AOA (Angle-Of-Arrival) Measurement - 신호 방향 탐지

 

전자전 시스템 중 RWR이나 ESM 장비에서 신호의 방향을 탐지하는 로직에 대해 알아보겠다.

수신 신호의 AOA(Angle-Of-Arrival)를 알아내는 방법은 크게 3가지 정도로 구분할 수 있다.

 

1. Scanning beam

2. Amplitude-comparison 또는 Simultaneous multi beam

3. Phased Interferometer

 

위의 3가지 방식의 장단점을 간단히 비교하면 아래와 같다.

Scanning Beam	Amplitude Comparison	Phased Interferometer
- 느린 응답 - 저피탐 (Low Probability of Intercept)	- 저비용 시스템 - 작은 크기 시스템 구성 - 비교적 낮은 정확도	- 고비용 시스템 - 비교적 큰 시스템 구성 - 높은 정확도 - Conformal Array 구성 가능

 

Scanning Beam 은 지향성 안테나를 회전시키면서 신호를 수신하여 방향을 탐지한다. 360°를 기계적인 방식으로 안테나를 회전하면서 신호를 탐지하므로 시스템의 반응시간 또는 응답시간이 늦다는 단점이 있다. 또한 위협 레이다도 안테나 스캐닝 방식이라면 탐지 확률이 급격히 떨어진다. 전투기의 전자전 시스템에는 일반적으로 적용되지 않으므로 얘기를 하지는 않겠다.

 

전투기 전자전 시스템에서 주로 적용되는 방법은 amplitude-comparison 방법과 phased interferometer (또는 phase-comparison)이다. 이 두 방법은 모두 수신 각도 측정 정확도 RMS(Root Mean Square)는 다음의 식과 같다고 할 수 있다.

여기서 θB는 안테나의 빔 폭 또는 Interferometer lobe의 폭이며, SNR은 신호대 잡음비이다.

즉, 두 방식 모두 안테나의 빔 폭을 작게 하거나 SNR이 커져야 정확도가 높아진다. 안테나 빔 폭을 작게 한다는 것은 안테나가 커버하는 영역을 작게 한다는 의미에서는 안테나 수를 늘리거나 또는 안테나 어레이 수를 늘려 빔 폭을 작게 할 수 있다.

 

먼저, 전투기의 RWR에 많이 적용되어 있는 amplitude-comparison 방법에 대해 알아보겠다.

Amplitude-comparison 방식은 360°를 동일한 각도로 커버하고 있는 안테나들 중 신호를 수신하는 두 개의 안테나 수신 신호 세기 비를 계산하여 수신 신호의 방향을 탐지한다.

 

 

Amplitude-comparison 방법을 적용한 RWR은 일반적으로 Gaussian 빔 형상을 갖는 spiral 안테나를 사용한다. 그런데 이 광대역 수신 안테나는 낮은 주파수 대역에서의 빔 패턴과 높은 주파수 대역의 빔 패턴이 차이가 있으며 이로 인해 탐지 정확도가 낮아질 수밖에 없다. 이를 보상하는 한 가지 방법은 이러한 안테나의 주파수 특성치를 데이터 베이스화하여 RWR 수신 처리기 내에 장입하고 방향 탐지 시 참조하여 처리하는 것이다.

일반적으로 4개 또는 6개의 안테나로 360°를 커버하는 amplitude-comparison RWR의 방향 탐지 정확도는 3~10° RMS이다. 위에서도 얘기했지만 이러한 시스템의 정확도를 높이는 방법은 좀 더 많은 수의 안테나를 적용하는 것이 있다. 예를 들면 8개의 안테나를 적용하면 약 2배로 정확도를 높일 수 있는 것이다.

앞에서도 얘기했듯이, 이러한 시스템의 장점은 단순한 시스템 구성과 낮은 비용, 높은 신뢰성이고 단점은 비교적 낮은 방향 탐지 정확도이다.

 

다음은 Phased interferometer 방법에 대해 얘기해 보겠다.

이 방법의 원리는 일단 아래의 그림과 같다.

 

 

먼 거리에서 plan wave로 수신되는 신호는 두 개의 안테나에 각기 시간차를 두고 수신된다. 이 시간 차는 아래의 수식에 의해 표현되며, d는 안테나 간 이격 거리이고 λ는 파장(wavelength)이다. θ는 AOA 값으로써 θ를 확인함으로써 수신된 신호의 방향을 탐지하게 된다.

 

만약 두 개의 안테나(=element)로 구성된 interferometer가 있다면, 안테나 간 간격 d는 λ/2 이내로 해야 gating lobe에 의한 모호성을 없앨 수 있다. 그러나, 수식에서도 알 수 있듯이 phased interferometer 시스템에서 높은 탐지 정확도를 구현하기 위해서는 일반적으로 d를 λ/2 보다 넓게 적용한다. 안테나 간 간격을 보다 넓게 적용하면 할수록 더 많은 gating lobe이 발생하고 공간상 탐지에 모호성이 발생하는 영역이 점점 많아진다는 의미와 같다. 이러한 탐지 불가 영역은 λ/2 이내의 element 간격을 갖는 제3의 안테나를 구현함으로써 해소가 가능하다.

 

다중의 안테나 element로 구성한 interferometer 방식을 multiple-baseline interferometer라 부른다. 예를 들면, 기준이 되는 안테나를 중심으로 첫 번째 어레이를 구성하는 안테나는 λ/2 간격으로 배치하고 두 번째 어레이를 구성하는 안테나는 기준 안테나로부터 λ 간격 배치, 세 번째 안테나는 2λ 간격 배치, 네 번째 어레이는 4λ, 다섯 번째는 8λ 식으로 배치하는 것이다.

 

Phased interferometer 방식에서 방향 탐지 정확도는 가장 먼 baseline 간격에 의해 결정된다. 그러므로 전투기에서 이 방식을 적용하려면 최소한 수십 센티에서 1~2 미터 정도의 안테나 어레이를 구성할 수 있는 공간이 필요하며 주로 주익의 wingtip이나 동체 좌 또는 우 측면에 적용할 수 있다.

 

F-16Block60에서 얘기했었는데, 전방 동체 좌/우에 이러한 안테나 어레이가 적용된 것으로 보이며, EA-18G에서는주익 wingtip과 전방 동체와 후방동체 좌/우측 측면에도 적용되어 있다는 것을 얘기했었다.

 

다음에 F-35에 대해서도 얘기할 계획인데, F-35의 경우에는 주익 LEF(Leading Edge Flap)의 root 부분과 tip 부분 그리고 주익 tip의 후방에 안테나 어레이가 적용되어 있다.