[논문]The Propose of Requirements Based on Safety Assessment for UAV Handover

Seung, Young-Min; An, Kyeong-Soo; Kim, Woo-Sik

doi:10.9708/jksci.2019.24.04.091

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, UAV manufacturers are developing UAV system in a form that can be controlled by CS regardless of UAV kind and using STANAG 4586 interface standard considering Interoperability. STANAG 4586 is a NATO military standard developed to control various UAVs with standardized equipment. In such a ...

Recently, UAV manufacturers are developing UAV system in a form that can be controlled by CS regardless of UAV kind and using STANAG 4586 interface standard considering Interoperability. STANAG 4586 is a NATO military standard developed to control various UAVs with standardized equipment. In such a case, UAV handover will inevitably occur and it is one of the most important function for safe UAV flight in platform using STANAG 4586. In the future combat situation where collaboration between AV and UAV is anticipated, seamless handover of UAV is a part of continuous research. In this paper, we propose requirements for UAV handover based on ARP 4761 safety assessment and analyze feasibility of the requirements by comparing UAV handover process in STANAG 4586. As a result of the comparative analysis, the proposed handover requirements based on ARP 4761 includes all the handover procedures of STANAG 4586 and present additional considerations for SOP creation and CS development. Applying the proposed handover requirements in the UAV development process can reduce the probability of loss of UAV control over the handover process and it can be expected to help improve the safety of UAV.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. Stovepipe Type UAV Operation
그림 Fig. 2. UAV Operation Considering Interoperability
그림 Fig. 3. UAV System Structure based on STANAG 4586
표 Table 1. Hazard identification for UAV safety assessment
그림 Fig. 4. UAV Operation Considering MBB Handover
표 Table 2. Proposed UAV Handover Requirements
그림 Fig. 5. Handover Procedure Presented in STANAG 4586
표 Table 3. Comparison of STANAG 4586 Handover Procedure and Proposed Requirements

AI 본문요약
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문제 정의

이에 대해 데이터링크 구성에 필요한 정보들을 전송하는데, 데이터링크 설정 및 유지, 정상 동작의 확인은 핸드오버의 핵심 절차 중 하나이다. 따라서 데이터링크의 상태보고서를 전송하고 핸드오버를 통하여 제어권을 가져갈 수 있는 수준의 데이터링크라고 판단이 되면 원래의 CS1에게 제어를 위한 CUCS 인증을 수행하고 데이터링크 전환을 보고 및 핸드오버 성공 여부에 대한 보고를 수행한다. 이렇게 되면 핸드오버 절차가 1차적으로 완료되지만 핸드오버 이후 운용자 디스플레이를 위한 정보와 UAV 동작 명령, UAV 이동에 따른 상태 정보를 요청/수신하여 UAV가 CS2의 제어 하에 완전히 정상적으로 제어되는지 확인하는절차를 거친다[10][11].
본 논문에서는 군사적인 관점에서 무인기 통제장비의 상호운용성 확보에 가장 중요한 핸드오버 구현을 위한 요구사항을 도출하여 제안한다. 제안하는 핸드오버 요구사항은 항공시스템 및 장비의 안전성 평가 기준인 ARP 4761(Aerospace Recommended Practice)를 바탕으로 핸드오버 수행에 고려되어야 하는 위험요소를 방지 하여 안전성 확보가 가능한 기준으로 도출하였으며, 도출된 핸드오버 요구사항을 STANAG 4586의 핸드오버 인터페이스와 비교 분석하여 안전성을 검증하였다.
이렇게 되면 핸드오버 절차가 1차적으로 완료되지만 핸드오버 이후 운용자 디스플레이를 위한 정보와 UAV 동작 명령, UAV 이동에 따른 상태 정보를 요청/수신하여 UAV가 CS2의 제어 하에 완전히 정상적으로 제어되는지 확인하는절차를 거친다[10][11]. 하지만 직접적으로 구현할 경우 제시된 메시지 구현 외에도, 운용과 안전성 측면에서 표준작동절차(SOP)를 따라야 하거나, UAV 개발 특성에 따라 추가적으로 구현이 고려되어야 하는 부분들은 따로 정의되지 않았고 이에 대해 UAV 안전성 관점에서의 핸드오버 요구사항을 본 논문에서 제안하였다.

가설 설정

Table 1의 428건에 대한 위험요소를 분석하여 FIg. 4와 같이 2 개의 데이터링크가 존재하는 상황에서 UAV가 MBB (Make Before Break) 방식으로 CS1에서 CS2로 핸드오버를 수행한다고 가정하고, 핸드오버의 안전성과 직접적으로 연관이 있는 위험요소 92건을 도출하였다. 이러한 위험요소를 제거하고 UAV 운용의 최우선 고려 사항인 안전성을 만족할 수 있는 핸드오버 요구사항을 Table 2와 같이 최종 도출하여 제안한다.

제안 방법

3과 같다. UAV에 탑재된 VDT를 통하여 통제 장비와 통신하며 UAV를 제어하는데, 통제 장비의 핵심 요소인 UCS를 VSM과 CUCS로 구분 지어 표준화 하였다. 서로 다른 공급자로부터 개발되는 다양한 UAV의 상호운용성을 확보하기 위해 공통적으로 이종의 UAV 간에 적용 할 수 있는 부분과(CUCS), 기종별로 각각 다른 기능을 제공해야 하는 부분(VSM)을 분리하여 제시하고 있다.
UAV는 원격으로 제어를 수행하기 때문에 비행의 안전도가 가장 중요하며, UAV의 핸드오버 수행 시 제어권의 명확한 확보와 핸드오버 중 제어권 손실 시 UAV의 안전성을 보장하는 것이 가장 중요한 요소이다. 따라서 본 논문에서는 ARP 4761의 항공기에 대한 안전도 평가 수행지침을 바탕으로 분석한 UAV 운용 시 발생할 수 있는 위험요소 428건 중 핸드오버 수행 시 발생할 수 있는 위험 요소를 92건 식별하였고, 이러한 위험요소를 제거 및 방지 할 수 있는 안전성 기반의 UAV 핸드오버 요구사항을 도출하여 제안하였다. 제안된 UAV 핸드오버 요구사항은 기존의 STANAG 4586에서 제시하는 핸드오버 기본 필수 절차를 포함하고, 핸드오버 과정에서 발생할 수 있는 위험요소를 제거할 수 있도록 도출되었음을 Table 3으로 비교 분석하여 검증하였다.
4와 같이 2 개의 데이터링크가 존재하는 상황에서 UAV가 MBB (Make Before Break) 방식으로 CS1에서 CS2로 핸드오버를 수행한다고 가정하고, 핸드오버의 안전성과 직접적으로 연관이 있는 위험요소 92건을 도출하였다. 이러한 위험요소를 제거하고 UAV 운용의 최우선 고려 사항인 안전성을 만족할 수 있는 핸드오버 요구사항을 Table 2와 같이 최종 도출하여 제안한다.
또한 미래전에서는 유인기와 무인기의 협업이 강조되어, 유인기의 통제 아래 무인기를 제어하며 임무를 수행하고, 상황에 따라 무인기를 다른 유인기와 연동하거나 또 다른 통제 장비에 연동하여 임수를 수행하는 경우도 발생 할 수 있다. 이와 같은 경우를 고려하여 본 논문에서는 무인기 통제장비를 GCS로 한정 짓지 않고, 육해공 어디에서나 통제할 수 있는 관점의 CS (Control System : 통제장비)로 기술한다.
Table 2는 3가지 카테고리로 핸드오버 요구사항을 분류하였는데, 첫째는 핸드오버 과정 중에 UAV-CS간 제어 및 통신이 안전하고 신뢰성 있게 유지되어야 한다는 요구사항이고, 둘째는 핸드오버 과정 중에 장애 발생 시 원래의 CS로 복귀 가능해야 하며, 셋째로 핸드오버 취소 및 비상 착륙에 관한 요구사항이다. 제안하는 핸드오버 요구사항은 ARP 4761 표준에서 제시하는 UAV 안전성 검증을 위해 식별한 위험요소에서 핸드오버 안전성 검증을 위한 위험요소를 예방하고 제거할 수 있도록 도출 되었다.

데이터처리

따라서 본 논문에서는 ARP 4761의 항공기에 대한 안전도 평가 수행지침을 바탕으로 분석한 UAV 운용 시 발생할 수 있는 위험요소 428건 중 핸드오버 수행 시 발생할 수 있는 위험 요소를 92건 식별하였고, 이러한 위험요소를 제거 및 방지 할 수 있는 안전성 기반의 UAV 핸드오버 요구사항을 도출하여 제안하였다. 제안된 UAV 핸드오버 요구사항은 기존의 STANAG 4586에서 제시하는 핸드오버 기본 필수 절차를 포함하고, 핸드오버 과정에서 발생할 수 있는 위험요소를 제거할 수 있도록 도출되었음을 Table 3으로 비교 분석하여 검증하였다. 제시된 UAV 핸드오버 요구사항은 기존 STANAG 4586 인터페이스에서 제시한 핸드오버 구현 절차를 보완하여 개발자마다 상이할 수 있는 부분을 공통화 시키고, 안전한 UAV를 개발 하는 가이드라인으로 사용될 수 있다.

성능/효과

특히 STANAG 4586의 경우 핸드오버 장애 시, 제어권을 원래의 CS로 회수 가능한 시점이 제한되기 때문에 제안하는 요구사항에서는 CS2가 명확하게 제어권을 확보하기 전까지 CS1으로 회수 가능해야 하는 점을 강조하였고, 데이터링크의 손실 또는 UAV-CS간 정보 이동이 원활하지 않을 경우 즉시 비상착륙 해야 하는 점을 핸드오버 절차에 삽입할 수 있도록 하여 무인기 개발 시, 핸드오버 안전성 향상을 기대할 수 있다. ARP 4761을 바탕으로 안전성 분석을 통해 무인기 핸드오버 시 발생할 수 있는 위험요소를 식별하고, 이를 사전에 방지하거나 제거할 수 있는 무인기 핸드오버 요구사항을 도출하여 기존에 무인기 제어 표준화 인터페이스인 STANAG 4586의 핸드오버 절차와 비교한 Table 3의 결과에 따라 본 논문에서 제시한 핸드오버 요구사항이 STANAG 4586의 핸드오버 기본 절차를 포함하고 ARP 4761 기반의 안전성을 확보 하고 있음을 확인할 수 있다.
본 논문에서는 군사적인 관점에서 무인기 통제장비의 상호운용성 확보에 가장 중요한 핸드오버 구현을 위한 요구사항을 도출하여 제안한다. 제안하는 핸드오버 요구사항은 항공시스템 및 장비의 안전성 평가 기준인 ARP 4761(Aerospace Recommended Practice)를 바탕으로 핸드오버 수행에 고려되어야 하는 위험요소를 방지 하여 안전성 확보가 가능한 기준으로 도출하였으며, 도출된 핸드오버 요구사항을 STANAG 4586의 핸드오버 인터페이스와 비교 분석하여 안전성을 검증하였다. STANAG 4586에서 제시하는 ICD(Interface Control Document)는 상호운용성 확보를 위한 기본적인 인터페이스이고, 이를 포함하면서 안전성 측면에서 구현방식에 따라 달라질 수 있는 핸드오버 요구사항을 제시한다.
기본적으로 UAV 핸드오버를 위해 CUCS 인증 요청 및 UAV 상태 정보 전송, 데이터링크 확보, 핸드오버를 통한 제어권 이동 과정 모두를 요구사항이 포함하고 있고, STANAG 4586에서 제시하는 핸드오버 절차 외, 안전성과 신뢰성 측면에서의 추가 요구사항들은 UAV의 표준동작절차(SOP) 준용 또는 CS 구현 선택사항으로 구분하여 표기하였다. 특히 STANAG 4586의 경우 핸드오버 장애 시, 제어권을 원래의 CS로 회수 가능한 시점이 제한되기 때문에 제안하는 요구사항에서는 CS2가 명확하게 제어권을 확보하기 전까지 CS1으로 회수 가능해야 하는 점을 강조하였고, 데이터링크의 손실 또는 UAV-CS간 정보 이동이 원활하지 않을 경우 즉시 비상착륙 해야 하는 점을 핸드오버 절차에 삽입할 수 있도록 하여 무인기 개발 시, 핸드오버 안전성 향상을 기대할 수 있다. ARP 4761을 바탕으로 안전성 분석을 통해 무인기 핸드오버 시 발생할 수 있는 위험요소를 식별하고, 이를 사전에 방지하거나 제거할 수 있는 무인기 핸드오버 요구사항을 도출하여 기존에 무인기 제어 표준화 인터페이스인 STANAG 4586의 핸드오버 절차와 비교한 Table 3의 결과에 따라 본 논문에서 제시한 핸드오버 요구사항이 STANAG 4586의 핸드오버 기본 절차를 포함하고 ARP 4761 기반의 안전성을 확보 하고 있음을 확인할 수 있다.

후속연구

제시된 UAV 핸드오버 요구사항은 기존 STANAG 4586 인터페이스에서 제시한 핸드오버 구현 절차를 보완하여 개발자마다 상이할 수 있는 부분을 공통화 시키고, 안전한 UAV를 개발 하는 가이드라인으로 사용될 수 있다. 또한 본 논문에서 제시한 UAV 핸드오버 요구사항 도출 방식을 향후 유무인기 협업 환경 및 다수의 UAV 동시 제어 등 더 복잡하고 다양한 UAV 운용 환경에서 안전성이 확보된 핸드오버 요구사항을 도출하는 연구를 수행하는데 적용 할 수 있다.
제안된 UAV 핸드오버 요구사항은 기존의 STANAG 4586에서 제시하는 핸드오버 기본 필수 절차를 포함하고, 핸드오버 과정에서 발생할 수 있는 위험요소를 제거할 수 있도록 도출되었음을 Table 3으로 비교 분석하여 검증하였다. 제시된 UAV 핸드오버 요구사항은 기존 STANAG 4586 인터페이스에서 제시한 핸드오버 구현 절차를 보완하여 개발자마다 상이할 수 있는 부분을 공통화 시키고, 안전한 UAV를 개발 하는 가이드라인으로 사용될 수 있다. 또한 본 논문에서 제시한 UAV 핸드오버 요구사항 도출 방식을 향후 유무인기 협업 환경 및 다수의 UAV 동시 제어 등 더 복잡하고 다양한 UAV 운용 환경에서 안전성이 확보된 핸드오버 요구사항을 도출하는 연구를 수행하는데 적용 할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	UAV를 운용하는데 있어서 가장 우선적으로 고려해야하는 점은?	UAV를 운용하는데 있어서 가장 우선적으로 고려해야 하는점은 UAV의 안전한 통제다. 조종사가 직접 탑재하지 않고 통제장비를 통하여 원격으로 제어하기 때문에 UAV의 상태 정보 및 운용자의 명령이 신뢰성 있는 데이터링크를 통해 안전하게 송수신 되어야 한다.
	무인기 시스템 이란?	기존의 항공시스템은 조종사가 항공기에 탑승하여 지상 관제소와 통신하며 항공기를 직접 조종하는 유인기 시스템이 대부분이었으나, 최근에는 조종사가 직접 탑승하지 않고 지상통제장비 등을 통하여 비행체를 조종하는 무인기(UAV : Unmanned Aerial Vehicle) 시스템이 활발하게 개발되고 있다. 산불과 같은 자연 재해 및 해안 감시, 교통 통제 등을 비롯하여 택배시스템과 같은 물류, 방송 등 다양한 민간 분야에서도 무인기는 지속적으로 발전, 응용되고 있다.
	UAV의 수요가 점점 증가하는 이유는 무엇인가?	산불과 같은 자연 재해 및 해안 감시, 교통 통제 등을 비롯하여 택배시스템과 같은 물류, 방송 등 다양한 민간 분야에서도 무인기는 지속적으로 발전, 응용되고 있다. 또한 무인기를 군사적으로 활용할 경우 전시 상황에서 인명피해 없이 작전 임무를 수행할 수 있고, 미래전의 핵심인 실시간 전투 정보를 공유할 수 있는 네트워크 중심전(NCW : Network Centric Warfare)에서도 무인기를 활용한 감시 정찰 및 정보 수집뿐만 아니라 직접 타격 임무까지 수행이 가능하여 그 수요가 점점 증가 하고 있다. [1][2].

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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