Study on the Operation of Surveillance Reconnaissance Drone in Urban Area Operation

도시지역 작전시 감시정찰드론 운용방안에 관한 연구

Abstract

The purpose of this study is to analyze the structural and radio environmental constraints that occur when monitoring and reconnaissance drones are operated in urban areas and to present effective operation plans accordingly. To this end, the utilization plan of spatial information systems (Terra-GIS, land information platform, V-WORLD, etc.) for securing altitude in urban areas was summarized, and as an actual example, altitude data of high-rise buildings in Seo-gu, Daejeon were collected and flight path simulation was performed based on this. In addition, actual flights were conducted to measure the radio environment around the Daejeon Government Complex, and frequency spectrum environment measurement results were conducted for the broadcasting station area where frequency interference problems were identified. As a result of the measurement, communication instability in the 2.4 GHz and 5.8 GHz ISM bands occurred due to the influence of frequency and electromagnetic field (EMI), resulting in failure of reconnaissance flights and RTH (Return to Home) phenomena. Through this study, optimization of flight paths based on altitude information, application of frequency interference avoidance technology, and securing real-time communication stability were derived as key factors when operating drones in urban areas, and it was suggested that operation centered on rotorcraft drones and integrated control based on GCS are realistic alternatives. This study can be used as practical basic data for the operation strategy of reconnaissance drones and communication technology design when performing surveillance and reconnaissance missions in urban areas in the future.

본 연구는 도시지역에서 감시정찰드론을 운용할 때 발생하는 도시구조적·전파환경적 제약요인을 분석하고, 이에 따른 효과적인 운용방안을 제시하는 것을 목적으로 한다. 이를 위해 도시지역의 고도정보 확보를 위한 공간정보시스템(Terra-GIS, 국토정보플랫폼, V-WORLD 등)의 활용 방안을 정리하고, 실제 사례로 대전 서구 일대 고층건물의 고도데이터 수집하고, 이를 기반으로 비행경로 시뮬레이션을 수행하였다. 또한, 대전정부청사 일대 전파환경 측정을 위해서 실제 비행을 진행하였으며, 주파수 간섭 문제점이 식별된 방송국 일대에 대해서는 주파수 스펙트럼 환경측정을 진행하였다. 측정결과 방송국과 송신소 주변에서 발생하는 주파수와 전자기장(EMI)의 영향으로 2.4GHz 및 5.8GHz ISM 대역에서의 통신 불안정성이 발생했으며, 이로 인한 정찰비행 실패와 RTH(Return to Home) 현상이 발생하였다. 이 연구를 통해서 도시지역에서 드론 운용 시 고도정보를 기반으로 한 비행경로 최적화, 주파수 간섭 회피기술 적용, 실시간 통신 안정성 확보가 핵심 요소로 도출되었으며, 회전익 드론 중심의 운용과 GCS 기반의 통합 제어가 현실적인 대안임을 제시하였다. 본 연구는 향후 도시지역 감시정찰 임무 수행 시 정찰드론의 운용전략 수립 및 통신기술 설계에 실질적인 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.

1. 서론

인공지능(AI), 사물인터넷(IoT), 빅데이터, 모바일 등으로 대표되는 4차 산업혁명의 기술들은 드론의 발전과 활용범위 확대에 중요한 기반이 되었다. 현재 드론은 다양한 산업 분야에서 폭넓게 사용되고 있으며, 항공촬영, 재난현장, 건설, 해양, 농업 등 다양한 산업 전반에서 유용하게 활용되고 있다. 최근에는 군사분야에서도 그 중요성이 급격히 증대되고 있는데, 특히 러시아-우크라이나 전쟁과 이스라엘-가자지구 분쟁과 같은 전쟁현장에서도 드론은 전력의 핵심요소로 인식되고 있다. 우리나라는 2022년 국방개혁 4.0이 시행되면서, AI, 드론, 사이버 등이 군사적으로 확대되었고, 그 일환으로 2년 전부터 감시정찰드론이 후방지역에 편성되기 시작되었다. 전방에 편성된 고정익 방식의 감시정찰드론은 2016년부터 도입되어 운용하고 있기 때문에 운용교리, 전술교리 등이 표준화 되어 있다. 하지만, 후방지역에 편성된 회전익 방식의 감시정찰드론을 육군의 전력지원체계의 범주 안에 있지 않기 때문에 개념연구, 운용교리, 전술교리, 기술교범 등이 연구된 바가 없다. 대한민국은 국토의 약 63%가 산악지방이며, 나머지 대부분은 광역시·도의 대도시로 형성되어 있고, 수도권 이남 대부분의 도시지역들은 다수의 고층건물들과 복잡한 인공구조물들로 이루어져 있다. 이러한 복잡한 환경에서 정찰드론을 운용하기 위해서는 도시지역의 특성을 이해해야만 한다. 따라서 본 논문에서는 도시지역에서 감시정찰드론 운용 시 발생 가능한 문제요소를 구조적·환경적 관점에서 분석하고, 공간정보 시스템 및 주파수 측정 데이터를 바탕으로 운용상 제약요인을 도출하고, 이를 기반으로 보다 안전하고 효율적인 운용 전략수립과 운용기준을 제시하는 것이 이 연구의 목적이다. 본 논문의 구성은 2장에서는 국내 정찰드론 현황과 주파수 관련 연구들에 대해서 서술하고, 3장에서는 고도정보 관련 해외 연구사례와 도시지역에서 감시정찰드론의 운용환경 특성, 고도정보 분석 시스템과 실제 드론 설정한 비행 경로가 GCS 상에서 어떻게 구현되는지를 설명한다. 그리고 4장에서는 결론을 맺는다.

2. 관련 연구

2.1. 드론의 운용개념

드론이란 조종사 없이 무선전파 RF(Radio Frequency)에 의한 유도방식으로 비행 및 조종이 가능한 무인항공기를 말한다 [1]. 분류기준은 작전목적에 따라서는 공격용, 정찰용, 지원용으로 분류되며, 형태에 따라서는 공격용, 감시정찰용, 표적획득용, 기만용으로 분류되고, 형상에 따라서는 고정익, 회전익, 혼합형 등으로 분류된다 [2]. 드론의 기본적인 운용개념은 다음과 같다. 드론(Drone)과 지상통제시스템(GCS: Ground Control System)은 하나의 단일체계로 구성되며, 주파수방식(RF)으로 운영되고, 드론과 지상통제시스템(GCS)에는 각각 KCMVP(Korea Cryptographic Module Validation Program : 한국형 암호모듈 검증제도) 암호모듈을 탑재되어 있어서 드론과 지상통제시스템(GCS)의 실시간 주파수를 구간별로 암호화하여 송출한다. 아래의 (그림 1) 처럼, 드론과 지휘소가 근거리일 경우, 드론 카메라의 영상정보는 5.8Gz 통신모뎀을 통하여 지상통제시스템(GCS)으로 전송되고, 유선케이블(HDMI)을 이용하여 지휘소로 송출한다. 드론과 지휘소가 원거리일 경우, 조종사는 비가시비행(BVLoS : Beyond Visual Line of Sight, 드론 조종사 육안으로 보이지 않은 거리에서 비행을 수행하는 것)으로 전환되며, 이때 드론 카메라의 영상정보는 LTE 통신모뎀(무선인터넷)에 접속되고, 연결된 영상정보는 1차로 KCMVP를 거쳐서 지휘소 네트워크 서버로 연결되며, 다시 2차로 방화벽(Fire Frame)을 거쳐서 지휘소 송출되고, 동시에 군 전술망(TICN : Tactical Information and Communication Network, 대용량의 음성·데이터·영상을 고속으로 전송할 수 있는 전술정보통신체계)과 재난안전망(PS-LTE : 경찰, 소방, 해경 등 국가재난 관련 정부 기관들이 재난 대응업무에 활용하기 위한 전용망으로 전국 단일의 광대역통신망)으로 연결되어 지휘소, 작전부대, 정부 및 민간기관 등이 동시에 영상정보를 공유하고 작전 상황을 평가하게 된다 [3].

(그림 1) 정찰용 드론의 운용개념

2.2. 국내 정찰드론 현황

현재 군에서 운용중인 감시정찰드론에 대해서 먼저 알아보면, 육군 전방지역 군단급 부대에서 운용중인 정찰드론은 다음과 같다. 군단급 정찰 무인항공기는 송골매, 서쳐, 헤론 등이 있으며, 송골매는 대한항공/ADD에서 개발하고, 서쳐와 헤론은 이스라엘 항공우주국(IAI)에서 개발하였다. 작전반경이 최소 80Km∼250km이며, 비행시간은 최소 6시간∼최대 24시간이다. 사단급 정찰용 무인항공기 RQ-102K는 작전반경이 최소 60Km∼90km이며, 비행시간은 최대 6시간이다. 대대급 정찰용 무인항공기 Remo-Eye는 전방사단 및 해병대에서 운용하고 있으며, 작전반경이 최대 8km이며, 비행시간은 최대 1시간이다.

<표 1. 국내 감시정찰용 무인항공기 제원 >

전방지역에서는 북한지역에 대한 대북정찰감시를 위해서 고정익 형태의 장거리 정찰용 무인기를 개발하여 운용중에 있다. 하지만 후방지역에서는 작전 목적, 안보 우선순위, 지형 여건, 군사적 충돌 가능성, 실시간 정찰감시의 필요성, 민간 지역과의 충돌 우려 등을 고려하여 고정익 형태의 장거리 정찰드론을 운용하지 않는다. 후방지역은 상업시설과 민간인 거주시설들이 집중되어 있어서 민간인들과 언제나 충돌 우려가 있으며, 또한 정찰드론은 정찰목적을 달성하기 위해서 고성능 광학·열화상카메라(EO/IR)를 탑재하고 있어서 도시지역의 고층건물 및 아파트 거주민들에 대한 사생활 노출 위험과 이로 인한 법적 처벌 문제 등이 뒤따른다 [4]. 그리고 복잡한 민간항로 및 공역문제, 이착륙 공간의 부족, 군 공항과 민간공항의 중첩사용으로 인한 민항기와의 충돌문제, 국토교통부의 비행허가 문제, 군 전용 주파수의 사용 문제 등 많은 제약이 따른다. 그리고 후방지역에서의 정찰 활동을 드러내는 것 자체가 불필요한 위협의 노출이며, 대내외적으로 오해를 불러일으킬 수 있다. 그렇지만 후방지역에서도 군 단독작전 또는 민.관.군.경 통합작전을 수행해야 하기 때문에 도심/민간 공역에서 안전하게 운용이 가능하고, 소형이며, 소음이 적고, 실시간 영상전송과 주·야간 감시 및 추적, 장시간 체공 등에 특화된 회전익 방식의 감시정찰드론을 운용하고 있다.

2.3. 주파수 관련 연구

2.3.1. 전방지역 드론 주파수 대역

모든 무인항공기들은 주파수 방식(RF)으로 운용된다. 전방지역에서 운용중인 고정익 방식의 정찰드론들은 VHF(초단파, Very High Frequency, 30MHz ~ 300MHz 범위, 지상군 간 전술교신, 지휘통제, 차량·병력간 음성 및 데이터 통신, 직진성 강함, 비교적 긴 통신거리 가능)방식과 UHF(극초단파, Ultra High Frequency, 300MHz ~ 3GHz 범위, 단거리·고속·지점간 무선통신 방식, VHF보다 고주파수 영역, 전술 통신, 항공기-지상간 통신, 위성통신, 데이터 링크 가능)방식을 이용한 무선통신으로 정찰임무를 수행한다.

2.3.2. 후방지역 감시정찰드론의 상업용 주파수 대역

후방지역의 감시정찰드론은 상업용 주파수 대역을 사용하여 원격으로 제어한다. 특히, 안정적인 통신네트워크 환경을 제공하기 위해서는 고속·대용량 무선중계 기술, 공중중계 기반측위·통신융합시스템 개발기술, 공중 간선 링크용 레이저 통신 기술, RF 설계기술, 기저대역 설계기술, 주파수 공유기술 등이 필요하며, Wi-Fi 근거리 통신은 개활지에서 200M 정도, 블루투스는 기본 10M 이내에서만 가능하기 때문에 이러한 주파수 방식(RF)으로 동시에 많은 드론을 운용하고 통제하기에는 부적합하다 [5].

2.3.3. 주파수 간섭

전파자원 수요의 급증으로 전파자원의 효율적 이용을 위해서 많은 선진국들이 초광대역 무선전송기술을 이용하기 위한 연구가 진행 중이다. 하지만 서로 다른 서비스간에 주파수 간섭으로 인한 혼선을 빚는 일이 지속적으로 발생하고 있으며, 한정된 주파수 자원을 보다 효율적으로 활용하기 위해서는 새로운 주파수 회피기술과 주파수 간섭에 의한 피해를 줄이고 장애 요소를 최소화 할 수 있는 주파수 간섭 설정 기준이 연구 중이다 [6].

2.3.4. 주파수 도약 확산스펙트럼(FHSS)

상용업 드론은 2.4GHz(2.4GHz∼2.5GHz), 5.8GHz(5.725∼5.875GHz) 대역의 ISM(Industrial Scientific Medical Band) 공통대역을 이용한 무선 통신기술을 활용하고 있다. 하지만 ISM 대역은 가장 보편적이고 대중화된 인터넷 접속기술인 무선랜(WLAN)을 비롯하여 Bluetooth 등의 다양한 통신시스템이 공존하는 주파수 대역이기 때문에 이기종 통신시스템의 상호간섭과 공존문제(coexistence)는 항상 큰 이슈가 된다. 이러한 많은 이기종 통신시스템이 공존하는 복잡한 ISM대역에서의 드론 제어 신호에 대한 높은 안정성 및 간섭 저항성을 확보하기 위해서 세계 주요 드론 제조사들은 주파수도약 확산 스펙트럼(Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS) 방식 기반의 무선통신기술을 사용하고 있으며, 운용하는 드론의 수가 늘어날수록 주변 무선랜에 간섭하는 신호강도는 커지고, 이로 인한 성능 감쇄가 증가한다 [7]. 특히 전 세계 상업용 드론 시장의 70% 이상의 점유율을 갖는 세계 최대 드론 기업인 DJI도 OcuSyn 라는 FHSS(제어신호)와 OFDM(데이터신호) 기반의 독자적인 제어 및 영상 전송용 통신기술을 개발하여 사용하고 있다.

2.3.5. 비면허대역(Unlicensed band)

드론을 원격으로 운용하기 위해 사용하는 RF(Radio Frequency) 무선통신기술이 비면허대역(Unlicensed band)에서 기존 통신 시스템과의 혼·간섭 및 충돌 문제가 대두되고 있다. ISM 대역은 가장 보편적이고 대중화된 인터넷 접속 기술인 Wi-Fi, Bluetooth 등 다양한 통신 시스템이 이용중인 대역으로, 드론이 근처에 있는 경우 상호 간섭을 유발시키며, 드론의 제어 및 영상데이터를 주고 받는 무선통신방식(RF) 신호가 인근의 가정이나 기업, 공공기관의 Wi-Fi 서비스에 영향을 주기도 한다 [8].

2.3.6. 433MHz 대역의 신규할당

무인 항공 시스템에서 소형드론이 차지하는 비중이 아직까지 높은 상황에서 드론의 비사기권 장기비행 등이 있어 드론의 활성화 제고를 위해서는 운용 거리를 10km 이상으로 증가시켜야 하는 당면과제에 직면해 있다 [9]. 운용거리 증대는 현재 사용하고 있는 주파수인 2.4GHz 대역과 5.8GHz 대역 주파수보다 파장이 긴 주파수 대역을 신규로 발굴해야 한다. 2019년 12월 과학기술정보통신부는 “상업용 드론 시장 개척을 위해 433MHz 대역 등 비가시 장거리 제어용 저주파수를 발굴한다”는 정책을 발표했고 [10]. 2025년까지 과학기술정보통신부는 433MHz 기반 드론 응용 통신 기술개발 및 실증사업을 수행 중에 있다 [11]. 국내에서 현재 기존 아마추어용 무선국이 433MHz 대역을 사용하고 있기 때문에 이 대역에서도 2.4GHz 대역과 5.8GHz 대역처럼 주파수 간섭을 최소하 하기 위한 기술적 조치등이 선행되어야 하지만, 최근 SNS 사용자 증가 및 스마트폰 어플 사용 증가로 인하여 433MHz 대역에서의 아마추어 무선통신 활동이 감소하는 추세이다.

3. 도시지역 감시정찰드론 운용환경 분석

3.1. 고도정보 관련 해외 연구사례

건물고도와 관련된 해외연구 사례를 살펴보면, 도시의 확장 과정에서 건물의 수직적 높이는 중요한 연구과제가 되었으며, 이에 중국에서는 ICESat-2((Ice, Cloud, and land Elevation Satellite-2, NASA가 개발한 지구 관측 위성) / ATLAS(Advanced Topographic Laser Altimeter System, 고급 지형 레이저 고도계 시스템, 지구 표면고도 정밀 측정)를 이용하여 건물의 고도에 대한 연구를 진행하고 있다 [12].

(그림 2) ICESat-2/ATLAS 개념도

핵심은, 위성의 고도계 시스템을 이용하여 지상의 개별 건물 단위의 높이를 추정하는 것인데, 측정방법은 세 가지로 분류된다. 첫 번째, 고해상도 평면 이미지 기반으로 건물 그림자 길이, 태양 고도 각도에서 파생된 기하학적 관계를 이용하여 건물 높이를 추정할 수 있으며, 아래의 그림처럼 옥상지점 A의 추정 고도값과 지상지점 B의 추정 고도값을 획득하여 건물높이 C의 고도값을 추정한다.

(그림 3) 위성 고도계를 이용한 건물높이 추론 방법

두 번째, 미리보기 이미지(Google Maps SVI, Street View Imagery) 거리뷰 기능을 이용하여 가장 적합한 수직선분을 식별하고 이를 통해서 건물의 높이를 추정하는 방법이며, 세 번째, 고해상도 입체영상 기반으로써 입체영상에서 고품질의 시간차 데이터를 획득하고 건물의 기하하적 특징을 포착하여 높이를 추정한다

3.2. 구조적 특성 및 분석

대한민국의 대다수의 도시지역들은 다수의 고층건물들과 인공구조물이 혼재되어 있으며, 높은 인구밀집도와 발달된 교통망, 상업시설물 등은 드론을 포함한 무인비행체의 저공비행에 불리하다. 또한 드론비행 시 고도 문제는 항상 법적 문제, 안전 및 항공기 충돌 위험, 건물충돌문제 등으로 이어진다. 도시지역에서는 최대 비행고도 150m (약 492ft) 이하로 제한(항공법 시행규칙 제310조)되어 있으며, 특히, 공항 주변, 항로 인근지역은 원칙적으로 비행 금지구역으로 설정되어 있다. GPS 고도정보 오류, 고도 제한 초과, 가시권 비행영역 이탈, 계기비행 시 착시현상, 비행고도 판단 착오 등으로 인해서 고층건물과의 충돌 가능성이 높다. 이러한 환경적 특성들로 인해서 도시지역에서의 정찰비행은 상당히 어렵다. 안전한 정찰비행을 하기 위해서는 비행고도를 준수해야 하고, 작전지역을 가시화(可視化) 해야 한다. 또한 비행에 영향을 미칠 수 있는 고층건물들과 인공구조물들에 대한 고도정보를 알아야 하고, 이를 비행경로상의 위협요인으로 판단해야 한다. 고층건물들과 인공구조물들에 대한 구조적 특성과 정확한 고도정보를 측정하기 위해서 몇 가지의 방법(tool)들을 제시한다.

3.3. 고도정보 분석 시스템

3.3.1 테라 (TERRA Explorer-GIS)

이 프로그램은 육군에서 사용하는 공간지형정보 프로그램 TERRA (Tactical Environment Resource for Rapid Analysis)이며, 군 작전의 효율성과 정확성을 높이기 위해 개발된 3차원 지형 분석 시스템이며, 지형정보를 기반으로 전술적 의사결정을 가능하게 한다. 작전지역의 지형을 정밀하게 분석하고, 고도화/시각화가 가능하며, 위성지도, 항공사진, 디지털 지형도 등과 연동되며, 군사적 판단을 위한 전술 GIS 체계이다. UAV 운용, 대대급 작전계획, 감시정찰 등 다양한 전장에서 직접 활용되며, 감시정찰드론 운용을 위한 공간정보, 지형정보를 획득할 수 있다. 아래의 그림은 프로그램 구동화면이며, 공간지형정보를 3차원으로 구현하고 있다.

(그림 4) 테라-GIS(Terra Explorer-GIS) 구현화면

3.3.2. 국토정보 플랫폼

국토지리정보원에서 제공하는 지형정보 플랫폼(https://map.ngii.go.kr/bl/map/buldEncView.do)이며, 인터넷 오픈소스이다. 건물높이 공간정보 조회기능을 이용하면 비행경로상 직선거리, 건물 높이 등을 확인할 수 있으며, 웹 기반의 GIS 포털, 3D 지형/건물 정보 등을 알 수 있다. 이를 기반으로 대전 서구 지역의 고층건물 30개소를 선정하였고, 플랫폼 상에서 데이터를 수집할 수 있었다. 단점은 측정시 목표건물의 표정위치(Pin Point)에 따라서 고도값이 수시로 변하는 현상이 발생하였다. 아래의 그림은 플랫폼 상에서 측정툴(tool)을 이용하여 개별 건물의 고도값을 측정한 화면이며, 총 30개소 건물 중 9개 건물에 대한 데이터를 제시한다.

(그림 5) 국토정보 플랫폼 건물고도값 측정 화면

3.3.3. V-WORLD 디지털 트윈 국토정보

국토교통부에서 제공하는 지형·공간정보 플랫폼(https://map.vworld.kr/map/dtkmap.do?mode=MAPD101)이며, 오픈소스이다. 국가가 보유한 공간정보를 통합하여 필요한 정보를 제공하는 플랫폼으로 정부부처, 공공기관 등에서 구축한 기반공간정보(정사영상, 실내공간정보, 수치표고모형 등 6종)와 행정공간정보 등 약 900여 종의 데이터를 수집하여 고해상도 3D 지도로 시각화하여 제공한다. 이 플랫폼은 공간지형정보 등을 구현하는데 탁월하였지만, 건물에 따라서는 고도정보 획득이 제한적이다. 아래의 그림 역시도 실제 인터넷 플랫폼 상에서 측정툴(tool)을 이용하여 고도값을 측정할 수 있다..

(그림 6) V-WORLD 디지털 트윈 국토정보 건물고도 구현화면

3.3.4. 공간정보 플랫폼

국토교통부에서 제공하는 공간정보 플랫폼이며, 이 프로그램은 실제 국토부와 지역별 소방기관에서 건축물 대장을 기준으로 고도정보값을 제공하며, 특히, 고층건물 화재시 진압을 위한 고층사다리 진입 및 방재대응을 위한 용도로 고도정보값은 공개되어 있다. 이 분석방법이 위 4가지의 플랫폼 중 가장 정확한 데이터를 제공하며, 이 체계를 이용하여 대전 서구 지역의 고층건물 30개소에 대한 고도정보를 수집하였다. 그 중 9개 건물에 대해서 데이터를 제시한다. (그림 7)(그림 8)의 사진은 구글 위성사진에 건물 9개소에 대한 고도값을 표기한 사진이다.

(그림 7) 공간정보 플랫폼 구현화면 1

<표 2. 대전 서구지역 고층건물 고도정보 1>

(그림 8) 공간정보 플랫폼 구현화면 2

<표 3. 대전 서구지역 고층건물 고도정보 2>

3.3.5. 고도계를 이용한 실제 측정

둔산동 지역의 목표건물 30개소를 기준으로 옥상에서 고도계와 스마트폰 고도계 어플을 이용하여 실제 고도값을 실측하였다. 측정 결과 3개소를 기준 고도계와 스마트폰 측정값은 차이가 없었다. 나머지 27개 건물의 옥상 진입은 방문목적과 시설 보안상 출입이 불가하여 실측이 제한되었다.

(그림 9) 고도계와 스마트폰을 이용한 고도값 측정

3.4. 드론 비행경로 설정 및 GCS 구현

3.4.1. 드론 비행경로 설정

지금까지 고층건물들에 대한 고도분석 방법들을 알아 보았다. 앞서 설명한 것처럼 고도 100M 이상의 건물들은 드론의 안전비행에 장애요소로 작용한다. 따라서 안전한 정찰비행을 위해서는 (그림 10) 처럼 정찰계획을 수립하고, 경로를 도식한다. 이후에 수립된 비행경로를 GCS에서 임무비행(Mission Plan) 기능을 이용하여 비행경로를 지정한다. 그리고 산출된 고도값을 GCS에 입력하면 (그림 11) 처럼 실제 비행시 드론의 고도값과 건물의 고도값이 GCS 화면상에서 비교가 가능해지고, (그림 12)는 실제 GCS 화면을 나타낸 것이며, 드론의 비행경로, 건물과의 충돌여부를 확인하고, 우회, 회피, 상승 등을 판단할 수 있으며, 도시지역에서 안전한 계기비행이 가능해진다.

(그림 10) 감시정찰드론 비행경로 계획수립

(그림 11) GCS상에 입력된 비행경로 구현화면

(그림 12) GCS에 고도정보 입력 후 화면 모습

3.5. 환경적 특성 분석

3.5.1. 전파환경 특성

전파환경적 특성은 다음과 같다. 첫 번째, 도시지역의 고층빌딩, 옥외안테나, 방송국 송신탑, 건물사이의 난기류(건물풍), 건물옥상(외관)의 안전설비시설(접지선, 구리선) 등은 드론 지자계센서 IMU((Inertial Measurement Unit)와 위성신호 GPS((Global Positioning System)에 기계적인 오차를 발생시킨다. 두 번째, 위성신호 전파간섭, 전리층 지연 오차, 위성궤도 오차, 건물 반사오차, 상업용 무선단말기(Wi-Fi)의 설치 등은 주파수간섭(신호끊김)을 발생한다. 세 번째, 도시지역에서의 저고도 비행은 개인 사생활 침해로 이어질 수 있으며, 법적, 사회적 문제가 발생할 수가 있다. 네번째, 도시지역에서의 저속비행 및 정지간 비행(Hovering), 장애물 회피기동 등으로 배터리 소모가 빠르다. 다섯 번째, 도시지역에서의 기체추락은 많은 인명과 건물, 차량, 시설물 등에 심각한 피해를 야기할 수 있으며, 민간인들로 하여금 민원제기와 정찰드론에 대한 불신을 야기시킬 수 있다.

3.5.2. 주파수 환경특성

도시지역에서는 수많은 주파수들이 혼재되어 있으며, 드론비행시 주파수 교란 및 간섭 현상이 빈번하게 발생한다. 또한 특정지역, 특정구역에 드론이 진입시 드론과 지상통제시스템(GCS:Ground Control System)과의 통신주파수(RF) 연결이 끊어지며, 이때 드론은 자체 프로그램에 의해서 홈 포인트로 복귀(RTH. Returen To Home)를 진행한다. 군에서 운용하고 있는 대부분의 정찰용 드론들은 민간에서 제작한 상용업 드론은 구매하여 사용하고 있으며, 주파수도 2.4GHz(2.4GHz∼2.5GHz), 5.8GHz(5.725∼5.875GHz) 대역의 ISM(Industrial, Scientific, Medical) 상업용 밴드를 사용하고 있다. 도시지역의 밀집해 있는 상업시설, 공공기관들은 Wi-Fi, Bluetooth 등 다양한 통신 시스템들을 사용하고 있으며, 정찰용 드론과 같은 주파수 대역을 사용하고 있기 때문에 지속적인 주파수 간섭으로 신호끊김, 영상전송 지연 등이 발생한다. 따라서 도시 지역에서 감시정찰드론을 안정적으로 운용하기 위해서는 주파수 간섭을 최소화 해야 하며, 이를 위해서는 도시지역에 대한 주파수 분석이 선행되어야 한다. 실제 작전간 드론이 방송국 주변 특정구간에서 지속적인 주파수 간섭으로 인해 연속적으로 임무비행에 실패하고 회항(RTH. Returen To Home)했다. 그 원인에 대한 분석이 필요했고, 그 문제점을 해결하고자 주파수 스펙트럼 분석을 진행하였으며, 그 분석결과는 다음과 같다.

4. 주파수 환경 분석 / 결과

4.1. 측정 및 분석 결과

측정 분석결과는 다음과 같다. 정찰용 드론은 ISM(5.8 GHz) 대역을 사용하고 있었고, 방송국 주변 일대 주파수 대역은 200~15GHz 대역이며, 잡음레벨 수준은 중잡음으로 양호(-88.92dBm)했으며, 전국 통신소 평균잡음 레벨(-87.68dBm) 보다 1.24dBm 낮았다. 각 대역별 잡음레벨 수준은 다음과 같다.

<표 4. 잡음레벨 수준측정결과>

4.2. 합동전파관리체계(JSMS) 활용 전계강도 분석결과

정찰드론은 ISM(5.8 GHz) 대역 내에서 주파수 도약 확산 스펙트럼(Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS) 방식을 사용하고 있었으며, 이로 인해서 주변과의 주파수 간섭 현상 영향은 없는 것으로 분석되었다. 그리고 대전 KBS, MBC ↔ 식장산 중계소간 전파의 영향범위가 드론의 작전범위와 중첩되어 있었으며, 드론의 운용주파수 대역(5.8GHz ISM밴드)과 대전 KBS, MBC ↔ 식장산 중계소에서 사용하는 주파수(6.xxxGHz)는 서로 다른 대역의 주파수를 사용하고 있었지만, 정찰드론이 이 구간에 진입시마다 지속적으로 비행임무에 실패하고 기지로 복귀하였다. 따라서 원인에 대한 분석이 필요했으며, 전계강도 분석결과 방송국에서 송출하는 고출력의 주파수와 전자기장(EMI)는 식장산 송신소를 향해서 지향성 방사를 하기 때문에 이 가상의 주파수 통로구간(적색띠)에 접근시 정찰드론은 강한 주파수의 영향으로 임무에 실패하는 것으로 분석되었다.

(그림 13) 대전 KBS ↔ 식장산 중계소간 전계강도

(그림 14) 대전 MBC ↔ 식장산 중계소간 전계강도

4.3. 주파수 전 대역 스펙트럼 환경측정 결과

(그림 15) 스펙트럼 분석 데이터

3.5.6. 전 대역 환경측정 결과

방송국 주변에서 전 대역에 대한 환경측정결과 11종의 신호를 식별되었다. 주파수 대역별 신호를 분석해 보면, 200∼400MHz에서는 DMB 신호과 TRS(무선주파수 공통대역)신호가 식별되었으며, 400∼1GHz 구간에서는 TRS, DTV, UHD-TV, PS-LTE 등의 방송국 신호 및 이동통신 신호가 식별되었다. 1GHz∼2GHz 구간에서는 피아식별기 및 이동통신이 식별되었고, 2GHz∼3GHz 구간에서는 공통대역 구간으로써 3G, 4G, LTE, 등 이동통신 신호가 집중적으로 식별되었다. 3GHz∼4GHz과 4GHz∼7GHz 이동통신이 식별되었으며, 7GHz∼10GHz에서는 신호가 식별되지 않았다.

(그림 16) 주파수 대역별 분석결과

5. 결론

드론의 기술은 점차 발전되고 있으며, 민간에서 사용하던 드론기술이 이제는 러시아-우크라이나 전쟁 등에서 전장의 게임체인저로 등장했다. 본 연구는 도시 지역에서 감시정찰드론을 운용할 때 발생하는 도시구조적·전파환경적 제약요인을 분석하고, 이에 따른 효과적인 운용방안을 제시하는 것을 목적으로 연구를 진행하였다. 서론에서는 연구의 개요와 본론에서는 정찰드론의 기본적인 운용개념을 설명하였으며, 관련연구에서는 주파수 관련된 선행연구자료들을 간략히 요약하였다. 또한 도시지역에서 감시정찰드론의 운용 환경을 분석과 관련하여 이미 해외에서는 위성과 고성능 지형 레이저 고도계를 이용하여 지구 표면의 건물고도에 대한 연구가 진행 중인 것을 확인하였으며, 고도정보 분석 시스템을 이용하여 데이터를 획득하는 방법을 소개하였다. 건물의 높은 고도는 도시지역에서 정찰드론의 비행에 장애물로 작용하기 때문에 보다 더 객관적인 분석방법에 대한 연구가 필요하며, 총 5계의 고도분석 시스템을 소개하였다. 정찰드론을 이용하여 둔산동 지역에 대한 실제 비행을 진행하였고, 고도정보를 획득할 수 있었다. 이 고도정보를 기반으로 GCS상에 비행경로를 입력하였고, 실시간 충돌, 우회, 회피, 상승 등을 판단할 수 있게 되었다. 그리고 전체 지역에서 비행시 주파수 간섭으로 인한 문제점은 식별하지 못했지만, 방송국 주변의 특정구간 에서는 주파수 간섭이 지속적으로 발생하였고, 이에 주파수 환경 측정을 진행하였다. 확인결과, 이 구간에서는 방송국에서 송신소로 송출되는 강한 주파수와 전자기장(EMI)의 영향으로 정찰비행에 영향을 받는 것으로 분석되었다. 그리고 도시지역들의 다수의 고층건물들은 특성상 가시권 비행에 제한되며, 일정거리 이상 비행시 전파가 확보되지 않는 비가시선(Non-line of sight) 상황들이 빈번하게 발생한다. 또한 비행고도 착시현상, 주파수 충돌 등 도시지역 상공의 정찰비행은 상당히 위험하다. 따라서 도시지역에서 정찰드론을 안전하게 운용하기 위해서는 다음과 같은 노력이 필요하다. 첫번째, 정찰임무상 비행경로와 중첩되는 구역에 대한 고도분석, 주변 기지국 및 중계기, Wi-Fi, Bluetooth 등 다양한 이종 통신에 대한 주파수 분석과 방송국 및 송신소 주변의 전자기장(EMI) 분석 등이 필요하다. 두 번째, 체계적인 비행경로 수립과 비행경로 최적화, 주파수 간섭을 피할 수 있는 회피기술 연구가 필요하다. 예를 들면, 방향성 안테나, 고이득 안테나, 신호증폭기 등을 사용하여 신호간섭을 최소화 해야한다. 세 번째, 드론과 GCS간 통신을 안정화를 위해서 주파수 도약 확산 스펙트럼(FHSS) 통신방법을 적용하고 있지만, 이외에 시분할 다중화(TDM : Time Division Multiplexing, 데이터를 동시에 보내지 않고, 짧은 시간 간격으로 번갈아 전송) 통신방식도 연구해 필요가 있다 [13]. 지금까지 도시지역이란 복잡한 환경에서 감시정찰드론 운용과 관련된 연구를 진행하였고, 본 주제와 직접적으로 연결된 연구자료가 존재하지 않아서 기존성과를 개선하거나, 비교하기가 불가능한 것은 이 연구의 한계점으로 남겨두며, 향후 도시지역 감시정찰 임무 수행 시 정찰드론의 운용전략 수립에 실질적인 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.