계가 절실하게 필요한 상태이다.

본 발명에서는, 수심이 100M 이내로 낮고, 수온차로 인하여 음영 구역 문제가 있어 수평 방향으로 멀리 떨어진 함정에서 대잠수함을 감지하기 어려운 서해 지역에서, 침투 초기에 정확하고 안전하고 높은 탐지율로 대잠수함을 감지하고 타격할 수 있으며, 아울러 피아를 식별할 수 있는 시스템을 구현하고자 하였다.

또한 쌍끌이 어선의 그물, 물고기 충격, 태풍에 의한 물쌀 등에도 훼손되지 않도록 구현하고자 하였으며, 센서 및 제어 장치를 위한 전기는 자체적으로 충당할 수 있도록 하고자 하였다.

또한 센서에서 탐지된 정보를 원격지에 있는 함정 및 관제센터에서 신속하게 전달되도록 하며, 함정 및 관제센터에서 내려진 제어 명령은 제어 장치에 정확하게 실시간으로 전송되도록 하여, 경계지역에서 멀리 떨어진 함정 및 관제센터에서 안전하고도 신속 정확하게 대잠수함을 탐지하고 대응할 수 있도록 하고자 하였다.

탐지 정확도 개선 및 안전하고 신속한 탐지 및 대응을 위하여, SONAR를 함정에 부착하거나 견인하지 않고 감시할 해역의 바다밑에 두고, SONAR는 가까운 거리에 있는 물체만 감지하도록 하고, 탐지 범위를 벗어나는 지점에는 또 하나의 SONAR를 더 설치하며, 상기 SONAR들 간에는 중계전송하도록 하여, FALSE ALRAM이 매우 적고 정확도는 매우 높으며 침투 초기에 신속하게 탐지할 수 있는 경계 시스템이 되도록 하였다.

또한 음영 구역 문제를 줄이기 위해, 감시 해역에 그물망 구조로 다수 설치된 SONAR는 코드로 구별되는 고유의 초음파 펄스를 부여하여, 다수의 SONAR가 동시에 동작하도록 하여, 한 SONAR가 음영구역 문제가 발생하더라도, 다른 SONAR는 정상적으로 반사파를 감지할 수 있도록 하였다. 또한 한 SONAR가 송출한 펄스를 다른 SONAR에서도 식별할 수 있도록 하여 음역구역 문제를 이중으로 개선하였다.

또한 적군과 아군을 식별하기 위하여, SONAR에 반응하여 아군임을 알리는 초음파 식별 장치를 구현하였으며, 피아식별 과정은 SONAR 특성을 이용하여 은밀하게 자동적으로 작동하도록 하여, 아군의 위치 및 피아식별 의도에 의한 정보 노출이 최소화되도록 하였다.

또한 쌍끌이 어선의 그물, 물고기 충격, 태풍에 의한 강한 물쌀 등에도 노드가 훼손되지 않도록 하기 위하여, 각 노드에는 전원, 통신 및 지지를 위한 케이블을 사용하지 않는 방법을 도출하였다. 먼저 전원 케이블을 사용하지 않기 위해서, 각 노드에서 필요한 전력은 자체적으로 충당할 수 있는 조류를 이용한 소형 발전기를 구현하였다. 통신 케이블을 사용하지 않기 위해서는 초음파 송수신기 및 라우터를 두어, 중계 전송하도록 하였으며, 먼 거리에 있는 함정 및 관제센터에도 무선으로 보낼 수 있도록 하였다. 전기 발생을 위한 회전체, 센서, 제어장치, 통신장치 등을 보호하게 위해 보호망을 적용하였으며, 보호망은 전력 발생 효율을 저하시키지 않으며 상기 외력에 의한 훼손을 적게 받도록 모기장 구조의 반구형 형태로 구현하였다. 또한 지지 케이블을 없애기 위해서는 노드를 소형화하고 다양한 바다 바닥 설치에 적합한 고정 장치를 별도로 구현하였으며, 또한 설치 및 유지보수를 신속하고 간단하게 하기 위해서 함정에서 원격으로 설치 및 보수 가능한 원격 제어 장치를 구현하였다.

또한 센서와 제어 장치 및 기폭장치를 바닥속에서 네트워크화하여, 탐지된 정보를 함정 및 관제센터에 신속하게 전달되도록 하며, 함정 및 관제센터에서 내려진 제어 명령은 해당 지점에 위치한 제어 및 기폭 장치에 실시간으로 전송되도록 하여, 함정 및 관제센터에서 안전하고도 신속 정확하게 대 잠수함을 탐지하고 대응할 수 있도록 하였다.

현재 서해에서 천안함 침몰로 인하여 함정에 대한 새로운 방어체계가 시급하게 필요한 상태이나, 서해는 조류가 급격하게 변화하고, 수온차가 크며, 바다 깊이가 매우 낮아서 음영 구역 문제가 많이 발생하여, 기존 소나만을 이용하여 함정에서만 감지하는 것만으로는 매우 부족한 상태이며, 만일 감지하더라도 함정과 매우 근접한 상태에서 감지가 이루어지면 대응할 시간이 부족하게 된다.

따라서 본 발명은 서해와 같이 낮고 수온차가 크고, 조류의 변화가 크고, 일반 어선의 조업이 활발하게 이루어지는 난해한 상황에서도 신속하고 정확하고 안정적으로 잠수함 침투를 조기에 감지하고 대응할 수 있는 대잠수함 조기 경보 체계에 크게 도움이 될 것이다. 또한 SOSUS 등 고가의 감시체계에 비해 상대적으로 매우 적은 비용으로 구축 가능하고, 유지비용 및 시간도 상대적으로 크게 절감할 수 있을 것으로 사료된다.

도 1은 본 발명의 개념도로, 경계해역에서 센서를 이용하여 잠수함을 탐지하고, 탐지 정보를 신속하게 함정에 전송하는 모습을 나타낸 그림이다.
도 2는 노드들 간에 중계 전송하여 탐지한 정보를 전송하는 것을 나타낸 그림이다.
도 3은 SONAR에 고유의 코드를 부여하는 방법을 나타낸 그림이다.
도 4는 피아식별을 위한 방법을 나타낸 그림이다.
도 5는 SONAR 센서를 위한 셀 단위 주파수 재사용 방법을 나타낸 그림이다.
도 6은 노드를 그물망 형태로 배치하여 잠수함의 이동루트를 파악하는 모습을 나타낸 그림이다.
도 7은 선박을 통하여 위치정보를 얻는 모습을 나타낸 그림이다.
도 8은 이웃 노드들을 통하여 위치정보를 얻는 모습을 나타낸 그림이다.
도 9는 노드에 대한 블럭도이다.
도 10은 분산 SONAR에 대한 블럭도이다.
도 11은 분산 SONAR의 수신처리부에 대한 블럭도이다.
도 12는 초음파 통신기에 대한 블럭도이다.
도 13은 피아식별 장치에 대한 블럭도이다.
도 14는 무선 원격 폭파 장치에 대한 블럭도이다.
도 15는 조류를 이용한 소형 발전기를 나타낸 그림이다.
도 16은 보호망과 보호망을 이용한 초음파 진동자 배치상태를 나타낸 그림이다.
도 17은 무인 잠수정을 이용하여 원격으로 노드를 설치하고 있는 모습을 나타낸 그림이다.
도 18은 무인 잠수정의 몸체를 나타낸 그림이다.
도 19는 무인 잠수정의 로봇손과 지지 다리를 나타낸 그림이다.
도 20은 뻘 설치용 고정장치와 고정장치를 고정하기 위한 치구를 나타낸 그림이다.
도 21은 암반 설치용 고정장치와 고정장치를 고정하기 위한 치구를 나타낸 그림이다.
도 22는 뻘 설치용 고정장치를 사용하여 노드를 고정한 모습을 나타낸 그림이다.

서해에서 천안함 침몰로 인하여 함정에 대한 새로운 방어체계가 시급하게 필요한 상태이다. 특히 서해처럼 수심이 낮고 조류가 급격하게 변화하는 바다에서는 기존 레이더 및 기존 소나 만을 이용하여 경계하는 것으로는 미흡하다. 심해를 포함하여 모든 바다에 적용되며 초음파를 감지하여 잠수함을 감지하는 SOSUS가 있으나 쌍끌이 어선 조업이 행해지고 있고 태풍의 영향을 받는 천해인 서해에는 부적합하다. 따라서 서해 바다와 같이 수심이 낮은 바다를 경계하기에 적합한 대잠수함 감시 체계가 필요하다.

따라서 본 발명에서는, 탐지 정확도 개선 및 안전하고 신속한 탐지 및 대응을 위하여, SONAR를 함정에 부착하거나 견인하지 않고 감시할 해역의 바다밑에 두고, SONAR는 가까운 거리에 있는 물체만 감지하도록 하고, 탐지 범위를 벗어나는 지점에는 또 하나의 SONAR를 더 설치하며, 상기 센서들간에는 중계전송하도록 하여, FALSE ALRAM이 매우 적고 정확도는 매우 높으며 침투 초기에 신속하게 탐지할 수 있는 경계 시스템이 되도록 하였다.

또한 음영 구역 문제를 줄이기 위해, 감시 해역에 그물망 구조로 다수 설치된 SONAR는 코드로 구별되는 고유의 초음파 펄스를 부여하여, 다수의 SONAR가 동시에 동작하도록 하여, 한 SONAR가 음영구역 문제가 발생하더라도, 다른 SONAR는 정상적으로 반사파를 감지할 수 있도록 하였다. 또한 한 SONAR가 송출한 펄스를 다른 SONAR에서도 식별할 수 있도록 하여 이중으로 음역구역 문제를 개선하였다.

또한 쌍끌이 어선의 그물, 물고기 충격, 태풍에 의한 강한 물쌀 등에도 훼손되지 않도록 하기 위하여, 각 노드에는 전원 및 통신과 지지를 위한 케이블을 사용하지 않도록 하는 방법을 도출하였다. 먼저 전원 케이블을 사용하지 않기 위해서, 각 노드에서 필요한 전력은 자체적으로 충당할 수 있는 조류를 이용한 소형 발전기를 구현하였다. 통신 케이블을 사용하지 않기 위해서는 초음파 송수신기 및 라우터를 두어, 무선으로 중계 전송하도록 하였으며, 먼 거리에 있는 함정 및 관제센터에도 RF로 보낼 수 있도록 하였다. 추가적으로 전기 발생을 위한 회전체, 센서, 제어장치, 통신장치 등을 보호하기 위해 보호망을 적용하였으며, 보호망은 전력 발생 효율은 저하시키지 않으며 외력에 의한 훼손은 적게 받도록 모기장 구조의 반구형 형태로 구현하였다. 또한 지지 케이블을 없애기 위해서는 노드를 소형화하고 다양한 바다 바닥 설치에 적합한 고정 장치를 구현하였다.

또한 설치 및 유지보수를 신속하고 간단하게 하기 위해서 함정에서 원격으로 설치 및 보수 가능한 원격 제어 장치를 구현하였다.

또한 기폭장치를 네트워크의 노드에 연결하여, 원격지에서 내려진 제어 명령이 해당 지점에 위치한 제어 및 기폭 장치에 실시간으로 전송되도록 하여, 함정 및 관제센터에서 안전하고도 신속 정확하게 대잠수함을 탐지하고 대응할 수 있도록 하였다. 필요에 따라 네트워크를 구성한 노드에 상기 기폭 기능을 추가시킬 수 있으며, 또는 센서는 없이 기폭 기능만을 갖는 별도의 노드로 구현할 수도 있다.

먼저 탐지 정확도 및 안전하고 신속한 탐지 및 대응을 위한 좀더 상세한 내용은 다음과 같다. 경계지역에 센서를 장작한 노드를 다수 설치하고, 노드들간에는 서로 정보를 전달할 수 있도록 초음파 네트워크를 구성하였다. 네트워크 구현을 위해 각 노드들에는 라우터와 초음파 송수신기를 내장하여 AD-HOC 중계 방식으로 데이터를 중계 전송할 수 있도록 하였으며, 많은 노드들이 제한된 주파수 대역을 공유하여 데이터를 주고 받을 수 있도록 CSMA/CD 프로토콜을 적용하였으며, 또한 SONAR와 데이터 통신 모뎀이 모두 초음파를 사용할 수 있도록 시간대 및 대역 할당을 하는 프로토콜을 도출하였다. 또한 육지와 접하는 지점에는 초음파로 수신된 데이터를 RF로 변환하여 전송할 수 있는 RF 중계 허브를 두어, 센서에서 탐지된 정보를 원격지에 있는 함정 및 관제센터에서 신속하게 전달되도록 하였으며, 함정 및 관제센터에서 내려진 제어 명령은 정확한 제어 장치에 실시간으로 전송되도록 하여, 함정 및 관제센터에서 안전하고도 신속 정확하게 대잠수함을 탐지하고 대응할 수 있도록 하였다.

음영 구역 문제는 두가지 방법으로 해결하였다. 첫번째는 SONAR를 여러 장소에 분산 설치하는 방법과 두번째는 한 SONAR 신호를 다른 SONAR 수신기에서도 식별되도록 하는 방법이다. 첫번째 방법은 먼저 침투가 예상되는 해역에 SONAR를 여러 곳에 분산 설치하는 것이다. 각각 다른 장소에 분산 설치된 SONAR는 각각 다른 루트로 초음파를 발사하기 때문에 한 지점에서 음영 문제가 발생하여 대잠수함 감지가 이루어지지 않더라도, 나머지 다른 SONAR에서는 잠수함이 감지될 수 있도록 하여, 음영구역 문제를 개선하는 방법이다. 두번째 방법은 첫번째 방법과 마찬가지로 침투가 예상되는 해역에 SONAR를 여러 곳에 분산 설치하나, 각각 식별이 가능한 초음파 신호를 발사하고 다른 수신기에서도 이 신호가 수신될 수 있도록 하는 방법이다. 도 3은 식별 코드를 나타낸 그림이다. 식별 코드 및 타이밍 정보 전송은 상호간에 데이터 통신을 통하여 이루어지도록 하거나, 또는 설치시에 주입한다. 상기와 같이 두가지 방법을 이중 적용하여 음영구역 문제를 개선하였다.

각 SONAR는 코드화된 펄스를 사용하며, 도 3과 같이 펄스 내의 특정시간에 특정 주파수를 갖지는 코드 세트를 각각 부여하며, 부여한 코드 세트는 상호 영향을 주지 않도록 하며, 한 SONAR에서 송출한 신호가 다른 SONAR에서도 신호를 식별할 수 있도록 하여, 반사된 신호가 되돌아 오지 않고 다른 SONAR에 도달하여도, 물체의 거리와 위치를 알 수 있도록 하여, 음영 문제 및 탐지 확률을 개선한다. SONAR(101,102,103, 104,105,106,107,108,109)를 도 1과 같이 설치하고, 각 SONAR는 도 6와 같이 펄스 내의 특정시간에 특정 주파수를 가지는 코드 세트를 각각 부여하며, 부여한 코드 세트는 상호 영향을 주지 않도록 한다. 또한 펄스 송신기는, 부여받은 코드로 초음파 펄스를 송출하나, 수신기는 도 11와 같이 자신의 펄스외에 다른 SONAR의 펄스도 수신하도록 인근의 타 SONAR 코드를 수신할 수 있는 MATCHED 필터(1101,1102,1103,1104)를 갖도록 한다.

도 11의 DETECTION PROCESSOR(1105)는 이웃 SONAR와 통신을 하여 이웃 SONAR들의 위치 정보, 자신과의 거리 및 펄스 송출 시간 등의 정보를 사전에 갖고 있어서 자기 자신의 반사 펄스 외에 타 SONAR의 펄스도 탐지에 활용한다. 타 SONAR로 부터의 신호는, 근접한 거리에 있는 물체에 의한 초단 반사파 및 DUPLEXER를 통해서 새들어오는 신호에 의해 근접한 거리에 있는 물체가 잘 안 보이는, 브라인드 현상을 완화시켜 준다. 또한 이웃 노드들의 위치 정보와 3개 이상의 타 SONAR로 부터 수신된 반사파를 가지고 삼각법을 사용하여 침입 잠수함의 위치를 정확하게 파악할 수 있도록 하며, 여러 노드에서 탐지되는 정보를 이용하여, 잠수함의 이동 루트, 속도, 예상 진행 방향을 정확하게 파악할 수 있도록 하는 정보를 제공한다.

피아식별을 위한 상세한 설명은 다음과 같다. 피아식별을 위해 SONAR에서 초음파 펄스를 송출하고 아군 잠수함에서는 식별을 위한 가상 반사파를 내보낸다. 따라서 수신 펄스 모양은 도 4의 (a)와 같다. 도 4에서 401은 송출 펄스이며, 402는 아군잠수함에서의 반사파이고, 403은 아군에서 피아식별용으로 보낸 응답펄스이다. 상기 SONAR는 기존의 SONAR와 기능면에서는 동일하나, 송출 주기를 의도적으로 바꾸는 기능과 반사파들의 시간 간격을 확인하여 가상반사펄스를 찾아내는 기능을 추가적으로 갖는다. 가상반사파송출장치는 아군의 잠수함 또는 함정에 설치하며, SONAR 펄스를 수신하고, SONAR에서 아군임을 확인하기 위한 의도가 확인되면, 가상 반사파를 만들어 보내는 역할을 한다. 가상 반사파는, 입력 펄스를 기준으로 해서 미리 정해놓은 시간 지연 후 송출된다. 미리 정해놓은 시간 지연값은 코드화하여 노출되지 않도록 유지한다. 또한 상기 코드를 이용하여, 정해진 영역안에서 RANDOM 하게 변화하나 정확한 순서에 의해 발생하는 의사랜덤넘버를 이용하여 지연을 발생시키면 적측에서 좀더 해독하기 어려울 것이다.

도 4 (b)는 피아식별 기능을 가진 SONAR의 출력 펄스 파형을 나타낸 그림이다. SONAR 펄스는 평상시에는 도 4의 펄스반복시간 2, 3과 같이 일정한 주기로 송출하다가 함정 또는 잠수함으로 판단된 물체에서 반사파가 되돌아오면, 아군인지 여부를 확인하기 위하여, 평상시의 주기와는 다른 주기로 초음파 펄스를 송출한다. 아군의 함정이나 잠수함에서 상기 주기가 확인되면 전술한 방법에 따라 가상반사파를 송출하여, SONAR에게 아군임을 인지하도록 한다. 상기 다른 주기는 미리 정해놓은 고정된 값이거나, 코드값에 의해 일정한 순서로 바뀌도록 하는 것이 가능하다. 적에게 파악을 좀더 어렵게 하기 위해서는 자주 바뀌는 것이 유리하기 때문에 미리 정해 놓은 일정한 순서대로 변화하는 코드를 여러 개 정하고, 코드를 매일 매일 바꿔서 사용할 수도 있으며, 상기 코드 값에 따라 의사랜덤넘버를 발생시키는 방법을 사용할 수도 있다. 의사랜덤넘버값은 랜덤하게 변화하나 정해진 순서에 의해서 변화하기 때문에 그 의사랜덤넘버를 발생시킨 코드값만 알면, 복원할 수 있으므로 아군의 함정이나 잠수함에도 동일한 코드값을 적용하여 의사램덤넘버를 발생시키면 SONAR의 주기와 일치시킬 수 있다. 따라서 상기 의사랜덤넘버에 의한 지연 방식을 적용하면 적측의 분석에 의한 지연 주기 노출 문제에 좀더 안전하다.

주파수 재사용을 위한 내용을 좀더 상세하게 설명하면 다음과 같다. 도 5는 노드(501, 502,503,504,505,506,507,508,509)들이 제한적인 주파수 자원을 가지고 동시에 사용할 수 있도록 주파수 및 코드를 셀 단위로 나누어 사용하는 개념을 보여준다. 도 5와 같이 셀 형태로 섹터를 나누어 자원을 할당할 때 두가지 방법이 가능하다. 첫번째 방법은 한 셀(510) 내에서는 한개의 노드만 펄스(펄스 내에서 특정시간에 특정 주파수 세트를 갖는 코드화 된 펄스)를 송출하고 나머지는 수신 모드로 만 동작한다. 셀은 육각형 모양으로 구성하여 2개의 셀마다 코드의 재사용이 가능하다. 따라서 경계 지역 전체에 특정시간에 특정 코드를 식별 가능하도록 배정하는 것이 가능하도록 한다. 두번째 방법은 한 셀(510) 내에서도 펄스 내에서 특정시간에 특정 주파수 세트를 갖는 코드를 이웃 노드들과 구별된 코드를 각각 할당하여 동시에 이웃 노드에서 펄스 송신이 가능하도록 한 방법이다. 첫번째 방법과 마찬가지로 셀은 육각형 모양으로 구성하여 2개의 셀마다 코드의 재사용이 가능하다. 첫번째 방법에 비해서는 많은 식별 가능한 코드가 필요하나, 이웃 노들들과 동시에 펄스를 송출할 수 있다는 것이 장점이다. 두 방법 모두에 대해서 펄스 수신기는 자신의 펄스 코드 외에 이웃 펄스 코드를 수신할 수 있도록 하여 한 노드에서 송출한 펄스의 반사파가 중간에 굴절되어 다른 곳으로 향할 때도 다수의 다른 노드가 이 신호를 검출할 수 있으며, 설치시 노드의 위치 정보를 가지고 있도록 하여, 다른 곳에서 감지된 반사파와 노드의 위치정보를 이용하여, 침투 잠수함의 위치를 파악할 수 있다.

침투 잠수함의 이동 루트를 파악하기 위한 상세한 설명은 다음과 같다. 도 6은 노드들이 바다에 그물망 구조로 설치되었을 때 대잠수함 감지 상황을 나타낸 그림이다. 잠수함이 노드 605, 606에 감지되고 이동하여 610, 607에 감지되며, 계속 이동하여 611, 616에 감지되면, 이 데이터들을 이용하여 잠수함의 이동 루트, 이동 속도 및 앞으로의 진행 방향을 예측할 수 있다. SONAR에서는 노드와 잠수함 간의 거리를 알 수 있으며, 지향성을 이용하여 방향도 알 수 있으나, 상기 설명과 같이 한 SONAR의 펄스를 다른 SONAR에서 수신이 가능하면 3 지점에서 들어온 반사파와 반사파를 보낸 SONAR의 위치정보를 이용하여 삼각법으로 계산하면 잠수함의 위치(위도,경도,높이)를 좀더 정확하게 알 수 있다. 모니터 (111)에는 지도 정보와 표적 이동 루트를 표시하여 정학하고 신속하게 판단할 수 있도록 한다.

노드에 위치정보 정보를 제공하는 방법은 다음과 같다. 노드에 초음파통신기 및 CPU로 구성된 위치정보획득장치를 내장하고, 배에는 초음파통신기 및 CPU로 구성된 위치정보전송장치를 내장하며, 배에서는, 수신한 GPS 정보와 전송 시작점을 알리는 타임스템프를 표시한 데이터를, 바다속에 설치된 노드에 전송하며, 도 7과 같이 상기 과정을 배가 이동하면서 3번 이상 반복한다.

삼각법에 의해 위치를 파악하기 위해서는 각각 다른 위치에 있는 3지점에 대한 위치 정보만 있으면 되나, 바다 속에서 초음파가 진행할 때 수온차의 기울기에 의해서 굴절되는 현상이 나타날 수 있어서, 위치정보전송장치는 여러 지점에서 그 지점의 위치 정보 및 타임스탬프를 포함한 데이터를 보내고, 위치정보획득장치는 타임스템프와 도착 시각을 확인하여 그 중에서 가장 짧은 패스로 들어온 3지점의 위치 정보를 활용한다. 그 이유는 가장 짧은 패스로 수신된 초음파 신호가 전송과정에서 상대적으로 굴절이 가장 적게 이루어진 패스이기 때문이다.

바다 속에 설치된 위치정보획득장치에서는 상기 과정에서 결정한 3개의 지점에서 보내온 위치 정보와 시간정보를 이용하고 삼각법 계산을 하여, 현재 설치된 지점의 위치 정보를 얻을 수 있다. 상기 GPS 정보는 위치 정확도를 높이기 위해 DGPS 데이터를 이용한다.

노드를 상기 과정에 따라, 주변에 3개 이상 설치한 경우에는, 도 8과 같이 주변에 기 설치된 3개 이상의 장치들로부터 위치정보 및 타임스템프 정보를 받아서 자신의 위치 정보를 얻을 수도 있다. 따라서 나머지 추가로 설치하는 장치들에 대해서는 배에 설치된 위치정보전송장치의 도움을 안 받아도 되며, 또한 설치 후에 노드가 외력에 의해 위치 이동이 있었을 때 위치정보를 업데이트하고자 할 때도, 주변에 있는 3개 이상의 노드의 정보를 이용하여 위치 정보를 얻을 수 있다.

노드를 설치하는 방법은 다음과 같다. 도 17과 같이 모선에 CCTV 영상 및 SONAR 화상을 보고 제어할 수 있도록 모니터(1708) 및 원격조정장치를 두며, 무인 잠수정 (1701)은 설치할 장치(1710, 1709) 및 설치 공구를 싣고 모선에서 물속에 내려지며, 무인잠수정(1701)은 잠수 후 뚜껑(1705)을 열어 CCTV 카메라(1704)와 전조등과 SONAR를 작동시켜 필요한 운항 정보를 모니터(1708)에 전달한다. 무인잠수정(1701)은 자체 스크루 (1706)를 이용하여 추진하며, 보호망(1707)은 케이블이 스크루(1706)에 걸려 손상되지 않도록 한다. 무인잠수정(1701)에는 자세 제어를 위해 MEMS 가속도 센서 및 각속도 센서를 내장하며, 현위치 정보 및 운항 정보 전달을 위해 모선과 통신할 수 있는 통신부를 내장한다. 통신부는 초음파 모뎀, 유선 네트워크 전송장비, 광 송수신기 등을 구비하여, 무선 또는 유선 운용이 모두 가능하도록 한다. 파도가 잔잔하여 유선 운용에 무리가 없을 때는 광섬유를 이용하며, 이를 위해 광 송수신기 및 상기 설명한 광섬유 롤을 탑재한다. 광케이블 이용이 여의치 않을 경우에는 동축케이블로 통신하거나, 초음파 무선 모뎀을 이용하여 통신한다. 모선에서 원격 제어 장치를 이용하여 무인잠수정이 보내준 영상을 보면서 원격으로 설치작업을 한다.

노드에는 센서 외에 제어 및 기폭장치를 추가로 연결하여 원격 타격이 가능하도록 기뢰에 전기 뇌관과 감지 센서, 제어 회로, 구동 회로, 데이터 송수신기, 자체 전기발생기를 추가하여 원격지에서 초음파를 이용하여 폭파시킬 수 있도록 한다. 또한 기뢰의 감지부에서 발생한 신호를 함정 및 관제 센터에 보내어 피아가 식별되고 폭파가 필요한 상황으로 판단되었을 경우에만 폭파시킬 수 있도록 한다. 함정은 안전한 해역에 주둔하고 있다가 감지 장치와 폭파 장치는 침투가능 지역에 배치하여 감지기를 통해 얻은 접근 함정 및 잠수함의 요격 여부를 판단하여 필요한 경우에 원격으로 폭파시킬 수 있도록 하여 바다에서 안정된 방어체계를 구축할 수 있도록 하였다.

다음은 본 발명에 대해 구성도 및 블럭도를 가지고 동작 및 기능에 대한 좀더 자세한 설명을 한 내용이다. 도 1은 본 발명의 개념도로 바다 바닥에는 센서와 폭파장치 및 초음파 통신 모뎀 및 라우링 프로토콜을 내장한 노드(101)를 그물망 형태로 수백미터 간격으로 설치하고, 각 노드는 자체적으로 SONAR를 가지고 바다 바닥에서 윗 방향으로 감시를 하며, 각 노드의 SONAR들 간에는 공간적, 시간적, 주파수적으로 특별한 고유의 코드 및 영역으로 구분되도록 하여 동시에 다수의 센서가 대잠수함을 감시하도록 한다. 침입을 감지한 노드는 이웃 노드를 통하여 감지 정보를 지상과 중계역할을 하는 RF 중계 허브(102)에 보내며, RF 중계 허브(102)는 바다속 노드와의 통신은 초음파로 하고 지상과의 통신은 RF로 한다. RF 중계 허브(102)는 RF 송수신기를 통하여 관제센터(104) 및 함정(103)에 노드의 정보를 보낸다. 또한 함정(103) 및 관제센터(104)에서 내린 제어 또는 폭파 명령을 노드에 전달한다. RF 중계 허브(102)는 바다와 육지가 만나는 지점 또는 섬 또는 바다위에 돌출된 바위 위에 설치되며, 초음파 송수신기와 RF 송수신기를 내장하여 물속에 있는 노드(101)와의 통신은 초음파를 이용하여 하고, 함정 및 관제 센터의 모니터(103,104)와의 통신은 RF를 이용하여 한다. RF 송수신 장치는 군전용 주파수 대역을 사용하는 무선전송장비 또는 지향성 안테나를 가진 상용 무선랜 장치를 사용한다. RF 중계 허브 (102)는 도 1에 나타난 노드(101)들 외에 다른 노드들과도 연결된다. 모니터(103,104)는 함정 및 관제센터에 설치되며 RF 중계 허브(102)의 RF 송수신 장치와 동일한 장치를 내장하여 노드(101)와 RF 중계 허브(102)를 통하여 감지 신호를 수신하거나 제어 및 명령 신호를 전송한다.

도 2는 각 노드(201,202,203,204,205,206,207,208,209)가 그물망 구조로 배치되어 노드 상호간에 초음파로 중계전송하여 데이터통신 네트워크를 형성하며, 동시에 각 노드들은 자체 SONAR를 이용하여 독립적으로 잠수함 침입을 감지하는 모습을 나타낸 그림이다. 각 노드(201,202,203,204,205,206,207,208,209)는 기본적으로 초음파 펄스를 송출하고 물체로 부터 되돌아오는 반사펄스를 이용하여 거리를 측정하는 능동형 SONAR를 내장하며, 충격을 감지할 수 있는 감지기, 자력을 감지할 수 있는 감지기 및 수동형 SONAR를 추가적으로 구비한 복합 센서 노드가 될 수도 있다.

도 9은 노드에 대한 블럭도이다. 노드는 도 9과 같이, SONAR(901), CPU (902), 초음파통신기(903), 라우터(914), 초음파 진동자(904, 905, 911, 912, 913), 발전기(906), 전원공급기(907), 자세감지기(908), DRIVER(909), 베이스 (910)로 구성된다. SONAR(901)와 초음파통신기(903)의 동작은 전술한 내용과 같다.

라우터(914)는 센서가 탐지한 정보를 관제센터 및 함정 등의 목적지까지 중계 전송하는 길을 찾도록 하는 역할을 하는 것으로, 실제로는 CPU(902)와 라우팅 테이블 역할을 하는 메모리를 사용하여 소프트웨어적으로 수행되나, 본 발명에서는 설명을 위하여 하드웨어적인 블럭도로 표현하였다. 라우터(914)는 주변 노드와 라우팅 테이블 데이타를 계속 주고 받으면서 업데이트하여, 최근에 전송됐던 가장 짧은 패스로 탐지 및 제어 정보를 AD-HOC 방식으로 중계 전송하는 역할을 한다. 따라서 노드에는 초음파 통신 모뎀 외에 라우터를 모두 내장시킨다.

CPU(902)는 위치정보, 신호코드, 송출시간, 탐지결과 등의 데이터를 저장하며, 필요에 따라 이웃 노드에 보내거나, RF 중계 허브(110)를 통하여 원격지에 있는 함정 및 관제센터에 전송한다. 또한 CPU(902)는 SONAR 펄스의 송수신, 초음파통신기의 송수신, 베이스의 자세 유지, 충전 등의 작동을 주관한다.

발전기(901)는 조류를 이용한 소형 전기 발생장치로, 도 15는 발전기를 정면에서 본 그림이다. 도 15의 수직축(1503)은 베이스(1501)에 고정되며, 수평축 (1502)은 수직축(1503)과 베어링으로 연결되어 지지를 받으며 조류에 편향될 수 있도록 한다. 회전체(1504,1508, 1509)는 각 수평축(1502,1506,1507)에 의해 베어링으로 지지를 받으며 회전한다. 회전체(1504,1508,1509)에 의해서 발생한 전기는, 한 회전체 및 수평축이 고장 났을 때 다른 회전체에서 발생한 전기를 원활하게 이용할 수 있도록 하기 위하여, 개별적 회로로 전원공급기(907)에 연결되도록 한다. 또한 회전체(1504,1508, 1509)에는 영구자석을 두고 수평축(1502,1506,1507)에는 권선 코일을 두어 전기적인 접점을 최소화하여 고장 발생을 줄이도록 한다. 회전체(1504,1508,1509)의 회전에 의해 발생된 전기는 수평축(1502,1506,1507)과 수직축 (1503) 간의 접점을 통하여 베이스에 전달되도록 한다. 이때 누전이 되지 않도록 지지축과 회전축 사이는 방수가 되도록 한다. 6개의 회전체에서 발생한 전기를 다이오드를 통하여 합하여 전원공급기(907)에 보낸다.

전원공급기(907)는 발전기(906)에서 발생한 전기를 각부에 알맞는 레벨로 변환하여 공급하거나, 남는 전원을 충전하는 역할을 한다.

베이스(910)는 노드의 각 구성브를 고정시키는 역할을 한다. CPU(902)는 자세감지부 (908)의 MEMS 가속도 및 각속도 센서를 이용하여 높낮이 및 수평자세를 감지하여 DRIVER(909)를 통하여 베이스를 바닥면과 동일한 높이에서 수평을 유지하도록 한다.

도 10은 SONAR의 블럭도이며, SONAR는 FPGA(1001), D/A CONVERTER(1002), LPF(1003), POWER AMP(1004), DUPLEXER(1005), 진동자(1006), 수신신호처리부 (1007)로 구성된다.

CPU(1008)에서는 할당 받은 고유의 코드를 FPGA(1001)에 보낸다. 상기 코드는 도 3의 301에서 보여주는 바와 같은 TIME과 FREQUENCY 세트로, 코드들 간에는 MATCHED FILTER를 이용한 자기상관관계값을 가지고 상호 식별이 가능하다.

FPGA(1001)는 상기 코드에 의거한 주파수 데이터를 생성하여 D/A CONVERTER (1002)에 보낸다. D/A CONVERTER(1002)는 FPGA(1001)로부터 받은 데이터를 가지고 초음파 펄스를 생성하여 LOW PASS FILTER(1003)에 보낸다. LPF(1003)를 통과한 초음파 펄스의 형태는 도 3의 302와 같이, 펄스 내에서 시간 T1, T2, T3, T4, T5, T6, T7 에 따라 각각 다른 주파수 값을 갖는다. LPF(1003)로부터의 펄스 신호는 POWER AMP(1004)를 통하여 증폭되고, DUPLEXER(1005)와 초음파진동자(1006)를 통하여 수중으로 송출된다.

송출된 초음파펄스는 수중에 있는 물체에 의하여 반사되어 되돌아온다. 반사된 펄스는 초음파진동자(1006)와 DUPLEXER(1005)를 통하여 수신신호처리부(1007)에 수신된다. 수신신호처리부(1007)의 상세 블럭도는 도 11와 같다. 수신신호처리부(1007)에 입력된 펄스는 저잡음증폭기인 PRE AMP(1106)을 통하여 증폭한 후 MATCHED FILTER(1101,1102,1103,1104)에 보낸다. MATCHED FILTER 1(1101)은 부여받은 자신의 코드와 일치할 때 최대값을 갖도록 하며, MATCHED FILTER 2, 3, 4(1102,1103,1104)는 인근의 SONAR에 할당된 코드와 일치할 때 최대값을 갖도록 한다. MATCHED FILTER (1101,1102,1103,1104)의 각 출력값은 DETECTION PROCESSOR (1105)에 보내진다. DETECTION PROCESSOR(1105)는 MATCHED FILTER(1101,1102, 1103,1104)에서 입력된 각 신호값에 대하여 A/D 변환한 값과, 해당 MATCHED FILTER 번호를 FPGA(1001)에 보낸다. PGA(1001)는 DETECTION PROCESSOR(1005)에서 보낸 데이터를 가지고 자신이 보낸 펄스인지, 다른 SONAR로 부터의 펄스인지를 판단한다. 상기 판단 과정은, 자신이 보낸 펄스이면 MATCHED FILTER 1(1001)의 값이 최대이고, 이웃 SONAR로 부터의 펄스이면 해당 MATCHED FILTER 값이 최대가 되므로, 각 MATCHED FILTER의 출력값을 비교함으로써 이루어진다.

상기 과정을 통하여 자신이 보낸 펄스인 것이 확인되면, 펄스 송출 시간과 반사파 도달 시간을 이용하여 물체와의 거리를 계산한다. 만일 다른 SONAR가 보낸 펄스로 확인되면, 해당 코드 값을 가진 SONAR의 위치 정보와 펄스 송출 시간 및 수신된 반사파 도달 시간을 이용하여 물체와의 거리를 계산한다. 다른 SONAR의 위치 정보와 펄스 송출 시간은 CPU(1008)를 통하여 제공되며, CPU(1008)는 상기 정보를 설치 당시에 얻을 수도 있으며, 운용중에 초음파통신기(803)를 통하여 제공 받을 수도 있다.

초음파통신기(903)의 블럭도는 도 12에서 점선부분을 제외한 부분이다. 초음파통신기들 간의 통신은, 한정된 주파수 자원을 효율적으로 사용하기 위하여 CSMA/CD 방식의 통신 방식을 사용한다. 만일 노드의 수가 많아지고, 전송할 데이터가 너무 많은 네트워크를 구성하게 되면, 상기 SONAR 펄스를 위해 적용했던 셀 단위 개념을 적용하여, 주파수 자원의 재사용이 이루어지게 한다.

임의의 한 노드가 데이터를 전송하고자 하면, 먼저 다른 노드가 데이터를 전송하고 있는지 수신 신호를 확인한다. 이때 데이터 전송 중인 노드가 없으면 데이터를 전송한다. 위치정보, 코드정보, 탐지정보 등의 보낼 데이터가 있고 데이터 전송중인 다른 SONAR가 없으면, CPU(1210, 902)는 해당 데이터를 FPGA(1201)에 보낸다. FPGA(1201)는 전송할 데이터를 채널 코딩하고 변조하여 D/A CONVERTER (1202)에 보낸다. D/A CONVERTER(1202)는 FPGA(1201)로부터 받은 데이터를 가지고 초음파 신호로 만들어서 LOW PASS FILTER(1203)에 보낸다. LPF(1203)를 통과한 초음파 신호는 POWER AMP(1204)를 통하여 증폭하고, DUPLEXER(1205)와 초음파진동자(1206)를 통하여 수중으로 송출된다. 이때 수중에서 활용 가능한 초음파 주파수 대역이 넓지 않은 관계로 HALF DUPLEXING 통신 방식을 사용한다. 따라서 데이터를 모두 보내고 나면, 수신 모드로 돌아가서 상대 신호를 기다린다. 상대방에서 전송한 초음파 신호는 초음파진동자(1206)와 DUPLEXER(1205)를 통하여 LNA(1207)에 수신된다. LNA(1207)에 입력된 초음파 신호는 저잡음증폭기를 통하여 증폭한 후 LPF(1208) 저역필터를 통과시켜 A/D(1209)에서 A/D 변환한다. A/D 변환한 신호는 FPGA(1201)에 보내져 복조 및 채널 디코딩 과정을 거쳐 데이터를 추출한다. 추출된 데이터는 CPU(1210, 902)에 보내져 분석하고 데이터를 저장한다.

위치정보획득장치의 블럭도는 점선 부분만을 제외하고는 초음파 통신기와 같으며, 도 12에서 점선 부분을 포함한 전체 블럭도와 같다. 도 12에서 나타나는 바와 같이 위치정보획득장치는 FPGA(1201), D/A CONVERTER(1202), LOW PASS FILTER(1203,1208), POWER AMP(1204), DUPLEXER(1205), 초음파진동자(1206), LOW NOISE AMP(1207), A/D CONVERTER(1209), CPU(1210), 자세감지기(1211)로 구성된다.

위치정보획득장치 간 및 위치정보획득장치와 위치정보전송장치 간의 통신은, 한정된 초음파 주파수 자원을 효율적으로 사용하기 위하여 CSMA/CD 방식의 통신 방식을 사용한다. 따라서 임의의 한 장치가 데이터를 전송하고자 하면, 먼저 다른 장치가 데이터를 전송하고 있는지 수신 신호를 확인한다. 만일 데이터 전송 중인 장치가 없으면 데이터를 전송한다.

위치정보전송장치가 DGPS 정보 및 송출시각정보 등의 보낼 데이터가 있고, 데이터 전송중인 다른 장치가 없으면, CPU(1208)는 해당 데이터를 FPGA(1201)에 보낸다. FPGA(1201)는 전송할 데이터를 채널 코딩하고 변조하여 D/A CONVERTER (1202)에 보낸다. D/A CONVERTER(1202)는 FPGA(1201)로부터 받은 데이터를 가지고 초음파 신호로 만들어서 LOW PASS FILTER(1203)에 보낸다. LPF(1203)를 통과한 초음파 신호는 POWER AMP(1204)를 통하여 증폭되고, DUPLEXER(1205)와 초음파진동자(1206)를 통하여 수중으로 송출된다. 수중에서 활용 가능한 초음파 주파수 대역이 넓지 않은 관계로 HALF DUPLEXING 통신 방식을 사용한다. 따라서 데이터를 모두 보내고 나면, 수신 모드로 돌아가서 상대 신호를 기다린다.

위치정보획득장치에 도달한 초음파 신호는 초음파진동자(1206)와 DUPLEXER (1205)를 통하여 LOW NOISE AMP(1207)에 수신된다. LOW NOISE AMP(1207)에 입력된 초음파 신호는 저잡음증폭기를 통하여 증폭된 후 저역필터를 통과시켜 A/D CONVETER(1209)에 입력된다. A/D 변환된 신호는 FPGA(1201)에 보내져 복조 및 채널 디코딩 과정을 거쳐 데이터로 추출된다. 추출한 데이터는 CPU(1210)에 보내 저장하고, CPU(1210)는 상기 과정을 3회 이상 반복한다. CPU(1210)는 저장된 데이터 값을 계산하여 가장 짧은 시간에 도착한 위치 정보 3개만을 취하여 삼각법에 의해 현 지점의 위치를 계산한다.

자세감지기(1211)는 MEMS 가속도 센서와 각속도 센서를 내장하고, 위치 변화와 자세변화를 감지하여 CPU(1210)에 보낸다. CPU(1210)는 위치 변화가 허용 오차를 벗어난 경우에는 주변의 장치에 위치 확인 요청 신호를 보내 상기 설명한 방법에 따라 위치 정보를 업데이트 하며, 자세 변화가 심해 자세 보정이 이루어져야 하는 경우에는 주변 장치를 통해 AD-HOC 방식으로 관제센터에 전송하여 교정이 이루어 지도록 하여, 노드가 항상 최적의 상태에서 탐지 및 제어할 수 있도록 한다.

또한 위치정보획득장치의 CPU(1210)는 이웃 장치에서 위치정보를 요구할 경우에, 자신의 위치정보를 전송한다. 전송과정은 위치정보전송장치가 GPS 정보를 송출할 때와 동일한 과정을 거친다. 위치정보획득장치는 자신의 위치 정보를 관제 센터 및 함정이 요구할 때도 보낸다. 상기 과정에서, 탐지 정보가 있을 때는 탐지정보와 함께 보내고, 탐지 정보가 없을 때에는 위치정보만 별도로 보낸다. 이때는 송출 시각 정보는 보내지 않아도 된다.

도 13은 피아식별 SONAR와 가상펄스송출장치의 블럭도이다. 피아식별 SONAR와 가상펄스송출장치는 블럭도상으로는, 가상펄스송출장치에는 시간 지연 암호 코드를 입력하기 위한 키보드 및 디스플레이가 추가로 있는 것 외에는 같다.

피아식별 SONAR는 도 13와 같이 FPGA(1301), D/A CONVERTER(1302), LOW PASS FILTER(1303,1308), POWER AMP(1304), DUPLEXER(1305), 초음파진동자(1306), LOW NOISE AMP(1307), A/D CONVERTER(1309), CPU(1310)로 구성된다.

CPU(1310)는 제어, 계산, 판단 및 저장 등의 기능과 필요에 따라 탐지 및 피아식별 정보를 초음파 통신기를 통하여 관제센터에 보내는 기능을 추가로 가질 수 도 있다. CPU(1310)에서 탐지를 위해 초음파 펄스를 송출할 것을 결정하면, FPGA(1301)에 펄스 송출 신호를 보내며, FPGA(1301)는 펄스 파형에 해당되는 데이터를 생성하여 D/A CONVERTER(1302)에 보낸다. 전술한 바와 같이, 본 발명은 모든 SONAR의 형태에 대하여 적용 가능하므로, D/A CONVERTER(1302)의 출력은 단순 펄스 또는 싸인파 펄스 또는 코드화된 시간 주파수 세트로 구성된 펄스 등의 파형이 될 수 있다.

D/A CONVERTER(1302)의 출력 신호는 LOW PASS FILTER(1303)를 거쳐 고주파 대역을 걸러내고, POWER AMP(1304)를 통하여 증폭된 후, DUPLEXER(1305)와 초음파진동자(1306) 통하여 탐지할 물체를 향하여 송출된다. 송출된 초음파 펄스는 물체에 맞으면 반사가 일어나서, 다시 초음파진동자(1306)와 DUPLEXER(1305)를 통해 LOW NOISE AMP(1307)에 입력된다. LOW NOISE AMP(1307)를 통하여 증폭된 반사 펄스는 LOW PASS FILTER(1308)를 통하여 저주파만 통과시켜 A/D CONVERTER(1309)에 보낸다. A/D CONVERTER(1309)는 아날로그 펄스 신호를 샘플링하고 데이타 형태로 변환하여 FPGA(1301)에 보낸다. FPGA(1301)는 압축 펄스 모드 인지 일반 펄스 모드에 따라 관련된 데이터 처리를 하여 물체와의 거리, 위치, 이동 속도, 이동 방향 등의 값을 구하여 CPU(1310)에 보낸다.

CPU(1310)는 반사파를 발생시킨 물체가 함정 또는 잠수함으로 판단이 되면, 아군 여부를 확인하기 위하여, 전술한 설명과 같이 펄스 반복 주기를 바꿔서 송출하도록 FPGA(1301)에 제어 신호를 보낸다. FPGA(1301)는 상기 과정과 동일한 과정으로 초음파 펄스를 발생하도록 하여, D/A CONVERTER(1302), LOW PASS FILTER (1303), POWER AMP(1304), DUPLEXER(1305), 초음파진동자(1306)를 거쳐 물체에 펄스를 송출하며, 아군의 함정 및 잠수함의 가상반사파송출기는 펄스 주기를 확인하여 가상반사파를 전술한 방법에 의해 생성하여 보낸다. 피아식별 SONAR에 수신된 가상반사펄스는 초음파진동자(1306), LOW NOISE AMP(1307), LOW PASS FILTER (1308), A/D CONVERTER(1309), FPGA(1301)를 통하여 CPU(1310)에 전달된다. CPU(1310)는 상기 설명한 방법으로 반사파와 가상반사파간의 지연값을 확인하여 피아식별을 한다.

도 14는 각 초음파원격폭파장치의 구성도이다. 초음파원격폭파장치는 기뢰(1401), 전기뇌관(1402), 구동장치(1403), 제어장치(1404), 통신장치(1405), 초음파진동자(1406), 감지센서(1407), 전원부(1408)로 구성한다. 전기뇌관(1402)은 화약에 니크롬선을 설치하여 기뢰를 전원 인가에 의하여 폭파시키도록 한다. 구동장치(1403)는 제어 신호를 받아 전기뇌관(1402)을 작동할 수 있는 세기로 전력을 증폭한다. 즉 전기뇌관(1402)의 니크롬선을 히팅할 수 있는 전류를 공급한다. 제어장치(1404)는 통신장치(1405)에서 전달 받은 신호를 해독하여 구동장치에 폭파 신호를 만들어 구동장치(1403)에 보낸다. 제어장치(1404)는 또한 감지센서(1407)로 부터 받은 잠수함 감지 신호를 디지탈 신호로 변화하여 통신장치(1405)에 보낸다. 통신장치(1405)는 초음파진동자(1406)로 부터 초음파 신호를 수신하여 디지털 신호를 추출하여 제어장치(1404)에 보내며, 또한 제어장치(1404)로 부터 수신한 디지털 데이터를 초음파로 변환하여 초음파진동자(1406)에 보낸다. 초음파진동자 (1406)는 중계기 즉 다른 초음파원격폭파장치 또는 RF SONAR 중계기와 초음파 신호를 송수신 한다. 전원부(1408)는 자체 발전기에서 생성하는 전력을 각 부에 적절한 전압으로 변환하여 공급하는 역할과 여분의 전기를 충전하는 역할을 한다. 상기 통신장치(1405)는 초음파원격폭파장치가 노드에 포함되어 구현될 때는 별도로 두지 않으나, 노드와 별도로 구현될 때는 인근 노드와의 통신을 위하여 별도로 둔다.

도 16은 노드를 위한 보호망(1601) 및 베이스(1602)를 나타낸 그림이다. 도 16에서 보호망(1601)은 그림에서 나타나는 바와 같이 그물에 걸리지 않도록 반구 모양으로 이루어지며, 조류의 흐름에는 지장을 주지 않도록 모기장 형태의 구조를 갖는다. 보호망(1601)의 바닥면 즉 베이스(1602) 윗면은 둥글게 하여 침전물에 영향을 덜 받도록 하며, 또한 베이스(1602)는 3축 제어가 가능하도록 하여 높낮이 조절 및 자세를 조절할 수 있도록 한다. 베이스의 자세는, 조류 흐름으로 전기를 최대로 발생하기 위하여 항상 수평을 유지하도록 한다. 베이스(1602)는 그물에 걸리지 않고, 높낮이 및 수평자세 변화 시에도 측면이 노출되지 않도록, 측면에 주름이 있는 형태로 구현한다.

도 17은 원격 제어 장치를 통하여 노드를 설치하고 있는 모습이다. 모니터 (1708)에서는 CCTV 화면과 SONAR 반사파를 보면서 원격 조정에 의해 설치할 지점의 바닥까지 무인잠수정(1701)을 이동하도록 한다. 무인잠수정(1701)이 설치할 지점의 바닥에 도착하면, 무인잠수정(1701)의 측면에 있는 지지 다리(1702, 208) 4개를 해당 모터를 작동하여 아래쪽을 향하도록 하고 지지 다리의 축을 회전시켜 지지 다리가 뽑아지면서 바닥에 박히도록 한다. 지지 다리(1702, 208)의 상세도는 도 19의 우측에 도시하였다. 도 19에서 나타나는 바와 같이 지지 다리는 나사산을 가진 최외곽부(1909)와 2번째 외곽부(1910), 3번째 외곽부(1911), 내축(1912)으로 구성되며, 각 축의 윗면은 회전력을 전달받기 위한 홈을 두며, 아울러 홈은 각축 윗면에 4개씩 둔다. 지지 다리를 설치 지점에 박을 때 먼저 최외곽부(1909)의 위쪽 부분의 홈(1913)을 이용하여 회전력을 가하며, 최외곽부가 다 박히면, 2번째 외곽부(1910) 위쪽 부분의 홈(1914)을 이용하여 회전력을 가하며, 2번째 외곽부(1910)가 다 박히면, 3번째 외곽부(1910) 위쪽 부분의 홈(1915)을 이용하여 회전력을 가하며, 3번째 외곽부(1910)가 다 박히면, 2번째 외곽부(1910)가 다 박히면, 내축(1910) 위쪽 부분의 홈(1916)을 이용하여 회전력을 가하여, 뻘의 깊이가 깊더라도 단단하게 고정할 수 있도록 한다.

무인잠수정(1701)이 바닥에 고정되면 지형에 맞는 설치용 치구를 선택하고 해당 고정장치를 선택하여 고정장치를 바닥에 박는다. 바닥 바닥이 뻘이면 뻘용 고정장치를 3군데 이상 설치하고, 암반이면 해당 고정장치를 1개만 박는다.

바닥 바닥이 뻘이나 진흙이나 모레면, 뻘용 고정장치 설치용 치구(2009)를 로봇손(1703) 대신 교체하고, 도 18에 도시한 전면부(1801)에서 뻘용 고정장치(1811)를 선택하고 전자석에 전기를 가하여 자력을 이용하여 단단하게 잡은 후, 고정할 지점에 놓고 누르면서 회전시킨다. 이때 회전력은 치구(2009)의 아랫면(2018)에 있는 턱(2020)과 고정 장치의 윗부분의 턱에 의해 전달되어 고정장치의 나사산에는 힘이 가해지지 않는다.

상기 과정에서 치구(2009)가 뻘용 고정장치(2001)를 좀 더 확실하게 잡도록 하기 위해서 치구(2009) 안쪽에는 뻘용 고정장치(2001) 암나사(2002) 내부에 들어갈 수 있는 원기둥 모양의 보조 지지부(2011)를 둔다. 뻘의 깊이가 깊어서, 뻘용 고정장치(2001)가 다 들어가면, 로봇손의 전자석을 OFF하여 뻘용 고정장치(2001)를 놓고 고정장치(2001)를 잡을 때와 동일한 방법으로 확장장치(2004)를 잡고, 확장장치를 뻘용 고정장치(2001) 위에 정렬하고 회전시킨다. 이때도 회전력은 치구 (2009)의 아랫면(2018)에 있는 턱(2020)과 확장장치(2004)의 윗부분의 턱에 의해 전달되며, 또한 확장장치(2004)의 아랫면(2008)에 있는 턱과 고정장치(2001)의 윗부분(2003)의 턱에 의해 회전력이 전달되어 모든 나사산에는 힘이 가해지지 안는다. 바닥이 단단하여 더이상 회전하지 않을 때까지 상기 과정을 반복하여 고정장치를 단단하게 고정시킨다. 상기 과정을 4회 반복하여 고정장치를 설치하는 작업을 완료한다.

뻘용 고정장치(2001, 2004)가 다 설치되면, 못 부분(2001)의 암나사(2002) 또는 확장 장치(2004)의 암나사(2006)와 볼트를 이용하여, 노드의 베이스(2204)를 고정한다.

바다 바닥이 암반 지형이면, 도 21에 나타나 있는 암반용 고정장치(2101) 설치용 치구(2109)를 로봇손(103) 대신 교체하고, 도 18에 도시한 전면부(1801)에서 암반용 고정장치(1810)를 선택하고 전자석에 전기를 가하여 단단하게 잡은 후, 머리 부분에 충격을 가하여 암반에 박히도록 한다. 암반용 고정장치(2101) 설치용 치구(2109)는, 암반용 고정장치(2101)의 머리 부분이 충격에 의해 암 나사산(2105)이 훼손되지 않도록, 내부를 도 21의 2110, 2113, 2117, 2116에서 나타나는 바와 같이 계단형으로 처리하며 2117 부분은 암반용 고정장치(2101)의 머리 부분인 2105에 닿지 않도록 한다. 따라서 모든 힘이 2116과 2103 부분에만 전달되기 때문에, 암반용 고정장치(2101)의 암나사(2105)를 훼손시키지 않으면서도 강하게 암반용 고정장치를 박을 수 있다. 암반용 고정장치(2101)가 다 설치되면, 암반용 고정장치(2101) 머리 부분(2103)의 암나사(2105)를 이용하여 노드의 베이스(2204)를 볼트로 고정한다.

베이스(2204)를 고정하기 위해서는 무인잠수정(101)은 로봇손(1901)을 장착한다. 도 19의 로봇손(1901)은 베이스(2204)나 보호망(2205) 등 일반적인 물건을 잡는데 사용할 수 있는 치구이다. 로봇손은 관절(1902,1904,1906)과 마디(1901,1903,1905,1907)로 구성되며 끝마디는 다양한 물체를 잡기 수월하도록 둥글게 처리하며, 고무재질로 만들어서 미끄러짐이 적고, 악력에 의한 물체 훼손을 방지하도록 한다. 관절 및 마디는 2쌍이 마주보도록 하며, 로봇손은 무인 잠수정 몸체 양옆에 2개 두어 베이스 (2204)나 보호망(2205)을 두 개의 로봇손을 이용하여 물건을 들 수 있도록 한다. 상기 두 개의 로봇손을 이용하여 베이스(2204,702)를 들어서 고정장치 위에 올려놓는다. 다시 한쪽 로봇손을 볼트 고정용 치구와 교체하고, 볼트 고정용 치구로 볼트를 잡아서 베이스를 고정한다. 볼트 고정용 치구는 일반적인 공구와 다를 바가 없어서 본 내용에서는 설명을 생략하기로 한다.

설치할 장치(1710)의 베이스(2204)가 고정되면, 다시 양쪽 모두 로봇손으로 교체하고 보호망(2205)을 잡아서 베이스(2204)에 고정한다. 베이스(2204)와 보호망(2205)과의 고정은 베이스에 기 부착된 락 장치를 이용한다. 노드의 고정이 끝나면 무인 잠수정은 위치정보 및 초기 셋팅 정보를 노드에 전송한다.

설치 후 초기 데이터 장입을 위한, 무인잠수정(1701)과 설치 장치 간의 통신은 초음파를 통신기를 이용하며, 이를 위해 초음파 모뎀을 잠수정 및 설치할 장치에 내장한다. 잠수정의 초음파 모뎀은 모선과의 데이터 전송용으로도 사용한다. 상기 초음파 모뎀을 통하여 모선으로부터 받은 위치정보와 MEMS 가속도 센서 및 각속도 센서를 이용하여, 정확한 위치정보 계산하고 이를 노드에 전달한다.

도 22은 바다 바닥이 뻘, 진흙, 모레인 경우에, 해당 고정장치를 사용하여 노드를 고정한 모습을 나타낸 그림이다. 단단한 지점까지의 거리가 클 경우, 즉 고정 장치의 확장 부분이 많이 소요된 경우에는 지지하는 힘을 보강하기 위하여 3개 이상의 고정장치(2201,2202,2203)로 고정한다.

뚜껑(1705, 1802)은 상하 좌우로 회전가능하도록 하여 무인잠수정(1701)의 몸체가 움직이지 않아도 원하는 지점을 응시할 수 있도록 한다. 뚜껑(1705, 1802)을 열면 몸체 앞면에는 설치할 장치 (1812), 고정장치(1811), 고정용 치구(1810)를 장착할 수 있도록 하며, 뚜껑(1802)에는 CCTV 카메라(1804), 전조등(1803), SONAR 진동자가 설치되며, 뚜껑(1705, 1802)은 여닫침 회전축과, 상기 축에 수직인 좌우회전축을 두어 무인잠수정이 자세를 변화시키지 않아도 필요한 지점을 응시할 수 있도록 한다. 앞면에 장착한 장치 및 설치 도구는 로봇팔이 필요한 장치 및 도구를 선택해서 사용할 수 있도록 하며, 도구 및 장치는 정해진 위치에 두고 사전에 프로그램하여 원격 조작자가 장치 및 도구 선택 버튼만 누루면 자동적으로 로봇팔이 움직여서 필요한 도구 및 장치를 선택하도록 하며, 로봇팔에는 전자석을 추가하여 다양한 도구들을 호환성이 있으면서도 자유롭게 강하게 잡았다 놓았다 할 수 있도록 한다.

상기와 같이 구성하여, 서해와 같이 수심이 낮고 수온차가 크고, 조류의 변화가 크고, 일반 어선의 조업이 활발하게 이루어지는 난해한 상황에서도 신속하고 정확하고 안정적으로 대잠수함 침투를 조기에 탐지하고 대응할 수 있도록 하였다.

101 : 노드 102 : RF 중계 허브
103 : 함정 모니터 104 : 관제센터 모니터
201, 202, 203, 204, 205, 206, 207, 208, 209 : 노드
210 : RF 중계 허브
301 : FREQUENCY & TIME 세트
302 : SONAR 펄스
401 : SONAR 송출 펄스 402 : 반사파
403 : 응답 펄스 404 : SONAR 펄스 1
405 : SONAR 펄스 2 406 : SONAR 펄스 3
407 : SONAR 펄스 4
510, 520, 530, 540, 550, 560, 570 : SONAR 셀
511, 512, 513, 514, 515, 516, 517, 518, 519 : 노드
601, 602, 603, 604, 605, 606, 607, 608 : 노드
609, 610, 611, 612, 613, 614, 615, 616 : 노드
701 : 위치정보획득장치 702 : 위치정보전송장치
801 : 설치할 위치정보획득장치
802, 803, 804 : 기존 설치된 위치정보획득장치
901 : SONAR 902 : CPU
903 : 초음파통신기 904, 905, 911, 912, 913 : 진동자
906 : 발전기 907 : 전원공급기
908 : 자세감지기 909 : DRIVER
910 : 베이스 914 : 라우터
1001 : FPGA 1002 : D/A CONVERTER
1003 : LOW PASS FILTER 1004 : POWER AMP
1005 : DUPLEXER 1006 : 진동자
1007 : 수신신호처리부 1008 : CPU
1101, 1102, 1103, 1104 : MATCHED FILTER
1105 : DETECTION PROCESSOR 1106 : PRE AMP
1201 : FPGA 1202 : D/A CONVERTER
1203, 1208 : LOW PASS FILTER 1204 : POWER AMP
1205 : DUPLEXER 1206 : 진동자
1207 : LOW NOISE AMP 1209 : A/D CONVERTER
1210 : CPU
1301 : FPGA 1302 : D/A CONVERTER
1303, 1308 : LOW PASS FILTER 1304 : POWER AMP
1305 : DUPLEXER 1306 : 진동자
1307 : LOW NOISE AMP 1309 : A/D CONVERTER
1310 : 입출력부
1401 : 기뢰 1402 : 전기뇌관
1403 : 구동장치 1404 : 제어장치
1405 : 통신장치 1406 : 초음파진동자
1407 : 감지센서 1408 : 전원부
1501 : 지지대 1502, 1506, 1507 : 수평축
1503 : 수직축 1504, 1508, 1509 : 회전체
1505, 1510, 1511 : 방향타
1601 : 보호망 1602 : 베이스
1603, 1604, 1605, 1606, 1607, 1608, 1609 : 진동자
1701 : 무인 잠수정 몸체 1702 : 지지 다리
1703 : 로봇 손 1704 : CCTV 카메라
1705 : 뚜껑 1706 : 스크루
1707 : 보호망 1708 : 모니터
1709 : 고정 장치 1710 : 설치할 장치
1801 : 전면부 1802 : 뚜껑
1803 : 전조등 1804 : CCTV 카메라
1805 : 몸체 1806 : 로봇손 지지부
1807 : 지지 다리 지지부 1808 : 지지 다리
1809 : 로봇손 1810 : 고정용 치구
1811 : 고정 장치 1812 : 설치할 장치
1901 : 로봇 손목 1902 : 1번 관절
1903 : 1번 마디 1904 : 2번 관절
1905 : 2번 마디 1906 : 3번 관절
1907 : 3번 마디 1908 : 물체 접촉부
1909 : 지지 다리 최외곽부 1910 : 2번째 외곽부
1911 : 3번째 외곽부 1912: 내축
1913, 1914, 1915, 1916 : 홈
2001 : 뻘용 고정 장치 2002 : 암나사
2003 : 윗면 2004 : 확장 장치
2005 : 숫나사 2006 : 암나사
2007 : 윗면 2008 : 아랫면
2009, 2013, 2021 : 고정용 치구 2010, 2014 : 고정용 치구 안쪽
2011, 2015, 2019 : 보조 지지부 2012, 2016, 2022 : 지지축
2020 : 턱
2101 : 암반용 고정 장치 2102 : 머리 부분
2103,2106 : 머리부분 아래쪽 2104, 2107 : 머리부분 위쪽
2105, 2108 : 암나사
2109, 2112, 2115, 2118 : 고정용 치구
2110, 2113, 2116, 2117 : 고정용 치구 안쪽
2111, 2114, 2119 : 지지축
2201, 2202, 2203 : 뻘용 고정 장치 2204 : 베이스
2205 : 보호망 2206, 2207, 2208 : 볼트

Claims

서해에서 신속하고 정확하고 안전하게 대잠수함을 탐지하고 대응할 수 있도록 하기 위하여,
각 노드 마다 고유한 코드를 부여하고 네트워크화하며, 이웃 노드들도 상호간에 반사파를 수신할 수 있도록 하여 음영문제를 개선하고, 또한 SONAR의 특성을 이용하여 피아식별을 간단한 방법으로 가능하게 한 SONAR와;
노드를 구성하는 SONAR, 라우터, 초음파통신기, 자세감지기, DRIVER, 발전기, 전원공급기의 제어, 저장, 계산, 처리, 판단 및 데이터의 통신을 주관하는 CPU와;
이웃 노드 간, 함정 및 관제센터, 설치 모선 및 원격 제어 장치와 데이터를 송수신하기 위한 초음파통신기와;
이웃 노드의 중계전송을 통하여 원하는 목적지까지 데이터를 전송하기 위한 최적의 전달 패스를 제공하는 라우터와;
보호망 구조를 이용하여 초음파 펄스가 상하좌우 방향으로 자유롭게 지향성을 가지도록 한 초음파 진동자와;
바다밑에서 조류를 이용하여 보호망 구조에 맞게 효율적이며 안정적으로 전기를 발생시키는 발전기와;
노드의 각부에 전원을 공급하며, 잉여 전력은 축전지에 저장하도록 하는 전원공급기와;
노드의 자세 및 이동 위치를 감지하여 관제센터에 보내 신속하게 교정 및 위치의 업데이트가 되도록 하는 자세감지기와;
상기 자세감지기 및 CPU에 의해 베이스의 자세를 자체적으로도 교정할 수 있도록 하는 DRIVER와;
노드의 각부를 고정하고, 높낮이 및 기울기 조절을 가능하게 한 베이스와;
모기장 구조로 구현하여, 발전기, 센서, 제어장치, 기폭장치, 자세제어, 통신장치 각부를 보호하기 위한 보호망과;
뻘의 깊이에 따라서 길이 확장이 가능하도록 한 뻘용 고정장치 및 암반지역에 설치하기 위한 암반용 고정장치와;
모선에서 원격으로 노드를 설치할 수 있도록 한 원격 설치 장비;
로 구성된 천해용 잠수함 경계 방법 및 시스템.
기뢰와;
화약에 니크롬선을 설치하여 기뢰를 전원 인가에 의하여 폭파시키도록 한 전기뇌관과;
제어 신호를 받아 전기뇌관을 작동할 수 있는 세기로 전력을 증폭하는 구동장치와;
통신장치에서 전달받은 신호를 해독하여 구동장치에 폭파 신호를 만들어 구동장치에 보내며, 또한 감지센서로 부터 받은 잠수함 감지 신호를 디지탈 신호로 변화하여 통신장치에 보내는 제어장치와;
초음파진동자로부터 초음파 신호를 수신하여 디지털 신호를 추출하여 제어장치에 보내며, 또한 제어장치로부터 수신한 디지털 데이터를 초음파로 변환하여 초음파진동자에 보내는 통신장치와;
초음파진동자와;
감지센서와;
자체 발전기에서 생성하는 전력을 각 부에 적절한 전압으로 변환하여 공급하는 역할과 여분의 전기를 충전하는 역할을 하는 전원부;
로 구성된 원격폭파장치를 잠수함 경계 장치의 노드에 연결하여 잠수함 경계 장치에 타격 기능을 부가하거나;
또는 상기 각부로 구성된 노드를 별도로 구현하여, 독립된 초음파원격폭파 네트워크 및 장치를 구현하는 방식.