| 연구개발개요 |
유인항공기의 관제에는 주로 레이다(primary 또는 secondary surveillance radar)와 위성항법시스템 기반의 Automatic Dependent Surveillance-Broadcast (ADS-B)의 두 방식이 이용된다. 유인항공기와 달리 대부분의 무인항공기는 기체가 작아 일부 최첨단 군용 레이더를 제외한 일반 항공관제용 레이더로는 감지하기 어렵다. 또한 저고도 무인항공기를 레이더로 감지할 때엔 제한적인 가시성(line of sight)으로 인해 수많은 레이더를 지상에 설치해야하기 때문에 이에 따른 막대한 비용을 피할 수 없다. 따라서 무인항공기 관제를 위해서는 레이더 보다 ADS-B 방식을 이용하는 것이 현실적이며 NASA UTM에서도 도심을 제외한 지역에서는 ADS-B를 활용할 예정이다. ADS-B 방식은 항공기에 탑재된 위성항법 수신기의 위치 측정값을 관제 통신망을 이용하여 약 1초에 한 번씩 지상에 전달하는 것이다. 하지만 도심지역의 위성항법시스템 신호는 매우 불안정하고 가시위성 수 감소로 인해 위치측정 자체가 불가능할 수 있으며 다중경로(multipath)의 영향으로 수십에서 수백 미터의 위치오차가 쉽게 발생할 수 있다. 이러한 문제점을 극복하기 위해 자율주행차의 경우는 Lidar, 카메라, 관성센서 및 정밀지도의 융합으로 도심 측위를 시도하고 있다. 이와 유사한 방식으로 도심에서 무인항공기 위치를 측정하려는 연구가 국내외에서 진행 중이지만 아직 기초적인 연구단계에 머물러 있으며, 다중센서 시스템의 비용과 이를 장착하기 위한 기체 크기의 증가는 오히려 도심 무인항공기 운용의 제한 조건이 될 수도 있다. 따라서 도심 무인항공기의 성공적인 관제를 위한 측위 방법은 위성항법시스템에 전적으로 의존하지 않으며, 도심 다중경로 전파에 강인하고, 저가의 경량 센서를 활용한 방법이 이상적이다. 본 연구팀이 제안하는 LTE, 5G 등 Signals of Opportunity 및 UWB 기반 Multilateration (MLAT) 측위 방법은 이러한 조건을 만족시키는데, 먼저 도심의 밀집된 이동통신 중계기는 안정된 신호 및 기하학적 분포(geometry)로 일관성 있는 위치측정을 가능케 한다. LTE 혹은 5G 통신을 이용한 측위도 다중경로 전파의 영향을 받을 수 있지만 UWB와 같은 센서를 활용한 무인항공기간 거리측정 기반 cooperative positioning 기법으로 다중경로파의 영향을 대폭 줄일 수 있어 상대적으로 정밀한 위치측정 정확도를 얻을 수 있을 것으로 예상된다. 또한 LTE, 5G와 UWB 모듈은 소형 드론에 장착하기 쉬울 정도의 작은 크기이며 저가의 센서라는 장점이 있다. 특히, 본 제안과제의 MLAT 정밀측위 기법은 도심 중계기 위치가 고정적이기 때문에 도심의 각 지역마다 예측 가능한 측위 정확도를 보인다는 특징이 있다. 중계기의 위치를 도심 건물 3D 모델과 연동하면 각 도심 고도 및 지역 별로 무인항공기 충돌방지를 위한 안전거리 정보 생성이 가능하여 도심 관제에 큰 도움을 줄 것으로 예상된다. 현재 5G 통신 표준이 완성되지 않았지만 10여 미터 정확도 이상의 거리측정 기능이 포함될 것으로 예상되며 이를 가정한 5G 기반 위치측정 연구들이 국외에서는 이미 활발히 진행 중이다. 따라서 도심 무인항공기 관제와 5G 측위 원천기술의 확보를 위해 국내에서도 관련 연구 시작의 필요성이 매우 높다고 할 수 있다.
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| 연구내용 및 범위 |
도심 저고도 무인항공기 관제(Unmanned Aircraft System Traffic Management, UTM)는 현재 미국 NASA의 주도로 활발히 연구되고 있으나, 도심 저고도 환경은 위성항법신호가 불안정하여 UTM 실현을 위한 기술적인 난제가 가장 많은 지역으로 분류되고 있다. 본 제안 과제에서는 도심 저고도 (500 ft 미만) 비행 무인항공기 관제 지원을 위한 LTE, 5G 등 Signals of Opportunity 기반 Multilateration 무인항공기 측위 시스템 아키텍처를 개발하며, Multilateration 측위, V2V/V2I, 3D 도심 모델을 이용한 무인항공기 비행 충돌방지 안전거리 생성 알고리즘을 연구할 예정이다. 구체적인 연구의 내용은 크게 1) 도심 저고도 무인항공기 관제를 위한 MLAT 측위 시스템 아키텍처 개발, 2) 무인항공기 충돌방지를 위한 안전거리 예측 알고리즘 개발로 나뉘어진다. 1) 도심 저고도 무인항공기 관제를 위한 MLAT 측위 시스템 아키텍처 개발과 관련해서는 선행연구 사례조사, 3D 도심 모델 구축, 전파특성 모델링, MLAT 측위 엔진 알고리즘 개발, MLAT 측위 신뢰도 측정 알고리즘 개발, 중계기 분포 보강 최적화 알고리즘 개발을 수행한다.각 연구내용에 대한 세부 연구범위는 아래와 같다.- 선행연구 사례조사: LTE, ５G 표준동향 및 NASA UTM 동향 조사, V2V 거리측정 센서 시제품 조사, MLAT 아키텍처 및 cooperative positioning 알고리즘 조사- 3D 도심 모델 구축: 무인항공기와 중계기의 가시성을 분석하기 위한 3D 도심 모델 구축- 전파특성 모델링: LTE, 5G 신호의 도심 전파손실, 다중 경로, non-line-of-sight 등의 특성 모델링 기법- MLAT 측위 엔진 알고리즘 개발: 도심 환경과 무인항공기 고도에 적합한 MLAT 측위 엔진 알고리즘 개발2) 무인항공기 충돌방지를 위한 안전거리 예측 알고리즘 개발과 관련해서는 MLAT 기반 cooperative positioning 센서퓨전 알고리즘 개발, 무인항공기 충돌방지를 위한 거리유지 예측 알고리즘 개발, MLAT 충돌방지 시뮬레이터 개발 및 성능분석을 수행한다. 각 연구내용에 대한 세부 연구범위는 아래와 같다.- MLAT 측위 신뢰도 측정 알고리즘 개발: 무인항공기 충돌방지를 위한 거리유지 예측은 측위 정확도보다 신뢰도에 의존함, 도심 모델, 중계기 분포 및 거리측정 정확도를 융합하여 측위 신뢰도 정보 생성- 중계기 분포 보강 최적화 알고리즘 개발: 필요시 중계기 분포를 보강하여 MLAT 측위 정확도를 향상시킴, 중계기 분포 최적화 알고리즘은 중계기 capacity, 신호 강도, Dilution of Precision 등의 디자인 요소를 고려하여 최소한의 중계기 보강으로 요구되는 정확도 향상을 이룰 것임
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