오늘날 무인 군사 시스템은 세계 각국 군대들에 없어서는 안 될 요소가 됐으며 군사 업체들은 공격, 감시, 작전 지원 임무 등의 다양한 용도의 장비들을 개발하기 위해 계속해서 집중적인 연구 노력을 기울이고 있다. 무인 시스템은 현재 방위 산업 중에서 가장 역동적으로 성장하고 있는 시장으로서 전세계 연간 지출액이 지금은 55억달러 규모에서 2024년에 이르면 연간 거의 100억달러 규모가 될 것으로 전망된다.
그 중 한 분야인 UAV(Unmanned Aerial Vehicle, 무인 항공기)의 특징은 시스템의 범위와 다양성이 엄청나게 폭넓다는 것이다. 초소형 NUAV(Nano UAV)는 무게가 채 20그램이 되지 않는 것에서부터 와치키퍼(Watchkeeper) 같은 중형 UAV는 무게는 450킬로그램에 적재 하중은 150킬로그램에 이르고 더 위로 올라가서 MQ-9 리퍼(Reaper), 이전 Predator B)는 이륙 중량이 5000킬로그램 이상에 달한다.
글 : 스티브 문스(Steve Munns) 리니어테크놀로지(www.linear.com) 국방항공 마케팅 매니저
UAV는 크든 작든 UAV의 성능과 체공 시간을 적절히 조절하기 위해서 SWaP(Size, Weight and Power)가 중요한 고려사항이다. 이를 위해서는 무수히 많은 종류의 전자 시스템들을 고려해야 할 것이지만 이 글에서는 범위를 좁혀서 ▲공중 안전과 자율 비행 ▲센서와 데이터 프로세싱 ▲통신과 보안 ▲전원 시스템 측면들에 대해서 살펴보고자 한다.
간략하게 살펴보는 무인 항공기의 역사
오늘날 UAV의 유래는 100년 이상 전으로까지 거슬러 올라간다. 하지만 누구나 인정할 만한 원형이라면 1930년대에 공중 표적 임무용으로 조종사 없이 사용됐던 무선 제어 항공기일 것이다.
이 항공기는 영국에서 400대가 생산됐고 이름을 ‘Queen Bees(여왕벌)’라고 했다. 이 이름에서 오늘날 ‘드론(숫벌)’이라는 명칭이 탄생하게 됐다. 이 항공기는 원격지의 조종사가 가시거리를 유지해야 했으나 머지않아 가시거리를 넘어서 자율 비행으로 나아가기 위한 첫 걸음을 내딛게 됐는데 바로 1940년에 에드워드 M. 소렌슨(Edward M. Sorensen)이 지상 관제소를 고안하고 특허를 낸 것이다.
여기에서 주파수 변조를 사용해서 가시거리를 넘어서까지 항공기를 제어하고 비행 정보를 읽을 수 있게 됐다. 이 특허와 관련해 제어 시스템 고장 시에 항공기가 수평으로 비행하면서 백업 제어가 구축되기를 기다리도록 하기 위해 페일세이프 모드의 필요성이 제기되게 됐다.
전시에 항공기에 적재하기 위한 무기들이 개발되고 1950년대 및 1960년대에 정찰 장비들이 도입되면서 복잡성이 날로 높아졌다. 1960년대 초에 리안(Ryan) 드론은 비행 고도, 방향, 지속시간을 정하기 위해 프로그래머블 타이머, 자이로컴퍼스, 고도계로 이뤄진 초보적 형태의 유도 시스템을 장착했으며 뒤이어서는 급회전 기능과 낙하산 지원 착륙 기능을 장착하게 됐다. 이러한 기본적인 기능들에 더해서 필름 카메라 영상의 전략적 중요성과 반 자율 시스템의 유용함을 인식하게 됐으며 지속적인 개발에 더욱 더 박차를 가하게 됐다.
공중 안전과 자율 비행
안전 문제는 무엇보다도 중요한 문제다. UAV가 기존 항공기의 안전을 방해하지 않도록 하고 그러면서도 또한 군용과 민간용 애플리케이션 둘 다 개발을 장려하기 위해서는 공중을 어떻게 규제해야 할 것인가를 놓고 많은 논의들이 이뤄지고 있다.
소형의 가시거리 UAV는 원격지 조종사가 어떠한 충돌 가능성을 판단할 수 있는 것에 반해 자율 또는 반 자율로 작동하는 대형 UAV는 공중에서 충돌을 방지하기 위해서 복잡한 감지 및 충돌 방지 시스템을 필요로 한다.
기존 항공기 트랜스폰더를 응용하는 것, 시각 및 적외선 카메라, 레이저 기반 LiDAR(Light Detection and Ranging), 통상적인 레이저 시스템을 비롯해서 다양한 방식의 센서 옵션들이 개발되고 있다. 이들 소스로부터 발생된 데이터를 상황 파악이 가능한 영상으로 변환하고 자율적으로 비행 결정을 할 수 있기 위해서는 고도로 복잡한 소프트웨어와 하드웨어 자원들을 필요로 하며 UAV가 민간 항공기 영역을 공유하기 위해서는 기존 프로토콜 이내에서 움직여야 한다.
우호적인 영공에서 비행하는 경우라면 항공기 온보드 복잡성을 낮추고 감지 거리를 늘리기 위해서 지상 레이더 및 트래픽 맵핑 자원을 사용하는 것이 한 가지 방안이 될 수 있을 것이다.
하지만 그러기 위해서는 또한 데이터 링크 신뢰성과 지연시간이라는 과제에 직면하게 된다. ASTREA 프로그램에서는 자율적 센싱 및 충돌 방지 기술이 가능한 것으로 나타났다. 하지만 이 경우는 UAV의 전력 소모, 크기, 무게 제약이 따르지 않는 제트기에 적용한 경우다. 이것을 대다수 UAV에 사용할 수 있게 크기를 소형화하는 것이 중요한데 오늘날 첨단 FPGA(field programmable gate array), DSP(digital signal processing), 고성능 아날로그 소자들을 사용함으로써 그러한 소형화가 가능하게 되었다. 그런데 이들 시스템을 구동하는 문제 역시 간단치 않은 일이다.
FPGA는 낮은 전압에 높은 전류로 엄밀한 전원장치 정확도를 필요로 함으로써 전력 소모와 열 발생을 최소한으로 낮추도록 용의주도하게 설계된 전원 체인을 필요로 한다. 바로 이럴 때 디지털 PSM(전원 시스템 관리) 기술을 사용함으로써 동적 전압 및 주파수 스케일링 기법으로 전력 소모를 낮출 수 있으며 그럼으로써 소형 UAV의 임무 시간을 늘릴 수 있을 것이다.
PSM은 또한 원격 제어 및 모니터링, 에너지 사용과 블랙박스 결함 기록이 가능하므로 신뢰성을 향상시킨다.
센서 및 데이터 프로세싱
가장 소형의 수동 이륙 NUAV까지도 감시 임무를 위해서 다중의 비디오 및 스틸 이미지 카메라를 장착할 수 있게 됐으며 MQ-9 리퍼는 다양한 모델로 대잠수함 공격에서부터 감시 임무에 이르기까지 다양한 필요를 충족하고 있다. 무기 장착 모델은 비디오카메라, 나이트 비전 용의 적외선 카메라, 구름이나 안개 속에서 사용하기 위한 SAR(synthetic aperture radar), 레이저 거리 측정기(laser range finder), 유도탄용 표적 조명 등을 포함한다.
유인 기능과 교란 기능이 있는 모델이 개발됐으며 TDL(Tactical Data Link) 시스템은 곧바로 유인 항공기로 표적 정보와 영상 데이터를 통신할 수 있는 기능을 제공한다. 또한 SIGINT(Signal Intelligence)와 관련해 많은 개발들이 예상되고 있으며 장거리 모델은 임무 체공 시간이 40시간 이상에 달하게 됐다.
온보드 센서들이 갈수록 늘어나고 임무 시간이 길어짐에 따라서 발생된 대량의 데이터를 압축하고 저장하고 라이브 데이터 링크를 통해 전송해야 한다. 그러므로 대역폭, 품질, 영상 데이터의 소실 같은 문제들을 중요하게 고려해야 한다.
항공기로 새로운 기능이나 장비를 추가할 때마다 전원 시스템으로 부담이 가중된다. 그런데 다행히 최근 몇 년 사이에 PCB 차원에서 전원장치 솔루션들이 빠르게 발전함에 따라서 전력 밀도가 크게 향상됐으며 그러한 솔루션이 바로 리니어테크놀로지의 마이크로모듈(μModule) 레귤레이터 솔루션이다.
이들 소형화된 모듈 솔루션은 크기를 중요하게 요구하는 애플리케이션에 사용하기에 적합하도록 소형화된 폼팩터로 포괄적인 고효율 전원장치를 제공하며 고도의 신뢰성을 달성한다. [그림2]는 바로 그러한 제품을 보여준다.
통신과 보안
UAV의 통신 링크는 다음과 같은 두 부분으로 나눌 수 있다:
- 원격명령(업링크)과 텔레메트리 정보(다운링크)를 위한 비행 제어 데이터 링크. UAV가 조작자의 지시에 응답하거나 GPS 좌표를 자율적으로 비행하면서 미션 플랜에 따라서 비행할 때 UAV를 모니터링하기 위해서 필요하다. 통상적으로 확산 스펙트럼을 사용해서 56kb/s 이내의 링크로 처리할 수 있으며 128비트 암호화와 포워드 오류 교정을 사용해서 업링크를 보호할 수 있다.
- 센서 데이터는 별도의 링크로 다뤄지며 고선명 비디오는 COFDM, MPEG-4, 여타 변조 방식을 사용해서 최대 10Mb/s 대역폭을 필요로 한다. 리퍼 같은 대형 UAV는 통상적으로 사설 임대 위성 중계(Ku 대역)와 지상(C 대역) 통신을 조합해서 사용하며 대형 안테나를 적재할 수 있는 공간이 충분하며 그 밖의 항공기들은 2.4㎓(WLAN)와 5.8㎓를 비롯해 ISM(industrial, scientific and medical) 대역으로 작동할 수 있다.
완전 자율로 가기 위해서는 항공 트래픽 제어 시스템 및 프로토콜과 통합하는 문제가 또 다른 과제다. UAV는 VHF 무선 채널을 통해서 방위와 비행 고도에 관한 음성 명령에 응답하고 합성 음성으로 명령에 대한 수락을 확인해야하기 때문이다.
이 과정에서 보안상의 위협으로서 고의적인 또는 우발적인 교란, 명령과 제어 신호의 스푸핑(가로채기) 또는 도청, 단순한 통신 채널 끊김 등이 발생될 수 있다. 통상적인 유인 비행이라면 조종사가 항공기를 즉시 물리적으로 제어하고 근접한 항공 물체와의 충돌을 피할 수 있을 것이다. 하지만 UAV에서는 통신 링크와 온보드 센서가 항상 안정적으로 작동하는 것에 의존해야만 한다.
그렇지만 어떤 경우이든 위험성을 낮추는 것은 가능하다. 사전에 프로그램된 GPS 좌표로 비행하는 아주 소형 UAV라고 하더라도 고도를 높여서 끊어진 GPS 신호를 복구하고 체공 시간 한계에 도달했을 때 자동으로 기지로 돌아오도록 설계할 수 있다.
스푸핑 방지 GPS 시스템은 GPS 리시버와 관성 측정 장치(IMU)를 폴백(fall back)기능으로 결합하여 수신된 GPS 신호를 통계적으로 분석함으로써 어떠한 스푸핑 시도가 있었는지를 판단할 수 있다.
그리고 당연히 이들 모든 통신 시스템이 전원을 필요로 하며 민감한 무선 리시버는 전원장치 때문에 무선 감도가 방해 받지 않도록 지극히 잡음이 낮은 전원을 필요로 한다. 새로운 실리콘 프로세스 기술과 혁신적인 IC 설계에 힘입어서 이전에 달성할 수 없었던 효율을 달성하면서 지극히 잡음이 낮은 획기적인 제품들이 등장하고 있다.
LT8640 사일런트 스위처(Silent Switcher)와 잡음은 극히 낮고 PSRR은 극히 뛰어난 LT3042 RF 리니어 레귤레이터가 바로 그러한 제품들이다.
전원 시스템
앞에서 이미 IC 차원에서 전원 기술이 발전함으로써 UAV와 센서 데이터양의 계속적인 발전을 뒷받침하고 있다는 것을 설명했다. 그런데 전반적인 성능을 위해서는 온보드 전원 소스의 선택 또한 중요한 문제다.
갈수록 더 UAV의 가격대, 크기, 무게를 낮추고자 함에 따라서 내연 전원 소스는 점차 매력을 잃어가고 있으며 연료전지 기술이 대안으로 떠오르고 있다. 특히 체공 시간은 길게 하면서 평균 전력 소모는 낮추고자 할 때는 더더욱 그렇다.
푸마(Puma) 소형 UAV로 연료전지 기술을 사용한 시험에서는 비행시간을 150분(LiSO2 배터리 사용)에서 거의 5시간 가까이로 늘릴 수 있는 것으로 나타났다. 이 전체적인 연료전지 시스템은 무게가 약 2킬로그램이었고 중량당 전력비는 약 1kW/kg이었다.
배터리와 내연 엔진 솔루션의 중간에 자리잡고 있는 연료전지는 환경 친화적이기는 하지만, 연료 취급과 보관 상의 어려움이 있다. 하지만 이 문제는 수소를 교체가능 카트리지에 팰릿 형태로 보관함으로써 해결할 수 있을 것이다.
소형 및 NUAV는 계속해서 리튬이온 배터리를 이용할 가능성이 높다. 구성에 따라서는 NUAV로 단일 셀을 사용해서 30분 체공 시간이 가능하다. 체공 시간이 길고 대형인 모델일수록 다중셀 디자인을 필요로 할 것이다.
그러면 LTC3300 같은 IC를 사용해서 배터리 셀 밸런싱을 하면 시스템 가동 시간을 극대화할 수 있으므로 유용하다.
구글이 미래의 인터넷 서비스 제공용으로 개발하고 있는 것과 같이 의사위성(pseudo-satellite)으로 동작할 수 있는 초고고도(very high altitude) UAV는 배터리 에너지에 보조적으로 태양광 에너지를 사용할 수 있을 것이다.
이러한 시스템은 복사선이 증가하는 환경에서 신뢰할 수 있는 동작을 유지해야하기 때문에 복잡성이 증가할 것이며 철저하게 테스트를 거친 특수한 특성의 IC를 필요로 할 것이다.
결론
무인 군사 시스템이 오늘날 군대에서 없어서는 안 될 요소가 됐으며 더 소형화되고 저렴한 UAV 시스템을 개발하기 위해 계속해서 집중적인 자금 투입과 연구개발이 이뤄지고 있다.
센서 시스템과 UAV의 전자 장치들이 갈수록 복잡해지고 있으며 전원 체인의 효율과 온보드 전원 소스가 전반적인 성능에 있어서 갈수록 더 중요한 요소가 되고 있으며 새로운 전원 IC 솔루션들이 등장함으로써 SWaP(크기, 무게, 전력) 목표를 달성할 수 있도록 한다.
고고도 UAV와 긴 체공 시간을 위해서는 태양광과 연료전지 같은 새로운 전원 소스들이 요구되고 있으며 이는 다시 새로운 IC 솔루션을 필요로 한다.
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