[논문 리뷰] Armoured Fighting Vehicle Team Performance Prediction against Missile Attacks with Directed Energy Weapons

Graham V. Weinberg, Mitchell Kracman|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 28.

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics참고 문헌 13인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 미사일 공격에 대한 전차 팀의 생존성을 기반으로 한 이산 시간 모델을 고에너지 레이저 유도 에너지 무기(HEL-DEW)의 체류 시간 영향을 고려한 점프 스토하스틱 과정을 사용하여 연속 시간으로 확장한다. 이 과정은 파괴된 미사일 수를 추적하며, 단일 및 이중 미사일 위협에 대한 정확한 성능 예측을 가능하게 한다. 수치적으로, 일반적인 임계값 조건 하에서 1km 이내에서 두 미사일 모두를 파괴할 수 있음을 입증한다.

ABSTRACT

A recent study has introduced a procedure to quantify the survivability of a team of armoured fighting vehicles when it is subjected to a single missile attack. In particular this study investigated the concept of collaborative active protection systems, focusing on the case where vehicle defence is provided by high power radio frequency directed energy weapons. The purpose of the current paper is to demonstrate how this analysis can be extended to account for more than one missile threat. This is achieved by introducing a jump stochastic process whose states represent the number of missiles defeated at a given time instant. Analysis proceeds through consideration of the sojourn times of this stochastic process, and it is shown how consideration of these jump times can be related to transition probabilities of the auxiliary stochastic process. The latter probabilities are then related to the probabilities of detection and disruption of missile threats. The sum of these sojourn times can then be used to quantify the survivability of the team at any given time instant. Due to the fact that there is much interest in the application of high energy lasers in the context of this paper, the numerical examples will thus focus on such directed energy weapons for armoured fighting vehicle team defence.

연구 동기 및 목표

• 기존의 이산 시간 AFV 팀 생존성 모델을 더 정확한 성능 예측을 위해 연속 시간 프레임워크로 확장하기 위해.
• 시간에 따라 변화하는 파괴된 미사일 수를 추적할 수 있는 스토하스틱 과정을 개발하여 실시간 성능 예측을 가능하게 하기 위해.
• 고에너지 레이저(HEL) 유도 에너지 무기의 영향을 체류 시간 효과를 고려하여 모델링하기 위해.
• 다중 미사일 공격 상황에서 협업형 활성 방어 시스템(C-APS) 평가를 위한 확장 가능한 수학적 프레임워크를 제공하기 위해.
• HEL-DEW 대응 조치에 초점을 맞춘 수치적 예시를 통해 모델의 적용 가능성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 시간 t에서 파괴된 미사일 수를 연속 시간 점프 스토하스틱 과정 Z(t)로 모델링하며, 상태 {0,1,2}는 파괴된 위협의 수를 나타낸다.
• 과정의 체류 시간을 분석하여 탐지 및 방해 성공률과 관련된 전이 확률을 유도한다.
• 기하학적 및 운동학적 관계에서 유도된 새로운 HEL-DEW 효과성 표현을 도입하여 대상 체류 시간을 고려한다.
• 余弦 법칙을 적용하여 미사일에서 잠재적 공격 차량까지의 거리를 계산하여 교전 가능성에 대한 정보를 제공한다.
• 식 (34)–(35) 및 (43)–(46)을 사용하여 미사일 거리와 플랫폼 기하학적 구조에 기반한 탐지 및 방해 확률을 계산한다.
• 시간에 따라 변화하는 확률 분포 P(τ₀ < t) 및 P(τ₀ + τ₁ < t)를 활용하여, 영향을 받기 전에 한 개 또는 두 개의 미사일이 파괴될 가능성을 정량화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 하면 AFV 팀 생존성의 기존 이산 시간 모델을 더 정확한 성능 예측을 위해 연속 시간으로 확장할 수 있는가?
• RQ2 협업형 활성 방어 시스템에서 고에너지 레이저의 체류 시간은 도래하는 미사일을 파괴할 확률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 이중 미사일 공격 상황에서 탐지 및 방해 확률는 미사일 거리와 차량 위치에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ4 HEL-DEW를 사용하여 독립적으로 발사된 동일한 두 개의 미사일에 대응할 때 C-APS 팀의 성능은 어떠한가?
• RQ5 다중 미사일 상황에서 방해 임계값을 높일 경우, 미사일 파괴 성공 확률은 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 이론적 분석을 바탕으로 한 이산 시간 모델을 연속 시간로 확장하는 데 성공하였으며, 이는 점프 스토하스틱 과정의 체류 시간을 이용해 미사일 파괴 사건을 표현함으로써 달성되었다.
• 방해 임계값 U = 10일 경우, 두 미사일이 예상되는 목표 지점으로부터 1km 이내에서 모두 파괴될 것으로 예측되며, 이는 일반적인 HEL-DEW 성능과 일치한다.
• 방해 임계값을 1000으로 높일 경우 파괴 확률이 크게 감소하여, 이는 시스템의 임계값 설정에 민감하게 반응함을 시사한다.
• 기하학적 제약 조건과 차량별 교전 능력(예: B₁ 및 B₄가 B₂를 방어할 수 없음)을 고려한 모델링이 가능하다.
• 수치적 결과는 C-APS 프레임워크가 HEL-DEW를 활용한 현실적인 교전 조건에서 높은 파괴 비율을 달성할 수 있음을 확인한다.
• 프레임워크는 세 개 이상의 미사일로의 확장이 가능하지만, 조건부 확률 분석의 복잡도는 점차 증가한다.