[논문]UAS 상호운용성 향상을 위한 STANAG 4586과 MAVLink 프로토콜 비교분석 및 개선방안 연구

남경래; 고정환; 권철희; 정소영

doi:10.9766/kimst.2020.23.6.618

UAS 상호운용성 향상을 위한 STANAG 4586과 MAVLink 프로토콜 비교분석 및 개선방안 연구
A Study on the Analysis and Improvement of STANAG 4586 / MAVLink Protocol for Interoperability Improvement of UAS 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.23 no.6, 2020년, pp.618 - 638

남경래 (LIG넥스원(주) 항공전자연구소) , 고정환 (LIG넥스원(주) 항공전자연구소) , 권철희 (LIG넥스원(주) 항공전자연구소) , 정소영 (국방과학연구소 항공기술연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

An unmanned aerial vehicle(UAV) refers to an aircraft that has all or part of its functions to autonomously fly by grasping the surrounding environment by remote control on the ground without a pilot on board. With the development of unmanned aerial technology, civil/military forces are developing unmanned aerial vehicles for various purposes. In order to control unmanned aerial vehicles from the ground, communication protocols between unmanned aerial vehicles and ground control equipment are required, and civil/military forces have developed and used a photocall for different purposes. In this study, the characteristics of the MAVLink protocol used in the private sector and the STANAG 4586 protocol used in the military are compared/analyzed in detail to find elements to complement each other and to draw improvement measures for protocol unification.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

STANAG 4586과 MAVLink 프로토콜의 상세 메시지 분석 결과 아래 표와 같이 41개의 항목을 비교/분석하여 항목별로 개선사항을 도출하였으며, 본 연구에서는 특히 두 프로토콜에서 발견되지 않는 곡선형 비행경로 계획에 대한 개선사항을 상세히 연구하였다.
본 연구내용은 국/내외 어떤 논문에서도 프로토콜 전체 내용을 대상으로 상세 비교연구를 수행한 적이 없었기에 민/군 무인항공기 상호운용성을 향상시키기 위한 최초의 연구이다.
본 연구에서는 민/군에서 활발히 연구되고 있는 무인기 연동 프로토콜의 특징을 비교/분석하여 상호 보완할 요소 및 개선점을 도출하여 프로토콜 단일화 가능성을 검토하고 무인기간 상호운용성을 증대시킬 개선방안을 도출하고자 한다.

제안 방법

STANAG 4586과 MAVLink의 각 프로토콜에서 포함하는 모든 메시지의 상세 분석 결과를 토대로 약 40여 가지 기준으로 메시지를 분류하여 비교/분석 하였다.
아주 짧은 구간의 직선형 항로점을 이어붙이는 방법으로 곡선형 비행계획을 수립 할 수 있으나 이러한 비행경로 계획은 정확한 곡선을 표현하지 못할 뿐 아니라 비행계획 업로드를 위해 많은 데이터가 낭비되었다. STANAG 4586의 이러한 비행경로 계획의 문제점을 해결하기 위해 비행경로계획에 사용되는 Generic Message에 곡선형 비행경로 계획을 위해 필요한 Private Msg를 추가하여 곡선형 비행경로를 작성하는 방안에 대해 제안한다.
STANAG 4586표준과 MAVLink 프로토콜의 모든 특징을 분석/분류하여 두 프로토콜의 상호 보완적인 요소를 식별하고 중요한 개념에 대해서는 추가적인 설계를 진행하였다. 또한 두 프로토콜에서 공통적으로 발견되는 비행경로 계획의 개선사항을 식별하여 곡선형 비행경로계획을 추가하는 방안에 대해 제안하였다.
또한 두 프로토콜에서 공통적으로 발견되는 비행경로 계획의 개선사항을 식별하여 곡선형 비행경로계획을 추가하는 방안에 대해 제안하였다. 곡선을 표현하기 위해 필요한 추가적인 메시지를 정의함에 있어 최소한의 데이터 추가만으로 운용자가 원하는 완벽한 형태의 곡선형 비행경로를 추가하는 방안을 제안하였고, 실제 프로그램 구현을 통해 입증하였다. 무인 이동체를 통제하기 위해 다양한 프로토콜이 개발되고 있는 현 시점에서 프로토콜 간의 차이점을 식별하여 상호 보완적인 요소를 찾아 보완 설계를 진행하고 프로토콜을 업데이트 한다면 결국 상호 운용이 가능한 단일화된 프로토콜을 개발하는 초석이 될 것이라 생각한다.
따라서 각 업체별로 개발한 무인기-지상통제장비만 연동이 가능하였으며, 아래 그림과 같이 여러 종류의 무인기를 운용하기 위해서는 동일한 수만큼의 지상통제장비가 요구되는 “stove-pipe” 형태의 설계가 주를 이루었다.
소형무인기에는 다양한 현실적인 이유로 인해(파워 부족, 공간제약, 무게제약 등) 컴퓨팅 자원이 부족하기 때문에 비행 및 임무수행에 대부분의 컴퓨팅 자원을 투입하게 된다. 따라서 상대적으로 통신을 위한 연산은 최소화 되어야 하므로 단순한 패킷 구조를 가지도록 설계되었다. MAVLink 오픈소스 프로젝트 참여자들은 프로그래밍을 위한 각종 헤더 및 관련 코드를 자동으로 생성해 주는 툴을 무료로 배포하고 있기 때문에 툴을 사용하여 손쉽게 개발이 가능한 장점을 가지고 있다.
STANAG 4586표준과 MAVLink 프로토콜의 모든 특징을 분석/분류하여 두 프로토콜의 상호 보완적인 요소를 식별하고 중요한 개념에 대해서는 추가적인 설계를 진행하였다. 또한 두 프로토콜에서 공통적으로 발견되는 비행경로 계획의 개선사항을 식별하여 곡선형 비행경로계획을 추가하는 방안에 대해 제안하였다. 곡선을 표현하기 위해 필요한 추가적인 메시지를 정의함에 있어 최소한의 데이터 추가만으로 운용자가 원하는 완벽한 형태의 곡선형 비행경로를 추가하는 방안을 제안하였고, 실제 프로그램 구현을 통해 입증하였다.
용인에버랜드 스피드웨이의 일부 구간을 직선형 경로와 곡선형 경로를 사용하여 비교해보았다. 직선형 경로의 경우 20개의 항로점을 사용하였음에도 불구하고 곡선을 충분히 표현해 주지 못하였으나 제안하는 알고리즘을 사용하면 9개의 항로점 만으로도 원하는 형태의 곡선경로와 완벽히 일치하는 경로를 생성 할 수 있음을 확인할 수 있었다.
CUCS는 무인기를 운용할 수 있도록 사용자 인터페이스를 제공하는 장비이다. 자율화된 비행을 위한 임무계획 수립, 비행체/임무장비/데이터링크의 실시간 통제 및 모니터링을 수행한다.
제3장은 연구 설계 및 접근방법으로 STANAG 4586 프로토콜 및 MAVLink 프로토콜을 상세 분석하고 두 프로토콜의 특징을 비교/분석하였다.
제 2장에서는 UAS의 다양한 분야에 대한 표준화 동향에 대해 알아보았다. 특히 무인기 연동프로토콜의 표준화 동향에 대해 군용 무인기 통제를 위해 사용되는 STANAG 4586 표준과 민간에서 소형무인기 통제를 위해 사용되는 MAVLink 프로토콜의 개발동향 및 활용방안에 대해 고찰하였다.
특히 미국과 유럽 중심으로 NATO(북대서양 조약기구: North Atlantic Treaty Organization)는 회원국간의 군사용품의 상호운용성 확보를 위해 용어 및 통신방법 등에 대한 규격을 정의하는 STANAG 표준을 제정하였다. 특히 무인기와 지상통제장비간 연동 프로토콜을 정의하는 STANAG 4586 이외에도 무인기에 탑재된 임무장비에서 생성된 센서 데이터의 상호연동을 위해 STANAG 4607, 4609, 7023 등의 규격서를 제정하여 임무장비에서 생성된 데이터까지 상호운용성을 확보하기 위해 표준을 제정하였다^[18,19].

대상 데이터

비행체는 무인항공기 기체 및 기체에 탑재되는 각종 장치(비행조종, 항전, 센서, 데이터 기록, 추진, 연료 계통 등)로 구성된다. 미국에서 운용중인 대표적인 무인항공기 Gray Eagle은 날개폭 18 m, 최대이륙중량이 1633 kg 정도로 각종 임무장비(EO/IR, SAR, 무장 등)를 부착하여 고도 9 km 상공에서 30시간 연속으로 임무를 수행한다.

이론/모형

곡선을 표현하는 대표적인 스플라인 함수는 LINEAR SPLINE, CARDINAL SPLINE, B-SPLINE, BEZIER CURVE, NURBS 등이 있다. 본 논문에서는 여러 스플라인 함수 중에서 국부제어가 가능하며 원하는 형태의 곡선을 생성 할 수 있는 cubic bezier curve(3차 베지에 곡선)를 선택하였다. 국부제어란 현재 항로선을 수정하더라도 다른 항로선에는 영향을 미치지 않는 것을 의미한다.

성능/효과

용인에버랜드 스피드웨이의 일부 구간을 직선형 경로와 곡선형 경로를 사용하여 비교해보았다. 직선형 경로의 경우 20개의 항로점을 사용하였음에도 불구하고 곡선을 충분히 표현해 주지 못하였으나 제안하는 알고리즘을 사용하면 9개의 항로점 만으로도 원하는 형태의 곡선경로와 완벽히 일치하는 경로를 생성 할 수 있음을 확인할 수 있었다. 아래의 그림의 우측편이 곡선형 경로를 사용한 경우이며 초록색이 실제 곡선형 경로이고 빨강색 직선 라인은 보조점 P2, P3를 나타내는 지점이다.

후속연구

향후 무인항공기를 통제하는 프로토콜에서 벗어나 무인수상정, 무인잠수정, 무인지상차량 등으로 프로토콜을 확대하여 모든 무인 이동체 통제를 위해 최적화된 프로토콜 개발을 위한 추가 연구가 필요하다.

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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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