항공우주산업기술동향 권 호
6 2
(2008) pp. 143~153
http://library.kari.re.kr
에서 보실 수 있습니다.
기술동향
자율비행기술 동향
성기정* 김응태
,
** 김성필
,
***
Development Trend of the Autonomous Flight Control Technology
Kie-Jeong Seong*
, Eung-Tai Kim**, Seong-Pil Kim*******
ABSTRACT
This paper describes the current research trend and future development direction of autonomous
flight of the aircraft. The autonomous flight means that aircraft control system recognize and cope with
the emergency situation confronted during the flight by itself.
Current research for autonomous flight technology is mainly performed for the application to
unmanned air vehicle. Considering advent of future air traffic management system and increasing
demand of the unmanned air vehicle application, however, autonomous flight technology required to be
combined with future air traffic management system . In this paper, the current air traffic management
system and anticipating change in future air traffic management system was investigated and research
activities of autonomous flight technology was described as well as future prospect.
초 록
본 논문에서는 자율비행
의 연구동향 및 향후 발전방향에 대하여 기술하였다 자율비행은
(Autonomous Flight)
.
항공기의 예기치 않은 임의 상황발생에 대해서도 항공기가 스스로 인지하고 판단한 후 대처하는 것을 의미한다
,
.
현재의 자율비행기술은 무인기를 위주로 개발되고 있으나 차세대 항공교통관제 시스템 도입과 무인기의 활용성
,
증대 요구에 따라 자율비행기능이 항공교통관제시스템과 결합되어야 한다 그러므로 현 항공교통관제 시스템의
.
주요 개요와 향 후 변경될 차세대 항공교통관제 시스템의 주요 사항들을 살펴보았고 자율비행기술 개발 현황을
,
기술하였으며 향 후 발전방향을 전망하였다.
Key Words :
항공
자율비행
충돌회피
Aeronautics (
), Autonomous Flight (
), Collision Avoidance(
)
* 성기정 한국항공우주연구원 항공사업단 항공미래기술연구실 첨단비행제어팀
,
kjseong@kari.re.kr
** 김응태 한국항공우주연구원 항공사업단 항공미래기술연구실 첨단비행제어팀
,
eungkim@kari.re.kr
*** 김성필 한국항공우주연구원 항공사업단 항공미래기술연구실 첨단비행제어팀
,
spkim@kari.re.kr
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성기정 외 항공우주산업기술동향
/
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서 론
1.
자율비행
은 항공기의 예기치
(Autonomous Flight)
않은 임의 상황발생에 대해서도 항공기가 스스로 인지
하고 판단한 후 대처하는 것을 의미한다 자율비행기능
,
.
으로는 실시간 비행계획 수립 및 변경 충돌회피 자동
,
,
이착륙 고장시 대체조종을 위한 재형상제어 고장
,
,
예측
및 진단 임무계획 수립 등을 포함한다
,
.
기존의 자동비행
의 경우 미리 입력한 경로
(Autopilot)
에 따라 비행을 하거나 조종사의 조작에 의해 주어진
,
조건의 비행 상태를 유지하는 기능으로 공중충돌
,
이라든지 항공기 고장 기상조건 변화 등에 능동적으로
,
대처할 수 없는 기술을 의미하는 것이지만 자율비행의
기초단계로 구분된다.
현재의 자율비행기술은 무인기를 위주로 개발되고
있으나 차세대 항공교통관제 시스템 도입과 무인기의
,
활용성 증대 요구에 따라 자율비행기능이 항공교통관제
시스템과 결합되어야 한다 그러므로 현 항공교통관제
.
시스템의 주요 개요와 향 후 변경될 차세대 항공교통
관제 시스템의 주요 사항들을 설명한 후 자율비행기술
개발 현황을 파악한 후 향 후 발전방향에 대하여 설명
하였다.
항공교통관제시스템
2.
현재까지 항공교통수요는 꾸준히 증가하여 현재의
항공교통관제소
의 처리
(ATC ; Air Traffic Control)
능력은 포화상태에 당면하고 있다 미국의 경우
년
.
2025
에는 현재의
배로 항공교통수요가 증가할 것으로
2~3
예상되고 있으며 유럽의 경우도
배로 증가할 것으로
,
2.5
예측되고 있다.
국내의 항공교통량 증가율은 연평균
로서 세계
10%
평균 성장률 연평균
의 배에 달하는 급성장 추이를
(
5%)
2
보이고 있으며 매
년마다 배로 증가하고 있어
,
7.5
2
2025
년에는 현재의 배 이상의 항공교통량을 처리해야 할
4
것으로 전망되고 있다.
이러한 항공교통관제능력을 제한하는 가장 큰 요인은
항공기 운항자체가 지상의 관제센터의 지시에만 의존
하는 현재 관제시스템의 한계 때문이다 현재의
.
는
ATC
고정된 항로체계에 한해서 항공기가 비행을 하고 이
,
항로에 대하여 항공기간의 충돌위험 인지 후 조치 및
항공기 운항안내를 관제사의 무전을 통한 지시에만 의존
하고 있다 이러한 경직된 항공운항이 항공기 운용의
.
유연성을 제한하고 특히 일정 공역에 대한 운항능력이
,
지상에서 관제하는 관제사의 업무량에 따라 좌우되는
한계성을 갖고 있다.
국제민간항공기구는 이러한 기존 항행운항시설의
문제점을 해결하기 위하여
년에 첨단 디지털 기술
1991
을 적용한 신개념 시스템인 차세대 항행시스템을 정립
하고
년경까지 가맹국에 구축을 권고하고 있다
, 2015
.
이러한 차세대 항행시스템은 발전된 전자기기를 이용
하여 항공기 관제에 필요한 모든 정보를 항공기에 제공
하여 지상관제소의 권한과 책임을 운항하는 항공기로
분담시키고 지상관제 업무를 경감시켜
처리능력
ATC
을
확대하고, 안전성을 강화시키는 개념이다 이러한
.
차
세대 항행시스템 구현의 핵심기술 중의 하나로 자율
비행능력을 필요로 한다.
현재 항공교통관제
2.1
항공교통관제 업무의 목적은 항공기간의 충돌 방지,
항공기와 장애물간의 충돌방지 항공교통의 촉진 및 질
,
서
유지를 위하여 행하는 것이다 관제사의 업무는
.
다양
하지만 최우선 임무는 항공기 분리와 경보 업무이다.
항공기의 관제는 다음과 같이 가지로 구분된다
3
.
- 비행장 관제 : 공항에서 이륙 후 일정 위치까지 일정
,
위치로부터 공항에 착륙할 때까지 공항관
제탑이 관리 인천공항의 경우 거리
(
9km,
높이 0.9km)
- 접근관제 : 공항으로부터 일정범위내 인천공항의 경우
(
거리
높이
까지 접근관제
108km,
6.6km)
소에서 관리
항로관제
접근관제구역을 벗어난 후 항공교통
-
:
관제소가 관리
항공기의 항로의 경우 일반적으로 폭
마일 약
10
(
18km),
최저높이
약
로 구성되어 있다 이러한
8,000ft(
2.4km)
.
동일 항로에 대하여 여러 항공기가 운항하는 일이 자주
발생하므로 상호 안전을 위하여 그림 과 같이 수직
,
1
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145
으로 비행고도
이하에서는
로 비행
29,000ft
1,000ft ,
고도
이상에서는
로 항공기간 수직
29,000ft
2,000ft
분리를 적용하고 있으며 수평으로는 레이더로부터
,
40mile이내에서는
이상에서는
의
3mile, 40mile
5mile
수평분리를 적용하고 있다.
또한 교통량 처리능력 확대를 위하여 수직분리 간격
을 반으로 줄이는 RVSM(Reduced Vertical Separation
이 확대되고 있으며 우리나라의 경우도
년
Minimum)
,
2005
월
일부터 이를 시행하였다
9
30
.
이러한 항로가 고정되는 것은 계기비행이 VOR(Very
을 사용
High Frequency Omnidirectional Range)
하기 때문이며
은 지상에 설치된
안테나에서
, VOR
VOR
발생시키는 두 개의 교류신호 사이에 형성되는 위상
차를 이용하여 항공기 방향을 파악하는 방식으로 항공
기가
을 통과하면 다음 지나야 하는
을 향해
VOR
VOR
비행하는 방식이다 즉 지상에 설치된 등대들을 순서
.
대로 지나가는 방식과 같다.
차세대 항공교통관제 시스템
2.2
는 현재의 항공교통관제시스템으로는 급격히
ICAO
증가하는 항공수요를 처리할 수 없다고 판단하여 위성
,
을 기반으로 항공기의 정보를 모든 항공기와 관제탑
간에 긴밀히 주고받아 공유하고 이를 바탕으로 항공
,
기의
자율성을 분담하여 현행의 교통관제 시스템의 한계성을
탈피하고자 차세대 항공교통관제시스템인 CNS/ATM
(Communication, Navigation, Surveillance / Air Traffic
을 계획하고
년까지 적용할 것을
Management)
, 2015
권고하고 있다.
미국에서는 이에 대한 연구 프로젝트로 NexGen
을
(Next Generation Air Transportation System)
진행하고 있으며
년까지 약
억불 약
조원
, 2025
700
(
80
)
이 투입될 계획이다.
가. CNS/ATM
그림 와 같이 현재의 항공교통관제가 지상의 관제
2
소에 의해서 관리되고 항로 운항이
을 통과해야
,
VOR
하는 문제를
은 그림 과 같이 위성을 이용
, CNS/ATM
3
하여 항공기간의 위치 기상 정보 등 관제정보를 항공기
,
들에게 제공하고 이를 통하여 항공기가 자율적으로 충
,
돌
을 회피하면서 유연한 비행을 할 수 있도록 하고 지상
관제의 통제 업무를 최소로 감소시키는 개념이다.
나. NexGen
의 목표는
년에 현재의 배 항공수요을
NexGen
2025
3
소화할 수 있는 관제시스템을 개발하는 것으로 이동
,
시간을 현재의
로 감소시키고 정시도착률을
30%
,
95%로
향상시키는 것을 목표로 하고 있으며 무인기
,
, VLJ(Very
등 다양한 형태의 항공기의 운용도 수용하는
Light Jet)
것도 포함하고 있다.
운용개념은 항공기 궤적기반의 운영 분산결정 상황
,
,
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공유인지로 구분된다.
항공기 궤적기반 운영은 그림 와 같이 현재의 항공기
4
위치 속도 방향에 기반을 둔 관제가 아닌 항공기의
,
,
비행계획과 항공기 위치 불확실성이 감안된 시간을 함수
로 한 항공기 관제를 의미하며, 4D Trajectory Based
이라고 한다
Operations
.
분산결정운영은 그림 와 같은 개념으로 자동차 도로와
5
같이 한 방향으로 많은 수의 항공기를 운항할 수 있도록
항로를 설정하고 이 영역에 출입하는 항공기가 자율적
으로 안전하게 통과할 수 있는 기능을 갖추는 운항시
스템으로
라고 한다
, Flow Corridor Tube
.
상기 개념의 확장으로
에서는 자동차 도로와
NASA
같이 속도별로 여러 차선을 운영하고 진출입 구간을
설정하여 자동차 고속도로와 같이 운영하는 Dynamic
항로 개념을 그림 과 같이 연구하고 있다
Multi-Track
6
.
또한 대도시 공항근처에서의 고밀도 관제를 위한
연구 분산결정 악기상 회피를 위한 유연한 비행계획
,
,
변경 연료 최적화 연구도 진행되고 있다
,
.
다. Free Flight
이와 같이 차세대 항공관제시스템은 그림 에서 비교
7
한 것과 같이 기존의 지상에 고정 설치된
을 기준
VOR
으로 비행하던 경직된 항로를 기준으로 비행을 하지
않아도 되므로 항로를 좀 더 자유롭게 구성할 수 있다는
,
장점이 있다 이러한 비행개념을 자유비행이라고 하며
.
,
이는 항공기가 자기 마음대로 비행한다는 것이 아니라
기존의 항로를 좀 더 다양하게 설정한다는 개념이다.
미국의 경우 단계별로 자유비행 구축계획을 수립하여
그림 과 같이 교통관리조언
8
(TMA : Traffic Management
시스템 최종접근시의 수동분리도구
Advisor)
,
(pFAST :
공역사용자
Passive Final Approach Spacing Tool),
요구사항 평가도구(URET : User Request Evaluation
협업의사결정
Tool),
(CDM : Collaborative Decision
도입 관제사 파일럿 데이터 통신
Making)
,
-
(CPDLC),
지상이동조언(SMA : Surface Movement Advisor)
시스템을 개발하고 있다.
SMA : Surface Movement Advisor
CDM : Collaborative Decision Making
TMA : Traffic Management Advisor
pFAST : Passive Final Approach Spacing
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유럽의 경우
년부터
년까지
의 지원과
2000
2005
EC
이태리
스페인
프랑스
ENAV (
), AENA (
), DSNA (
),
그리스
몰타
영국
HCAA (
), MATS (
), NERLU (
), NLR
네델란드
스웨덴
(
), SCAA-LFV (
), EUROCONTROL
등 여러 유럽국가기관들이 참여한 지중해지역 자유
“
비행프로그램
라는 국제협동사업을
(MFF Programme)”
통하여 혁신적 항공교총관리기술에 대한 유럽의 합의를
이끌어낸 바 있다.
라. Safe Flight 21 (SF21)
미 정부와 기업이 공동으로 진행한 연구프로젝트로
항공기의 안전운항과 효율 증대를 위하여 화물항공사
협회에서 진행한
프로그램과 알래스카
Ohio Valley
지역 소형항공기의 운항 안전과 효율을 증대시키기 위한
프로그램 개로 진행되었다 이 프로그램은
Capstone
2
.
년도
1998
RTCA(Radio Technical Commission for
에서
프로젝트를
Aeronautics)
Flight 2000/Halaska
대체하기 위하여 시작되었다.
의 목적은 단기간에 새로운
SF21
CNS (Communication,
기술과 절차를 파급하기 위한
Navigation, Surveillance)
것으로 이러한 새로운 기술을 적용하는데 있어서의 위험을
줄이기 위하여 시범운용과 이를 통한 검증을 수행하였다.
의 내용은 분야에 있어서 개운항절차를 개선
SF21
4
9
하는 것으로,
그림
1) Air-to-Air(
9)
항공기간 분리표준 개선
-
저시정 접근 개선
-
기능 강화
- See and Avoid
공중 항로 운항 개선
-
그림
2) Air-to-Ground(
10)
레이더 미 감시지역에서의 대체 감시기능 확보
-
지형에 대한 관제유도 비행에 대한 적절한 감소
-
그림
3) Ground-to-Ground(
11)
유도로에서의 이동항법 개선
-
지상 이동체에 대한 관제관리 강화
-
그림
4) Ground-to-Air(
12)
기상 및 필요 데이터 조종석에 제공
-
로 진행되었다.
마. Capstone Program
은 항공관련 기업체와 미연방항
Capstone Program
공청
알래
(FAA : Federal Aviation Administration)
스카 지부가 알래스카지역의 항공 안전과 효율을 증대
시키기 위해 진행한 과제로
년에 시작되어
년
1999
2006
148
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에 완료하였다 이 프로그램 진행을 위하여
는
.
FAA
항공기와 지상에 필요한 항공전자장비를 지원하였다.
소형항공기를 이용하여 악기상 비 레이더 탐지지역
,
,
지형내 관제비행 조건에서의 사고율 감소 비 레이더
,
탐지지역에서의 대체 감시기능 확보 통합 조종석
,
서비스에 대한 연구를 진행하였다.
바. Ohio Valley Program
와
가 참여하여
차적으로 화물기를
UPS
FedEx
, 1
이용한
기능 강화
차적으로는
See-and-Avoid
, 2
충돌탐지
단계로 충돌해결로 나누어 단계별로 수행
, 3
하였다.
자율비행
3.
유인기의 자율비행
3.1
장에서 설명한 항공교통관제시스템의 기술변화 추
2
이를 살펴보면 항공기의 공중충돌 방지 및 회피기능 등
항공기의 자율비행기능을 필수적으로 요구하고 있다.
현재 유인기의 충돌회피 및 자동이착륙을 살펴보면,
충돌회피를 위한 TCAS(Traffic Collision Avoidance
과 자동이착륙을 위한
System) ,
ILS(Instrument Landing
기능이 사용되고 있다
System)
.
는 지상의 지원없이 항공기 상호 정보교환을
TCAS
통하여 근접하는 항공기에 대한 정보를 제공하고,
경보해주는 장치이다 이
는 가지 등급으로 구
.
TCAS
3
별
되는데
은 충돌상황 정보만 제공하는 기능이
TCAS-I
있고
의 경우는 이러한 상황과 수직 회피
, TCAS-II
조언을 상승 하강 하는 기능이 있으며 현재 개발 중인
(
/
)
,
에는 수평과 수직 회피조언을 할 수 있는 기능
TCAS-III
이 추가된다.
년
월까지는
인석 이상의 민항기에는
1993
12
31
를 의무적으로 장착하도록 하고 있으며
년
TCAS-II
, 1996
부터는
인석 이상의 민간항공기에 탑재운용토록 확대
10
적용하고 있다.
는 충돌위험을 수동적으로 경보해 주는 기능만을
TCAS
보유하고 있어 조종사의 조작 없이는 회피가 불가능한
,
시스템이다
에서는
지시를 관제사 지시보다
. ICAO
TCAS
우선적으로 규정하고 있으나 실제 조종사들은
의
,
TCAS
신뢰성에 대한 확신을 가지지 못해
지
TCAS
시보다는
관제사의 지시에 따라 충돌위험이 증대하는 경우도
있으며 이러한 자율권에 대한 신뢰도 문제는 자율비행
,
기술 개발 시 계속 대두되고 있다.
의 또 하나의 단점은 충돌인지 거리가 짧다는
TCAS
것이다 이 시스템은 시간적 거리를 기준으로 주의
.
구역
와 경계구역
으로
(Caution Area)
(Warning Area)
구분해 경보해 준다 주의구역의 경우 약
초 후
.
20~48
다른 항공기와 충돌위험이 있는 지역을 의미하며 경계
,
구역은
초 후 충돌위험이 있는 지역을 의미한다
15 ~35
.
즉 TCAS의 경우
분 이내의 단시간내 충돌위험만
1
인지하는 것으로 위와 같은 차세대 항행시스템에서는
사용할 수 없다.
차세대 항행시스템에서는 이러한 충돌회피기능을
분 비행거리까지 확보하는 것을 요구하고 있으며
5
,
이를 위해 차세대 항행시스템인
기술을
CNS/ATM
이용한 ADS-B (Automatic Dependent Surveillance
가 개발 시험되고 있다
- Broadcast)
.
는 항공기가
로부터 파악한 자신의 위치
ADS-B
GPS
및 방향 등 정보를 주기적으로 방송하고 이를 주변 항
,
공기 및 지상관제소에서 송수신하여 상호 위치파악 및
충돌경보를 통해 회피할 수 있도록 하는 시스템이다.
는
년부터
의 기술적 평가를 계획
FAA
1992
ADS-B
하고 수행하기 시작했으며
년부터
및
, 1998
ADS-B
이와 관련한 방송 서비스 기술에 대한 운용상의 시험 및
평가를 실시하고 있다
계획은
를
. Capstone
Alaska
위한 운용상의 실험 프로그램으로서
기술을 구
, ADS-B
현
하기 위해서
및
Bethel
Yukon-Kuskokwim Delta
에서 적용하기 시작하였고
전체 주를 포함하
, Alaska
게
될
를 위한 연구와 계획을 수립하는 중이다
Phase III
.
현재 유인기의 충돌회피 연구는 항로관제영역에
대한 연구가 활발히 이루어지고 있다 미국의 경우
.
그림
과
13
같이 항공기를 중심으로 반경
상하
5mile,
영역을 항공기보호구역으로 정의하고 이에
1000ft
,
대한 충돌회피 연구를 수행하고 있다.
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149
충돌을 예측하는 기법으로는 상태기반예측기법
과 비행계획기반
(State-based Conflict Detection)
예측기법
이 두
(Intent-based Conflict Detection),
가지 기법을 혼합한 기법으로 가지가 사용되고 있다
3
.
상태기반예측기법은 항공기의 현 위치와 방향을 기반
으로 계속 비행한다고 가정하고 충돌을 계산하는 방식
이며 비행계획기반예측기법은 항공기에 계획된 상호
,
비행계획을 기반으로 예측하는 기법이다.
충돌을 회피하는 방법으로 상태기반예측기법의
경우 그림
와 같이 항공기 진행방향 또는 속도를
14
충돌이 안 일어날 때까지 변경시키는 방식이며 비행
,
계획기반예측기법의 경우는 그림
와 같이 비행계획을
15
미리 수정하는 방식이다.
또한 이러한 충돌회피 시 우선권 부여를 하지 않으면
상호 회피기동이 충돌위험을 더욱 악화시킬 수 있는
문제가 있다 그러므로 회피기동을 해야 하는 항공기를
.
선정하는 우선순위 부여에 대한 연구가 현재 진행
되고 있다 현재로는 대의 항공기에 대한 상호 충돌
.
2
감지 및 회피에 대한 연구가 주로 이루어지고 있으며,
다수 항공기에 대한 충돌회피 연구도 착수되고 있다.
그러나 실제 항공기 운항에서 필요한 비상상태의 항공
기 우선권이나 항공기 성능 잔류 연료량 등을 고려한
,
,
우선권부여에 대한 고려는 미흡한 상태이다.
현재 민항기에 사용되는 자동이착륙기능은 ILS
을 사용하고 있다
(Instrument Landing System)
.
시스템은 착륙하는 공항 지상에 설치된 수평방향
ILS
편차를 알려주는 방위각 시설
와 수직방향
(Localizer)
편차를 알려주는 활공각 장비
와 착륙지점
(Glide Path)
까지의 거리를 알려주는
을 이용하여
Marker Beacon
항공기가 자율적으로 활주로에 착륙할 수 있도록 하여
주는 장치이다
는 등급에 따라 시정
이상
. ILS
,
800m
에서 착륙이 가능한
시정
이상에서 착
CAT I,
350m
륙이
가능한
시정
이상에서도 착륙이 가능한
CAT II,
200m
와 시정이 완전히 차단된 상태에서도
CAT III-A, B
착륙이 가능한
로 구분된다
CAT III-C
.
현재 국내의 인천공항의 경우
시설이
CAT III-B
설치되어 있으며 김포공항의 경우
이며
,
CAT-II
CAT
가 설치된 공항은 아직 전세계에 존재하지 않는다
III-C
.
이러한
시스템은 공항과 항공기에 각기 필요한
ILS
장비와 시설이 갖추어져야 하므로 대형공항과 대형
,
여객기 위주로 활용되고 있는 실정이다.
차세대 항공교통관제시스템인
이 사용
CNS/ATM
되어, 충분한 신뢰도와 정확도를 제공한다면 이러한
ILS
시스템을 대체할
(Instrument Landing System)
수 있을 것으로 전망된다.
에서는
AFRL (Air Force Research Laboratory)
를
AACAS (Automatic Air Collision Avoidance)
발표하고
년부터 개념연구를 수행하여
년
, 2000
2001
에는 알고리즘 개발을
년에는 비행데모기술을
, 2003
개발하였으며, AGCAS (Automatic Ground Collision
를 기반으로 개발 및 테스트를 거치는 단계에
Avoidance)
와 있다.
무인기의 자율비행
3.2
최초의 무인기 운용 개념인 단순히 사람이 탑승하지
않는다는 것을 벗어나 현재의 무인기는 자율 비행
기능을 요구하고 있다 무인기의
(Flight Autonomy)
.
자율비행 수준은 비행단계와 각 단계에서 자율비행
정도에 따라 여러 가지 분류가 있을 수 있으나 궁극적
,
150
성기정 외 항공우주산업기술동향
/
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으로 지상통제나 사람에 의하여 전혀 지원받지 않는
완전자율 비행단계
를
(Fully Autonomous Flight)
지향하고 발전되고 있다 임무 및 운용환경에 따른
.
무인기의 자율비행 수준을 고려하면 기체뿐 아니라,
지상국 통신 시스템 비상관리 체계 등 여러 분야의
,
,
기술 개발이 선행 또는 병행되어야 한다 이를 위한
.
구체적인 기술 분야는 다음과 같이 요약할 수 있다.
• 통신체계 구축 무인기와 지상 제어 및 감시 센터간의
:
유연한 통신망의 확보
정밀 자동착륙 제어 알고리듬 성능평가 지표
:
,
•
• 다목적 임무수행 제어 기술
및
의 다중화
: H/W
S/W
,
자각 및 적응제어
테스트 베드 구축 각종 제어 알고리듬의 확인
:
•
• 지능형 비행제어 기술 비행제어 성능의 예측 판단
:
지능형 적응형 제어 기술의 확인 및 검증
/
•
분산 및 정보 중심 제어 기술
•
지능형 자율 비행제어 기술 알고리듬 개발
:
•
유
무인기 공유 기술의 파악
•
ㆍ
함상 자동착륙 기술
•
• 각종 제어 소프트웨어 알고리듬 실시간 적응제어
:
,
고장탐지 및 재형상 편대비행
,
충돌회피의 자동화
•
분산 시스템 제어 기술
•
미국의 경우 무인기 자율비행제어 수준을 그림
과
16
같이
단계로 구분하고 있다
단계는 무선조종비행기
10
. 1
와 같이 지상의 조종사가 조종하여 무인기를 운용하는
기술수준이며
단계는 실시간으로 항공기 상태를 진단
, 2
하는 단계이다
단계는 항공기 고장과 비행조건에
. 3
능동적으로 실시간 대처하는 기능을 구현하는 수준이며,
단계는 주변상황이나 임무변화에 대처해 항공기 자체
4
적으로 경로를 재구성하는 단계이다
단계는 편대비행
. 5
기술이며
단계는 편대운용 시 전술적인 임무재구성
, 6
하는 기능시현단계를 의미한다
단계는 편대비행을
. 7
통해 전술적 목적에 능동적으로 대처하는 기술을 의미
하며
단계는 항공기간 분산연산을 통한 지상관제 없이
, 7
이러한 기능들을 구현하는 단계이다
단계는 전술적
. 9
단계를 넘은 전략적 그룹운영 수준이며 최종적인
,
10
단계는 자율비행에 의한 군집비행을 실현하는 것으로
구성되어 있다.
미국의 경우 여러 대의 무인항공기가 완전히 자율
비행으로 편대활동을 자율적으로 수행하는
단계
10
수준에 비해 현재는
단계와
단계의 중간 수준에
,
4
5
머무르고 있다고 판단되며
년 이전에
단계
, 2015
8
수준에 도달할 것으로 예측하고 있다 즉 선진국은
.
,
이미 개개의 무인기 임무분석 및 비행단계 제어시스템
설계기술 개발이 완료되고 있으며 다수 무인기 간의
,
군집 자율비행 제어시스템 설계기술을 개발하고 있는
단계이다.
무인항공기 자율비행 기술개발로 자동비행뿐만
,
아니라 고장대처 충돌회피 경로생성 등 조종사의
,
,
의사결정 능력까지 비행제어시스템으로 구현하는 것을
목표로 미국 국방성
은
(DARPA)
Software Enabled
과제를 수행하여 그림
과 같이
무인
Control
,
17
X-45A
항공기를 대상으로 보잉 주관 하에 실시한 자율비행
제어 비행시험을 통해 검증한 바 있다.
에서
년부터 시행 중인
NASA
2006
ALHAT (Autonomous
Precision Landing Hazard Avoidance Technology)
프로젝트는 새롭고 진보적인 착륙과 착륙 안내 항법과
,
제어
하드
(GNC : Guidance, Navigation and Control)
웨어와 소프트웨어 기술들의 개발을 목표로 연구가 진행
중에 있다
는 항법 및 유도
. Johnson Space Center(JSC)
성기정 외 항공우주산업기술동향
/
6/2 (2008) pp. 143~153
151
알고리즘 항공전자와
시험을 담당하고
,
HILS
, Langley
는
Research Center
POST 2 (Program to Optimized
소프트웨어를 이용하여 자유도
Simulated Trajectories)
6
시뮬레이션과
와
TRN(Terrain Relative Navigation)
센서들 고도계
HAD (Hazard Detection and Avoidance)
,
,
속도측정센서들의 개발 및 테스트를 담당하고 있다.
는 센서 알고리즘
JPL (Jet Propulsion Laboratory)
,
그리고 센서시스템을 테스트하기 위한 소프트웨어 알고
리즘을 개발하며
는 자동
, Draper Laboratories (CSDL)
알고리즘과 제어 알고리즘 개발 그리고
통합을
GNC
맡고 있다.
또한
연구센터와
비행 연구
NASA Ames
Dryden
센터는 장애물을 자동으로 회피할 수 있는 능력을 제공
해주는 새로운 비행제어 소프트웨어를 개발한 후 비행
시험에 착수하였다
알고리즘이라고 불리는 이
. Boid
도구는 새나 물고기의 개별 행동을 개의 그룹으로 분
3
류
하여 모든 개체가 동일한 방향을 유지하려고 하는 행동,
서로 근접하여 이동하는 행동 충돌회피로 분류하는 것
,
으로,
들이 일정한 거리를 유지하면서 비행하고
UAV
,
비행경로에 있는 장애물을 피해갈 수 있는 정도의 기술
수준이지만 향후
가 무리지어 항공탐색을 수행
UAV
하고 화재진압과 같은 임무를 협동으로 참여할 수 있게
해주는 기술수준으로 발전시키는 것을 목표로 하고 있다.
미 국방부에서는
년까지
2009
ISR(Intelligence
기술을 적용하는
Surveillance Reconnaissance)
프
ERMP (Extended Range Multi-Purpose) UAV
로
젝트를 수행하여 두 대 이상의 항공기가 편대로 비행
,
할 때 충돌 예방이나 항법상의 제어부담 경감 공격
,
,
및 방어력의 증가 등을 목적으로 하는 편대 비행
방법에 대한 개발을 수행하고 있
(Formation Flight)
다.
는 후방에서
NASA Dryden Flight Research Center
순항하는
를
AFF(Autonomous Formation Flight)
의 항공우주기술의 전략적 계획의 일환으로 삼아
NASA
항공기의 연료소모를
절감하는 것을 목표로 보잉
10%
과 캘리포니아 대학 등이 산 학 공동으로 연구를 수행
ㆍ
하고 있다.
프랑스에서는 ReSSAC (Cooperating Autonomous
프로젝트를 통하여 기
Search and Rescue System)
수행된 무인기 연구결과를 기반으로 지능적인 판단
기능과 무인기와 지상관제 간의 임무관리 방식 등에
관한 연구가 진행 중이다.
무인기의 운용은 기존의 항공교통관제 시스템에
결합되어야 한다 이를 위해서는 그림
과 같이 무인기
.
18
자체에
간략히
See-Understand-Decide-Act(
See and
기능이 확보되어야 한다
Avoid)
.
이러한 연구의 일종으로 이탈리아
연구소에
CIRA
서는 그림
에서 보여지는 것과 같이 레이더와
19
EO/IR
카메라를 통합한 센서를 소형항공기에 장착하여 무인
기에 활용할
기술을 개발하고 있다
See and Avoid
.
에서도 무인기 충돌회피 기술 개발을 위한 비행
NASA
시험을 그림
과 같이 레이더가 장착된 프로데우스
20
항공기를 이용하여 비행시험을 수행한 바 있다.
152
성기정 외 항공우주산업기술동향
/
6/2 (2008) pp. 143~153
또한 영상을 이용한 자동 착륙기술도
를 비롯한
NASA
여러 대학에서 무인헬기를 이용하여 개발하고 있다.
국내에서도
를 이용한 무인기 자동 이착륙
DGPS
기술은 서울대에서 개발한 바가 있으며 현재는 영상
,
기반 고정익 무인기 자동이착륙 기술을 서울대에서,
무인 헬리콥터를 이용한 영상기반 자동이착륙 기술은
에서 진행하고 있다 그림
은 영상기반 헬리
KAIST
.
21
콥터 자동 착륙기술 개략도이다.
향후 전망
4.
무인기가 활용되는 영역을 점점 확대될 것이 확실
시 되고 있다 그러나 현재 무인기는 군 위주로 활용
.
되고 있으며 공역진입에 대한 제한관계로 민간 활용은
,
거의 이루어지지 않고 있다.
공역을 관리하는 유인기의 항공교통관제시스템이
항공교통량의 급격한 증가를 해결하기 위하여 차세대
항공교통관제시스템으로 변화하고 있다 이러한 차세
.
대 항공교통관제 시스템에서는 항공기의 자율기능을
요구하고 있으며 무인기의 관제공역내 운용에 대한
,
부분도 같이 고려하고 있다.
이러한 항공발전 추세는 모든 항공기의 자율비행
기능을 확대 적용하는 방향으로 발전할 것으로 전망
되므로 이에 대한 연구가 다양하게 진행되고 있다.
무인기 충돌회피 기능으로는
를 이용한 방법
ADS-B
,
를 이용한 방법 영상장비를 이용한 방법 등
Radar
,
다양한 연구가 이루어지고 있는데
방식의 경우
, ADS-B
관제시스템에 가장 적합하지만
CNS/ATM
, ADS-B
장비를 장착하지 않은 항공기의 진입
장비를
, ADS-B
장착하였지만 장비가 정상작동하지 않는 경우 전체
시스템에 대한 확신을 갖지 못하는 단점이 있다. Radar
방식의 경우 유인기에서는 장착공간상 큰 문제가 되지
않을 수도 있으나 소형 무인기의 경우 크기와 무게가
,
커서 실질적으로 탑재가 쉽지 않다.
자율비행에 있어서 항공기가 알아서 대처하는 문제는
운영자에게는 불안의 요인이 될 수 있다 운영자가
.
예측하지 못한 상태에서 또는 예측한 것과 다르게
반응을 하는 경우 운영자는 장비활용을 기피할 것
이다 이러한
.
문제와 같이 항공기에 자율권을 어느
정도까지 부여하고 사람과의 융합을 잘 시키는가
,
하는 문제도 매우 중요한 연구 분야이다.
이와 같은 문제는 무인기 운영에서도 같은 점이
있는데 관제공역 운영을 위해서는
,
See and Avoid
기능을 필수적으로 요구하고 있으며 기타 관제사와의
음성통신 또는 데이터 통신 기능도 필수적으로 요구
하고 있다.
현재 충돌회피의 경우는 충돌회피 알고리즘개발
부분의 연구가 대부분으로 실제 적용하기 위해서는
,
이러한 영상기반 항법기술과 융합되어야 할 것이다.
항공기를 운영하기 위해서는 항공교통관제시스템
과의 기술연계가 불가피하며 이러한 항공교통관제
,
시스템의 변화와 관련기술 개발 동향을 지속적으로
파악하는 것이 중요하다.
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