확장현실(XR) 기반 대함레이더 교육훈련체계 개발에 관한 연구

함정용 대함레이더 세트는 2007년에 개발되어, 함정 및 육상기지에서 주로 적 함정 식별용으로 운용하고 있다. 해상의 표적을 탐지하여 전시기에 표적 정보인 비디오, 안테나 방위 신호, 거리 기준(Range Zero) 트리거를 제공하는 표면 탐색 및 항해용 레이더이다. 중형급 이상의 함정에 설치 운용이 가능토록 자이로와 연동이 가능하며, 해안과 육상기지에도 설치 운용이 가능하다.

함정용 대함레이더 세트는 전시기, 사통체계, 전투체계와 연동되어 표적 정보를 전시할 수 있다. 전자전 장비에는 블랭킹 신호를 제공하며, 피아 식별기에는 사전 트리거 신호를 제공하고, 피아 식별기의 고주파 신호를 방사할 수 있도록 안테나가 장착되어 있다.

C- 밴드 고주파 펄스 신호를 생성하고, 이 고주파 펄스를 안테나를 통하여 방사시키며, 표적에서 반사되어 수신된 미약한 신호를 증폭하여 전시기에 전시 가능토록 영상(Video) 신호를 발생시킨다.

요구되는 탐지거리, 분해능력, 정확도 등에 따라 단 펄스, 중 펄스, 장 펄스 모드를 지원하며, 클러터 및 전자전 상황에서도 운용이 가능하도록 해면 반사파 및 우설 반사파 제어, 대수 증폭, 송신 주파수/펄스 반복 주파수 변경 및 구역 방사 기능을 보유하고 있다. 또한 자이로와 연동되어 표적을 진방위로 전시 가능토록 하며, 피아 식별기용 안테나를 지원한다.

레이더 송수신기는 캐비넷, 고주파부, 수신전단기, 레이더용 변조기, 송수신 인쇄회로판 조립체, 변조기용 전원공급기, 저전압 전원공급기 등으로 구성되어 있으며, 안테나를 통한 전자파 방사 및 수신 기능을 수행한다.

원격 조정기는 전시기 옆에 설치하여 송수신기의 모든 기능을 제어하며, 추가적으로 구역방사 제어 기능과 유형별 고장 상태 등을 표시한다.

레이더 안테나는 반사기 결합체와 피아식별기, 기아 박스 등으로 구성되어 전자파 방사와 수신, 피아 식별 등의 기능을 수행한다.

레이더 전시기는 레이더로 수신된 상황을 종합적으로 전시하여 상황판단 기능을 지원한다.

안전 스위치는 안테나 정비업무를 수행할 때 송신 및 안테나 회전이 안 되도록 하는 일종의 안전장치로, 정비 요원이 직접 조작하도록 안테나 가까이에 설치하여 운용한다.

시나리오에 기반한 실감형 콘텐츠를 구현하여 실전적인 레이더 운용 및 정비 교육이 가능하도록, 레이더 전시기(SPA-99KA1)와 레이더 세트(SPS-95K)의 구성품을 실제와 동일한 크기로 3D 모델링하여, 가상공간에 전시되는 콘텐츠가 실제와 동일한 크기로 가시화되도록 하였다[8]. 그림 5에서 보듯이 정비 시에 사용되는 계측기 및 사용 공구를 실제와 동일한 크기로 3D 모델링하고, 스위치 동작 등과 같은 상호작용이 가능하도록 설계 및 구현하여 실재감 있는 교육 훈련 여건을 제공할 수 있도록 노력하였다.

Fig. 5.

Measuring Instrument content development example

복잡한 콘텐츠 제작 결과물의 효율적인 관리 및 추후 확장성을 확보하기 위해 콘텐츠 제작 대상을 자료분류 기준에 맞춰 분류하고, 정의된 콘텐츠 객체 명명법을 적용하는 콘텐츠 표준 제작 방안을 제시하였다.

레이더 전시기 운용 교육 콘텐츠에는 구성품 위치 및 설명 기능, 장비 시동/정지 절차 기능, 장비 기능시험 기능 등이 포함된다. 이번 모델에서 특기할 개발내용은, 레이더 전시기 운용 교육에서 교육생이 훈련 장비를 착용한 상태에서 그림 6에서 보는 바와 같이 교육생 시점에 따라 디스플레이 구성품의 위치 및 설명이 전시되는 기능과, XR 장비를 통해 가시화되는 가상 레이더 전시기의 정보 전시영역, 단축 버튼 전시영역, 주 팝업 메뉴의 기능을 사용자의 상호작용으로 제어하여 가상공간에서 장비 기능시험을 수행할 수 있는 기능 등이다.

Fig. 6.

Development of various radar switch operation functions

반복/숙달 훈련에 의한 교육효과를 높이기 위해 훈련기 SW는 교육 훈련장에서는 교관 통제에 의한 시나리오 수행이 기본적으로 가능하며, 실제 장비가 있는 공간 또는 개인 공간에서도 반복/숙달 훈련을 수행할 수 있도록 시나리오 정보가 있는 QR 코드북 활용이 가능하다.

레이더 세트 정비 교육 콘텐츠에는 구성품 위치 및 설명 기능, 장비 시동/정지 절차 기능, 송신출력/수신감도 측정법 숙달 기능, 안테나 분해정비 기능, 송수신단 분해정비 기능 등이 포함된다.

가상 송수신기의 조작 가능한 각종 스위치, 버튼 등을 실제 송수신기에서와 같이 조작할 수 있는 기능과 레이더 세트의 시동 및 정지 절차를 시나리오 기반의 콘텐츠로 구성하여 실제 장비를 활용한 경우처럼 훈련이 가능하다.

가상 송수신기를 이용한 송신출력 및 수신감도 측정법을 숙달하기 위해 실제 측정 시에 사용되는 사용 공구 및 계측기를 가상화하여, 가상공간에서 사용자가 케이블 연결 및 공구 사용, 계측기 사용 등을 모의할 수 있다.

안테나단 분해 정비는 안테나 분해, 조립과 사전 준비 및 사후 검사로 구성되어 있으며, 송수신단 분해 정비는 19개의 항목으로 구성되어 가상공간에서 각 정비 항목별 시나리오에 의해 분해, 조립 훈련이 가능하다.

레이더를 대상으로 하는 교육훈련체계의 특성을 반영하여콘텐츠를 개발할 때 “계측기 전시 파형 및 수치 모사 방안”과 “가상 안테나 구현 방안”을 연구, 적용하였다. “계측기 전시 파형 및 수치 모사 방안”은 그림 7에서 보는 바와 같이 허용 가능한 임의의 값을 지정된 확률로 취득할 수 있는 변수인 랜덤변수를 적용하여 계측기 상의 전시 파형 및 수치를 실제와 유사하게 모사하는 방안을 말한다. 또한, 외부 높은 곳(철탑)에 있는 안테나의 분해 및 조립 절차를 실내 MR 영상으로 효과적으로 가시화하기 위해, 실제 안테나단이 있는 위치에 설치된 주변 안전 펜스를 가상공간에 재현하는 가시화 효과 구현 방안을 적용하였다[9].

Fig. 7.

Example of oscilloscope instrument waveform simulation

XR을 활용한 훈련체계에서 효율적인 훈련통제 수단 보유 여부는 훈련 성패에 영향을 미치는 주요 요소이다. 따라서 이번 훈련체계에는 교관용 훈련통제 시스템인 사후강평 시스템과 자료관리 시스템을 구비하고 있다. 사후강평 시스템은 훈련받는 교육생의 교육 진행 사항 평가 및 관리, 교육 상황 실시간 모니터링, 교육 결과 조회 및 분석, 교육훈련 상황 재연, MR 디바이스 통제 등의 주요 기능을 수행하게 된다. 자료관리 시스템은 교관 및 교육생의 정보 관리, 훈련 이력 관리, 시나리오 관리 등의 기능을 수행한다.

반복/숙달 훈련 등을 통하여 교육 효과를 높이고, 하드웨어의 최적 활용을 위해, 그림 8과 같이 교육장은 MR/VR 교육장, 현장 교육, 개인공간 교육으로 구분하여 다양한 교육 방안의 적용이 가능하도록 구성하였다.

Fig. 8.

MR/VR optimization training center configuration plan

본 훈련체계에서는 훈련기 SW를 통해 교육생 간에 가시화되는 가상공간의 3차원 객체 및 교관에 의해 통제되는 통제기 SW 간의 데이터 통합 관리를 위해 다자간 멀티협업 서버를 사용한다. 이때, SW 간 연계되는 가시화 및 공간 동기화 정보를 이용하여 다자간 협업 훈련 지원, 공간/객체 동기화, 데이터 관리 등의 기능을 수행하는 다자간 멀티협업 서버를 개발하여 다자간 협업 훈련을 효율적으로 지원할 수 있도록 하였다.

그림 9에서 보는 바와 같이 다자간 멀티협업 훈련을 진행하기 위해서는 먼저, 실시간으로 객체를 중심으로 한 각 훈련기의 상대 위치/회전 값을 계산하여 훈련기에 전송하고, 이어서 훈련기에서는 다자간 멀티협업 서버로부터 수신된 동일한 기준점으로 증강되어 가시화되는 가상물체를 확인할 수 있어야 한다.

Fig. 9.

Changing the display method of virtual objects

또한, 교관에 의한 교육 방법 및 훈련 효과를 높이기 위해 상대적 시점, 공통적 시점, 개별적 시점의 가상물체 전시 방법을 전환할 수 있는 기능과 교관에 의한 조작 가능 인원 통제와 조작 인원의 손동작을 가상공간에 가시화할 수 있는 방안 등을 개발하여 다자간 협업 훈련을 원활하게 진행할 수 있도록 하였다[9].

XR 기반 교육훈련체계의 실용화를 위해 교육훈련 효과성을 평가할 수 있는 평가모형을 적용하여 교육훈련 효과 검증 및 분석 방안을 제시하였다[10]. 교육훈련 전 과정을 평가하는 과정 지향적 모형(CIPP 모형)과 교육훈련 결과를 평가하는 결과 지향적 모형(Kirkpatrick 모형)을 혼합하여 활용하면 전반적인 교육훈련체계의 성과평가와 장단점, 보완사항 도출 등을 효율적으로 수행할 수 있을 것으로 판단된다[10],[11]. 아울러 평가를 효율적으로 실시하기 위한 구체적인 방안으로 평가단 편성 및 운용, 평가점검표 작성, 평가 데이터 수집 및 분석 방안 등을 제시하였다.

군사 분야 무기체계 중에서도 전자 장비는 무형적인 요소가 많아서 모델링하기가 상대적으로 어려운 분야이다. 본 교육훈련체계는 이러한 어려움을 극복하고 다자간 멀티협업 훈련 기능의 설계 및 구현과 시스템을 최적화할 수 있는 하드웨어 적용 및 개선, 계측기 전시 파형 및 수치 모사 방안과 가상 안테나 구현 방안 등을 연구하여 적용하였기 때문에, 관련 기술은 향후 유사한 전자 장비의 훈련체계 개발에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 또한 레이더 세트 운용 및 정비 교육에 관련된 다양한 콘텐츠를 개발하여 교육효과를 높일 수 있도록 하는 등 관련 분야 기술 발전에 기여하였다.

군사 분야의 교육훈련은 현실에서는 고비용, 고위험, 체험 불가 등으로 재현하기 힘들고, 비용이 많이 소요되는 특성이 있다. 그러나 XR 기반의 가상세계에서는 이러한 제약사항을 극복할 수 있는 시스템 개발이 가능하고, 이를 활용하여 반복 숙달함으로써 전술훈련 효과의 극대화가 가능하다.

실제로 본 교육훈련체계를 적용하면 다양한 전장 상황을 가정한 훈련 시나리오 설정이 가능하고, 이를 토대로 필요한 만큼의 반복훈련으로 실전적인 장비 운용 및 정비 능력 습득이 가능할 것으로 예상된다. 이러한 반복적인 숙달 훈련으로 실전 상황에 적시 적절한 대응이 가능하여 전투력 극대화에 기여하고 피해를 최소화할 수 있게 될 것이다.

상대적으로 협소한 공간에서도 XR 기반의 교육훈련은 다양한 상황을 반복해서 훈련할 수 있기 때문에 훈련비용의 절감이 가능하다. 본 교육훈련체계에 적용된 기술들은 다른 분야의 교육용 등에 확장이 가능한 프레임워크이기 때문에 4차산업 관련 신규사업 창출에 기여할 수 있으며, 아울러 이에 따른 고용 창출이 기대된다[13].