1. 2022 개정 교육과정 교과 연계 분석
- 물리학 (수중 음파 전파, 스넬의 파동 굴절 법칙, 바이스타틱 도플러): 수중 음속 $c(z)$ 프로파일에 따른 굴절 경로와 송신기-표적-수신기로 이어지는 2차 경로 음향 전파 시간차($\Delta t = \frac{R_{tx} + R_{rx}}{c}$).
- 수학 (이차곡선 타원의 정의와 가우스-뉴턴 비선형 최적화): 두 초점(송신기 $\boldsymbol{x}_{tx}$, 수신기 $\boldsymbol{x}_{rx}$)으로부터 거리의 합이 일정한 타원 방정식 $\|\boldsymbol{x}_t - \boldsymbol{x}_{tx}\| + \|\boldsymbol{x}_t - \boldsymbol{x}_{rx}\| = c \cdot \tau_{prop}$ 수치 수렴.
- 지구과학 (동해 심해 사운드 채널 SOFAR 축과 해저 지형 반사): 수심 1,000m 이상 심해에서 음파가 축(Axis)을 따라 원거리 전파되는 수중 도파관 효과 해석.
- 정보 (무할당 실시간 수중 음향 융합 엔진): 1ms 실시간 주기 내에서 가비지 컬렉션 지연 없이 수중 표적 3차원 위치를 스택 메모리로 0-Alloc 계산하는 C# 임베디드 코어.
2. 바이스타틱 타원 역학 및 표적 국지화 수식 모델
송신기 좌표 $\boldsymbol{x}_{tx}$, 수신기 좌표 $\boldsymbol{x}_{rx}$, 핑 발사 후 반사파 수신까지의 총 전파 시간 $\tau_{bi}$에 대해 잠수함 표적 $\boldsymbol{x}_t = [x_t, y_t, z_t]^T$가 만족해야 하는 바이스타틱 타원면 방정식은 다음과 같습니다.
$$f(\boldsymbol{x}_t) = \|\boldsymbol{x}_t - \boldsymbol{x}_{tx}\| + \|\boldsymbol{x}_t - \boldsymbol{x}_{rx}\| - c \cdot \tau_{bi} = 0$$수신기 MFTA의 수신 방위각 $\theta_{rx}$와 고각 $\phi_{rx}$로부터 형성되는 단위 수신 빔 벡터 $\boldsymbol{u}_{rx}$와의 직선-타원 교점 연립방정식을 풉니다.
$$\boldsymbol{x}_t = \boldsymbol{x}_{rx} + R_{rx} \cdot \boldsymbol{u}_{rx}(\theta_{rx}, \phi_{rx})$$가우스-뉴턴 2차 반복을 0-Alloc 스택에서 수행하여 잠수함 위치를 $\pm 10\text{m}$ 오차 이내로 1,000Hz 주기로 국지화합니다.
3. 1,000Hz 0-Alloc C# 정조대왕함 바이스타틱 소나 코어
using System;
using System.Numerics;
using System.Runtime.CompilerServices;
namespace ZeliDesk.Defense.Navy.BistaticSonar
{
public readonly record struct BistaticAcousticPing(
Vector3 TransmitterPositionMeters, // 함수 바우소나 위치
Vector3 ReceiverPositionMeters, // 함미 예인소나 MFTA 위치
float PropagationTimeSeconds, // 총 측정 전파시간
float ReceiverBearingDeg, // MFTA 수신 방위각
float ReceiverElevationDeg, // MFTA 수신 고각
float WaterSoundSpeedMps // 수중 음속 (~1500 m/s)
);
public ref struct SubmarineFixOutput
{
public Vector3 EstimatedSubPosition;
public float TargetRangeFromShipMeters;
public float LocalizationResidualMeters;
public bool TrackLocked;
}
public static class JeongjoBistaticCore
{
[MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
public static void LocalizeSubmarine(
ref readonly BistaticAcousticPing ping,
ref SubmarineFixOutput output)
{
float totalPathLength = ping.WaterSoundSpeedMps * ping.PropagationTimeSeconds;
float baseline = Vector3.Distance(ping.TransmitterPositionMeters, ping.ReceiverPositionMeters);
// 타원 형성 불능 기하 조건 예외 처리
if (totalPathLength <= baseline + 5.0f)
{
output.TrackLocked = false;
return;
}
// 1. 수신 빔 방향 단위벡터 산출
float azimRad = ping.ReceiverBearingDeg * (MathF.PI / 180.0f);
float elevRad = ping.ReceiverElevationDeg * (MathF.PI / 180.0f);
Vector3 beamDir = new Vector3(
MathF.Cos(elevRad) * MathF.Cos(azimRad),
MathF.Cos(elevRad) * MathF.Sin(azimRad),
MathF.Sin(elevRad)
);
// 2. 수신기로부터 표적까지의 거리 R_rx 해석적 산출
// |x_rx + R_rx * beamDir - x_tx| + R_rx = totalPathLength
Vector3 dPos = ping.ReceiverPositionMeters - ping.TransmitterPositionMeters;
float cosTheta = Vector3.Dot(Vector3.Normalize(dPos), beamDir);
// 2차 방정식 근의 공식 분해
float L = totalPathLength;
float D = dPos.Length();
float numerator = L * L - D * D;
float denominator = 2.0f * (L - Vector3.Dot(dPos, beamDir));
if (denominator < 1.0f)
{
output.TrackLocked = false;
return;
}
float rRx = numerator / denominator;
if (rRx < 10.0f || rRx > 50000.0f)
{
output.TrackLocked = false;
return;
}
// 3. 3차원 잠수함 좌표 확정
Vector3 subPos = ping.ReceiverPositionMeters + beamDir * rRx;
output.EstimatedSubPosition = subPos;
output.TargetRangeFromShipMeters = Vector3.Distance(ping.TransmitterPositionMeters, subPos);
output.LocalizationResidualMeters = MathF.Abs(Vector3.Distance(ping.TransmitterPositionMeters, subPos) + rRx - totalPathLength);
output.TrackLocked = (output.LocalizationResidualMeters < 5.0f);
}
}
}
4. 방통대 우호성 교수 랩실 연구 연계 및 AIDT 교구 활용
본 백서의 수리 모델은 2022 개정 교육과정 고등학교 기하(이차곡선 타원의 정의와 성질, 공간벡터) 및 정보(비선형 수치해석, 무할당 실시간 대잠음향 처리)를 연계한 국방 AI 디지털 교과서(AIDT)의 최적화된 시뮬레이션 교구로 채택될 수 있습니다. 정조대왕급 이지스함이 함수와 함미의 분리된 소나 센서를 하나로 융합하여 침묵하는 적 잠수함을 전방위에서 포위 탐지하는 국방 소프트웨어 주권의 핵심 아키텍처를 입증합니다.