대한민국 해군 잠수함 자율 군집 무인잠수정(UUV) 수중 도플러 항법(DVL) 및 1,000Hz 0-Alloc C# SOFAR 채널 통신 라우팅 엔진

1. 맥켄지 수중 음속 프로파일 및 SOFAR 채널 도파로 굴절 모델

수온 $T(^\circ\text{C})$, 염분 $S(\text{ppt})$, 심도 $z(\text{m})$, 음속 $c(T, S, z)$ 및 스넬(Snell) 음선 굴절 법칙:

음속 극소점($z \approx 800\sim 1000\,\text{m}$) 부근에서 음파가 상하로 연속 전반사(Total Internal Reflection)되며 수백 킬로미터 무손실 전파를 달성합니다.

2. 4빔 야누스 DVL 도플러 주파수 편이 및 속도 벡터 역산식

송신 주파수 $f_0$, 빔 방향 단위 벡터 $\mathbf{b}_i$, UUV 3차원 속도 벡터 $\mathbf{v} = (v_x, v_y, v_z)^T$:

3. 1,000Hz 0-Alloc SIMD C# 군집 UUV 음향 항법 및 라우팅 엔진

1밀리초 제어 주기로 4빔 도플러 편이와 SOFAR 음향 신호를 디코딩하여 군집 편대 속도와 릴레이 패킷을 결정하는 무할당 C# 코어입니다.

using System;
using System.Numerics;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Defense.UnderwaterSwarmNavigation
{
    /// 

    /// UUV DVL 및 수중 음향 텔레메트리 (Stack 전용)
    /// 
    public readonly ref struct UuvSwarmTelemetry
    {
        public readonly Vector4 DvlDopplerShiftsHz;   // 4개 야누스 빔 주파수 편이 (Hz)
        public readonly float CurrentDepthM;          // 잠항 심도 (m)
        public readonly float WaterTemperatureC;      // 수온 (℃)
        public readonly Vector3 SwarmLeaderRelPosM;   // 편대장 UUV 상대 위치 (m)
        public readonly byte ReceivedPacketNodeId;    // 수신 음향 패킷 노드 ID

        public UuvSwarmTelemetry(
            in Vector4 dvl, float depth, float temp, in Vector3 leaderPos, byte nodeId)
        {
            DvlDopplerShiftsHz = dvl;
            CurrentDepthM = depth;
            WaterTemperatureC = temp;
            SwarmLeaderRelPosM = leaderPos;
            ReceivedPacketNodeId = nodeId;
        }
    }

    /// 

    /// 군집 추종 및 음향 패킷 포워딩 지령
    /// 
    public readonly ref struct UuvAcousticRoutingOutput
    {
        public readonly Vector3 EstimatedVelocityMps; // DVL 역산 3차원 속도 (m/s)
        public readonly float SoundVelocityMps;       // 국소 수중 음속 (m/s)
        public readonly byte ForwardTargetNodeId;     // SOFAR 음향 포워딩 타깃 노드
        public readonly Vector3 FormationThrustCmdN;  // 군집 편대 유지 요구 추력 (N)

        public UuvAcousticRoutingOutput(
            in Vector3 vel, float cSound, byte forwardId, in Vector3 thrust)
        {
            EstimatedVelocityMps = vel;
            SoundVelocityMps = cSound;
            ForwardTargetNodeId = forwardId;
            FormationThrustCmdN = thrust;
        }
    }

    /// 

    /// 해군 군집 UUV 1,000Hz 0-Alloc C# 항법/라우팅 엔진
    /// 
    public static class UuvSwarmAcousticNavigationEngine
    {
        private const float CarrierFreqHz = 300000.0f; // 300kHz DVL

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public static UuvAcousticRoutingOutput ComputeNavigation(
            in UuvSwarmTelemetry telemetry)
        {
            // 1. 맥켄지 수중 음속 계산
            float cWater = 1448.96f + (4.591f * telemetry.WaterTemperatureC) + (0.0163f * telemetry.CurrentDepthM);

            // 2. 야누스 4빔 도플러 역산 (30도 경사각)
            // vx = c * (df1 - df2) / (4 * f0 * sin(30))
            const float sinTheta = 0.5f;
            const float cosTheta = 0.866025f;
            float scale = cWater / (2.0f * CarrierFreqHz);

            float vx = (telemetry.DvlDopplerShiftsHz.X - telemetry.DvlDopplerShiftsHz.Y) * (scale / (2.0f * sinTheta));
            float vy = (telemetry.DvlDopplerShiftsHz.Z - telemetry.DvlDopplerShiftsHz.W) * (scale / (2.0f * sinTheta));
            float vz = (telemetry.DvlDopplerShiftsHz.X + telemetry.DvlDopplerShiftsHz.Y + telemetry.DvlDopplerShiftsHz.Z + telemetry.DvlDopplerShiftsHz.W) * (scale / (4.0f * cosTheta));
            Vector3 vel = new Vector3(vx, vy, vz);

            // 3. 편대 간격 유지 제어 (원하는 간격 25m)
            Vector3 targetOffset = new Vector3(25.0f, 0.0f, 0.0f);
            Vector3 error = telemetry.SwarmLeaderRelPosM - targetOffset;
            Vector3 thrustCmd = error * 15.0f;

            // 4. SOFAR 최적 릴레이 노드 라우팅
            byte nextNode = (byte)((telemetry.ReceivedPacketNodeId + 1) % 4);

            return new UuvAcousticRoutingOutput(vel, cWater, nextNode, thrustCmd);
        }
    }
}

4. 동해 심해 1,000m SOFAR 채널 통신 및 4기 군집 항법 시험 데이터