[논문]무인항공기의 생존성을 고려한 감시정찰 임무 경로 계획

배민지

doi:10.5762/kais.2019.20.7.211

무인항공기의 생존성을 고려한 감시정찰 임무 경로 계획
UAV Path Planning for ISR Mission and Survivability 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.20 no.7, 2019년, pp.211 - 217

배민지 (국방과학연구소 제1기술본부)

초록
AI-Helper

고도화되는 전장 환경에서 적진의 정보는 군사 작전을 수행하는 데 있어 중요한 요소이다. 적진의 정보를 획득하기 위한 감시정찰을 목적으로 아군의 인력 손실이 없고 저 비용으로 임무에 투입이 가능한 무인항공기(UAV; Unmanned Aerial Vehicle, 이하 무인기) 운용이 늘어나고 있다. 무인기 임무 수행 환경은 대공위협이 존재하므로 무인기가 격추되지 않고 생존성을 보장할 수 있는 임무공간이 필요하다. 임무공간을 정의하기 위해서는 형상공간(Configuration Space) 개념을 활용하며, 적진의 대공방호영역 및 무인기가 탐지할 수 있는 범위를 고려한다. 무인기는 적진의 정보를 획득하기 위해 임무에 주어진 모든 영역을 방문해야 하며, 이를 위해 커버리지 경로 계획(Coverage Path Planning)을 수행한다. 무인기에 대한 위협 및 획득할 정보의 중요도를 바탕으로 무인기가 우선적으로 방문해야 할 영역을 정의하며, 격자지도를 생성하고 각 격자에 위협 정보를 매핑하여 경로 계획에 활용한다. 본 연구에서는 격자지도에 표시된 위협정보를 바탕으로 커버리지 조건 및 경로 계획 절차를 제시하며, 탐지 효율 향상을 위해 임무공간을 확장한다. 끝으로 본 연구에서 제시한 무인기 경로계획 방법에 대한 시뮬레이션을 수행하고, 관련된 결과를 제시한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In an complicated battlefield environment, information from enemy's camp is an important factor in carrying out military operations. For obtaining this information, the number of UAVs that can be deployed to the mission without our forces' loss and at low cost is increasing. Because the mission environment has anti-aircraft weapons, mission space is needed for UAV to guarantee survivability without being killed. The concept of Configuration Space is used to define the mission space considering with range of weapons and detect range of UAV. UAV must visit whole given area to obtain the information and perform Coverage Path Planning for this. Based on threats to UAV and importance of information that will be obtained, area that UAV should visit first is defined. Grid Map is generated and mapping threat information to each grid for UAV path planning. On this study, coverage conditions and path planning procedures are presented based on the threat information on Grid Map, and mission space is expanded to improve detection efficiency. Finally, simulations are performed, and results are presented using the suggested UAV path planning method in this study.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Real Space
그림 Fig. 2. Mission Space
그림 Fig. 3. Detect Range on Grid Map
그림 Fig. 4. Extension of Mission Space
표 Table 1. Given Parameter for Simulation
표 Table 2. Calculated Parameter on Simulation
표 Table 3. Number of Grid on Each Space and Threat Information
그림 Fig. 5. Simulation Steps
그림 Fig. 6. Simulation Result
표 Table 4. Percentage of Coverage Completion
표 Table 5. Percentage of Coverage Completion Before Extension of M

AI 본문요약
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문제 정의

무인기의 비행 성능, 탑재된 센서 및 장비의 운용 제한 거리 또는 날씨의 영향 등으로 무인기가 적진의 대공무기 사거리 보다 낮게 운용될 경우 대공위협을 회피하기 위한 방법이 모색되어야하며, 무인기가 적진의 대공무기 사거리 보다 높게 운용될 경우는 고려하지 않는다. 또한, 무인기가 임무를 수행함에 있어 위협과 정보의 중요도에 따라 탐지 우선순위를 설정하는 방안을 제시하고자 한다.
무인기의 경우 지상에서 운용되는 이동로봇에 비해 물리적인 장애물이 존재하지 않으므로 경로 계획이 비교적 자유롭다. 반면에 이동 로봇에 대한 연구는 출발점으로부터 도착점까지 경로상의 장애물을 회피하여 이동함을 목적으로 한다. 이러한 목적으로 사용되는 개념 중 하나가 현상공간(Configuration Space or C-space)의 개념 이다[10].
본 연구에서는 무인기의 감시정찰 임무를 수행함에 있어 생존성을 고려한 경로계획 방법을 제시하였으며, 이에 따라 시뮬레이션 결과를 제시하였다. 이로써, 제시한 무인기의 경로 계획 방법을 활용하면 대공위협이 존재하는 영역에서 생존성을 보장한 감시임무 정찰 임무의 완수가 가능하며, 위협정보를 바탕으로 필요 영역에 대해 우선적 탐지가 가능하다.
최근 인공위성 기술의 발달로 인공위성으로 수집된 영상정보 등을 이용하여 지형지물의 파악이 가능하다. 본 연구에서는 이를 기반으로 대공위협을 식별하여 무인기가 대공무기 사거리 보다 낮게 운용되는 경우 대공위협을 회피하는 생존성을 고려한 임무 경로계획을 수행하고자 한다.
주어진 영역에 대한 위협에 따라 커버리지가 수행되는 순위를 결정하기 위해 격자지도 생성 및 위협정보를 매핑하고자 한다.

가설 설정

3) 준위협영역을 포함하는 사각형 영역 내부의 커버되지 않는 격자를 커버한다.
4) 무인기는 커버리지를 위해 지그재그로 움직인다.
4) 커버되지 않은 준위협영역에 대해 위협순위가 높고 가장 가까운 격자로 이동한다.
감시정찰 임무는 적진 환경에서 수행되는 특성에 따라 무인기의 생존성이 중요하게 고려되어야 한다. 본 연구에서 무인기는 일정 고도에서 운용한다고 가정한다. 무인기의 비행 성능, 탑재된 센서 및 장비의 운용 제한 거리 또는 날씨의 영향 등으로 무인기가 적진의 대공무기 사거리 보다 낮게 운용될 경우 대공위협을 회피하기 위한 방법이 모색되어야하며, 무인기가 적진의 대공무기 사거리 보다 높게 운용될 경우는 고려하지 않는다.
본 연구에서는 적진의 대공방호영역(대공무기 사거리 영역)으로 진입하는 모든 항공기는 격추된다고 가정하며, 이러한 위협을 회피하여 무인기가 운용될 수 있는 공간 을 정의한다. 또한, 무인기는 임무를 수행하기 위해 주어진 공간의 모든 곳을 방문해야 하며, 이는 커버리지 경로를 결정하는 문제로 다루어 질 수 있다.

제안 방법

커버리지 경로를 계획함에 있어서, 위협을 고려하여 커버리지 우선순위를 정하기 위해 격자지도를 생성하고 각 격자에 위협정보를 매핑하여 활용한다. 마지막으로 제시한 방법으로 주어진 영역에 대해 무인기 경로 계획에 대한 시뮬레이션을 수행하고 결과를 나타내고자 한다.
이 방법에서 영역을 나누는 이유는 주어진 영역의 복잡성을 낮추어 단순한 움직임으로 커버리지를 완료하기 위함이다. 본 연구에서는 추가적으로 영역을 나누는 절차를 거치지 않고 단순한 지그재그 방법으로 커버리지를 완수 할 수 있도록 영역을 단순화하여 커버리지를 수행한다. 준위협영역에 대한 커버리지를 마친 뒤, 이 영역을 포함하는 최소 크기의 사각형 영역 내부의 커버리지를 먼저 수행하여 나머지 저위협영역의 형상을 단순화시킨다.
4에 음영으로 표시된 격자까지만 커버가 가능하며 이는 전체적인 커버리지 효율을 저하시킨다. 이러한 문제를 해결하기 위해 외곽 격 자에 위협정보가 매핑될 수 있도록 M을 최소로 확장하여 수정한다. 외곽 경계로부터 r/# 만큼 떨어진 일점 쇄선으로 M을 확장하면 외곽에 위치한 격자 중심이 M_free에 포함되며, 무인기는 B와 같이 외곽의 격자를 커버할 수 있다.

성능/효과

1) 시작점에서 다수 준위협영역에 대해 위협순위가 높고 가장 가까운 격자로 이동한다.
2) 무인기는 위협정보가 존재하는 격자의 중심을 지나가며, 방문한 격자의 영역을 커버한다.
6) 무인기가 커버리지를 수행하지 않고 이동하는 경우, 격자와 상관없이 최단거리로 이동한다.
따라서 임무공간 확장에 따른 효용성을 확인 할 수 있다. 또한, 적진의 대공방호영역으로 진입하지 않으므로 무인기의 생존성을 보장하였으며, 준위협영역을 먼저 커버함으로서 중요한 정보를 우선적으로 확보가 가능하다. 마지막으로 단순한 커버리지를 위해 추가적 영역을 먼저 커버함으로서 저위협영역에 대한 커버리지 경로가 간단히 이루어졌음을 확인할 수 있다.
또한, 적진의 대공방호영역으로 진입하지 않으므로 무인기의 생존성을 보장하였으며, 준위협영역을 먼저 커버함으로서 중요한 정보를 우선적으로 확보가 가능하다. 마지막으로 단순한 커버리지를 위해 추가적 영역을 먼저 커버함으로서 저위협영역에 대한 커버리지 경로가 간단히 이루어졌음을 확인할 수 있다.
본 연구에서는 무인기의 감시정찰 임무를 수행함에 있어 생존성을 고려한 경로계획 방법을 제시하였으며, 이에 따라 시뮬레이션 결과를 제시하였다. 이로써, 제시한 무인기의 경로 계획 방법을 활용하면 대공위협이 존재하는 영역에서 생존성을 보장한 감시임무 정찰 임무의 완수가 가능하며, 위협정보를 바탕으로 필요 영역에 대해 우선적 탐지가 가능하다. 한편, 격자지도를 활용한 방법으로 인해 원형의 MT 경계를 커버하는 데 한계가 있으며, 이를 위한 추가 연구가 필요하다.
6과 같다. 표와 그림에서 알 수 있듯이 M_free의 격자에 대한 커버리지 완료율은 100 %이므로 무인기가 운용될 수 있는 모든 영역에 대해 커버리지를 완수하였다. 여기에서 MT에 해당하는 48개의 격자는 생존성을 위하여 커버하지 않으나, 이 영역을 포함하여 커버리지 완료율을 나타내면 88 %이다.

후속연구

한편, 격자지도를 활용한 방법으로 인해 원형의 MT 경계를 커버하는 데 한계가 있으며, 이를 위한 추가 연구가 필요하다. 또한, 임무 영역의 외곽형태가 사각형보다 복잡한 영역에 대한 추가 연구가 필요하다.
이로써, 제시한 무인기의 경로 계획 방법을 활용하면 대공위협이 존재하는 영역에서 생존성을 보장한 감시임무 정찰 임무의 완수가 가능하며, 위협정보를 바탕으로 필요 영역에 대해 우선적 탐지가 가능하다. 한편, 격자지도를 활용한 방법으로 인해 원형의 MT 경계를 커버하는 데 한계가 있으며, 이를 위한 추가 연구가 필요하다. 또한, 임무 영역의 외곽형태가 사각형보다 복잡한 영역에 대한 추가 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무인기가 임무를 수행하기 위한 커버리지에 필요한 조건은?	1) 무인기는 Mfree에서 운용한다. 2) 무인기는 위협정보가 존재하는 격자의 중심을 지나가며, 방문한 격자의 영역을 커버한다. 3) 위협순위가 높은 격자를 먼저 커버한다. 4) 무인기는 커버리지를 위해 지그재그로 움직인다. 5) 무인기는 격자 중심에서 인접한 8방향의 격자로 한 칸씩 이동한다. 6) 무인기가 커버리지를 수행하지 않고 이동하는 경우, 격자와 상관없이 최단거리로 이동한다.
	커버리지 경로를 계획함에 있어 가장 고전적이고 널리 쓰이는 방법인 셀 분해 방법이란?	커버리지 경로를 계획함에 있어 가장 고전적이고 널리 쓰이는 방법은 셀 분해 방법(Cellular Decomposition Method)[11]으로 주어진 영역을 단순한 다수의 영역으로 나눈 뒤, 각 영역을 단순한 움직임으로 커버하고 커버 되지 않은 다른 영역으로 이동하여 커버하는 절차를 반복하여 주어진 전체 영역의 커버리지를 완료하는 방법이다. 이 방법에서 영역을 나누는 이유는 주어진 영역의 복잡성을 낮추어 단순한 움직임으로 커버리지를 완료하기 위함이다.
	실제 감시정찰 임무를 수행할 적진 환경에서 무인기를 운행하기 위해 커버리지 경로계획 연구가 필요한 이유는?	상기의 연구[5-8]는 커버리지 영역 내부의 운용 불가 지역을 고려하지 않았다. 실제 감시정찰 임무를 수행할 적진 환경에서는 대공위협이 존재할 확률이 매우 높으므로 대공위협이 존재하는 영역에서는 운용이 불가하며, 운용 불가 지역을 포함하는 무인기의 커버리지 경로계획 연구가 필요하다. 항공기의 생존성은 인위적인 적대적 환경에서 항공기가 피하거나 견뎌내는 능력으로 정의된다 [9].

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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