다음은 서적 "Introduction to Commuincation Electronic Warfare"에서 소개하고 있는 Electronic Support(전자 지원)에 대한 내용을 알아본다.
여기서는 그동안 많이 공부했던 레이다 대역이 아닌 책의 제목에서도 알 수 있듯이 통신 신호 대역에서의 전자 지원에 대해 공부한다.
개 요
ES(Electronic Support)는 기존에 ESM(Electronic Support Measures)이라고 불리는 개념의 새로운 이름이다.
ES는 의도적이거나 비의도적인 방출 신호에 대한 탐색과 탐지, 식별, 그리고 위치 확인을 위한 행동들로 구성된다.
도청된 통신 신호로부터 얻은 정보는 다음의 두 가지 목적에 활용된다.
정보의 사용에 따라 목적이 결정되며 이는 정보 추출에 걸리는 시간에 의해 결정된다.
만약 신호가 오랜 시간 동안 분석되면 지능(Intelligence)이 생성된다.
그런데 만약 문맥을 맞추기 위해 광범위한 분석이 필요치 않고 바로 사용되는 정보는 intelligence가 아닌 전투 정보(combat information)로 불린다.
물론 신호의 내용을 분석한 이후에 이 정보는 전투 목적으로 사용될 수 있지만 전투 정보는 intelligence를 생성하는 데에도 사용될 수 있다.
여기서 서로 차이를 주는 핵심은 유용한 정보를 추출하는데 걸리는 시간이다.
전투 정보는 즉시 사용되며 그렇기 때문에 분석을 수행하는데 시간이 거의 걸리지 않는다.
ES는 전투 정보를 생성하며 SIGINT는 intelligence를 생성한다.
전투 정보에 대한 반응은 즉각적이어야 하며 반면에 intelligence는 장거리의 그림을 형성해야 하며 따라서 생성에 더 많은 시간이 필요하다.
[ Intercept ]
통신 신호의 intercept는 ES 시스템의 가장 기본적인 기능 중 하나이다.
여기서 주목할 점은 통신 신호는 비협조적(noncooperative) 이란 것이다.
즉, 이러한 신호는 intercept 되는 것을 원치 않는다.
이는 서로 통신을 원하는 일반적인 통신 시스템의 노드와는 반대이다.
비협조적인 intercept는 더욱 어려운 문제이며 특히, 디지털 통신에서는 더욱 그렇다.
[ Internal vs Externals ]
때때로 정보는 신호의 외부(externals) 분석을 통해 얻을 수 있다.
이러한 외부란 것은 전송 속도, RF 대역폭, 그리고 변조 형태와 같은 요소들로 구성된다.
이러한 파라미터들을 결정하면 적 군대의 유형과 같은 적의 EOB(Electronic Order of Battle)에 대한 정보를 얻을 수 있다.
통신 신호의 내부(internals)는 언급된 내용에 제공된 정보나 교환된 정보를 나타낸다.
때로는 이러한 내부에서 의미가 추출되기도 한다.
전파 손실
라디오 신호는 송신기와 수신기간의 거리가 멀어질 수록 손실이 커진다.
손실은 송신 안테나로부터 모든 방향으로 제한된 전력이 퍼져나가기 때문이다.
전력 밀도는 줄어들고 이는 자유 공간에서 감쇠라고 불린다.
다른 요인들에 의해서도 추가적인 감쇠가 발생한다.
지구에 가까워지면서 초목과 표면의 불규칙성은 자유 공간에서의 감쇠를 더욱 증가시킨다.
산은 신호 전파를 방해하며 또한 때때로는 협조적일 수도 있는데 이는 knife-edge 회절이라 불리는 현상 때문이다.
일반적으로 더 높은 고도에 있는 안테나일수록 라디오 신호의 송신과 수신에 더욱 좋으며 이는 높은 위치의 안테나가 이러한 제한사항들에 있어서 자유롭기 때문이다.
송신기와 수신기 간의 거리 때문에 신호는 약해지고 따라서 ES 시스템은 일반적으로 매우 높은 감도를 갖는다.
일반적으로 우군의 통신 신호는 표적보다 ES 시스템에 더 가깝다.
그래서 이러한 송신기에서 나오는 신호들은 ES 시스템에 있어서 간섭으로 작용하며 일반적으로 매우 강하다.
주파수 스펙트럼은 스펙트럼의 사용과 기술적 능력에 따라 채널화 된다.
30 MHz에서 88 MHz 사이의 낮은 VHF 중 군용 채널은 25 KHz 폭을 갖는다.
이 범위에서 동작하도록 설계된 송신기는 이 25 KHz에 전력을 집중시킬 수 있는 특징을 가져야 한다.
그러나 이론적으로 정해진 시작과 끝 시간 동안 송신할 때에 이러한 제한된 대역폭 내에 모든 에너지를 갖는 것은 불가능하다.
그렇기 때문에 25 KHz의 채널 밖으로 에너지가 존재하게 되며 사실 심각한 에너지가 이 채널의 수 MHz 양 옆쪽으로 확장된다.
이러한 에너지는 간섭 문제를 더욱 악화시킨다.
그래서 ES 시스템은 가까이에서 간섭을 일으키는 강한 신호가 있더라도 약산 신호를 탐지할 수 있어야 한다.
ES 시스템이 이러한 문제에서도 얼마나 잘 운용될 수 있는지를 말해주는 파라미터는 동적 범위(Dynamic Range)이다.
필요한 동적 범위가 120 dB 일 수 있는데 사실 70 dB를 구현하는 것도 힘든 일이다.
공중 ES 시스템은 지상 시스템보다 미약한 신호를 더 잘 수신할 수 있기 때문에 공중 시스템의 동적 범위 요구도는 지상의 시스템보다 작은 편이다.
그러나 또한 공중 ES 시스템은 지상 시스템보다 우군의 간섭에 더욱 취약하며 이러한 간섭문제가 더 심각하다고 할 수 있다.
Geoloccation
표적의 위치는 일반적으로 전투에 있어서는 매우 중요한 정보이다.
이러한 위치는 시간에 따른 움직이는 표적의 추적에 사용되며 또한 특정 지역 안에 표적들의 유형을 그룹화할 수 있다.
이런 그룹화는 종종 부대의 타입과 의도, 그리고 계획을 나타낸다.
위치 고정(PF, Position Fixing)이라 알려진 Geolocating 통신 에미터는 ES 시스템의 중요 기능 중 하나이다. PF는 3차원 상에서 방사체의 원 위치를 찾아내는 과정이다.
전장에서 에미터의 위치를 결정함으로써 정보의 결합을 통해 EOB라 불리는 상대편 군대의 위치를 결정하는 것이 가능하다.
이 정보는 상대편 군대에 대한 누가, 무엇을 언제 그리고 어디서와 같은 것들이다.
또한 상대편 군대의 임무를 알아내기 위해서도 사용된다.
비록 위치를 정확히 아는 것이 유용하더라도 다른 경우에 처럼 이들의 위치를 상세하게 아는 것이 반드시 요구되는 것은 아니다.
일반적으로 EOB 결정을 위한 위치를 알아내는 것은 1 km 수준의 정확도가 요구된다.
무기 플랫폼의 경우에는 명령과 제어 정보를 교환하기 위해 이와 관련된 특별한 통신 신호를 가지고 있다.
이러한 신호를 찾아내고 식별하는 것은 무기 시스템의 식별을 용이하게 한다.
이런 무기 플랫폼을 찾는 것은 재밍 신호의 방향을 집중하기 위해서나 위협을 피하려 할 때에 유용하게 사용될 수 있다.
이런 응용 분야에서는 정밀한 위치 정보가 반드시 필요하지 않고 1~5 km 수준의 정확도면 충분하다.
만약 에미터의 위치 정보가 정확하다면, 이 정보는 대공포나 미사일과 같은 indirect 무기를 위한 표적 정보를 형성할 수 있다.
이러한 무기들에게는 보통 100m 보다 정확한 정밀도를 요구한다.
그러나 에미터의 위치가 반드시 무기 플랫폼의 위치를 의미하지는 않는다.
에미터의 송신 안테나가 무기 플랫폼과는 상당히 떨어진 거리에 있을 수 있는 것이다.
이 경우, geolocation 정보는 indirect 무기가 적절한 수량으로 표적을 타격할 수 있을 만큼 정확해야 한다.
스마트 무기는 표적과 가까워짐에 따라 정밀한 위치를 스스로 찾기 때문에 정밀한 위치 정보가 필요치 않으며 보통 5 km 수준의 geolocation 정보면 충분하다.
삼각법과 다중 Bearing
에미터의 geolocation을 알아내는 방법 중 가장 일반적인 방법은 삼각측량법을 이용하는 것이다.
여기서 line of bearing(LOB)이나 단순히 bearing 또는 line of position(LOP)로 불리는 입력 전파면의 도착 방향은 두 개 이상의 사이트에서 측정된다.
만약 서로 평행하고 있지만 않다면 항상 발생하는 bearing의 교차점은 에미터의 위치를 결정한다.
다음의 그림은 세 개의 사이트에서 획득한 bearing 정보로 탱크의 위치를 알아내는 것을 나타낸다.
이러한 bearing 측정에는 항상 오차가 존재한다.
이러한 오차는 시스템적 오차로서 전파면에 대한 가정의 위반이나 잡음 인가의 한 오차이다.
이론적 가정에 의하면 전파면(wave front)는 평평하다.
즉, 전파가 수신 시스템에 도달할 때에는 평면파의 형태라는 것이다.
이러한 가정은 수신 시스템과 송신 시스템 간의 거리가 멀 때에는 유효하다.
그러나 예상치 못한 파장의 혼돈이 있는 경우에는 맞지 않는다.
예를 들면, 다중 경로에 의해 수신 사이트에는 하나 이상의 파장이 발생하며 이는 보통 서로 다른 크기와 위상, 그리고 방향을 갖는다.
이러한 오차는 에미터 위치의 계산에 불확실성을 가져다주며 이 때문에 측정의 신뢰도는 보통 “fix”와 함께 계산된다.
이런 신뢰성의 측정은 확률과 함께 에미터가 위치할 수 있는 영역으로 표현된다.
이러한 영역이 원으로 표시되면 우리는 이를 circular error probable(CEP)라고 부른다.
CEP는 원의 반경이다.
만약 이 영역이 타원형이면, 이를 elliptical error probable(EEP)라고 부른다.
그리고 장축과 단축, 그리고 장축에 대한 경사각도를 통해 EEP를 정의한다.
가장 대표적으로 적용하는 확률은 50%와 90%이다.
RF 방향 탐지 장비를 위한 일반적인 운용 정확도는 주파수에 의존하며 이는 신호의 전파가 환경의 영향을 받기 때문이다.
최신의 VHF와 UHF 장비의 정확도는 일반적으로 4˚에서 5˚ rms(Root Mean Square)이며 HF 시스템의 경우는 10˚ 에서 25˚ rms 수준이다.
이러한 RF 자산을 공중 플랫폼에 탑재하면 매우 큰 장점이 있으며 UAV와 같은 플랫폼에 탑재하면 몇 가지의 이점이 있다.
첫 번째는 정확도이다.
다음의 그림을 보면, 100km 거리에 있는 standoff 공중 플랫폼에 RF 시스템이 2˚의 정확도를 갖고 있다고 가정하면 d1은 100SIN2˚로 계산되어 3.5km가 된다.
반면에 만약 UAV에 RF 시스템이 있다면 UAV는 적의 영공을 더 가까이 비행할 수 있으며 표적과 3km 떨어져 있다고 가정하면 동일한 RF 시스템의 정확도로 d2가 105m가 된다.
이렇게 표적과 가까이 비행할 수 있는 UAV에서의 또 다른 이점은 표적과의 근접성과 다중의 LOP를 획득하여 결과를 fix 할 수 있다는 것이다.
표적에 대한 LOP를 하나 이상의 시스템에서 동시에 획득할 수 있다면 fix를 할 수 있는 기회는 한 번이면 충분하다.
만약 오직 한 개의 자산만이 활용가능하다면 플랫폼은 일정 거리를 움직이면서 표적에 대한 두 번째 아니면 그 이상의 LOP를 획득하는 것이 필요하다.
여기서 만약 플랫폼이 100km 거리 이상의 standoff 거리에 있다면 두 번째 LOP를 획득하기 위해 이동하는 데에 시간이 걸리게 된다.
또한 좋은 fix를 위해서는 100km 거리 이상으로 이동이 필요하다.
반면에 UAV는 표적과 가까이 있기 때문에 오직 3km만 움직이면 두 번째의 LOP를 획득할 수 있다.
또한 반대로 얘기하면 동일한 표적 정확도를 얻기 위해서 RF 하드웨어의 정확도는 덜 정확해도 된다.
만약 250m 이내의 miss distance의 요구도가 있다면 100km 거리 이상에 있는 standoff의 RF 하드웨어 정확도는 0.14˚ 이어야 한다.
반면에 적진에 침투해 있는 UAV에 있는 RF 하드웨어는 동일한 miss distance를 위해 4.8˚의 정확도를 가지면 된다.
두 번째 장점은 시스템의 운용자가 비교적 안전한 지상에 있을 수 있다는 것이다.
세 번째 장점은 이러한 정확도를 가지기 위한 하드웨어의 감도가 비교적 덜 민감해도 된다는 것이다.
UAV는 표적과 가까이 있기 때문에 standoff 거리에 있는 시스템 보다 더 많은 양의 전력을 수신할 수 있다.
그러나 이는 단점이 될 수도 있는데 낮은 감도는 더 작은 순시 커버 범위를 의미하기 때문에 UAV는 전 영역을 커버하기 위해 지역을 자주 이동해야 할 수 있다.
표적의 상공을 비행하는 UAV에게 한 가지 치명적인 단점이 있는데 그것은 내림각(depression angle)이다.
Standoff 거리의 시스템은 방위 방향의 보정만 하면 되며 내림각은 수평면과 같다고 보면 된다.
반면 위의 그림에서의 UAV가 고도 3000m에 있다면 UAV의 내림각은 약 45˚가 되고 따라서 더 많은 시스템적 보정이 필요하게 된다.
게다가 공중 플랫폼에서 활용되는 다이폴이나 모노폴은 주로 항공기의 바닥면에 있으며 응답에 제한을 가져 시스템의 감도가 떨어진다.
마지막으로 ES 자산을 표적 어레이 사이에 놓으면 우군 에미터 어레이를 뚫어야 하는 어려움을 최소화시킬 수 있다.
미군은 SINCGARS 라디오를 사용하며 이는 낮은 VHF 스펙트럼을 뛰어다녀 상당한 우군 RF에 영향을 준다.
Standoff ES 시스템은 이러한 복잡한 스펙트럼을 뚫고 표적을 찾아야 한다.
ES 수신기를 이러한 우군의 간섭으로부터 멀리 배치하면 이러한 문제가 덜 발생한다.
이러한 모든 장점에 더해 획득 비용을 줄임으로써 항공기 비용을 줄여주며 단순한 시스템은 신뢰성을 증가시킨다.
또한 여유 분의 시스템 수량을 줄이면 유지 보수 인력의 비용도 줄일 수 있다.
다음 2부에서는 ES 시스템의 실전 배치에의 고려사항에 대해 알아본다.
출처 : Introduction to Commuincation Electronic Warfare
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