[논문]무인항공기 위치정확도 시험평가 기법 연구

주요한; 문경환; 강봉석; 정재원; 손한기; 조정현

doi:10.12673/jant.2018.22.6.530

무인항공기 위치정확도 시험평가 기법 연구
Feasibility Study on the Methodology of Test and Evaluation for UAV Positioning 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.22 no.6 = no.93, 2018년, pp.530 - 536

주요한 (한국산업기술시험원 항공국방기술센터) , 문경환 (한국산업기술시험원 항공국방기술센터) , 강봉석 (한국산업기술시험원 항공국방기술센터) , 정재원 (한국산업기술시험원 항공국방기술센터) , 손한기 (한국산업기술시험원 항공국방기술센터) , 조정현 (한국산업기술시험원 항공국방기술센터)

초록
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최근 무인항공기 드론의 활용범위와 수요가 지속적으로 증가함에 따라 무인항공기와 유인항공기 간 공역을 통합하여 운용하는 연구가 전 세계적으로 활발하게 진행되고 있다. 공역 통합을 위해서는 유인항공기에 준한 기술기준 및 인증 제도 수립이 필수적이며, 이에 따른 시험평가 방안이 제시되어야 한다. 본 논문에서는 향후 무인항공기 항법 시스템에 대한 기술기준이 수립되었을 경우, 기술기준 적합성 검증을 위한 시험방법을 제시하였다. 연구를 위해 무인항공기 임무 프로파일 및 운용환경 분석, 시험항목 도출, 시험방법 수립, 시뮬레이션 및 무인항공기를 통한 실증을 수행하였다. 시험방법으로 정적시험, 트랙이동시험, 경로비행시험이 도출되었으며, 각 시험수행 결과 시험대상 무인항공기의 항법시스템 오차는 전체 비행단계에서 95% 신뢰수준에서 약 1.4m의 위치정확도를 보임을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, many studies for interoperability of UAV in the NAS has been performed since the application range and demand of UAV are continuously increased. For the interoperation of UAV in the NAS, technical standards and certification system for UAV which is equivalent to the commercial aircraft are required and test and evaluation methodology must be presented by standards. In this paper, qualification test and evaluation methodology aboutfor the UAV navigation system is proposed. For the research, the mission profile and operation environment of UAV were analyzed. Thereafter the test criteria were derived and the test methodology were established. Finally, the simulation and demonstration using test-bed UAV were performed. As a result of the test, it was confirmed that the navigation system of test UAV has a position accuracy about 1.4 meters at 95% confidence level in the entire flight stage.

주제어

표/그림 (9)

그림 그림 1. 화물 수송용 드론 임무 프로파일[5] Fig. 1. Mission profile of drone for cargo transport[5].
표 표 1. 임무 프로파일에 따른 비행단계 Table 1. Flight phase in mission profile.
그림 그림 2. 가우시안분포 또는 정규분포 그래프[9] Fig. 2. A plot of a Gaussian or Normal distribution curve[9].
표 표 2. 정적시험 산출식 시뮬레이션 결과 Table 2. Results of simulation for static test equation.
표 표 3. 동적시험 산출식 시뮬레이션 결과 Table 3. Results of simulation for dynamic test equation.
그림 그림 3. 트랙이동시험 수행 사진 Fig. 3. Track moving test.
그림 그림 4. 트랙이동시험 데이터 Fig. 4. Result of track moving test.
그림 그림 5. 경로비행시험 비행경로 Fig. 5. Route for flight test.
그림 그림 6. 경로비행시험 데이터 Fig. 6. Result of flight test.

AI 본문요약
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문제 정의

동적시험의 목적은 무인항공기가 이륙에서 착륙까지 모든 비행단계에서 요구되는 위치정확도 수준을 만족하여 안전한 비행이 가능한지 여부를 확인하는데 있다.

제안 방법

2-1절에서 도출된 시험방법에 따라 정적시험, 트렉이동시험, 경로비행시험을 각각 수행하였다. 시험장은 수평선 30° 이상 높이의 산 또는 건물이 없는 개활지에서 수행하였으며, 산출식 가정 사항에 따라 바람, 인공위성 등 환경조건을 수립하였다.
두 번째 방법은 지상이동시험으로 비행 중 기상조건을 배제하기 위해 무인항공기를 트렉에 고정하여 일정한 속도로 이동하며 위치데이터를 수집하여, 위치정확도를 평가한다.
무인항공기 위치정확도 산출식 검증을 위해 시뮬레이션을 수행하였으며, 시뮬레이션은 위치오차가 반영된 가상 데이터 생성 후 산출식을 이용하여 설정된 위치오차를 추정하여 정확도를 살펴보았다.
무인항공기 임무 프로파일의 각 비행형태를 모사하기 위해 정적시험과 동적시험을 정의하였다. 정적시험은 무인항공기가 호버링(hovering) 또는 비행 중 대기(holding) 등 정지비행 형태를 모사하며, 동적시험은 무인항공기의 순항비행 형태를 모사한다.
정적시험은 무인항공기가 호버링(hovering) 또는 비행 중 대기(holding) 등 정지비행 형태를 모사하며, 동적시험은 무인항공기의 순항비행 형태를 모사한다. 무인항공기의 비행 중 위치정확도는 바람의 영향을 고려하여, 지상에서 트렉(track)으로 이동하며 위치정확도를 평가하는 방법을 추가적으로 고려하였다. 이에, 다음과 같이 무인항공기 위치정확도 시험방법을 수립하였다.
본 논문에서는 앞서 소개한 성능기반항행의 개념을 적용하기 위해 무인항공기의 임무 프로파일에 따라 이륙부터 착륙까지 비행형태를 도출하였다. 무인항공기 임무 프로파일은 에어버스(airbus) 사의 화물용 드론 예상 임무 프로파일을 참고하였으며, 그림 1에 나타내었다[5].
본 논문은 무인항공기 위치정확도 시험평가 방안 기초연구를 위해 무인항공기 임무 프로파일 분석, 시험 환경조건 도출, 시험방법 수립 및 산출식 수립, 시뮬레이션과 시험을 수행하였다. 시험은 산출식의 가정 사항을 반영하기 위한 절차를 수립하여 수행하였으며, 무인항공기 임무 프로파일 분석에 따라 정적시험, 트랙이동시험, 경로비행시험으로 구분하여 수행하였다.
본 연구는 무인항공기 임무 프로파일 및 운용환경 분석, 시험 방법 도출, 시뮬레이션 및 실증용 무인항공기를 활용한 실증의 과정을 통해 최종 결론에 도달하였으며, 연구 수행과 관련한 세부 내용은 다음에서 설명한다.
세 번째 방법은 무인항공기가 자동비행(auto-pilot) 모드에서 계획된 경로를 비행 시 위치정확도를 평가한다.
본 논문은 무인항공기 위치정확도 시험평가 방안 기초연구를 위해 무인항공기 임무 프로파일 분석, 시험 환경조건 도출, 시험방법 수립 및 산출식 수립, 시뮬레이션과 시험을 수행하였다. 시험은 산출식의 가정 사항을 반영하기 위한 절차를 수립하여 수행하였으며, 무인항공기 임무 프로파일 분석에 따라 정적시험, 트랙이동시험, 경로비행시험으로 구분하여 수행하였다.
유사한 개념으로 유인항공기의 성능기반항행 있으며, 항공기가 비행하고자하는 공역에서 요구하는 위치정확도를 확보하였음을 입증하여 비행승인을 획득하는 과정을 수행한다. 위치 정확도 확보를 위해서는 비행단계에 따라 요구되는 시스템이 상이하나, VOR (VHF omnidirectional radio range), DME (distance measurement equipment), GNSS (global navigation satellite system) 등이 사용된다[8].
이에, 본 논문에서는 무인항공기의 항법에 필요한 요소 중 위치정확도 시험방법을 수립하여, 테스트베드(test-bed) 항공기를 대상으로 계획된 경로로의 항로비행, 비행제한구역 및 장애물의 회피비행 등 안전한 비행에 필요한 안전거리를 도출하였다.
정적시험은 시험장 고정점에서 1시간 동안 위치 데이터를 수집하는 것으로 수행하였다. 시험결과, DRMS는 약 1.
첫 번째 방법은 정적시험으로 무인항공기의 정지비행 시 위치정확도를 평가하며, 시험시간 동안 고정점에 위치한 무인항공기의 위치정확도를 평가한다.

대상 데이터

경로비행시험은 그림 5와 같이 사전에 입력된 비행경로를 자동비행모드로 비행하는 절차로 수행하였다. 각 지점 간 거리는 200 m로 총 비행거리 800 m를 비행한 데이터를 산출하였다.
본 논문에서는 앞서 소개한 성능기반항행의 개념을 적용하기 위해 무인항공기의 임무 프로파일에 따라 이륙부터 착륙까지 비행형태를 도출하였다. 무인항공기 임무 프로파일은 에어버스(airbus) 사의 화물용 드론 예상 임무 프로파일을 참고하였으며, 그림 1에 나타내었다[5].
시험대상 무인항공기는 dji 사의 inpire 2 항공기를 사용하였으며, 시험대상 무인항공기의 항법 시스템은 초당 10회의 속도로 항공기 위치를 측정함을 확인하였다.
트랙의 총 길이는 20 m이며, 이동용 지그의 속도는 약 1 m/s로 설정하였다. 트랙 양 끝에서는 방향 전환을 위한 속도저하가 있었으며, 이 구간은 데이터 분석에서 제외하였다.

데이터처리

본 연구에서 원형공산오차는 DRMS (deviation root mean square)를 통해 산출하였으며, 식(1)을 사용하였다.

이론/모형

정적시험 위치정확도는 원형공산오차 (CEP; circular estimate probability)의 개념을 사용하였다.

성능/효과

각 시험 수행 결과 시험대상 무인항공기의 항법시스템은 약 1.4 m의 오차를 가지는 것으로 추정되었다. 이 때 비행오차, 통합시스템 오차 등은 고려되지 않았으며 향후 무인항공기 안전 거리 산출을 위해서는 각 오차의 정확도 측정 방안에 대한 추가 연구가 필요하다.
동적시험 시뮬레이션은 무인항공기의 직선비행만을 고려하였으며, 비행 중 호버링 등 기타 비행기동은 제외하였다. 시뮬레이션 결과 산출식의 추정오차는 정적시험과 유사하게 약 3.6%로 확인되었다.
정적시험 결과, 시험대상 무인항공기는 호버링 및 정지상태에서 이륙 시 항법시스템의 오차는 약 1.4 m 정도로 추정되었으며, 이는 주변 장애물 및 기후 환경에 따라 달라질 수 있다.

후속연구

본 연구는 향후 무인항공기가 항로비행에 필요한 항법 기술 기준에 적합여부를 확인하기 위해 필요한 시험기법을 기초 연구한 것으로 실제 환경에 적용하기 위해서는 다음의 가정 사항들에 대한 추가적인 연구가 필요하다.
본 연구로 무인항공기 항법 시스템 기술기준에 대한 기초자료를 확보하고, 향후 기술기준의 적합성 검증시험 개발의 밑거름으로 활용될 것으로 기대한다.
첫째는 식(5)의 FTE에 대한 오차범위이다. 본 연구에서는 FTE는 무시하여 시험을 수행하였으나, 항공기의 실제 위치를 확인할 수 있는 기반시설을 구축하여 FTE의 영향성을 확인할 필요가 있다.
4 m의 오차를 가지는 것으로 추정되었다. 이 때 비행오차, 통합시스템 오차 등은 고려되지 않았으며 향후 무인항공기 안전 거리 산출을 위해서는 각 오차의 정확도 측정 방안에 대한 추가 연구가 필요하다.
하지만 추가 연구를 통해 무인항공기 FTE의 오차수준에 대한 검증이 필요하다. 상기 조건을 적용하면 식(6)과 같이 도출되며, TSE 값들의 통계적인 수치가 무인항공기 위치정확도가 된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무인항공기 위치정확도 시험방법은 무엇인가?	첫 번째 방법은 정적시험으로 무인항공기의 정지비행 시 위치정확도를 평가하며, 시험시간 동안 고정점에 위치한 무인항 공기의 위치정확도를 평가한다. 두 번째 방법은 지상이동시험으로 비행 중 기상조건을 배제 하기 위해 무인항공기를 트렉에 고정하여 일정한 속도로 이동 하며 위치데이터를 수집하여, 위치정확도를 평가한다. 세 번째 방법은 무인항공기가 자동비행(auto-pilot) 모드에서 계획된 경로를 비행 시 위치정확도를 평가한다.
	무인항공기의 동적시험의 목적은 무엇인가?	동적시험의 목적은 무인항공기가 이륙에서 착륙까지 모든 비행단계에서 요구되는 위치정확도 수준을 만족하여 안전한 비행이 가능한지 여부를 확인하는데 있다.
	무인항공기가 유인항공기와 통합된 공역을 비행하기 위해 필요한 요소는 무엇인가?	무인항공기 특히 드론의 활용도가 다양해지고 활동영역이 넓어짐에 따라 무인항공기와 유인항공기의 공역 통합 및 운영에 대한 연구가 미국을 중심으로 활발히 진행되고 있다[2]. 무인항공기가 유인항공기와 통합된 공역을 비행하기 위해서는 유인항공기에 버금가는 기체의 안전성, 원거리 통신의 신뢰성, 지형지물/장애물/주위 항공기 인식 및 자동 회피 기능이 필수 요소가 되며, 또한 이에 대한 인증기준 및 검증방안이 필요하게 된다. 따라서 항공 선진국들은 늘어나는 무인항공기의 수요에 따른 무인기 인증규정 및 법체계에 관련된 연구들을 수행 중에 있다[3].

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
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