[논문]OneSAF를 이용한 원격조종 지상무인차량 체계효과분석 방법

한상우; 변재정; 조현식

doi:10.7232/jkiie.2014.40.4.388

문제 정의

이 절에서는 제안된 모의모델의 구현 및 검증에 대해 논의한다. OneSAF 기능 확장에 의한 지상무인체계 시뮬레이션 결과를 소개하고, 모의분석 시나리오에 따른 체계효과도 분석결과에 대해 논의한다.
다음으로 지휘통제차량과 무인차량이 통신 가능한 범위 안에 있는지 확인한다. 식 (1)과 같이, 주어진 최대 통신거리 r_max와 통신방식과 지형조건 별로 상이한 통신거리 감쇠계수 c_reduction를 곱하여 통신 가능 거리 r_adj를 계산한다.
본 논문에서는 OneSAF를 이용한 무인전투체계 모의 방안을 소개하였다. OneSAF 국제판 5.
, 2013). 본 논문에서는 OneSAF를 이용한 원격조종 지상무인차량 체계효과분석 방법을 제시한다. 이는 지상무인체계 운용개념을 고려하여 OneSAF용 무인로봇 모의모델을 개발하고, 전투모의 시나리오에 따른 체계효과분석을 수행했다는 점에서 이전 연구와 다르다.
본 논문에서는 지휘통제차량 1대와 무인차량 1대로 구성된 지상무인체계 모의모델을 다룬다. 지휘통제차량은 무인차량의 기동장치와 사격장치를 원격조종하며, 무인차량은 원격조종통제에 따라 기동장치와 사격장치를 제어하고 탑재센서를 통해 획득한 지형정보, 적 위협, 현재위치, 차량상태 등 전장상황 정보를 수집하여 지휘통제차량에게 보고하는 임무를 가진다.
본 절에서는 OneSAF용 지상무인체계 모의모델 구조를 제안한 후, 지휘통제차량과 무인차량 간 일대일 통신에 의한 원격조종행위 과정을 설명하고 이와 관련된 OneSAF 기능 개선 방안에 대해 살펴본다.
이어서 지휘통제차량과 무인차량 간 통신 가시선이 확보되었는지 확인한다. 식 (2)와 같이 지형 T에서 지휘통제차량의 위치 p_controller, 무인차량의 위치 p_responder, 관측수단 별 가시거리 감쇠계수 c_attenuate를 고려하여 가시거리 감쇠지수 l을 계산한다.
제 3장에서는 지상무인체계 모의모델을 설계하고 통신효과를 반영한 무인체계 전투행위 모의방법을 제시하며, 제 4장에서 구현된 무인체계 모의모델을 이용한 시뮬레이션 결과를 보인다. 제 5장에서 무인체계 효과분석을 위한 OneSAF 향후 개선 사항에 대해 논의한 후 본 논문을 맺는다.

제안 방법

첫째로 모의분석용 지상무인차량 모델이 설계되어야 한다. OneSAF가 제공하는 전투객체 조립기를 이용하여 전투객체 모델을 만들 수 있는데, 모델 개발자는 이 전투객체 조립기를 이용하여 무인체계의 특성 및 제원을 입력하고, 자율주행, 사격통제, 감시정찰 등과 같은 성능요소를 모델링한 컴포넌트를 선별한다. 그러나 OneSAF에서 제공하지 않는 모델링 컴포넌트(원격조종 통신모델, 다중로봇 네트워킹 모델 등)에 대해서는 시뮬레이션 개발자가 별도로 구현해야 한다.
OneSAF에서 제안된 모의모델을 구현하기 위해, 우리는 전투객체조립기를 이용하여 [Figure 3]과 같이 지상무인체계를 모델링한다. 먼저 전투객체의 특성 및 제원을 입력하고, 필요한 성능 컴포넌트들(화기, 포탑, 센서, 라디오, 엔진 등)을 선택적으로 통합하여 전투객체의 내부형상을 구성한다.
∙ 지상무인체계 모의모델 설계 : 지상무인체계 체계 개념에 따라 무선통신, 원격조종, 주행제어, 사격통제를 비롯한 부체계 수준의 성능모의 컴포넌트들을 선별적으로 조립하여 OneSAF용 지상무인체계 모의모델을 설계한다. 단, 지휘통제차량 1대와 무인차량 1대로 구성된 모의모델로 한정하여 설계하며, 다중 무인차량에 대한 모의는 향후 연구로 남겨둔다.
참고적으로 본 논문에서는 주행 경로 계획 알고리즘을 다루지 않는다. 다음으로 지휘통제차량과 무인차량 간에 통신링크가 체결되었는지 확인한 후, 계획된 주행 경로에 따라 무인차량을 주행시킨다. 제 3.
∙ 무선통신 기반 원격조종 행위모델 설계 : 지휘통제차량과 무인차량 간 유무선 네트워크 연결방법을 구현하고, 전장상황에서 통신성능 저하를 유발시킬 수 있는 요인들을 고려하여 네트워크 연결 상태를 모니터링 하기 위한 방법을 제시한다. 또한 네트워크를 통해 지휘통제차량이 무인차량의 기동 및 사격장치를 원격조종하는 전투행위 모의방법을 제안한다.
마지막으로 지휘통제차량 또는 무인차량이 적의 전파방해 공격을 받고 있는지 확인한다. 무선통신링크는 전파방해에 매우 취약하므로, 전파방해 여부에 대한 확인이 필요하다.
, 2013). 먼저 무인차량의 현 위치에서 주어진 목표지점까지의 예상 주행 경로를 계획한다. 참고적으로 본 논문에서는 주행 경로 계획 알고리즘을 다루지 않는다.
OneSAF에서 제안된 모의모델을 구현하기 위해, 우리는 전투객체조립기를 이용하여 [Figure 3]과 같이 지상무인체계를 모델링한다. 먼저 전투객체의 특성 및 제원을 입력하고, 필요한 성능 컴포넌트들(화기, 포탑, 센서, 라디오, 엔진 등)을 선택적으로 통합하여 전투객체의 내부형상을 구성한다. 다음으로 사격통제, 센서통제, 주행제어 등을 수행하기 위한 기능 컴포넌트를 추가한다.
이러한 부대개체의 모의논리는 개별개체의 모의논리와는 약간 다르다. 부대에 소속된 전투객체의 모든 전투력을 더하여 통합전투력을 산출하고, 교전시 소속된 전투객체들이 각자 독립적으로 위협탐지/사격할 수 있도록 통합탐지/화력 모의논리를 설계한다. 반면 부대개체의 기동 모의논리는 개별개체의 기동 모의논리를 그대로 적용한다.
, 2013). 세부적으로 설명하면 ① 지휘통제차량과 무인차량 간 통신링크 생성기를 구현하여 지상무인체계 원격통제기능을 보완하고, ②통신효과를 반영한 무인차량 전술기동 전투행위모델을 작성하였으며, ③ OneSAF 국제판5.0을 이용하여 체계효과분석을 위한 모의실험을 실시하였다. 제안된 모의모델은 CentOS 5.
이와 같은 전투모의 시나리오에 따라 모의실험을 하며, 유인체계 단독편성 시 체계효과도와 유무인체계 혼합편성 시 체계효과도를 비교한다. 신뢰성 있는 결과 산출을 위해 반복 실험을 한 후, 효과척도(전투력비, 손실교환비 등)를 계산한다. 전투력비는 아군과 적군 간의 상대적인 전투력 차이를 정량적으로 표현하기 위한 지표로써, 전투모의실험의 목적에 피아간의 화력, 이동력, 방호력 등의 차이를 세밀하게 분석하여 계산 하기도 하나, 소수의 무인로봇과 다수의 병사들로 구성된 보병중대를 대상으로 하므로 본 실험에서는 전투력비를 다음과 같이 정의한다.
유인체계 단독운용 및 유무인체계 복합운용 시 전투력비와 손실교환비의 변화를 보여준다. 여기서 전투력비는 홍군 전투객체 수를 청군 전투객체 수로 나누어 계산하였고, 손실교환비는 홍군 피해 전투객체 수를 청군 피해 전투객체수로 나누어 계산하였다. 전체적인 추이변화를 보았을 때, 보병중대 단독운용 시보다 무인차량을 배속시켜 복합 운용하였을 때 손실교환비가 더 높다는 것을 알 수 있다.
이와 같은 전투모의 시나리오에 따라 모의실험을 하며, 유인체계 단독편성 시 체계효과도와 유무인체계 혼합편성 시 체계효과도를 비교한다. 신뢰성 있는 결과 산출을 위해 반복 실험을 한 후, 효과척도(전투력비, 손실교환비 등)를 계산한다.
0을 이용하여 체계효과분석을 위한 모의실험을 실시하였다. 제안된 모의모델은 CentOS 5.3 리눅스 운영체계에서 Java 언어로 구현되었으며, 구현된 코드를 OneSAF 국제판 5.0에 통합하여 실행하였다.

대상 데이터

이 데이터는 미 육군 근접전투 전술훈련장(CCTT : Close Combat Tactical Trainer)에서 훈련용으로 사용하는 평문 데이터이기 때문에 체계 수준의 성능 분석용으로 사용하기에는 정밀도가 다소 떨어지는 것으로 알려져 있다. 그러나 무인체계에 대한 운용개념 검증 및 체계효과 분석을 위한 예비실험용으로는 충분한 해상도를 제공하므로 본 전투모의 실험에서는 이 데이터를 사용한다.
지상무인체계 효과분석을 위한 전투모의 시나리오는 다음과 같다. 대상 지형은 평탄한 지대의 특정 훈련장을 선택하였다. 선택한 지형 위에, 다음과 같은 부대를 배치하고 임무를 부여한다.
청군은 보병 1개 중대를 편성하였다. 미 육군의 M240 글라디에이터 무인차량 모의객체를 기반으로 약 2km까지 원격조종 가능한 모의분석용 무인차량을 임의로 설계하였으며, 시나리오별로 설계된 무인전투차량 1~3대를 보병중대에 배속시켰다. 청군의 전투부대에게 진지 방어 임무를 부여한다.
본 전투모의 실험에서는 OneSAF 국제판 5.0이 제공하는 무기체계 성능자료를 사용한다. 이 데이터는 미 육군 근접전투 전술훈련장(CCTT : Close Combat Tactical Trainer)에서 훈련용으로 사용하는 평문 데이터이기 때문에 체계 수준의 성능 분석용으로 사용하기에는 정밀도가 다소 떨어지는 것으로 알려져 있다.
먼저 운용자는 OneSAF 사용자 인터페이스를 통해 무인차량을 선택한다. 운용자는 선택된 무인차량을 통제할 수 있는 지휘통제차량들 중에서 하나를 선택한 후, 통신방식(무선통신, 유선통신 등)과 원격조종대상을 선택한다. 여기서 원격조종대상은 지휘통제차량이 원격조종하고자 하는 무인차량의 대상 기능을 뜻하는 것으로써, 세부적으로는 기동장치, 사격장치, 또는 기동 및 사격장치가 될 수 있다.
선택한 지형 위에, 다음과 같은 부대를 배치하고 임무를 부여한다. 청군은 보병 1개 중대를 편성하였다. 미 육군의 M240 글라디에이터 무인차량 모의객체를 기반으로 약 2km까지 원격조종 가능한 모의분석용 무인차량을 임의로 설계하였으며, 시나리오별로 설계된 무인전투차량 1~3대를 보병중대에 배속시켰다.

데이터처리

본 논문에서는 OneSAF를 이용한 무인전투체계 모의 방안을 소개하였다. OneSAF 국제판 5.0의 기능 개선을 통해, 통신 효과를 고려한 지상무인체계의 원격조종 전투행위를 모의하였고, 주어진 전투모의 시나리오 하에서 무인체계 모의모델을 이용한 전투시뮬레이션을 실시한 후, 전투효과도 측정 지표를 활용하여 체계효과분석을 수행하였다. 앞으로 OneSAF 기반 무인화 체계 시뮬레이션 능력을 계속 발전시켜, 체계운용개념을 반영한 실효성 있는 임무/체계효과분석을 수행할 것이다.
∙ 시뮬레이션 기반 체계효과분석 : OneSAF 전투모의 환경에서 지상무인체계 모의모델을 이용한 시뮬레이션 실험을 통해 본 제안된 방식의 실행가능성을 입증하고, 사후분석을 통해 시나리오에 따른 지상무인체계의 임무/체계효과를 분석한다.

성능/효과

셋째로 지상무인체계 원격조종용 무선 네트워크가 모델링되어야 한다. 무선 네트워크를 통해 지휘통제차량은 무인차량에게 원격제어 명령을 송신하고, 무인차량이 획득한 지형 정보와 전장 상황 정보를 수신한다.
이번 실험에 사용된 전투모의 시나리오는 아직 검증되지는 않은 것으로써 정확도와 사실성 측면에서 부족한 것은 사실이나, 무인체계가 소부대 단위의 전투력 개선에 일정한 역할을 할 수 있음을 확인할 수 있었다. 특히 본 모의실험을 통해 유인체계 단독운용 보다는 유무인 복합운용 시 손실교환비가 높아짐을 알 수 있었고, 이를 통해 무인체계를 유인체계에 대한 보조 전력으로 활용 시 전투효과를 높일 수 있다는 것을 재확인했다는 점에서 의미가 있다.
여기서 전투력비는 홍군 전투객체 수를 청군 전투객체 수로 나누어 계산하였고, 손실교환비는 홍군 피해 전투객체 수를 청군 피해 전투객체수로 나누어 계산하였다. 전체적인 추이변화를 보았을 때, 보병중대 단독운용 시보다 무인차량을 배속시켜 복합 운용하였을 때 손실교환비가 더 높다는 것을 알 수 있다. 이는 무인차량이 근접한 적과 최초 전투를 벌임으로써, 아군의 인명손실을 막고 반격할 수 있는 시간적 여유를 보장해주었기 때문이다.
이번 실험에 사용된 전투모의 시나리오는 아직 검증되지는 않은 것으로써 정확도와 사실성 측면에서 부족한 것은 사실이나, 무인체계가 소부대 단위의 전투력 개선에 일정한 역할을 할 수 있음을 확인할 수 있었다. 특히 본 모의실험을 통해 유인체계 단독운용 보다는 유무인 복합운용 시 손실교환비가 높아짐을 알 수 있었고, 이를 통해 무인체계를 유인체계에 대한 보조 전력으로 활용 시 전투효과를 높일 수 있다는 것을 재확인했다는 점에서 의미가 있다. 유무인 복합체계 운용개념이 정립되면, 이를 반영한 OneSAF 시나리오를 작성함으로써 실효성 있는 효과분석이 가능할 것으로 판단된다.

후속연구

∙ 지상무인체계 모의모델 설계 : 지상무인체계 체계 개념에 따라 무선통신, 원격조종, 주행제어, 사격통제를 비롯한 부체계 수준의 성능모의 컴포넌트들을 선별적으로 조립하여 OneSAF용 지상무인체계 모의모델을 설계한다. 단, 지휘통제차량 1대와 무인차량 1대로 구성된 모의모델로 한정하여 설계하며, 다중 무인차량에 대한 모의는 향후 연구로 남겨둔다.
특히 정찰, 지뢰지대 개척과 같은 무인체계 전투행위를 비롯해 다중로봇 네트워킹, 네트워크 기반 협동교전 등 네트워크 중심 작전환경에서의 전투행위를 체계적으로 모의할 것이다. 뿐만 아니라, 검증된 체계성능 데이터(탐지율, 명중률, 살상률, 취약성 등) 및 표준 시나리오를 OneSAF에 적용함으로써, 체계효과분석의 신뢰성을 높이기 위한 노력도 계속할 것이다.
0의 기능 개선을 통해, 통신 효과를 고려한 지상무인체계의 원격조종 전투행위를 모의하였고, 주어진 전투모의 시나리오 하에서 무인체계 모의모델을 이용한 전투시뮬레이션을 실시한 후, 전투효과도 측정 지표를 활용하여 체계효과분석을 수행하였다. 앞으로 OneSAF 기반 무인화 체계 시뮬레이션 능력을 계속 발전시켜, 체계운용개념을 반영한 실효성 있는 임무/체계효과분석을 수행할 것이다. 특히 정찰, 지뢰지대 개척과 같은 무인체계 전투행위를 비롯해 다중로봇 네트워킹, 네트워크 기반 협동교전 등 네트워크 중심 작전환경에서의 전투행위를 체계적으로 모의할 것이다.
특히 본 모의실험을 통해 유인체계 단독운용 보다는 유무인 복합운용 시 손실교환비가 높아짐을 알 수 있었고, 이를 통해 무인체계를 유인체계에 대한 보조 전력으로 활용 시 전투효과를 높일 수 있다는 것을 재확인했다는 점에서 의미가 있다. 유무인 복합체계 운용개념이 정립되면, 이를 반영한 OneSAF 시나리오를 작성함으로써 실효성 있는 효과분석이 가능할 것으로 판단된다.
반면 부대개체의 기동 모의논리는 개별개체의 기동 모의논리를 그대로 적용한다. 이를 통해 지상복합무인체계의 협동교전능력을 모의할 수 있을 것으로 보이나, 세부적인 설계는 향후 연구로 남겨둔다.
앞으로 OneSAF 기반 무인화 체계 시뮬레이션 능력을 계속 발전시켜, 체계운용개념을 반영한 실효성 있는 임무/체계효과분석을 수행할 것이다. 특히 정찰, 지뢰지대 개척과 같은 무인체계 전투행위를 비롯해 다중로봇 네트워킹, 네트워크 기반 협동교전 등 네트워크 중심 작전환경에서의 전투행위를 체계적으로 모의할 것이다. 뿐만 아니라, 검증된 체계성능 데이터(탐지율, 명중률, 살상률, 취약성 등) 및 표준 시나리오를 OneSAF에 적용함으로써, 체계효과분석의 신뢰성을 높이기 위한 노력도 계속할 것이다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	OneSAF는 무엇을 분석하는가?	OneSAF는 주어진 체계 운용 요구사항을 만족시킬 수 있도록, 다양한 조합이 가능한 성능모의 컴포넌트들을 선택적으로 합성하여 전투모델을 구성한다. 기존 워게임 모델에서는 전투 부대의 전투력을 란체스터 모델로 표현하여 전투효과를 분석하는 반면, OneSAF에서는 에이전트로 구현된 전투장비 및 전투원들의 상호작용을 통해 전투효과를 분석한다. OneSAF에서는 무기체계의 기본 기능을 화력, 통신, 탐지, 기동, 수송, 취약성 등으로 식별하고, 식별된 기능을 대행하는 에이전트의 상호작용을 통해 무기체계를 시뮬레이션 한다.
	OneSAF이란 무엇인가?	OneSAF는 여단급 이하 제대의 전투모의 모델링이 가능한 미 육군 차세대 조립형 시뮬레이션 프레임워크이다(Wittman et al., 2001).
	OneSAF의 국제판 버전별 기능은 무엇인가?	국제판 버전별 기능을 살펴보면 다음과 같다. 국제판 1.0에서는 OneSAF Objective System에 따라 소프트웨어 구조를 정립하고, 교전모의 도구들을 개발하였으며, 국제판 2.0에서는 주요 전투객체 모델을 갖추고 결과분석 도구를 제공함으로써 기본적인 틀을 갖추기 시작했다. 국제판 3.0 부터는 미군의 상황 변화에 따라 대테러전 전투모델, 미래 전투 체계 모델, 이라크 및 아프간전 대응 전투모델 등이 추가되었으며, 국제판 5.0에서는 비 살상무기 모델이 추가되고 소프트웨어 사용편의성이 개선되었다. 한국에서는 2007년 국제판 1.

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