이동통신망을 이용한 UAV(Unmanned Aerial Vehicle) 실시간 위치 추적 관제 방안에 관한 연구 A study on UAV (Unmanned Aerial Vehicle) Real Time Location Tracking Control Using Mobile Communication Network원문보기
본 논문은 UAV의 RF방식에 따른 정보 송수신의 한계를 극복하기 위해 이동통신 기반의 비행 중인 수 많은 UAV의 위치를 동시에 확인하고 관제를 N:N으로 할 수 있도록, LTE모뎀을 경량 및 저전력 기술을 활용하여 운행중인 UAV에 대한 정보를 수신하고 통제 할 수 있는 방안을 연구하였다. 본 연구를 통해 언제 어디서든지 네트워크에 접속하여 고해상도의 영상을 전송하여 실시간 위치추적 관제 할 수 있는 방안을 제시 하고, 이를 위해 LTE기반의 UAV의 통신 모듈 시스템을 제시함으로써 실시간 고속의 데이터 통신 기술을(3G, 4G LTE, 블루투스) 활용하여 LTE 모뎀의 요구사항 및 기준 요건을 제시하여 비행 중인 UAV의 동시 모니터링을 위한 N:N 관제 체계 개념 및 구현 기술(관제 시스템 구조, 관제 데이터 흐름도, 비행계획 수립 및 전송, 실시간 위치추적) 검증에 대해서 연구하였다.
본 논문은 UAV의 RF방식에 따른 정보 송수신의 한계를 극복하기 위해 이동통신 기반의 비행 중인 수 많은 UAV의 위치를 동시에 확인하고 관제를 N:N으로 할 수 있도록, LTE모뎀을 경량 및 저전력 기술을 활용하여 운행중인 UAV에 대한 정보를 수신하고 통제 할 수 있는 방안을 연구하였다. 본 연구를 통해 언제 어디서든지 네트워크에 접속하여 고해상도의 영상을 전송하여 실시간 위치추적 관제 할 수 있는 방안을 제시 하고, 이를 위해 LTE기반의 UAV의 통신 모듈 시스템을 제시함으로써 실시간 고속의 데이터 통신 기술을(3G, 4G LTE, 블루투스) 활용하여 LTE 모뎀의 요구사항 및 기준 요건을 제시하여 비행 중인 UAV의 동시 모니터링을 위한 N:N 관제 체계 개념 및 구현 기술(관제 시스템 구조, 관제 데이터 흐름도, 비행계획 수립 및 전송, 실시간 위치추적) 검증에 대해서 연구하였다.
In this paper, to overcome the limitation of information transmission and reception according to the RF system of UAV, it is necessary to check the position of many UAVs in flight on the basis of mobile communication and to make the LTE modem lightweight and low power And UAVs that are in operation ...
In this paper, to overcome the limitation of information transmission and reception according to the RF system of UAV, it is necessary to check the position of many UAVs in flight on the basis of mobile communication and to make the LTE modem lightweight and low power And UAVs that are in operation are received and controlled. Through this study, we proposed a method to control real-time location tracking by connecting high-resolution images to the network anytime and anywhere. For this purpose, we propose the requirements and requirements of LTE modem using real-time high-speed data communication technology (3G, 4G LTE, Bluetooth) by presenting the communication module system of LTE-based UAV. N:N control system concept and implementation technology(Control system structure, control data flow chart, flight planning and transmission, real-time location tracking).
In this paper, to overcome the limitation of information transmission and reception according to the RF system of UAV, it is necessary to check the position of many UAVs in flight on the basis of mobile communication and to make the LTE modem lightweight and low power And UAVs that are in operation are received and controlled. Through this study, we proposed a method to control real-time location tracking by connecting high-resolution images to the network anytime and anywhere. For this purpose, we propose the requirements and requirements of LTE modem using real-time high-speed data communication technology (3G, 4G LTE, Bluetooth) by presenting the communication module system of LTE-based UAV. N:N control system concept and implementation technology(Control system structure, control data flow chart, flight planning and transmission, real-time location tracking).
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문제 정의
UAV를 기반으로 한 실시간 자료획득 시스템은 항공기나 위성에 비해 비행고도가 상대적으로 낮고, 자율비행이 가능하기 때문에 경제적이고 기상환경의 영향을 최소화로 받으면서 고선명 공간 데이터의 획득이 가능하다. 본 연구는 기존의 RF(Radio Frequence) 모듈을 이용한 UAV의 무선통신 데이터 링크 기술의 한계인 통신거리와 전송속도를 개선하기 위해, 상용 LTE 네트워크를 무선통신 데이터링크 기술에 적용하기 위한 방안을 제시한다. 해당 시스템의 실제 설계와 구현을 통해서, 상용 LTE 네트워크를 이용한 N:N 방식의 UAV 관제 체계 기술을 검증하는데 목적을 둔다.
본 연구는 이러한 제약을 극복하기 위한 N:N UAV 관제 방안을 제시하였다. 상용 LTE 통신 모뎀이 내장된 UAV 탑재용 위치추적 단말기의 규격을 제시하여 LTE기반의 저전력 기반의 수신율을 개선하였으며 기존의 밧데리보다 30분 이상 1초 주기로 위치를 추적을 할 수 있는 리듐 폴리머 980mA를 제시하였다.
본 연구는 기존의 RF(Radio Frequence) 모듈을 이용한 UAV의 무선통신 데이터 링크 기술의 한계인 통신거리와 전송속도를 개선하기 위해, 상용 LTE 네트워크를 무선통신 데이터링크 기술에 적용하기 위한 방안을 제시한다. 해당 시스템의 실제 설계와 구현을 통해서, 상용 LTE 네트워크를 이용한 N:N 방식의 UAV 관제 체계 기술을 검증하는데 목적을 둔다.[3][4]
제안 방법
단말기 내부 구성은 기존의 LTE기반의 없었으므로, LTE기반의 HW를 구성 가능한 MAIN PCB를 제안하였고, LTE BASEBAND CHIP은 쿼컴사의 MDM9215가 많이 활용이 되고 있다. AS의 편의성을 고려하여 CONNECTOR TYPE의 LTE MODEM TYPE가 필요하며, 저저력 및 수신율이 높은 UBX-G7020, UBS-G6020을 GPS CHIPSET으로 하였다. 기존의 밧데리 소모의 문제점을 개선하기 위해 리듐 폴리머 980mA를 사양으로 제시하여 가벼우면서 장시간(1시간 이상) 위치추적기의 비행을 보장 할 수 있는 사양을 도출하였다.
Front-end Service 영역은 관제용 Client PC로써 UAV의 위치와 상태를 모니터링하고 제어하는 기능을 제공하며, TCP/IP 네트워크를 통해서 N개까지 확장이 가능하다. Back-end Service 영역은 UAV와 데이터 송수신 을 담당하는 통신 Gateway 서버, 송수신 데이터를 처리하고 저장하는 DB 서버, 신속한 관제를 위해 3-Tiered 구조 설계로 Business Process를 분리한 Middleware 서버, 관제 서비스 제공을 위한 관제 서버로 구성하였다. 관제 서버는 전국 어디서나 별도의 프로그램 설치 없이 웹 브라우저를 통해서 관제가 가능하 도록 WEB 기반 서비스 환경으로 구축하였다.
UAV 탑재용 위치추적 단말기의 주요 사양은 표 7과 같다. GPS 측위, 전송 주기, 오랜 비행에 영향을 미치는 무게, 비행시간을 좌우 하는 전력량, 기상환경을 고려한 방수 여부 등 UAV의 효과적인 위치추적을 위한 사양을 제시하였다.
관제시스템에서 UAV로 송신하는 데이터는 비행계획좌표, 원격 제어정보로 구성되며 송신 데이터 처리 모듈이 담당한다. 관제시스템이 UAV로부터 수신하는 데이터는 UAV 위치, UAV 상태, 영상 및 센서 정보와 같은 UAV의 수집 정보 등이 있으며, 수신 데이터 처리 모듈이 담당하도록 설계하였다. UAV에 탑재되는 위치추적 단말기는 상용 LTE 네트워크를 통해서 관제시스템과 데이터를 주고 받는다.
AS의 편의성을 고려하여 CONNECTOR TYPE의 LTE MODEM TYPE가 필요하며, 저저력 및 수신율이 높은 UBX-G7020, UBS-G6020을 GPS CHIPSET으로 하였다. 기존의 밧데리 소모의 문제점을 개선하기 위해 리듐 폴리머 980mA를 사양으로 제시하여 가벼우면서 장시간(1시간 이상) 위치추적기의 비행을 보장 할 수 있는 사양을 도출하였다. 고공비행의 UAV의 위치를 추적하기 위해 기존보다 -10 이상 낮은 온도에서도 위치를 측정 할 수 있는 HW 사양을 제시합니다.
무인항공기(UAV)를 활용한 국토 공간정보 구축 주요 사례와 해당 사업의 목적, 현황 및 문제점, 기대효과를 조사하였다.
본 연구는 이러한 제약을 극복하기 위한 N:N UAV 관제 방안을 제시하였다. 상용 LTE 통신 모뎀이 내장된 UAV 탑재용 위치추적 단말기의 규격을 제시하여 LTE기반의 저전력 기반의 수신율을 개선하였으며 기존의 밧데리보다 30분 이상 1초 주기로 위치를 추적을 할 수 있는 리듐 폴리머 980mA를 제시하였다. 이러한 규격을 통해 UAV의 고공비행에 따른 고도의 한계(기존의 고도가 높아 질수록 온도가 급격하게 떨어져 측정이 불가)를 개선(-10℃ 개선) 가능한 HW 요구사항이라고 판단된다.
관제시스템의 전자지도상에서 Way point 입력을 통해 비행계획을 수립하는 기능을 그림 7 과 같이 구현하였다. 수립된 비행계획의 좌표를 상용 LTE 네트워크를 통해서 UAV에 탑재된 위치추적 단말기로 전송하는 기능도 함께 구현하였다.
관제 서버는 전국 어디서나 별도의 프로그램 설치 없이 웹 브라우저를 통해서 관제가 가능하 도록 WEB 기반 서비스 환경으로 구축하였다. 실시간 UAV 관제 특성을 고려하여, WEB 기반 시스템의 단점인 속도 문제를 해결하기 위해서 GIS 데이터는 관제용 Client PC에 탑재하는 방식으로 설계하였다.
이러한 규격을 통해 UAV의 고공비행에 따른 고도의 한계(기존의 고도가 높아 질수록 온도가 급격하게 떨어져 측정이 불가)를 개선(-10℃ 개선) 가능한 HW 요구사항이라고 판단된다. 이를 이용한 UAV N:N 관제 시스템을 설계하여 정보수집, 모니터링, 비행좌표 입력, 노콘 (NoCon)등 비상상황에 대해 제어 능력에 대해 검증하였다. 이러한 UAV관제시스템을 활용하여 동시 비행 UAV 대수와 관제 PC의 부하시험을 통해 안정성을 검증하여, LTE기반의 UAV실시간 위치추적 관제가 효과적으로 구현할 수 있을 것으로 판단된다.
상용 LTE 모뎀이 탑재된 위치추적 단말기를 UAV에 장착하여 비행 중에 1초 주기로 위치를 추적하는 기능을 그림 8 과 같이 구현하였다. 이를 통해 저고도공역을 비행 중인 UAV로부터 안정적으로 위치를 수집하고 전자지도 상에 실시간으로 표출하는 기술을 검증하였다.
상용 LTE 네트워크를 UAV의 데이터링크 기술에 접목하여 무인 비행체(UAV)의 N:N 관제시스템을 아래 그림 4 와 같이 설계‧구현하였다. 이를 통해, 비행중인 다수의 UAV 위치/고도 정보 동시 수집 기능, 비행금지구역 진입 등 위반 현황 모니터링, GIS를 이
용한 비행계획 좌표 입력 기능, 수립된 비행계획 정보를 UAV에 전송하는 기능, 노콘(NoCon) 등 비상상황에서 UAV 원격 제어를 통한 복귀명령 기능을 검증하였다.
지상 통제장비를 이용한 UAV의 수동 조작 방식 외에 자동 비행에 필요한 비행계획 수립 기능과 비행계획좌표 전송 기술을 검증하였다. 관제시스템의 전자지도상에서 Way point 입력을 통해 비행계획을 수립하는 기능을 그림 7 과 같이 구현하였다.
대상 데이터
관제시스템이 UAV로부터 수신하는 데이터는 UAV 위치, UAV 상태, 영상 및 센서 정보와 같은 UAV의 수집 정보 등이 있으며, 수신 데이터 처리 모듈이 담당하도록 설계하였다. UAV에 탑재되는 위치추적 단말기는 상용 LTE 네트워크를 통해서 관제시스템과 데이터를 주고 받는다. 향후, UAV 제 조사와 협력을 통해서 위치추적 단말기는 UAV의 Control Unit으로부터 UAV 상태정보를 수신하여 관제 시스템에 전송하고, 관제시스템으로부터 받은 비행계획 좌표를 Control Unit에 전송하도록 구현이 가능하다.
데이터처리
N:N 관제 검증을 위한 동시 비행 UAV 대수와 동시 관제 Client PC 대수는 표10과 같이 부하 테스트 도구인 Apache Jmeter를 사용하여 검증하였다. 본 연구를 위해 구성한 개발 서버의 열악한 성능을 고려하여 각각 10대까지 부하 테스트를 진행하였으나, 대규모 동시 관제가 필요한 시스템 구축 시에는 고사양 서버 구성 및 서버별 역할 분리, 네트워크, DB 및 통신 Gateway 등에 대한 Load balancing 설계를 통해 동시 관제 대수를 크게 증가시킬 수 있다.
성능/효과
지상 통제 장비를 통해서 실시간 위치 확인이 가능한 고가의 UAV(드론)일지라도, UAV가 조종자의 시야를 벗어났을 경우에는 현재 위치를 지상 통제 장비에서만 확인할 수 있는 1:1 관제 방식이다. 1:1 관제 방식의 가장 큰 문제는 UAV가 지상 통제장비의 통신거리를 벗어나거나 다른 이상 발생으 로 조종 불능 상태인 노콘(NoCon) 상황에서 지정 장소로 복귀하지 못할 경우, 최종 위치를 파악할 수 없어서 분실과 함께 추락에 따른 인명 사고 및 재산 피해의 우려가 매우 크다는 점이다. 1:1 관제 방식의 또다른 문제는 지상 통제 장비를 운용 중인 조종자 외에는 UAV의 위치를 파악할 수 있는 방법이 없으므로, 다수의 UAV를 운용하는 기관이나 UAV 비행을 감독하는 기관에서는 현재 비행 중인 전체 UAV의 위치 조차 파 악할 수 없다는 것이다.
1:1 관제 방식의 가장 큰 문제는 UAV가 지상 통제장비의 통신거리를 벗어나거나 다른 이상 발생으 로 조종 불능 상태인 노콘(NoCon) 상황에서 지정 장소로 복귀하지 못할 경우, 최종 위치를 파악할 수 없어서 분실과 함께 추락에 따른 인명 사고 및 재산 피해의 우려가 매우 크다는 점이다. 1:1 관제 방식의 또다른 문제는 지상 통제 장비를 운용 중인 조종자 외에는 UAV의 위치를 파악할 수 있는 방법이 없으므로, 다수의 UAV를 운용하는 기관이나 UAV 비행을 감독하는 기관에서는 현재 비행 중인 전체 UAV의 위치 조차 파 악할 수 없다는 것이다.
전 세계적으로 무인항공기 개발 경쟁이 치열한 가운데, 한국이 가장 먼저 드론의 지상 제어 전용 주파수를 할당한 것이다. 또한, 10mW 로 제한을 두던 전파 출력을 최대 10W까지 허용하면서 드론의 운용 거리도 대폭 향상되었다. 5,030 ~ 5,091MHz 대역은 ‘세계전파통신회의(WRC-12)'에서 채택된 지상 제어용 드론 전용 주파수 대역이다.
N:N 관제 검증을 위한 동시 비행 UAV 대수와 동시 관제 Client PC 대수는 표10과 같이 부하 테스트 도구인 Apache Jmeter를 사용하여 검증하였다. 본 연구를 위해 구성한 개발 서버의 열악한 성능을 고려하여 각각 10대까지 부하 테스트를 진행하였으나, 대규모 동시 관제가 필요한 시스템 구축 시에는 고사양 서버 구성 및 서버별 역할 분리, 네트워크, DB 및 통신 Gateway 등에 대한 Load balancing 설계를 통해 동시 관제 대수를 크게 증가시킬 수 있다.
UAV의 비행 이후, 항적과 상태이력을 전자지도를 통해 분석하는 기능을 그림 9 와 같이 구현하였다. 상용 LTE 네트워크를 이용하여 전국 어디서든지 다수의 비행 중인 UAV에 대해 안정적인 N:N 관제가 가능함을 검증하였다.
후속연구
이를 이용한 UAV N:N 관제 시스템을 설계하여 정보수집, 모니터링, 비행좌표 입력, 노콘 (NoCon)등 비상상황에 대해 제어 능력에 대해 검증하였다. 이러한 UAV관제시스템을 활용하여 동시 비행 UAV 대수와 관제 PC의 부하시험을 통해 안정성을 검증하여, LTE기반의 UAV실시간 위치추적 관제가 효과적으로 구현할 수 있을 것으로 판단된다.
UAV에 탑재되는 위치추적 단말기는 상용 LTE 네트워크를 통해서 관제시스템과 데이터를 주고 받는다. 향후, UAV 제 조사와 협력을 통해서 위치추적 단말기는 UAV의 Control Unit으로부터 UAV 상태정보를 수신하여 관제 시스템에 전송하고, 관제시스템으로부터 받은 비행계획 좌표를 Control Unit에 전송하도록 구현이 가능하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
드론의 어원은 무엇인가?
여기부터 논문을 작성한다‘무인항공기, UAV(Unmanned Aerial Vehicle)’는 ‘드론(drone)’이란 애칭으로 쓰이면서 전 세계적으로 관심이 커지고 있다. 드론은 원래 꿀벌이 낮 게 날아다니며 웅웅거리는 소리를 칭하는 영어 단어인데, 1930년대에 영국과 미국에서 대공포 훈련용으로 개발된 무인항공기를 타겟 드론(target drone)이라고 부르면서 드론이라는 용어가 최초로 쓰이기 시작하였다. 최근 급변하는 사회발전에 맞추어 지속적으로 이루어지는 도시 개발, 세계적인 이상기후로 인한 산사태, 지진 및 산불 등 대형재난이 매우 빈번하게 발생하고 있다.
무인 항공기의 활용 분야는 무엇인가?
이로인해, 실시간 자료획득 방식 중의 하나인 무인 항공기(UVA)는 소형화‧경량화 되면서 국방, 재난, 재해, 방송‧통신, 환경, 토목, 물류, 엔터테인먼트 등 다양한 분야에서 그 특성과 목적에 따라 광범위하게 활용되고 있다. UAV를 기반으로 한 실시간 자료획득 시스템은 항공기나 위성에 비해 비행고도가 상대적으로 낮고, 자율비행이 가능하기 때문에 경제적이고 기상환경의 영향을 최소화로 받으면서 고선명 공간 데이터의 획득이 가능하다.
무인 항공기가 실시간 자료획득 시스템에 도입된 이유는 무엇인가?
드론은 원래 꿀벌이 낮 게 날아다니며 웅웅거리는 소리를 칭하는 영어 단어인데, 1930년대에 영국과 미국에서 대공포 훈련용으로 개발된 무인항공기를 타겟 드론(target drone)이라고 부르면서 드론이라는 용어가 최초로 쓰이기 시작하였다. 최근 급변하는 사회발전에 맞추어 지속적으로 이루어지는 도시 개발, 세계적인 이상기후로 인한 산사태, 지진 및 산불 등 대형재난이 매우 빈번하게 발생하고 있다. 이러한 상황에 대응하기 위한 기존의 모니터링 시스템은 시간, 공간, 비용측면 에서 한계가 있으며, 신속성과 정확도를 확보하기 위한 실시간 자료획득 시스템의 중요성의 크게 부각되고 있다.[1][2]
참고문헌 (10)
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David McGriffy, Make: Dron(Make: Projects), pp 142-195, MAKERMEDIAS, 2017
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