자체 추력을 갖는 능동형 전자전 디코이 장점과 대응책 - (1)

최신 전장에서 주목받고 있는 전자전 기법 중 하나는 능동형 디코이의 운용입니다. 특히 자체적으로 추력을 갖고 있는 디코이는 그 장점이 매우 많습니다. 여기서 이러한 자체 추력의 능동형 전자전 디코이에 대해 알아보고 이러한 디코이들을 상대할 수 있는 기법에 대해서도 알아봅니다.

 

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개 요

자체 추력(Self-propelled)의 디코이(Decoy)란 의미는 항공기 뒤에서 견인되거나 중력에 의해 지상으로 낙하하는 형태가 아닌 자동으로 먼 거리를 비행하는 능력을 갖는 디코이를 말합니다. 이러한 자체 추력의 디코이로서 흔히 알려진 것에는 ITALD(Improved Tactical Air-Launched Decoy)와 MALD(Miniature Air-Launched Decoy)가 있습니다.

기존의 자체 추력 디코이들은 일반적으로 작은 터보제트 엔진을 탑재하고 있으며 SAS(Signature Augmentation Subsystem)이라는 장치를 가지고 있어서 레이다 강화장치와 연동하여 다양하고 넓은 범위의 주파수를 커버할 수 있습니다. 또한 이 장치는 F-16부터 B-52까지 다양한 크기의 항공기 RCS를 모사할 수 있습니다. 

자체 추력 디코이들은 발사 전 비행경로가 프로그램되고 여기에 따라 정해진 경로로 비행을 합니다. 그래서 경험이 많은 SAM 운용자나 전투기 조종사들은 비행경로를 바꾸는 패턴이나 미사일 교전에 대한 대응 정도를 보고 디코이를 실제의 항공기와 구분해 낼 수 있었습니다.

 

비록 기존의 자체 추력 디코이들이 SAS 장치를 이용하여 큰 항공기의 RCS를 모사할 수 있더라도 최근의 레이다 시스템은 실제 표적의 독특한 특성을 파악하여 이를 구분해 낼 수 있을 것입니다. 여기에는 다양한 비협조적 표적 인식 기법인 NCTR(Non-Cooperative Target Recognition)을 적용하여 실제 항공기 표적을 디코이로부터 구분할 수 있는 것입니다.

 

[ Jet Engine Modulation(JEM) 방법 ]

JEM이라 불리는 이 기법은 제트 엔진으로부터 나오는 엔진마다의 독특한 잡음 변조 패턴을 이용하여 항공기를 식별합니다. 변조 형태는 엔진의 컴프레서와 터빈 블레이드의 회전에 의해 발생하며 이는 레이다 반사 신호에 영향을 주게 됩니다. 이 기법은  일직선 형태로 되어 있는 흡입구를 갖는 전투기나 엔진이 노출되어 있는 폭격기에 대해서 매우 효과가 좋습니다. 또한, 이러한 변조된 주파수 특성을 이용하면 지상 클러터와 헬리콥터를 구분할 때에도 사용되며 이를 헬리콥터 로터 변조 또는 HERM라 부릅니다.

(일직선 형태의 흡입구 모습(왼쪽)과 엔진 블레이드 형태에 따른 JEM 신호 형태(오른쪽))

 

[ 펄스 압축을 이용한 표적 길이 측정 방법 ]

레이다는 펄스 압축(Pulse Compression) 기법을 이용하여 장거리의 표적 탐지 기능을 유지하면서 거리 해상도를 증가시킬 수 있습니다. 이 기법을 이용하면 한 표적의 각각의 부분들 간을 구분할 수 있어서 결국 표적의 길이가 측정됩니다. 디코이들은 항공기에 비해 일반적으로 훨씬 작기 때문에 비록 RCS 측면에서는 유사하더라도 물리적인 길이 차이를 통해 식별이 가능한 것입니다.  이 기법은 또한 대륙간 탄도 미사일 방어 시스템에도 활용되며 재진입 탄두나 파편, 연료 팅크등 간의 구분을 수행합니다.

(레이다 주파수에 따라 탄두의 형태에 대한 레이다 신호 변화)

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디코이의 진화

RCS 강화 장치와 사전 계획된 비행경로에 의존하던 기존의 디코이들은 더 이상 최신의 레이다 시스템에 효과적이지 않습니다. 그 결과 디코이 시스템은 중요한 진화를 하게 되었습니다. 최신의 자체 추진 디코이들은 DRFM 재머와 양방향 데이터링크를 탑재하여 호스트 플랫폼 그리고 특정 경우에는 다른 디코이들과의 통신을 하게 되었습니다. 이러한 발전된 디코이들은 전투기나 폭격기의 시그니쳐를 모사할 뿐만 아니라 stand-in 스크린 재밍의 기능을 제공합니다. 주목할 만한 능동형 재밍과 네트워킹 기능을 갖는 디코이에는 SPEAR-EW와 MALD-X 가 있습니다.

(MBDA사의 SPEAR EW 설명)

 

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자체 추진 능동형 전자전 디코이의 장점

[ 레이다 번스루에 대한 대응 ]

전통적으로 재밍에 대한 레이다의 가장 흔한 방법은 레이다의 출력을 높여 재밍 신호보다 더 높은 레이다 반사 신호를 수신하는 것이었습니다. 이는 재밍 펄스가 한 방향으로만 전달되는 반면 레이다 펄스 신호는 표적까지 닿았다가 되돌아와야만 하기 때문입니다. 그렇기 때문에 자체보호 재밍의 경우에 재머를 갖은 플랫폼과 레이다 간의 거리가 멀수록 레이다에 대한 더 높은 효과를 얻을 수 있습니다.

이와는 반대로, 지원 재밍의 경우에는 재머가 상대 레이다에 가까이 접근할수록 레이다 운용을 방해하는 효과가 더 높아집니다. 

두 가지 경우 모두 레이다의 높은 출력과 향상된 이득으로 인해 효과적으로 재밍을 burn through 할 수 있는 특정 거리가 있습니다. 이 거리를 burn-through range라고 부르며 강력한 레이다일수록 이 거리가 더 길어지게 됩니다. 이 Burn-Through Range에 대한 더욱 상세한 개념과 시뮬레이션은 아래의 포스팅을 참고하시기 바랍니다.

Jamming 효과 분석 방법

 

이러한 burn-through 거리를 줄이기 위한 방법으로는 F-22나 F-35와 같은 낮은 RCS를 갖는 항공기를 이용하거나 EA-18G나 J-15D와 같이 고출력의 재밍 포드를 장착하는 것이 있습니다. 그러나 이러한 방법들은 중요한 절충안들이 있기 마련입니다. 스텔스 항공기들은 비싸며 이들의 RCS 감소는 특정 각도나 주파수에 국한됩니다. 전용의 재밍 포드를 탑재한다는 것은 효과적일 수 있지만 무겁고 항력을 증가시키며 무장 스테이션의 제한을 가져옵니다. 그래서 이러한 재밍 플랫폼은 일반 항공기보다 훨씬 취약한 자산이 될 수밖에 없습니다.

 

재머가 탑재된 발사형 자체 추진 디코이를 탑재하면 위협 레이다에 더욱 가까이까지 접근할 수 있습니다. 이는 재밍 대 신호 비를  사실상 burn-through가 불가능한 수준까지 증가시킵니다. 직관적으로는 이해가지 않겠지만, 전화기 보다 크지 않은 작은 재머는 수 톤의 무게를 갖는 전용 재머보다 더 높은 신도 대 잡음 비를 만들어낼 수 있으며 더 작은 재머일수록 더 가까이 표적에 다가갈 수 있습니다. 이는 전자파의 전력밀도가 거리의 제곱에 반비례하기 때문에 가능합니다. 즉, 수학적으로 거리가 두 배가 되면 전력 밀도는 1/4로 줄어듭니다.

 

[ Home on Jam 미사일에 대한 대응 ]

재머는 상대 레이다가 정확한 표적 정보를 획득하지 못하도록 여러 가지 방법을 적용하고 있으며 여기에는 거리 부정, 속도 정보 부정, 각도 추적 방해, 가짜 표적 생성등이 있습니다. 그러나 재머가 연속적인 방사의 기능을 갖고 있기 때문에 송신 방향을 숨길 수가 없습니다. 그 결과 흔하면서 효과적인 대응책이 Home on Jam(HoJ) 모드입니다. 이 모드에서 미사일은 수동 유도 방식으로 전환하여 재머의 방향을 효과적으로 추적하게 됩니다. HoJ는 주로 지대공 미사일과 공대공 미사일에서 사용되며 특별한 경우에는 GPS 재밍에 대한 대응으로 공대지 미사일에서도 사용됩니다. 

(HoJ 모드에 대한 설명)

 

HoJ 모드에서 미사일은 재밍 소스에 초점을 맞추고 다른 표적들은 무시하게 되며 이 때문에 EA-18G나 J-15D와 같은 전용의 재밍 플랫폼은 매우 위험하게 됩니다. 그러나 자체 추진의 능동형 전자전 디코이를 활용하게 되면 적의 공대공 미사일이나 지대공 미사일이 이 재머를 파괴하더라도 여전히 장점이 있다고 볼 수 있습니다. 이러한 디코이들의 로드는 일반적으로 작아서 많은 양을 전개할 수 있습니다. 예를 들면, TER 랙을 탑재한 F-16은 하나의 무장 스테이션에서 세 개의 MALD-J를 탑재할 수 있으며  쿼드 랙을 단 F-35나 Eurofighter는 4 개의 SPEAR-EW를 탑재할 수 있다. 이러한 능력으로 인해 적의 미사일 수를 소모하게 만들 수 있으며 항공기의 생존성과 효과성을 향상할 수 있습니다.

 

[ 사이드 로브 제거에 대한 대응 방안 ]

레이다가 방사를 할 때에 전력은 한 빔으로 만들어지지 않으며 여러 작은 영역들로 퍼져나가게 되고 이를 로브(lob)라고 부릅니다.

(레이다 빔 형태)

- 주 빔 로브(Main lobe) : 레이다에서 가장 큰 전력이 향하는 방향이며 표적의 탐지가 이뤄지는 영역입니다. 보통은 주 빔의 최대 값에서 3dB 이내의 영역을 말합니다.

- 사이드 빔 로브 (Side lobes) : 주 빔에서 떨어져 있는 작은 빔들을 말하며 보통은 원치 않는 방향으로 방사됩니다.

- 백 빔 로브 (Back lobes) : 주 빔 로브의 반대 방향으로의 사이드 빔 로브를 말합니다.

- 널(Nulls) : 방사 패턴 전력이 거의 0에 가까운 영역을 말합니다.

 

레이다 빔이 재머를 향해 있지 않더라도 레이다 에너지가 사이드 로브를 통해 새어나가게 되면 이는 재머의 수신기에는 매우 중요한 정보를 제공하는 것과 같습니다. 사이드 로브와 널 패턴은 송신 때뿐만 아니라 수신 시에도 적용된다는 것을 이해하는 것이 중요합니다. 이는 곧 레이다나 빔이 표적을 향하고 있지 않더라도 재머는 레이다를 방해할 수 있음을 의미합니다. 이러한 형태의 간섭을 사이드 로브 재밍이라고 합니다. 이 사이드 로브 재밍의 주요 특징은 레이다 화면에 재머가 있는 방향뿐만 아나리 다른 여러 방향으로 가짜 표적들을 만들어낼 수 있다는 것입니다.   

(주 빔 로브 재밍과 사이드 빔 로브 재밍 설명)

 

이에 대응하기 위해 만들어진 기법의 이름이 사이드 로브 캔슬러(SLC, Side lobe Canceller)이며 또는 Coherent Sidelobe Cancellation(CSLC)라고도 부릅니다. 주 안테나와 별개로 레이다는 부가적인 수신 안테나를 탑재하고 이 안테나의 이득은 주 안테나의 사이드 로브 이득보다 크지만 주 안테나의 주 빔 방향으로의 이득보다는 작습니다.

(주 안테나와 부가적인 안테나가 만드는 빔 패턴)

 

이 부가적인 안테나를 통해 수신되는 신호의 세기가 주 안테나에서 들어오는 것보다 크면 레이다는 사이드 로브로 신호가 들어온다는 것을 알아낼 수 있게 됩니다. 부가적인 안테나로 수신된 신호는 복사되고 전기적으로 180˚ 위상을 변환시켜 주 안테나에서 들어오는 신호와 결합시킴으로써 사이드 로브 재밍 신호를 삭제할 수 있습니다. 이 사이드 로브 캔슬러는 높은 듀티 사이클의 잡음 재밍에 대해 매우 효과적이라고 알려져 있습니다.

이와 유사한 기법 중 하나는 동일하게 부가적인 안테나를 사용하는 Sidelobe blanking(SLB)입니다. 그러나 재밍 신호를 삭제하는 대신에 이 SLB는 레이다가 사이드 로브 재밍을 탐지하게 되면 주 안테나의 수신기를 오프 합니다. 이러한 방법의 장점은 하나의 부가적인 안테나로 여러 개의 재머를 동시에 처리할 수 있습니다. 그러나 단점이 있는데, 그것은 레이다가 수신기가 오프 되면서 아무 신호도 수신하지 않는 상태가 된다는 것입니다. 이러한 SLB는 특히 낮은 듀티 사이클의 펄스 재머에 효과적이라고 합니다.

부가적인 안테나를 적용하고 있는 레이다는 흔히 볼 수 있는데 다음의 그림과 같이 APG-63V3와 APG-80이 있습니다.

(APG-63V3 안테나 모습(왼쪽)과 APG-80 안테나의 모습(오른쪽))

 

그럼 왜 자체 추진의 능동형 전자전 디코이가 이러한 SLC에 효과적인 걸까요? 그 답은 SLC가 동작하는 방법에서 찾을 수 있습니다. SLC는 부가적인 안테나로 받은 신호를 전기적으로 180˚ 위상을 변형시킵니다. 이 방법이 효과적이기 위해서는 재머의 수만큼 부가적인 안테나의 수가 많이 필요하게 됩니다. 그러나 자체 추진 디코이는 작기 때문에 한 항공기가 8개에서 24개의 재머를 탑재할 수 있어서 상대의 레이다를 압도할 수 있게 됩니다. 게다가, 자체 추진 디코이는 발사를 한 항공기와 같은 비행경로로 제어하며 비행할 수 있고 주 빔 안에 표적기와 재머가 같이 존재할 수 있기 때문에 사이드 로브 블랭킹과 사이드 로브 캔슬러 기법 모두 효과적이지 못하게 됩니다.

 

여기까지 자체 추진의 능동형 전자전 디코이의 발전과 최신의 레이다에 대해서 어떤 장점을 갖고 있는지 알아봤습니다. 다음 2부에서는 이러한 자체 추진의 능동형 전자전 디코이를 상대하는 기법들에 대해 알아보도록 하겠습니다. 수정할 내용이나 질문은 답글에 남겨 주시기 바랍니다. 

 

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