[논문]무인항공기 체계 연동검증을 위한 시험환경 및 검증절차에 관한 연구

조선미

doi:10.20910/jase.2019.13.3.40

무인항공기 체계 연동검증을 위한 시험환경 및 검증절차에 관한 연구
A Study on Test Environment and Process for Interface Verification of Unmanned Aerial Systems 원문보기

항공우주시스템공학회지 = Journal of aerospace system engineering, v.13 no.3, 2019년, pp.40 - 47

조선미 (국방과학연구소)

초록
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본 논문은 무인항공기 체계(UAS; unmanned aerial system)의 비행체 탑재장비 및 지상에서 운용하는 장비의 연동 검증을 위한 체계통합실험실(SIL; system integration laboratory) 및 체계통합시험(SIT; system integration test)의 환경 구축 및 이를 통한 검증방법에 대하여 다룬다. SIL 내 구축된 지상통제체계, 데이터링크체계, 비행체 탑재장비, 임무장비(EO/IR, SAR) 등과 같은 부체계간의 인터페이스 환경 및 모의 비행을 통한 체계 운용로직의 검증방법과 실험실 레벨에서의 검증이 완료된 각 부체계를 실제 시험 환경에서 검증하는 방법에 대해 기술한다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes the environment construction and test method of system integration laboratory (SIL) and system integration test (SIT) for verification of interface between onboard equipment and ground control equipment of unmanned aerial systems (UAS). This research also describes the interface environment between subsystems built in SIL and verification methods for the systems' operation logic through simulated flights. Similarly, the paper handles the ground integration test process of UAS in the real testing environments.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1 Interface Diagram of UAS
표 Table 1 Interface Messages
그림 Fig. 2 Diagram of System Integration Laboratory
그림 Fig. 3 Interface Verification Process of System Integration Laboratory(SIL)
표 Table 2 Results for Emergency Situation Logic Test
표 Table 3 Results for Abnormal Situation Logic Test
그림 Fig. 4 System Integration Test(SIT) Environment Configuration of UAS
그림 Fig. 5 Test Data Analysis System
그림 Fig. 6 Interface Verification Process of System Integration Test
그림 Fig. 7 Configuration Change Formats
그림 Fig. 8 Process of System Integration Laboratory and System Integration Test
표 Table 4 Classification and Handling Standard of System Problem
표 Table 5 Example of Test Results Analysis

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 무인항공기 체계의 기능, 연동 및 운용로직 검증을 위한 체계통합실험실(SIL) 및 체계통합 시험 환경 구축과 이를 통한 검증방법에 대해 기술하였다. SIL 환경을 통하여 지상통제체계, 데이터링크체계, 항공전자 SIL, 비행조종 HILS 및 임무장비를 연동하여 순차적으로 연동 검증을 수행하였으며, 실험실 레벨에서의 정상 운용로직 및 비정상/비상 상황 운용 로직 검증을 완료하였다.
본 논문에서는 무인항공기 체계의 연동 검증을 위한 시험 환경 구축 및 이를 통한 검증절차에 대하여 다룬다. 비행체 탑재장비 및 지상에서 운용되는 장비들의 연동 및 운용로직을 검증하기 위한 시험 환경은 실험실 환경에서 검증이 가능한 체계통합실험실(SIL; system integration laboratory)과 실(Real) 비행체와 실 지상통제체계를 사용하여 실제 환경에서 검증하는 체계통합시험(SIT; system integration test)으로 분류하였다.
비행체 탑재장비 및 지상에서 운용되는 장비들의 연동 및 운용로직을 검증하기 위한 시험 환경은 실험실 환경에서 검증이 가능한 체계통합실험실(SIL; system integration laboratory)과 실(Real) 비행체와 실 지상통제체계를 사용하여 실제 환경에서 검증하는 체계통합시험(SIT; system integration test)으로 분류하였다. 체계SIL 및 체계통합시험 수행을 위한 환경 구성, 체계SIL 환경을 통한 실험실 단계에서의 부체계간 연동 및 모의비행을 통한 체계 운용로직 검증 절차, 체계통합시험 환경을 통한 지상에서의 연동 검증 절차, 시험 수행 간 발생하는 부체계 장비의 하드웨어 및 소프트웨어 변경을 위한 형상통제방안, 시험결과분석 및 문제점 처리방안에 대해서 기술한다.

제안 방법

본 논문에서는 무인항공기 체계의 기능, 연동 및 운용로직 검증을 위한 체계통합실험실(SIL) 및 체계통합 시험 환경 구축과 이를 통한 검증방법에 대해 기술하였다. SIL 환경을 통하여 지상통제체계, 데이터링크체계, 항공전자 SIL, 비행조종 HILS 및 임무장비를 연동하여 순차적으로 연동 검증을 수행하였으며, 실험실 레벨에서의 정상 운용로직 및 비정상/비상 상황 운용 로직 검증을 완료하였다. SIL 검증을 완료한 후, 체계 통합시험을 통하여 실제 환경에서의 실장비간의 연동 검증을 수행하였다.
지상통제체계 자체 운용점검 및 지상통제체계를 구성하는 각 장비의 기능시험을 수행하여 지상통제체계 구성장비의 정상 운용을 확인하였다. 기능 검증이 완료된 지상통제체계와 데이터링크체계의 안테나 장비를 제외한 실장비 연동을 통하여 데이터링크 지상부 및 탑재부 자기진단 기능 확인 및 연동설계 상 정의된 지상통제체계-데이터링크 간 통제명령 및 상태정보 메시지의 정상 송수신을 확인하였다. 앞서 검증을 완료한 부분을 기반으로 항공전자SIL 및 비행조종HILS와의 연동을 먼저 수행한 후, 임무장비(EO/IR, SAR) 연동을 수행하였다.
본 논문에서는 무인항공기 체계의 연동 검증을 위한 시험 환경 구축 및 이를 통한 검증절차에 대하여 다룬다. 비행체 탑재장비 및 지상에서 운용되는 장비들의 연동 및 운용로직을 검증하기 위한 시험 환경은 실험실 환경에서 검증이 가능한 체계통합실험실(SIL; system integration laboratory)과 실(Real) 비행체와 실 지상통제체계를 사용하여 실제 환경에서 검증하는 체계통합시험(SIT; system integration test)으로 분류하였다. 체계SIL 및 체계통합시험 수행을 위한 환경 구성, 체계SIL 환경을 통한 실험실 단계에서의 부체계간 연동 및 모의비행을 통한 체계 운용로직 검증 절차, 체계통합시험 환경을 통한 지상에서의 연동 검증 절차, 시험 수행 간 발생하는 부체계 장비의 하드웨어 및 소프트웨어 변경을 위한 형상통제방안, 시험결과분석 및 문제점 처리방안에 대해서 기술한다.
8과 같다. 설계문서를 기준으로 정상/비정상/비상 상황을 정의하여 체계SIL 및 체계통합계획서와 절차서를 작성하고 이를 기반으로 시험에 진입한다. 체계SIL시험을 통하여 정상 상황 외에 비정상/비상 상황을 모사하여 비행 중 발생할 수 있는 다양한 고장상황에 대한 로직 검증을 우선적으로 수행한다.
시험 수행 중 발생한 문제점의 해결을 위해 해당 장비의 소프트웨어 및 하드웨어에 대해 필요한 수정 및 보완 절차는 3.3절에서 언급한 형상통제 방안에 따라 실시하고, 해당 문제점과 관련된 항목에 대해서는 Table 4의 처리기준에 따라 체계SIL 및 체계통합시험 환경에서 재시험을 수행한다. Table 5는 시험 수행 후 시험 결과에 대한 분석의 예를 보여주며, 시험수행로그 및 문제점 현황 등의 내용을 포함하여 작성한다.
SIL 검증을 완료한 후, 체계 통합시험을 통하여 실제 환경에서의 실장비간의 연동 검증을 수행하였다. 시험수행 간에 변경되는 소프트웨어 및 하드웨어에 대한 적절한 형상통제 방안을 기술하였으며, 시험결과 분석을 통하여 결과 판정 및 문제점 처리방안을 제안하였다. 이를 통해 실 환경에서의 통합시험 및 비행시험에 대한 실패 위험성을 줄이고 무인항공기의 신뢰도를 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.
기능 검증이 완료된 지상통제체계와 데이터링크체계의 안테나 장비를 제외한 실장비 연동을 통하여 데이터링크 지상부 및 탑재부 자기진단 기능 확인 및 연동설계 상 정의된 지상통제체계-데이터링크 간 통제명령 및 상태정보 메시지의 정상 송수신을 확인하였다. 앞서 검증을 완료한 부분을 기반으로 항공전자SIL 및 비행조종HILS와의 연동을 먼저 수행한 후, 임무장비(EO/IR, SAR) 연동을 수행하였다. 이를 통하여 비행체 탑재장비와 임무장비(EO/IR, SAR)의 기능을 확인하였으며, 앞서 정의한 모든 연동 메시지가 정상적으로 송수신됨을 확인함으로써 부체계간 연동 검증 수행 시험을 완료하였다.
연동 검증을 완료한 지상통제체계, 데이터링크체계, 항공전자SIL, 비행조종HILS 및 임무장비를 기반으로 정상 상황에 대한 운용로직 검증 시험을 수행하였다. 항공전자SIL과 비행조종HILS를 활용하여 비행상황을 모의하였으며, 이륙모드에서부터 착륙모드까지 체계모드에 따라 정의된 비행조종방식이 정상적으로 전이됨을 확인하였다.
주어진 체계통합시험 환경을 기반으로 실 비행체와 실 지상통제체계의 기능 및 연동검증을 위하여 다양한 종류의 시험항목을 식별하였으며, 시험항목은 시험환경 점검시험, 지상통제체계 운용 점검시험, 데이터링크체계 연동 시험, 비행체 탑재장비(비행조종계통, 항공전자계통, 추진계통, 착륙유압계통, 연료계통 등) 연동 시험, EO/IR 및 SAR 연동 시험, 비행체 엔진 작동 시험, 정상 및 비정상 상황 체계 운용 로직 확인 시험 등으로 분류하였다. 이와 같이 분류한 시험항목들을 포함하여 Fig. 6의 절차를 통해 실 비행체와 실 지상 통제체계에 대한 기능 및 연동 검증을 수행하였다.
주어진 체계통합시험 환경을 기반으로 실 비행체와 실 지상통제체계의 기능 및 연동검증을 위하여 다양한 종류의 시험항목을 식별하였으며, 시험항목은 시험환경 점검시험, 지상통제체계 운용 점검시험, 데이터링크체계 연동 시험, 비행체 탑재장비(비행조종계통, 항공전자계통, 추진계통, 착륙유압계통, 연료계통 등) 연동 시험, EO/IR 및 SAR 연동 시험, 비행체 엔진 작동 시험, 정상 및 비정상 상황 체계 운용 로직 확인 시험 등으로 분류하였다. 이와 같이 분류한 시험항목들을 포함하여 Fig.
3과 같이 점진적으로 수행하였다. 지상통제체계 자체 운용점검 및 지상통제체계를 구성하는 각 장비의 기능시험을 수행하여 지상통제체계 구성장비의 정상 운용을 확인하였다. 기능 검증이 완료된 지상통제체계와 데이터링크체계의 안테나 장비를 제외한 실장비 연동을 통하여 데이터링크 지상부 및 탑재부 자기진단 기능 확인 및 연동설계 상 정의된 지상통제체계-데이터링크 간 통제명령 및 상태정보 메시지의 정상 송수신을 확인하였다.
설계문서를 기준으로 정상/비정상/비상 상황을 정의하여 체계SIL 및 체계통합계획서와 절차서를 작성하고 이를 기반으로 시험에 진입한다. 체계SIL시험을 통하여 정상 상황 외에 비정상/비상 상황을 모사하여 비행 중 발생할 수 있는 다양한 고장상황에 대한 로직 검증을 우선적으로 수행한다. 체계SIL 시험 수행이 완료되면 체계통합시험을 통하여 실제 환경에서 데이터링크 개설, 비행체 전원인가 및 엔진 시동 등과 같은 비행 전 지상점검절차를 수행한다.
탑재장비부분은 항공전자계통과 다른 부체계간의 인터페이스 검증을 위한 항공전자 SIL, 비행조종계통의 실장비와 모델을 이용한 비행 상황 모의 및 비행성능 검증을 위한 비행조종 HILS(hardware-in-the-loop simulation)를 기반으로 항공전자계통과 비행조종계통을 구성하며, 데이터링크체계 SIL의 탑재부를 유선으로 연결하여 구성한다. 이 부분에 EO/IR, SAR 실장비와 모의장치를 추가적으로 장착하여 연동함으로써 비행체 1대에 탑재되는 실장비와 동일한 기능을 제공한다.

데이터처리

SIL 환경을 통하여 지상통제체계, 데이터링크체계, 항공전자 SIL, 비행조종 HILS 및 임무장비를 연동하여 순차적으로 연동 검증을 수행하였으며, 실험실 레벨에서의 정상 운용로직 및 비정상/비상 상황 운용 로직 검증을 완료하였다. SIL 검증을 완료한 후, 체계 통합시험을 통하여 실제 환경에서의 실장비간의 연동 검증을 수행하였다. 시험수행 간에 변경되는 소프트웨어 및 하드웨어에 대한 적절한 형상통제 방안을 기술하였으며, 시험결과 분석을 통하여 결과 판정 및 문제점 처리방안을 제안하였다.
데이터링크 두절, 지상통제장비 고장, 주발전기 고장, 단일 조종면 고장 및 복합 고장 등으로 계속적인 임무수행이 불가능하여 조기 귀환 조치가 필요한 경우는 비정상 상황으로 식별하였다. SIL 환경에서 해당 고장 상황을 모의하여 각각의 경우에 대한 대처 로직 검증을 수행하 였으며, Table 2 및 Table 3와 같이 검증시험 수행 결과 설계내용과 결과가 동일함을 확인하였다.

성능/효과

항공전자SIL과 비행조종HILS를 활용하여 비행상황을 모의하였으며, 이륙모드에서부터 착륙모드까지 체계모드에 따라 정의된 비행조종방식이 정상적으로 전이됨을 확인하였다. 각 단계별로 요구된 기능을 확인함으로써 정상 상황에서의 체계 운용로직 및 기능 검증을 완료하였다.
앞서 검증을 완료한 부분을 기반으로 항공전자SIL 및 비행조종HILS와의 연동을 먼저 수행한 후, 임무장비(EO/IR, SAR) 연동을 수행하였다. 이를 통하여 비행체 탑재장비와 임무장비(EO/IR, SAR)의 기능을 확인하였으며, 앞서 정의한 모든 연동 메시지가 정상적으로 송수신됨을 확인함으로써 부체계간 연동 검증 수행 시험을 완료하였다.
시험수행 간에 변경되는 소프트웨어 및 하드웨어에 대한 적절한 형상통제 방안을 기술하였으며, 시험결과 분석을 통하여 결과 판정 및 문제점 처리방안을 제안하였다. 이를 통해 실 환경에서의 통합시험 및 비행시험에 대한 실패 위험성을 줄이고 무인항공기의 신뢰도를 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.
체계 SIL 및 체계통합시험의 전체적인 진행절차는 동일하며, 시험 환경 점검, 시험 수행, 시험 결과 분석, 문제점 식별, 문제점 보고서 작성, 문제점 수정 및 보완, 재시험, 결과보고서 작성 등의 절차로 이루어진다. 체계SIL 및 체계통합시험 결과에 대한 판정은 시험수행로그에 따라 수행하여 획득한 시험 결과와 체계설계 내용을 기반으로 작성한 시험 예상 결과가 일치하면 해당 시험단계는 요구사항에 충족된 것으로 판정한다. 시험수행로그에 따라 요구사항이 충족된 시험단계는 ‘P’(Pass), 미충족된 시험단계는 ‘F’(Fail)로 표시한다.
연동 검증을 완료한 지상통제체계, 데이터링크체계, 항공전자SIL, 비행조종HILS 및 임무장비를 기반으로 정상 상황에 대한 운용로직 검증 시험을 수행하였다. 항공전자SIL과 비행조종HILS를 활용하여 비행상황을 모의하였으며, 이륙모드에서부터 착륙모드까지 체계모드에 따라 정의된 비행조종방식이 정상적으로 전이됨을 확인하였다. 각 단계별로 요구된 기능을 확인함으로써 정상 상황에서의 체계 운용로직 및 기능 검증을 완료하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 실험에서 장비들의 연동 및 운용로직을 검증하기 위한 시험 환경을 어떻게 분류했는가?	본 논문에서는 무인항공기 체계의 연동 검증을 위한 시험 환경 구축 및 이를 통한 검증절차에 대하여 다룬다. 비행체 탑재장비 및 지상에서 운용되는 장비들의 연동 및 운용로직을 검증하기 위한 시험 환경은 실험실 환경에서 검증이 가능한 체계통합실험실(SIL; system integration laboratory)과 실(Real) 비행체와 실 지상통제체계를 사용하여 실제 환경에서 검증하는 체계통합시험(SIT; system integration test)으로 분류하였다. 체계SIL 및 체계통합시험 수행을 위한 환경 구성, 체계SIL 환경을 통한 실험실 단계에서의 부체계간 연동 및 모의비행을 통한 체계 운용로직 검증 절차, 체계통합시험 환경을 통한 지상에서의 연동 검증 절차, 시험 수행 간 발생하는 부체계 장비의 하드웨어 및 소프트웨어 변경을 위한 형상통제방안, 시험결과분석 및 문제점 처리방안에 대해서 기술한다.
	본문에서 설명하는 장비에 대한 하드웨어 및 소프트웨어 형상관리를 위한 방법은?	먼저 각 계통 및 부체계 장비를 장탈착하거나 물리적인 변경과 같은 하드웨어 형상통제의 경우는 일련번호(S/N: Serial Number) 및 변경사항을 기재한 변경 요구서와 작업의뢰서를 바탕으로 장비의 장탈착 현황 및 변경사항을 종합적으로 관리한다.
	무인항공기 체계 구성은?	무인항공기 체계는 비행체(AVS), 지상통제체계(GCS), 데이터링크체계(DLS) 및 임무장비(MPS)로 구성된다. 탑재장비는 비행체의 항법 및 유도, 추진, 연료, 착륙, 유압 등의 비행필수 계통장비들을 통제/관리하는 비행 조종컴퓨터(flight control computer), EO/IR 및 SAR 와 같은 임무장비 및 무전기, 카메라, 방빙 계통 등을 통제/관리하는 통합임무관리컴퓨터(integrated management computer)로 분류된다.

참고문헌 (6)

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S. M. Cho, D. W. Yoo, J. I. Shim, H. S. Ha, "Environment design and verification test method of system integration lab for UAS", 2018 KIMST Conference, pp.2153-2154, June. 2018
D. W. Yoo, S. M. Cho, H. S. Ha, K. M. Cho, "System integration test environment setup and testing method for interface verification of unmanned aerial systems", 2018 KIMST Conference, pp.2155-2156, June. 2018

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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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