[논문]유/무인 항공기 복합운용체계 검증을 위한 시뮬레이션 환경 구축

강병규; 박민수; 최은주

doi:10.20910/jase.2019.13.6.36

유/무인 항공기 복합운용체계 검증을 위한 시뮬레이션 환경 구축
The Development of The Simulation Environment for Operating a Simultaneous Man/Unmanned Aerial Vehicle Teaming 원문보기

항공우주시스템공학회지 = Journal of aerospace system engineering, v.13 no.6, 2019년, pp.36 - 42

강병규 (한국항공우주연구원) , 박민수 (한국항공우주연구원) , 최은주 (한국항공우주연구원)

초록
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본 논문은 유/무인 항공기 복합운용체계 검증을 위한 시뮬레이션 환경 구축 및 통합 시험에 대하여 다룬다. 유/무인 항공기 지상 시뮬레이션 환경 구축을 위해서 유인기용 시뮬레이터인 X-Plane과 무인기용 시뮬레이터 HILS를 연동하여 상호 복합운영이 가능한지 시뮬레이션으로 검증하였다. 실제 비행시험 전 유/무인 항공기 및 지상통제실 간 C Band 및 UHF 채널을 이용한 통신 가능성을 확인하기 위하여 통신장비를 제작하고 유인 항공기를 이용한 검증을 수행하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This research illustrates how the simulation environment for operating the simultaneous man/unmanned aerial vehicle teaming is constructed. X-Plane program, HILS for the ducted fan aircraft (unmanned) and CTLS (manned aircraft) with communication devices are interfaced to simulate the basic co-operational flight. The X-plane and HILS can allow operators to experience the maned and unmanned aircraft operation in the airspace on the ground in turn they can perform various simulated missions in advance before the actual flight. For the test purpose, the data link between man/unmanned aircraft and ground control station is examined using C Band and UHF radio channels by the manned aircraft.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 1 Manned-Unmanned Teaming Concept[2]
표 Table 1 Specification of the Ducted Fan UAV
그림 Fig. 2 The Ducted Fan UAV Configuration
그림 Fig. 3 The Development of HILS Simulation For the Ducted Fan UAV
그림 Fig. 4 The simulator based on X-Plane for the manned aircraft training.
그림 Fig. 5 The Ground Simulator for Manned/Unmanned Teaming Operation.
그림 Fig. 6 HILS Simulation: P Turn Flight
그림 Fig. 7 The System Interface Concept for Operating Simultaneous Man/Unmanned Teaming Operation.
표 Table 2 Technology Status for UAV
그림 Fig. 8 Onboard Data Link Device
그림 Fig. 9 Ground Antenna Installation Process
그림 Fig. 10 The Interface Verification Process For the MUM-T
표 Table 3 The Onboard Components Properties
표 Table 4 The Ground Monitoring System Properties

AI 본문요약
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문제 정의

또한 실제 비행 시 유/무인 항공기 간 또는 지상통제실과의 통신을 위해 별도의 통신장비를 개발하였다. 따라서 본 연구에서는 유/무인 항공기 실제 복합 운영전 지상 시뮬레이션 환경 구축을 통해 각각의 시스템 성능 검증을 하는 것이다.
그리고 위험 지역에서의 임무수행을 무인기가 대체함으로써 조종사의 안전과 상황인지능력을 향상시켜 임무의 효율성을 극대화할 수 있다. 본 연구에서는 수직이착륙이 가능한 틸트덕트 무인기와 경량 유인항공기를 이용하여 유/무인 항공기간 복합운영에 관한 지상 시뮬레이션 환경을 구축하여 기초연구를 수행하였다. 틸트 덕티드 팬 형 무인기는 제자리비행이 가능하므로 정밀 탐색이 가능하며, 최대 비행 시간은 2시간으로 장시간 비행이 가능하여 현재 배터리를 동력원으로 사용하는 무인 비행체보다는 더 넓은 지역을 탐색할 수 있다는 장점이 있다.

가설 설정

통신거리는 유무인 항공기간 통신 거리를 고려하여 5km 이내로 가정하고 지상시험을 통해 평가를 수행하였다.

제안 방법

구축된 시뮬레이션을 이용하여 무인기의 비행성능과 조종 안전성을 평가하였다. Knob를 통해 고도, 속도, 헤딩을 설정 하였으며, 무인기의 기본적인 안전성 테스트를 위해 P 형태의 궤도를 그리며 조종안전성과 비행성능 테스트를 수행 하였고, 시뮬레이션 결과는 Fig. 6 같다. 속도는 30 km/h부터 60 km/h까지 증가 시켰고, 고도는 500m 이하에서 일정하게 유지하였다.
구축된 시뮬레이션을 이용하여 무인기의 비행성능과 조종 안전성을 평가하였다. Knob를 통해 고도, 속도, 헤딩을 설정 하였으며, 무인기의 기본적인 안전성 테스트를 위해 P 형태의 궤도를 그리며 조종안전성과 비행성능 테스트를 수행 하였고, 시뮬레이션 결과는 Fig.
구축된 시스템의 지상통제체계 및 탑재장비와의 연동성 검증을 위해 아래 Fig. 10과 같은 시험 항목을 식별하여, 비행체, 지상통제장비, 그리고 탑재장비의 기능시험 및 연동시험을 하였다. 비행체는 유인기(CTLS) 및 무인기(Ducted Fan)의 조종계통, 연료계통, 항전장비 등의 계통 점검 및 탑재장비와의 데이터 링크 체계 검증을 하였고, 안테나를 포함한 지상통제체계와의 탑재통신장비의 성능 시험을 수행하였다.
본 연구는 NATO (North Atlantic Treaty Organization, STANAG 4586)에서 정의한 Level 2단계 시험 환경인 유/무인 항공기 복합운영을 위한 시뮬레이션 환경 구축으로 유인항공기는 독일 Flight Design사에서 제작한 CTLS 모델을 활용한 X-Plane 시뮬레이터와, 한국항공우주연구원에서 개발한 틸터덕트 무인기용 HILS를 인터페이스 시켜 기초 연구에 사용하였다. 또한 실제 비행 시 유/무인 항공기 간 또는 지상통제실과의 통신을 위해 별도의 통신장비를 개발하였다. 따라서 본 연구에서는 유/무인 항공기 실제 복합 운영전 지상 시뮬레이션 환경 구축을 통해 각각의 시스템 성능 검증을 하는 것이다.
유/무인기 간 주통신은 C Band를 사용하여, 영상과 같이 용량이 큰 데이터를 주고받으며, 부 통신으로 UHF 채널을 사용하여, 무인기 상태 정보 및 성능 등을 모니터링 하는데 사용한다. 무인기와 지상통제실간도 같은 데이터 통신을 사용하며, 지상통제실과과 유인기는 UHF 통신으로 임무 수행현황을 모니터링 한다. 유/무인 항공기 복합 운영 방법 및 데이터링크는 아래 Fig.
10과 같은 시험 항목을 식별하여, 비행체, 지상통제장비, 그리고 탑재장비의 기능시험 및 연동시험을 하였다. 비행체는 유인기(CTLS) 및 무인기(Ducted Fan)의 조종계통, 연료계통, 항전장비 등의 계통 점검 및 탑재장비와의 데이터 링크 체계 검증을 하였고, 안테나를 포함한 지상통제체계와의 탑재통신장비의 성능 시험을 수행하였다. 통신거리는 유무인 항공기간 통신 거리를 고려하여 5km 이내로 가정하고 지상시험을 통해 평가를 수행하였다.
유/무인기 항공기간 통신 및 지상통제실과 실시간 데이터 통신을 위한 장비를 제작 하였다. 통신장비 성능 검증을 위해 유인항공기인 CTLS에 탑재하여 영상정보, 속도, 고도, 위치 등의 항공기 상태정보를 테스트하였다.
5와 같이 구성 하였다. 이를 통해 비행경로 설정과 항로 모니터링, 항공센터 3D 지형 및 활주로를 구현하여 실제 환경과 유사한 조건에서 시뮬레이션이 가능 하도록 시스템 환경을 구축하였다.
제작된 무선통신기 자동추적 안테나 시스템은 Electric-Scan 방식을 사용하여 비행체에서 송신되는 C Band 신호 및 GPS 데이터로부터 비행체의 이동방향을 자동으로 계산하고, 그 결과를 안테나의 기계적 구조를 이용하여 자동추적이 가능하도록 설계하였다.
유/무인기 항공기간 통신 및 지상통제실과 실시간 데이터 통신을 위한 장비를 제작 하였다. 통신장비 성능 검증을 위해 유인항공기인 CTLS에 탑재하여 영상정보, 속도, 고도, 위치 등의 항공기 상태정보를 테스트하였다. 지상으로 전송되는 데이터는 C Band 주파수에 의해 지상의 추적 안테나에 수신되고 이더넷 통신을 통해 통제센터에 전달된다.
통제석에서는 ADS-B 장비를 장착 항공기의 항적 모니터링과 비행 시뮬레이션을 위한 X-Plane 항공기를 생성하여 비행시나리오를 만들 수 있고, 조종석은 Pitch, Roll, Yaw 조종입력을 위한 요크(yoke), 페달, 추력 조절을 위한 Throttle로 구성된다. X-Plane을 활용한 유인기용 시뮬레이터 시스템 구성은 아래 Fig.

대상 데이터

무인기 운용을 위한 HILS 구성은 비행시뮬레이션 운동모델, 비행제어컴퓨터, 지상관제시스템, 3차원 가시화 시스템 그리고 Mission Planner로 구성된다. 무인기 모델은 VTOL (Vertical Take Off and Landing)이 가능한 Ducted fan 타입 무인기를 사용하였고, 비행체 사양과 형상은 아래 Table 1과 Fig. 2와 같다.

이론/모형

본 연구는 NATO (North Atlantic Treaty Organization, STANAG 4586)에서 정의한 Level 2단계 시험 환경인 유/무인 항공기 복합운영을 위한 시뮬레이션 환경 구축으로 유인항공기는 독일 Flight Design사에서 제작한 CTLS 모델을 활용한 X-Plane 시뮬레이터와, 한국항공우주연구원에서 개발한 틸터덕트 무인기용 HILS를 인터페이스 시켜 기초 연구에 사용하였다. 또한 실제 비행 시 유/무인 항공기 간 또는 지상통제실과의 통신을 위해 별도의 통신장비를 개발하였다.

성능/효과

통신거리는 유무인 항공기간 통신 거리를 고려하여 5km 이내로 가정하고 지상시험을 통해 평가를 수행하였다. 그 결과 지상안테나와 유인기, 그리고 무인기간 통신 문제는 발생하지 않았으나, 유인기와 무인기간 영상 송수신 문제가 발생하여 시스템 업그레이드를 통해 개선하였다.

후속연구

또한 실제 비행 시 유/무인 항공기간 통신이 가능함으로써 GCS와 무인기간 P2P 통신으로 인한 거리 제약 한계 극복과 비행영역 확장이 가능 할 것으로 예상된다. 그러므로 본 연구를 통해 유/무인 항공기 복합운용에 필요한 기초 연구를 수행 하여 지상통제체계 인프라를 구축하였고, 향후 충돌회피 및 통신 이중화 체계 향상을 통해 비행시험 시 위험성을 줄이고 신뢰성을 향상 시켜 더욱더 효율적인 비행임무를 수행할 수 있을 것으로 기대한다.
또한 같은 공역에서의 충돌 상황이 발생하면 회피 알고리즘이 필요 하지만[6], 무인기 시스템의 복잡성과 비용 문제가 발생할 수 있다. 그러므로 향후 체계 업그레이드를 통해 문제를 해결하고 통합시험을 거쳐 체계 검증 과정이 필요하다. 또한 유/무인 항공기 복합운용 시 통신 두절에 대비한 비상 절차서를 만들어 사전에 준비 한다면 보다 안전한 임무 수행이 가능할 것이다.
틸트 덕티드 팬 형 무인기는 제자리비행이 가능하므로 정밀 탐색이 가능하며, 최대 비행 시간은 2시간으로 장시간 비행이 가능하여 현재 배터리를 동력원으로 사용하는 무인 비행체보다는 더 넓은 지역을 탐색할 수 있다는 장점이 있다. 또한 실제 비행 시 유/무인 항공기간 통신이 가능함으로써 GCS와 무인기간 P2P 통신으로 인한 거리 제약 한계 극복과 비행영역 확장이 가능 할 것으로 예상된다. 그러므로 본 연구를 통해 유/무인 항공기 복합운용에 필요한 기초 연구를 수행 하여 지상통제체계 인프라를 구축하였고, 향후 충돌회피 및 통신 이중화 체계 향상을 통해 비행시험 시 위험성을 줄이고 신뢰성을 향상 시켜 더욱더 효율적인 비행임무를 수행할 수 있을 것으로 기대한다.
그러므로 향후 체계 업그레이드를 통해 문제를 해결하고 통합시험을 거쳐 체계 검증 과정이 필요하다. 또한 유/무인 항공기 복합운용 시 통신 두절에 대비한 비상 절차서를 만들어 사전에 준비 한다면 보다 안전한 임무 수행이 가능할 것이다.
그러나 유/무인 항공기 복합운용 시 임무 수행 중 모든 상황에 대비하여 비행체 상호간 정보 공유 및 공동 임무 수행을 할 수 있도록 장비 구성을 갖추어야 한다[5]. 하지만 본 연구에서 구축된 체계는 이런 기술체계를 갖추고 있지 않아 시스템 보완을 통해 검증 과정이 필요하다. 예를 들어 비행 중 유/무인 항공기간 통신 문제가 발생하면 지상통제실에서 문제를 해결 할 수 있는 방법이 없어 비상 상황을 고려한 보조 통신 장비를 설치해야 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무인항공체계의 구성은?	무인항공체계는 임무장비를 탑재하는 항공전자계통, 통신을 위한 데이터링크 체계, 지상통제체계 등으로 구성되며, 군용 무인기의 경우 무장체계가 추가된다. 일반적으로 무인 항공기는 영상정보를 기반으로 재해 감시, 정찰 등 목표물에 대한 탐지 및 식별과 같은 다양한 임무를 수행한다.
	무인기 운용을 위한 HILS 구성은?	무인기 운용을 위한 HILS 구성은 비행시뮬레이션 운동모델, 비행제어컴퓨터, 지상관제시스템, 3차원 가시화 시스템 그리고 Mission Planner로 구성된다. 무인기 모델은 VTOL (Vertical Take Off and Landing)이 가능한 Ducted fan 타입 무인기를 사용하였고, 비행체 사양과 형상은 아래 Table 1과 Fig.
	MUM-T는 무엇인가?	최근에는 미국에서 유/무인 항공기 복합운용을 위한 MUM-T (Man/Unmanned Teaming) 개념연구를 시작하였다[1]. 이는 데이터링크 기술을 통해 무인항공기에서 수집된 영상을 지상이나 공중 임무 수행중인 유인항공기와 공유하는 개념으로 상황인지능력(SA; Situational Awareness)을 높이는 것이다. 이런 체계를 통해 고위험 지역에서 인명을 보호하고 임무 수행에 있어 효율성을 극대화할 수 있다.

참고문헌 (6)

S. Y. Yun, S. J. Park, "A Study of Foreign Military UAV Development Trend and Operational Cases for the UAV Development of Republic of Korea Armed Forced," Strategic Study, vol 74, May 2018.
AIRBUS H145 Manned-Unmanned Teaming Operations, (https://schiebel.net/wp-content/uploads/2018/04/2018-04-24-Manned-Unmanned-Teaming-Factsheet.pdf).
B. Adrino, B. Helosman, G. Poliana, C. M, Alessandro, "Guidance Software-in-The-Loop Simulation Using X-Plane and Simulink for UAVs," Proc. of International Conference on Unmanned Aircraft Systems, pp. 27-30, May. 2014.
Domestic Technology Status for UAV ICT from Institute for Information and Communications Technology Promotion, Mar. 2018.
S. Kim, S. Cho, S. B. Cho and C. H. Park, "Development of Operation Network System and Processor in the Loop Simulation for Swarm Flight of Small UAVs," Journal of Institute of Control, Robotics and System, pp. 433-438, 2012.
Joo-won Choi, "Study on Establishment of Airworthiness Level of Safety for UAV," Journal of Aerospace System Engineering, vol 4, Dec. 2008.

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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].

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