AEGIS 함정의 연안작전용 레이더 SPY-1D(V)

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■제목 : AEGIS 함정의 연안작전용 레이더 SPY-1D(V)
■출처 : Proceeding 1998, 1, Naval Institute Press

■서론

냉전종식과 함께 미 해군의 전략개념이 대양에서 연안으로의 전장지 배와 세력투사로 바뀌었다. 미 해군의 신전략개념인 동시에 미국이 구 상하는 21세기의 전장개념과 전력발전방향을 제시하고 있는 기획문서인 "Forward... From The Sea"와 "Joint Visions 2010"에서 정의하고 있는 연안작전(Littoral Warfare)개념은 더 많은 노력을 요구하는 환경적 도 전에 대응할 수 있는 새로운 레이더 시스템에 대한 요구를 강조하고 있다.

전세계 인구의 약 75%가 모여 살고 있는 연안지역은 해군작전 측면 에서 대양작전과 매우 다른 특징을 지니고 있다. 연안해역은 대양에 비 해 자연적인 클러터(육지의 지형, 기상, 모래바람, 역수온층, 새떼등)와 인공적인 클러터(도시건물, 재밍, 채프등 ECM체계)가 혼합하여 존재하 기 때문에 특히 레이더 시스템의 성능에 커다란 장애요인이 되고 있다. 이와같은 극심한 클러터 환경특성을 갖는 연안작전을 위해 미 해군은 무기와 센서를 개선하고 계속적으로 증대하는 연안의 위협에 대처한 새 로운 기술을 개발하고 있다. 이러한 노력의 대표적인 사례가 AEGIS 전 투함용 SPY-1D(V) 레이더시스템이다.

AEGIS 전투체계의 심장부인 SPY-1 레이더는 27척의 타이컨디로거 (CG-47)급 순양함 모두에 장착되었고 알레이 버크(DDG-51)급 구축 함에도 이미 장착했거나 장착될 예정이다. SPY-1 레이더와 AEGIS 전 투체계는 본래 냉전시대의 구소련 대함미사일 공격에 대비하여 개발되 었으나 해군의 지속적인 투자로 Aegis 레이더와 전투체계는 현재 및 미 래의 작전운용요구에 맞게 개량되어왔다. 이 시스템들은 전례없는 대공 전 능력을 제공함과 동시에 광범위한 현대의 대공위협에 매우 효과적인 전역방어(Theater-Wide Defence)가 가능하도록 발전되어왔다.

최초에 건조된 Aegis 순양함 Ticonderoga(CG-47)에서 Philippine Sea(CG-58)까지 탑재된 SPY-1A 레이더 시스템은 1980년대의 대함순 항미사일을 대응하기위해 수상함 전투전단의 주 레이더로 개발되었다. 이 혁명적인 레이더 시스템은 컴퓨터로 제어되는 위상배열 레이더 기술 을 소개하였고 오늘날에도 표준레이더 기술이 되었다. 또한 Princeton (CG-59)에서 Port Royal(CG-73)까지의 Aegis 순양함에 탑재된 SPY-1B 레이더와 DDG-51에서 DDG-90까지의 Aleigh Burke급 구축함 에 탑재된 SPY-1D 레이더는 개선된 ECM 대항능력, 더 큰 용량의 트 랙(track) 파일, 유의하게 감소된 Side-lobe 능력을 종합하였다.

신형 SPY-1D(V) 레이더 시스템은 새로운 위협에 대응하도록 진화하 는 Aegis의 전통을 그대로 이어받은 대단히 큰 개선이다. 연안의 극심 한 클러터환경에서 저고도 고속비행의 더 소형의 대함순항미사일에 대 응하기위해 특별히 개발된 이 시스템은 뉴저지주의 Moorstown에 있는 Aegis 전투체계기술개발시험장(Combat System Engineering Development Site)에서 운영중이며 해군의 개발시험과 운영시험기간중 에 성공적인 실제표적/ 모의표적에 대한 탐지 및 추적으로 시험이 완료 되었다.

SPY-1은 다기능 모노펄스 위상배열레이더(고정식 안테나) 레이더로 방위 및 고도탐색, 표적획득, 식별, 추적기능들을 함대공미사일의 지령 유도 제공능력과 합친 것이다. 전통적인 회전형 레이더에 비해 SPY-1 의 가장 큰 장점은 극적으로 증가된 데이터율(Data Rate)과 트랙처리용 량이다. 구형전투함정에서와 같이 여려 개의 별도 레이더 대신에 다기 능 SPY-1 레이더들 사이에 인터페이스를 감소시킬 뿐 아니라 시스템 반응시간을 크게 감소하는 동시에 표적처리용량도 커지게 하였다. 그 외에도 수명주기비용이 크게 감소하였고 획득비용도 절약된다.

안테나, 송신기, 수신기, 신호처리기, 제어그룹 및 보조장비로 구성되 는 SPY-1 레이더 시스템은 4개의 고정형 평면 안테나 면(Face)을 사용 하고 각 면은 수평에서 천장까지 90도 4분면 씩 360도 전방위 공간을 탐색하며 4,000개 이상의 방사소자로 다수의 빔을 형성하고 지시한다. 이 레이더는 전자파 스펙트럼의 S-밴드 주파수를 사용한다. 이 다기능 레이더는 수 백개 표적을 250해리 이상까지 추적할 수 있고 다수의 스 탠더드 SM-2 함대공미사일에 초기 및 중간유도를 동시에 제공한다. 표 적은 위협에 따라 우선순위화되고 자동 또는 수동으로 함정의 무기체계 에서 교전을 수행한다.

■SPY-1 레이더의 진화

SPY-1은 1960년대 죤즈 홉킨스 대학의 응용물리연구소(Applied Physics Labortory, APL)에서 개발한 AMFAR(Advanced Multi-Function Array Radar)에서 발전되었다. 1983년 USS Ticonderoga에 탑재한 이래 SPY-1 계열 레이더 시스템은 AEGIS aseline Upgrade Process를 통하여 매우 많은 개선이 이루어졌다. 서로 다른 레이더 변형모델들은 상당한 기술발전과 운영요구의 변화를 반영 한다. 예를 들어, CG-47에서 CG-58에 탑재된 AN/SPY-1A 레이더는 1980년대 초의 대함순항미사일에 대응하도록 설계된 것이다.

CG-59에서 CG-73에 탑재된 SPY-1B 레이더와 DDG-51에서 DDG-90에 탑재된 SPY-1D 레이더는 상당한 개량이 있었다. SPY-1B 는 저고도로 비행하는 저 RCS(Radar Cross Section 레이더 반사면) 미 사일에 대응하고 더 많은 수의 표적추적능력을 제공하며, 적의 재밍에 대해 저항력을 갖도록 매우 작은 Side-lobe로 운용되도록 설계하였다. SPY-1D는 Aegis 순양함의 상부구조 2개 층에 수용되도록 설계된 SPY-1B를 소형화하여 구축함의 단일 Deck-House에 수용되도록 설계 하였다. 이 레이더의 제작사인 Lockheed Martin Electronic Systems는 SPY-1D를 더 작고 가볍게 설계하였다. 프리깃함 사이즈인 SPY-1F는 3,500톤급 이상의 수상전투함에 실제로 설치될 수 있다. 경량형 SPY-1F는 모든 현재 및 미래의 연구개발, 전역탄도방어개선(비록 미해 군은 SPY-1D를 사용할 계획이지만)에 이익을 줄 수 있다.

■연안작전용 레이더

SPY-1D(V) 레이더는 Aegis 레이더의 계속되는 진화의 주춧돌이다. 이 레이더는 다양한 범위의 연안환경에서의 새로운 위협에 대응하는 한 편, 전통적인 대양작전에서의 레이더 성능도 강화하도록 설계되었다. 이 레이더는 Sea Skimming 순항미사일과 전술탄도미사일(TBM)의 탐지, 추적, 표적지정능력을 강화하기위하여 Silid State 기술을 사용한다. 더 욱이 이 레이더는 합참기획문서인 Joint Vision 2010에서 식별된 많은 요구능력을 지원한다. SPY-1D(V) 레이더는 자체의 최신 가용한 기술을 가지고 정보의 우월성(Information Superiority), 지배적 기동(Dominant Maneuver), 정밀교전(Precision Engagement), 전차원보호(Full Dimensional Protection)와 같은 합동 및 다국적 전투개념에 상당히 많 은 기여를 할 수 있을 것이다. AEGIS 전투체계와 SPY-1D(V) 레이더 는 Joint Vision 2010의 신작전 환경에서 성공적인 작전을 위한 필수조 건이다.

연안작전환경에서 발견되는 인공클러터는 건물, 산업복합체, 재밍, 채 프등으로부터 대량으로 반사되는 것이 포함된다. 자연적인 클러터는 산 악지형, 철새떼, 악천후, 역수온층 또는 모래바람등에서 기인할 수 있다. 이와같은 환경하에서 저고도로 고속비행하는 소형대함미사일 표적에 대 응하기위한 요구능력은 레이더의 민감도와 서브클러터의 가시성을 증가 시키면서 레이더 탐지범위에서의 신속한 탐색률을 유지할 수 있는 고 난도 설계의 도전을 심하게 받는다.

연안해역의 극심한 교통량과 클러터에서 레이더 민감도를 증가시키면 허위표적의 순간탐지(Transient Detection)와 실제표적의 추적에 방해가 되는 트랙의 수를 극적으로 증가시킨다. 이들 트랙의 처리는 레이더의 시간과 출력, 컴퓨터 처리자원의 소모를 유발시켜 탐색률의 저하, 클러 터의 전시, 전시 트랙의 혼돈을 야기시킨다. 이렇게 되면 운용자들은 전 시되는 데이터를 관리하는 일보다도 전시내용과 트랙파일을 정리하는 데 시간을 낭비한다.

SPY-1D(V)레이더는 Sea-Skimming 미사일과 전술탄도미사일의 탐 지, 추적, 표적지정 능력강화를 위해 Solid State 기술을 사용하는 외에 도 PDAS(Pulse Doppler Acquisition and Tracking) 파형과 신속탐색률 유지능력의 추가를 통해 통상적으로 레이더 운용조건에 악영향을 주거 나 클러터가 심한환경에서도 고속저고도비행의 보다 소형인 표적을 처 리할 수 있다.

SPY-1D(V)팀은 혁신적인 신기술을 적용하여 레이더 장비를 개량하 고 전술프로그램을 강화하였다. SPY-1D(V)에 대한 개선은 주로 진보 된 신호처리기인 ASP(Advanced Signal Process)의 설치에서 유래하였 고 SPY-1B/D에 대한 개선은 주로 전술컴퓨터프로그램과 송신기장비설 치에 기인한다. 신호처리기의 개선은 SPY-1B/D의 신호처리기를 개선 형으로 교체하고, 저출력 RF(Radio Frequency) 중폭기 캐비닛을 산형 의 간단한 드라이버와 전원공급장치로 교체하는 것을 포함한다. 컴퓨터 프로그램 개량은 구조적 개선을 통하여 UYK-43 컴퓨터에 한 대에서 두 대로 바꾼 후 시스템이 함대에 배치될 쯤이면 상용의 COTS(Commercial Off The Shelf; 민간기술의 군용전환) 프로세서로 바뀔 것이며, 클러터 거부와 기만전자대항책(DECM : Deceptive Electronic Countermeasures)의 관리를 위한 새로운 처리를 신호처리기 와 송신기에 제공하는 것을 포함한다.

SPY-1D(V)의 확장되고 컴퓨터 선택적인 MTI(Moving Target Indicator) 탐색모드 능력은 클래터 상쇄 성능의 실질적인 개선을 자동 화한 컴퓨터제어하에 제공한다. 자동화적응모드제어(AAMC : Automatic Adaptive Mode Control)기능은 시스템이 최적의 MTI 탐색 파형을 자동으로 선택하면서 레이더 운용자의 MTI 관리업무를 없애도 록 해준다. 게다가 레이더의 강화된 DECM능력은 현대식 기만재머의 기술적 진보를 무력화시키도록 설계되었다.

SPY-1D(V)기술의 핵심은 개선형신호처리기(ASP)가 개선된 자료분 산시스템구조와 현대적 마이크로프로세서의 증대된 처리능력을 제공한 다는 점이다. ASP에는 5,000개 이상의 ASIC(Application-Specific Integrated Circuit)을 다양한 일반용 마이크로프로세서 모듈에 통합한 다. 이 신형프로세서를 위해 26개의 새로운 모듈타입이 개발되었다. 이 들 각 모듈은 기존의 SPY-1B/D 모듈 200개에 해당하는 능력을 갖는 다. 이 기술은 실시간의 프로그램가능구조를 제공하여 복잡한 알고리즘 계산, 장비제어, 고장탐지, 고장분리 및 로컬메모리 동작등을 지원한다. 새로운 알고리즘이 프로그램가능한 신호처리모듈로 실시간에 다운로드 되어 특정목적의 복합적인 동작을 수행하여 다양한 형태의 처리요구에 엄청난 유연성과 적응성을 제공한다. 이 시스템은 프로세서 내부에서의 데이터교환을 위해 Pi-Pus주로를 결합하고 로컬메모리내에 175,000라인 의 펌웨어(Firmware)를 포함한다. 이외에도 ASP는 장비통제, 오류감 지, 오류분리기술을 사용하며 잠재적인 레이더문제를 신속히 식별하고 관리한다.

신형저출력 RF증폭기는 SPY-1B/D에 비해 더 높은 평균출력, 더 낮 은 잡음, Pulse-to-Pulse, 위상, 진폭의 많은 안정도를 제공한다. 장비와 펌웨어 분야의 이와 같은 기술적 진보는 이 레이더 시스템이 연안작전 임무를 충족할 수 있도록 개선된 레이더 능력의 개발을 유도하였다. 이 레이더는 ASP내에 완전히 통합된 Dual-Beam 탐색능력 특성도 가지고 있다. Dual Beam 탐색은 레이더 시스템에게 극심한 클러터와 밀도높은 트랙환경에서도 MTI 개선에 필요한 고데이터율의 감시를 유지하도록해 준다. 이 기술은 반대편에 있는 배열면을 사용하여 한번에 두방향을 동 시에 탐색할 수 있는 기술을 제공한다. 탐색데이터는 신호처리기의 4개 채널가운데 2개 채널에서 독립적으로 처리된다. 컴퓨터 프로그램의 핵 심구조와 개선된 상용프로세서의 결합으로 극적으로 증가된 초당제어 Dwell수를 처리할 수 있는 능력이 구현되었다.

■AN/SPY-1D(V) 성능개량

다음은 AN/SPYD(V) 레이더 시스템의 주요 성능 개량의 일부를 강 조한 것이다.

MTI 기술을 레이더 시스템이 클러터를 제거하여 클러터에 의해 가려 진 이동표적을 추출하고 잡음면(Noise Floor) 이하의 클러터를 감소시 켜 순간 탐지(Transient Detection)의 수를 줄여준다. 효과적인 MTI능 력은 CIC 운용자에게 전시되는 전술상황과 데이터링크를 통해 전송되 는 전술정보의 품질에 매우 중요하다. SPY-1D(V)는 다음과 같은 여러 가지 MTI 혁신을 가져왔다.

·두 개에서 7개의 펄스가운데 파형을 컴퓨터가 선택하여 클러터 제거 와 불필요한 허상 제거를 컴퓨터의 통제하에 더 많이 할 수 있다. 시스 템이 가장 좋은 MTI 파형을 선택하여 사격통제 수준의 양질의 트랙을 클러터 구역안에서도 유지할 수 있다.

·Wide-Norch MTI는 성가신 트랙(예: 새떼)의 제거를 가능하게해준다. 이 특성은 서로 다른 속도를 갖는 다출처 클러터(예: 지상 클러터와 비 에 의한 클러터)를 제거한다.

·펄스 도플러(Pulse Doppler) 획득 및 추적 파형은 12개 및 16개 펄스 로 구성되어 더 큰 민감도를 제공하여 극심한 클러터와 Chaff 환경에서 선택한 표적을 보는 것보다 더 많은 클러터를 제거한다. 이 기능은 운 용자가 고밀도 클러터와 채프 구름(Chaff Cloud)이 형성된 구역에서 전 술적으로 중요한 표적을 지속적으로 추적할 수 있는 능력을 제공한다. 펄스 도플러 모드는 함 외부센서로부터 큐 탐색(Cued Search)능력을 제 공하여 펄스 도플러 파형으로 클러터 밀집구역의 탐색으로 지원한다.

SPY-1D(V)의 추적 시동처리기(Track Initiation Processor)는 수면상 또는 수면 근처의 접촉을 걸러내기 위해 고속의 수평탐색을 사용하는 TWS(Track-While-Scan) 프로세스와 함께 개선형 신호처리기(ASP)에 완전히 통합되었다. 오냇동안 지속되는 저속트랙을 식별하여 함포사격 통제체계(GFCS)에 전달된다. SPY-1B/D 레이더를 탑재한 함정에는 별 도의 처리캐비닛을 사용하여 이 기능을 나중에 추가하였다.

시스템의 가용성과 신뢰성도 높은 우선순위를 갖는 설계요소이다. 장 비와 컴퓨터 프로그램내에서의 고장 탐지와 고장 분리 범위의 개선은 신형의 상용 ORTS(Operational Readness Test System)와 조합하여 레 이더 시스템의 정비유지에 용이성과 친숙성을 갖게해준다. 라인별로 교 체할 수 있는 단위 크기의 분산이 크게 줄고 더 적은 수의 모듈 타입이 시스템에 포함되기 때문에 함정은 더 적은 수량의 올바른 수리부품을 가지고 다닐 수 있게되었다. 함대에서 실시된 개발시험(DT) 및 운용시 험(OT)는 이 정비성 개선을 확인해주었다.

AEGIS SPY-1 레이더의 전통적인 대양작전 임무 또는 새로운 연안 작전능력과의 절충이 없더라도 SPY-1D(V) 시스템은 해군의 탄도미사 일 방어(Ballistic Missile Defence)임무에 크게 기여할 수 있을 것이다. 개선된 신호처리기 안에 내장된 설계의 유연성은 증가된 평균출력과 개 선된 송신기 파형 안정도와 조합을 이루어 이 레이더 시스템은 전역탄 도미사일방어(TBMD) 작전에서 주요역할을 수행할 수 있도록 해줄 것 이다.

최근에 개발시험이 완료된 SPY-1D(V) 레이더는 뉴저지주의 Moorsetown에 있는 Aegis Combat System Engineering Development Site에 설치되어 운용중이다. 이 레이더의 함대배치 계획은 40번째 알레 이 버크급 구축함인 DDG-91을 시작으로 설치되며, 두 대의 AN/UYK-43 레이더 통제용 컴퓨터 형상을 상용 프로세서로 교체하는 것이 포함된다. 최근에 Douglas 소장이 10척의 함정 시스템을 위한 SPY-1D(V)의 초도 생산을 인가하였다. 그러나 SPY-1D(V)는 SPY-1B/D의 위상배열, 고출력 RF증폭기, 보조장비 및 지원체계를 그 대로 유지한다. 아무튼 SPY-1D(V) 레이더 시스템은 새로운 위협에 대 처하도록 진화하는 Aegis의 전통을 계승할 것이다.