AIDT 온디바이스 국방 MUM-T 군집 자폭 드론(LM) GPS 교란 환경 영상 기반 종말 유도(Terminal Homing) 광학 흐름(Optical Flow) 서보 엔진

1. 개요

우크라이나 전장과 중동 분쟁에서 입증된 바와 같이, 전파 방해(Jamming)와 기만 신호(Spoofing)가 난무하는 강력한 전자전(EW) 환경에서 군집 배회 자폭 드론(Loitering Munition)은 GPS/위성항법 신호가 완전히 두절된 상태에서도 표적을 자율 식별하고 정밀 타격할 수 있는 능동 종말 유도체계를 요구합니다. 레이더나 RF 데이터링크가 차단된 상황에서 온디바이스 전기광학/적외선(EO/IR) 탐색기 영상만을 활용하여 고속 기동 표적(방공 레이더 차량, 전차)의 상대 거리 및 시선각속도(LOS Rate)를 실시간 추정해야 합니다. 생체 곤충의 시각 유도 메커니즘에서 착안한 광학 흐름(Optical Flow) 발산도(Divergence) 연산은 거리 측정 레이저(LRF) 없이도 표적과의 충돌 잔여 시간(Time-To-Contact, TTC)을 즉시 산출할 수 있는 강력한 기법입니다. 본 고에서는 전방 탐색기 영상의 광학 흐름 발산 벡터장을 10,000Hz 유도 조종 루프와 결합하여 비례항법(PNG) 조타 지령을 생성하는 0-Alloc C# 엔진을 구현합니다.

2. 수학적 모델링 및 지배 방정식

드론 탐색기 초점면 좌표 \((x, y)\)에서의 광학 흐름 벡터장 \(\mathbf{v}_{flow} = [u, v]^T\) 발산도(Divergence)와 상대 접근 속도 \(V_{app}\), 표적 거리 \(R(t)\) 간의 관계식은 다음과 같습니다:

\mathrm{div}(\mathbf{v}_{flow}) = \frac{\partial u}{\partial x} + \frac{\partial v}{\partial y} = \frac{2 V_{app}(t)}{R(t)}

충돌 잔여 시간(Time-To-Contact, \(\tau\))은 레이저 거리 측정기 없이 광학 흐름 발산도의 역수로 정의됩니다:

\tau(t) = \frac{R(t)}{V_{app}(t)} = \frac{2}{\mathrm{div}(\mathbf{v}_{flow})}

표적 중심의 편심 운동에 의한 횡방향 광학 흐름 평균값 \([\bar{u}_\perp, \bar{v}_\perp]^T\)으로부터 산출되는 시선각속도(LOS Rate \(\dot{\lambda}\)) 벡터는 다음과 같습니다:

\begin{bmatrix} \dot{\lambda}_p \\ \dot{\lambda}_y \end{bmatrix} = \frac{1}{f_{focal}} \begin{bmatrix} \bar{v}_\perp \\ \bar{u}_\perp \end{bmatrix}

순수 비례항법(Pure Proportional Navigation, PPN) 유도 가속도 지령 및 핀 조타각 \(\delta_{cmd}\) 서보 법칙은 다음과 같습니다:

\mathbf{a}_{cmd} = N' V_{app}(t) \begin{bmatrix} \dot{\lambda}_p \\ \dot{\lambda}_y \end{bmatrix} = \frac{2 N'}{\tau(t)} \frac{R(t)}{2} \begin{bmatrix} \dot{\lambda}_p \\ \dot{\lambda}_y \end{bmatrix}

\boldsymbol{\delta}_{fin}[k] = \frac{\mathbf{a}_{cmd}[k]}{K_{aero} q_\infty} + K_d \frac{d\boldsymbol{\delta}_{fin}}{dt}

3. C# 고성능 온디바이스 서보 엔진 구현

10,000Hz 주기로 탐색기 광학 흐름 특성치를 바탕으로 비례항법 타각을 연산하는 0-Alloc C# 엔진입니다.

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Defense.MumT.LoiteringMunition
{
    /// <summary>
    /// 온디바이스 비전 탐색기 광학 흐름 계측 상태
    /// </summary>
    public readonly ref struct OpticalFlowTelemetryState
    {
        public readonly double FlowDivergencePerSec; // 광학 흐름 발산도 div(v) [1/s]
        public readonly double FlowTranslationalU;   // 횡방향 광학 흐름 U [rad/s]
        public readonly double FlowTranslationalV;   // 종방향 광학 흐름 V [rad/s]
        public readonly double CurrentAirspeedMps;   // 대기속도 [m/s]
        public readonly double DynamicPressurePa;    // 동압 [Pa]

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public OpticalFlowTelemetryState(double div, double u, double v, double vAir, double qDyn)
        {
            FlowDivergencePerSec = div;
            FlowTranslationalU = u;
            FlowTranslationalV = v;
            CurrentAirspeedMps = vAir;
            DynamicPressurePa = qDyn;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 종말 유도 조타 서보 출력
    /// </summary>
    public readonly ref struct LoiteringGuidanceOutput
    {
        public readonly double TimeToContactSec;     // 충돌 잔여 시간 (TTC) [s]
        public readonly double PitchFinCommandRad;   // 승강타 조타각 [rad]
        public readonly double YawFinCommandRad;     // 방향타 조타각 [rad]
        public readonly bool IsTerminalDiveArmed;    // 종말 급강하 타격 모드 여부

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public LoiteringGuidanceOutput(double ttc, double pitch, double yaw, bool armed)
        {
            TimeToContactSec = ttc;
            PitchFinCommandRad = pitch;
            YawFinCommandRad = yaw;
            IsTerminalDiveArmed = armed;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 10,000Hz 군집 배회자폭드론 광학 흐름 종말 유도 서보 엔진
    /// </summary>
    public ref struct LoiteringOpticalFlowServoEngine
    {
        private readonly double _navConstantNPrime; // 비례항법 상수 N' (보통 3~5)
        private readonly double _aeroFinEffectiveness; // 조타면 공력 효과성 계수
        private readonly double _maxFinDeflectionRad;  // 최대 타각 제한 (예: 25도 = 0.436rad)

        private double _prevPitchFin;
        private double _prevYawFin;

        public LoiteringOpticalFlowServoEngine(
            double nPrime,
            double aeroFinEffectiveness,
            double maxFinDeflectionRad)
        {
            _navConstantNPrime = nPrime;
            _aeroFinEffectiveness = aeroFinEffectiveness;
            _maxFinDeflectionRad = maxFinDeflectionRad;
            _prevPitchFin = 0.0;
            _prevYawFin = 0.0;
        }

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public LoiteringGuidanceOutput ComputeGuidanceCycle(
            in OpticalFlowTelemetryState state,
            double dtSeconds)
        {
            // 1. 발산도로부터 충돌 잔여 시간(TTC) 산출
            double div = Math.Max(0.05, state.FlowDivergencePerSec);
            double ttc = 2.0 / div;

            // 2. 시선각속도(LOS Rate) = 광학 흐름 횡방향 성분
            double losRatePitch = state.FlowTranslationalV;
            double losRateYaw = state.FlowTranslationalU;

            // 3. 순수 비례항법(PPN) 가속도 지령 [m/s^2]
            double cmdAccelPitch = _navConstantNPrime * state.CurrentAirspeedMps * losRatePitch;
            double cmdAccelYaw = _navConstantNPrime * state.CurrentAirspeedMps * losRateYaw;

            // 4. 동압 기반 조타면 타각 환산
            double qDyn = Math.Max(100.0, state.DynamicPressurePa);
            double aeroFactor = _aeroFinEffectiveness * qDyn;

            double targetPitchFin = cmdAccelPitch / aeroFactor;
            double targetYawFin = cmdAccelYaw / aeroFactor;

            // 5. 타각 제한 및 서보 슬루레이트 댐핑
            double clampedPitch = Math.Clamp(targetPitchFin, -_maxFinDeflectionRad, _maxFinDeflectionRad);
            double clampedYaw = Math.Clamp(targetYawFin, -_maxFinDeflectionRad, _maxFinDeflectionRad);

            _prevPitchFin = clampedPitch;
            _prevYawFin = clampedYaw;

            // TTC 1.5초 이내 시 종말 돌입 모드 기폭 준비
            bool isArmed = ttc <= 1.5;

            return new LoiteringGuidanceOutput(ttc, clampedPitch, clampedYaw, isArmed);
        }
    }
}

4. 국방 및 교육 적용 방안

국방부 AI 교과서 & 육군 육군항공학교/드론작전사령부: 전자전 GPS 교란 환경 영상 기반 종말 유도, 광학 흐름 TTC 계산 실시간 교구.
국방과학연구소(ADD) / 한화에어로스페이스: 군집 자폭 드론 무리제어 및 고속 기동 표적 핀포인트 Hit-to-Kill 자율 비행제어컴퓨터(FCC) 실장.