A2/AD 시대, 탄도미사일로 비행장 공격하기. 쉬울까?(1) 

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A2/AD 시대, 탄도미사일로 비행장 공격하기. 쉬울까?(2)

- 미사일 유도방식(1) -

미사일 혹은 정밀유도무기가 좋다, 나쁘다. 정확하다, 정확하지 않다. 어떤 유형의 표적을 처리할 수 있다, 없다 등등에 영향을 미치는 결정적 요소가 미사일이 선택하는 유도방식에 있습니다. 그 종류는 매우 다양합니다. 오늘은 지상표적을 공격할 때 선택할 수 있는 중간 유도방식들 일부에 대해서 소개해드리려고 합니다. 나머지 중간유도 방식들과 종말유도 방식들은 다음편으로 넘기겠습니다. 참고로, 지령유도 등과 같은 아주 오래된 방식들이나, 기술 간 적당한 조합이라고 판단되지 않는 기술들은 설명에서 배재하겠습니다.

관성항법장치(INS : Inertial navigation system)

관성항법장치(이하 INS)는 자이로스코프가 가지는 강직성이라는 특징을 활용해서 자신이 움직이는 방향의 가속도를 측정한 후 이를 계산하여 자신의 출발지점으로부터 이동방향과 거리를 계산하여 현재의 위치를 확인시켜주는 항법장비로 모든 유도무기의 기본 항법체계로 활용되고 있습니다. 장점은 상당히 정확하며, 현재 위치를 지속적이고 연속적으로 업데이트해준다는 점. 단점은 시간에 따른 누적오차가 발생한다는 점입니다.

최근 다양한 미사일 유도방식이 등장하면서, INS는 부정확하다는 잘못된 인식이 확산되고 있는 것이 사실입니다. 하지만 INS는 유도무기가 현재 자신이 위치해있다고 인식한 지점과 그 다음 이동할 지점 사이의 간격을 서로 이어주는 연속성을 제공한다는 측면에서 기본 항법장비로써의 지위는 전혀 흔들리지 않고있습니다. 흔히 알려진 것과 달리 이 INS라는 것이 Main이고, 나머지 체계들이 이 INS를 보좌하는 보조체계인 것입니다. 가령, 예를 들어볼까요? 뒤이어 소개할 GPS유도방식을 가장 적극적으로 활용하고 있는 유도무기가 JDAM입니다. 그리고 이 JDAM을 흔히 GPS/INS 유도방식이라고 표기하지만, 정확히는 GPS Aided INS라고 표현합니다. 즉, GPS가 INS를 돕는 방식의 유도라는 뜻입니다. 이런 표현은 미 정부의 공식문서인 JDAM Fact sheet에도 나오는 표현입니다.

http://www.af.mil/About-Us/Fact-Sheets/Display/Article/104572/joint-direct-attack-munition-gbu-313238/

그렇기 때문에 INS가 얼마나 좋은 성능을 보이느냐는 문제와 이 INS를 활용하기 위한 준비 과정에 대한 문제는 전체 유도과정의 신뢰수준을 결정하는 핵심 요소입니다. 영문 위키 INS 항목의 하단 도표를 한 번 인용해볼까요? 

 쉽게 이야기해서 INS를 활용할 때, 1시간 동안 650m의 오차가 발생한다는 내용입니다. 이를 분단위로 계산하면 분당 10m 정도의 오차가 발생합니다. 즉, 1~2분 이내의 짧은 비행거리라면, INS 만으로도 충분히 신뢰할 수 있는 CEP를 달성할 수 있다는 의미도 됩니다. 최근 GPS 신호가 교란되었을 때를 고려한 연구들이 종종진행되고 있는데, 이런 연구들이 보통 INS Only로 어떻게 전환하고 어느 정도 수준의 정확도를 보장할 수 있느냐에 대한 연구들입니다. 가령, 위에서 소개해드린 JDAM Fact sheet의 한 구절을 인용해볼까요?

“만약 GPS 자료가 교란된다면, JDAM은 항공기에서 이격된 후 자유비행을 100초 이상 시행하더라도, 30M 이내의 정확도를 달성할 수 있다. If GPS data is denied, the JDAM will achieve a 30-meter CEP or less for free flight times up to 100 seconds with a GPS quality handoff from the aircraft.” 라고 밝히고 있습니다. 대략 100초 정도는 INS 만으로도 수십 m 범위의 정확도는 달성할 수 있다는 의미라고 할 수 있습니다.

 이처럼 INS는 거의 모든 유도무기의 주 항법체계로 그 역할을 충실히 수행해왔습니다. 그럼에도 불구하고 이 항목을 마무리하기에 앞서 세세한 단점에 대한 소개도 필요합니다.

첫째, INS의 시간에 따른 누적 오차는 각속도/방위각, 가속도 오차에서 출발해서 누적된 위치오차로 나타납니다. 특히 이 같은 문제는 링 레이저 자이로와 같이 고가의 자이로가 아닌, 소형전자소자로 구성된 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)를 IMU(관성 측정 장치Inertial Measurement Unit)에 적용하여 활용하는 사례가 늘게되면서 이슈가 되고 있습니다. INS의 가격이 많이 저렴해진 한편으로 그 성능 역시 저하되는 문제가 보편적으로 나타나고 있기 때문입니다.

 이같은 INS의 태생적 한계는 결국 수분~수십분을 넘어가는 시간 동안 오차가 누적된다면 결국 유도무기가 달성하고자했던 요망효과를 달성하는데 필요한 허용 오차범위를 벗어나게 됩니다. 탄도미사일처럼 사거리에 따라 그 속도가 확연하게 늘어나는 경우, 혹은 전투기와 같이 기동 간 격렬한 Movement를 보이는 플랫폼을 지원해야하는 경우라면, 그 오차는 더 크게 벌어질 수 있습니다. 그렇기 때문에 거의 대부분의 탄도미사일과 전투기 같은 고가의 자산들은 링 레이저 자이로와 같은 고가의 고정밀 INS를 사용합니다. 링 레이저 자이로에 대한 설명은 다음의 영문 위키 내용으로 대신하겠습니다. https://en.wikipedia.org/wiki/Ring_laser_gyroscope

둘째, 문제는 이 같은 INS 누적오차 보정을 위해서 결국 새로운 기준점을 제시하거나, INS의 가속도, 각속도 측정을 보조해줄 보조항법 수단이 필요해진다는 점이고, 이 보조수단가 제공하는 자료의 정밀도에 따라 보조수단이 Aided된 INS 체계 전체의 위치정확도가 큰 영향을 받게됩니다. 구체적 사례로 80년대 소련의 KAL기 격추사건을 들 수 있습니다. 비극적 사건 이후, INS와 INS 보조항법 수단이었던 TACAN으로 인해 발생한 오차가 빚어낸 참혹한 결말이었다는 사실이 알려진 바 있습니다. 물론 그 대안으로 GPS가 민간에 개방되었습니다만, 이 GPS를 활용한 JDAM이 보편적으로 사용되고 있는 현 전장에서도 X Aided INS의 태생적 특성은 변화하지 않고 있습니다.

이상 기술한 여러 장·단점을 고려하여, 70년대 이후 대부분의 유도무기체계는 천측/관성항법(stellar inertial guidance), GNSS, 레이더, 전파고도계 또는 LiDAR를 활용한 지형대조항법(TERrain COntour Matching), 스테레오 영상 기술을 활용한 영상대조(DSMAC) 등을 INS를 보조하는 항법수단으로 중간유도에 활용하고 있으며, 종말에서 더 높은 정밀도가 요구는 경우와 이동표적 처리능력이 요구되는 경우에는 Laser, SAR, RADAR, EO/IR 탐색기를 사용하는 경우가 보편화되어있습니다. 관련 기술은 주요 기술 위주로 차례차례 설명해드리겠습니다.

전지구 위성항법(GNSS : Global Navigation Satellite System) --> 이 항목 결국 추가하게 해서 노가다 뛰게 만든 OO 님 미워요. ㅠ_ㅠ

흔히 위성항법이라 불리는 이 방식의 올바른 표현은 GNSS입니다. 흔히 GPS라고 말합니다만, 이는 미국이 운용하고 있는 GNSS 체계의 고유명사로 관련 기술의 명칭은 아닙니다. 현존하는 그리고 근미래에 전력화 예정인 GNSS로는 미국의 GPS, 러시아의 GLONASS, 유럽의 Galileo, 중국의 북두, 일본의 QZSS 등이 있습니다.

그 중 GPS는 특히 정말 많은 장점을 가진 GNSS 체계입니다. 가장 먼저 개발되었고, 수차례에 걸쳐 미국 정부가 이를 개량하였습니다. 1978년 이후 지금까지 발사된 위성이 72대, 앞으로 쏘아올릴 위성이 36대이고, 이 중 31대가 궤도에서 서비스를 제공 중입니다. 단언컨대 현존 GNSS 중에서 정밀도를 제외한 모든 부문-사실 정밀도 조차도 일본 주변지역에만 서비스를 제공하는 QZSS를 제외하면 Top class입니다-에서 단연 Top입니다. 사실 가장 주목할 만한 점은 GPS의 보안성입니다. GPS는 현재와 미래의 특정 시점에 X개의 보안코드를 제공할 수 있으며, Y개의 주파수를 활용하고 있습니다. 그리고 이들 코드와 주파수 간의 관계는 상호 보완적입니다. 이 중 우리가 흔히 상용 GPS라고 부르는 A주파수와 C/A코드는 80년대 KAL기 격추사건 이후 민간에 개방되었고, 전세계 연구자들이 하라는 것, 하지 말라는 것 모두 영혼까지 긁어모아 쓸 수 있는데까지 쪽쪽 빨아먹는 중입니다. -_-;;; 사실 상용 GPS를 개방하던 시점에서, 미 정부도 이 것이 적대적인 군사세력에게 활용될 가능성을 고려해서, COCOM Limits라는 제한 정책이 걸려있습니다. 즉, 18,000m(59,000ft), 1,000kt(1,900km) 이상에서는 상용 GPS를 사용할 수 없습니다. 공식적으로는요. 그리고 -_- 앞서 말씀드린 영혼까지 긁어서 하지 말라는 것을 하시는 분들이 계신 관계로 이 제한을 우회할 수 있는 기술도 이미 시장에 널리 퍼진 상태입니다.

먼저 정확도에 대해서 알아볼까요? 보안 관련 문제가 되지 않도록, 미 정부에서 운용하는 GPS.GOV의 인터넷 자료를 인용해보겠습니다.

http://www.gps.gov/systems/gps/performance/accuracy/

상기 페이지에서 나온 바와 같이 미 정부가 공인한 사용자 거리 오차(URE : User Range Error)는 95%확률 기준 7.8m(25.6ft)입니다. 하지만 실제 활용 시에는 이 것보다 좋은 특성을 보이는 것을 알 수 있습니다. 2016년 5월 11일 기준으로는 동일 조건에서 전세계 평균 URE가 0.715m(2.3ft) 수준으로 나왔다고 하니까요. 그리고 URE의 영향으로 최종적으로 사용자가 획득하는 위치값의 정확도는 Device의 영향을 받게 됩니다. Smart phone 등과 같이 민간에서 흔히 쓰이는 수준의 GPS는 주변에 빌딩 같은 것이 없는 평지에서 대략 4.9m(16ft)가 나옵니다. 반면, 민간에서 정확도를 올리기 위해 많은 노력을 기울인 경우에는 이 정확도가 상당히 많이 올라갑니다. 미연방항공청이 조사한 바로는 수평 좌표 95% 확률 기준으로 1.891m(6.2ft) 수준이 된다고 합니다. 이 수준이 정확한 것이냐, 정확하지 않은 것이냐는 문제는 결국 사용 조건에 따르기는 합니다만, 우리 실생활에서 그 예를 들어드릴 수는 있을 것 같습니다. 차량에 흔히들 네비게이션을 사용하는 경우를 많이 보셨을 것입니다. 주행 중에 교차로 인근에서 도로를 변경했을 때 수초에서 수십초 정도 네비게이션이 방향을 못찾고 헤매는 것을 경험해보신 적 있으실거에요. GPS라는 것이 딱 그 수준입니다. 일상적이고 평범한 상황에는 큰 문제 없이 잘 작동하지만, 결정적으로 필요한 시점에 필요한 수준의 정확도를 딱딱 보장해주지는 못합니다. 앞서 소개한 JDAM fact sheet를 기억하실 것입니다. GPS aided INS의 정확도가 어느 정도 수준이었을까요? 90년대 후반 JDAM 450발을 떨어뜨려서 시험평가를 시행한 미 공군의 평가는 95% 확률 기준 9.6m였습니다. 신규 무기체계를 검증하겠다고 JDAM 450발을 쓰는 미 공군의 클라스. 놀랍지 않나요? : )

“ The first JDAMs were delivered in 1997 with initial operational testing conducted in 1998 and 1999. More than 450 JDAMs were dropped during this testing, recording an unprecedented 95 percent system reliability while achieving a 9.6-meter accuracy rate.”

그리고 역으로 한 번 생각해보겠습니다. JDAM과 같은 상대적으로 저속의 무기에서도 굉장히 정확하기는하지만 그래도 9.6m의 오차가 발생한다면, JDAM 대비 속도는 비교할 수 없을 정도로 빠른 Super sonic 유도무기들에 정밀도 측면에서 양보란 양보는 모두 한 JDAM보다 저급한 GPS 기술을 사용했으면서 시험평가는 대충 집안 앞 마당에서 해본 수준이라면, 그 무기체계 믿고 쓸 수 있을까요?

지금까지 GPS로 대표되는 GNSS의 장점을 말씀드렸으니, 이제 단점을 들쳐볼 시간입니다.

앞서, 미사일 유도에 있어 주 항법체계는 INS라고 설명드린 바 있습니다. GPS는 지금까지 소개해드렸던 것과 같은 다소 간의 신뢰성 문제로 단독으로 활용되는 경우는 거의 없습니다. 물론 주 체계로 쓰다시피하는 동북아의 어느 나라가 있는데... -_- 하아아... ... ... ... 더 이상 말하지 않겠습니다. 결국 INS에서는 IMU에서 측정된 INS 자체 자료와 GPS에서 제공받은 자료를 상호 대조하는 방식을 사용하게 됩니다. 흔히 우리 관념에 잘못 박힌 인식 중에 하나는 GPS의 좌표값만을 활용한다는 것인데, 실상은 GPS가 제공하는 거리, 속도, 방향, 시간 등등의 Raw data가 더 중요합니다. 우리가 인식하는 좌표는 결국 그 값들을 활용해서 계산한 결과에 불과하니까요. 문제는 GPS 데이터를 받는데 걸리는 시간입니다. 그리고 이 시간 문제는 GPS TTFF(Time to first fix)라는 초기화 오류 문제를 유발합니다. 관련하여, 영문 위키 내용과 국립해양측위정보원의 질의응답 내용을 하단 링크로 첨부합니다.

https://en.wikipedia.org/wiki/Time_to_first_fix

http://www.ndgps.go.kr/_prog/_board/index.php?mode=V&no=1092&code=dgps1&site_dvs_cd=kr&menu_dvs_cd=&skey=&sval=&GotoPage=5

 이 초기화 문제를 일상에서도 우리는 흔히 겪고 있습니다. 처음 핸드폰을 켰을 때, 그리고 처음 네비게이션을 켰을 때, 수십초 정도 위치기반 서비스를 사용하지 못한 경험들 가지고 있으실 것입니다. 그 것이 바로 저 문제입니다. 그리고 정밀유도무기에서도 저런 단점들은 치명적 결과를 가져올 수 있습니다. 가령, 신호가 잘 떨어지는 상황이라면 준비된 절차대로 시행시 문제가 없게 마련입니다. 하지만 특수 조건에 쉽게 진입하는 무기체계 특성 상 운용 간에 Warm 혹은 Hot Start로 GPS 초기화가 진행되고 이 때문에 경우가 있습니다. 특히 뒤이어 설명할 GPS 교란과 관련된 문제와 연결되면 이 문제는 심각해집니다. 짧게는 수십초에서 길게는 수분까지도 GPS Data가 Cut off 될 수 있으니까요. (물론 그 때문에 INS 쓰는 것입니다만.)

첫 번째 문제를 통상적인 운용절차 상의 문제로 해결할 수 있던 소소한 문제이던 것을 제대로 일을 키운 것은 역시 GPS 교란 기술입니다. 심지어 -_- 이런 류의 장비는 ebay에서도 판매되고 있습니다. http://www.ebay.com/itm/Jammer-gps-ANT-TRACKING-/322609522611?hash=item4b1d06a7b3:g:7fAAAOSw0j9ZTPOR

오죽하면, http://www.gps.gov/spectrum/jamming/ 이렇게 홈페이지의 소개페이지까지 운용하면서 GPS Jamming이 불법이란 것을 알리겠습니까. ㅠ_ㅠ 물론 다음과 같은 류의 항재밍 기술도 https://www.google.co.kr/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=1&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwjGhbTet7nVAhWGlpQKHW9gB0oQFgglMAA&url=http%3A%2F%2Fwww.kipo.go.kr%2Fclub%2Ffile.do%3FattachmentId%3D9146&usg=AFQjCNEj_UpDxw4oJpwAqDCRAK1AxUABwg 개발되고는 있습니다만. 

일단 상용 GPS를 무기체계에서 쓴다는 것은 무리다요. 무리.

그리고 이 두 가지 결정적 결함은 GPS만의 문제가 아니라, GNSS라는 위성체를 사용하여 위치정보 서비스를 제공하는 경우에 필연적으로 발생하는 한계라고 보시면 됩니다. 종종 상용 GPS의 문제를 타 GNSS의 중복수신으로 해결할 수 있다고 하시는 분들 계시는데요. -_- 결국 조건으로 회귀될 뿐이에요. 사용 상 도움은 줄 수 있을지 몰라도. 근본적 해결책은 못됩니다. 상상해보십시오. 사거리 수백에서 수천km를 음속의 10배~20배 속도로 날아가는 비행체에서 GPS를 주 체계이다 싶이 생각하다가 신호 수신에 있어서의 기술적 제한이나, 재밍 신호로 GPS 자료가 끊기는 상황. 무섭지 않나요? : )

그런 점에서 최근 동북아 모국의 군에서 널리 쓰이던 상용 GPS를 대신하여, OOOOO기술과 OOOO OOOOOOO OOOOOOO기술을 적용한 최신 미 군용 GNSS 체계를 도입하여 기술종속을 허락한 것은 정말 현명한 결정이고, 노력의 성과라고 생각합니다.

오늘의 결론 :

1. INS 님 좀 짱인 듯. 

2. INS에도 반상귀천이 있다. 링 레이저 자이로 VS MEMS IMU

3. GPS. 그 놈 참 좋은 듯 좋지 않다. 과연 GPS Aided INS 유도무기로 구현할 수 있는 정확도 수준은 얼마일까?

4. 아놔, GPS Jammer는 Ebay에서도 판다. -_-;

5. GPS도 자다 깨면, 여긴 어디? 나는 누구?가 된다.

6. 상용 GPS 쓰면서 정밀유도무기 만들었다는 소리하는 개객끼 있으면, 그 놈이 적폐요 방산비리임.

7. 미국 행님들이 돈이 썩어서, Laser JDAM을 사는 것이 아닙니다요... 0.0