한국방위산업진흥회
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(이미지 출처 : https://signsofthelastdays.org/mysterious-drone-swarm-attacks-russias-base-syria/)


88올림픽 이후 30년 만에 우리나라에서 열린 세계 대 축제, 평창동계올림픽! 세계 최초의 5G 서비스, 인공지능(AI), 자율주행차, 로보틱스 등 첨단 ICT 기술을 선보이며 지난 2월 25일 전 세계인의 호평 속에 마무리 되었는데요. 특히 1,218개의 드론이 동시 비행을 펼치면서 올림픽의 상징인 오륜기를 만들어 내는 퍼포먼스는 동계올림픽 역사상 명장면으로 기억되고 있습니다. 




<평창개막식 드론떼 오륜기(출처 : SBS TV Job)>


그렇다면 드론 1,218대가 동원된 오륜기 장면은 어떻게 만들어질 수 있었을까요? 아마 대부분의 사람은 적어도 수 백명의 전문 조종사, 또는 수 백대의 컴퓨터가 드론을 직접 조종했다고 생각했을 텐데요. 하지만 놀랍게도 1,218대의 드론 비행은 단 한 대의 컴퓨터와 단 한 사람의 조종으로 탄생한 것이랍니다. 


이처럼 단 한 사람만으로도 수많은 드론을 조종할 수 있는 이유는 벌이나 새처럼 드론이 떼를 지어 비행하는 ‘드론떼(Drone Swarm)’비행 기술 덕분입니다. 현재 드론떼는 민간에서뿐만 아니라 미국, 중국, 러시아 등지에서 군사 작전에 사용하기 위한 활발한 연구가 진행중에 있는데요. 우리나라 역시 육상작전과 상륙작전 및 해상작전 시 그 활용도를 높이기 위해 드론떼 관련 연구에 착수했다고 합니다. 그럼 지금부터 드론떼가 가진 기술과 군사작전에서의 활용방안에 대해 좀 더 자세히 살펴보도록 하겠습니다.


 

<광활한 구역 감시를 위해서는 항공세력을 이용하는 것이 효율적이다.(출처 : 대한민국 정부 정책 소개 블로그)>




해양 작전에서의 히든카드, 드론떼


현재 우리나라 해상작전구역은 휴전선 길이의 9.5배, 남한 넓이의 3.3배인 30만㎢에 이르는데요. 하지만 넓은 해역에 비해 이를 지키는 해상초계기는 10여 대에 불과합니다. 이러한 상황에서 드론떼가 추가된다면 해상초계기나 해상작전헬기의 탐색 반경을 넓히고, 기상 악조건(짙은 해무나 저시정 등) 속에서도 신속하게 적 잠수함을 식별할 수 있을 것입니다.


코요테 드론의 경우 현재 운용중인 해상초계기(P-3)와 해상작전헬기(AW159) 내 탑재된 사출장치를 그대로 이용해도 되는데요. 연안이나 해상(함정)에서 이륙시켜 운용하는 것보다 공중에서 해상 초계기/헬기가 직접 드론떼를 통제하고 사출시킴으로써, 보다 더 유리한 네트워크 상태 확보가 가능해지는 등 다양한 장점들이 있을 것입니다.





해상초계기에서 운용되는 드론떼의 효용성 정도를 보다 정량적으로 알아보기 위해 사용 공학용 프로그램(Matlab)을 활용해 시뮬레이션을 시행해보았습니다.



<드론떼와 해상초계기(P-3) 운용 시 잠수함 탐지확률을 알아보기 위한 시뮬레이션 결과>




<초계기 단독 탐색 시 레이다에 의한 잠망경 항해 잠수함 탐지확률 : 14.1%>



<초계기 + 드론떼(12대)에 의한 잠망경 항해 잠수함 탐지확률 : 41.0%>


그 결과 잠수함 탐지에 드론떼를 이용하는 것이 효과적이었는데요. 기존처럼 해상초계기 단독으로 작전하는 것보다 드론 12대를 함께 운영하는 것이 2배 이상의 탐지확률을 나타냈습니다.


또한 짙은 해무가 끼어 시정이 낮은 상황에서는 해상초계기나 해상작전헬기에서 사출시킨 드론떼를 이용한다면, 신속한 비(非)표적-표적 판단이 가능하여 정밀 식별을 위한 시간을 최소화할 수 있을 것으로 보입니다.




탐색·구조 임무에 최적화


해상사고 발생시 그 위험은 육지보다 매우 높은데요. 한여름이라 해도 저체온증과 쇼크사, 익수자 발생 등 생존에 직결되는 위험이 큽니다.


설사 해상사고가 발생해 구명 보트에 올라타 구조를 기다린다 하더라도 사고 해역이 태평양처럼 드넓은 바다라면 구조 요원들이 조난자들을 발견하기가 어렵습니다.



<국내에서 개발된 영상재난구조 시스템 탑재 드론의 가상 익수자 구조 모습 (출처 : ‘17.07.16일자 ’LTE 드론, 사고 감시에 조난자 구조까지‘ 기사)>



또한 해상에서 급변하는 날씨와 높은 파도는 탐색구조 임무를 더 힘들게 하는 요소들이고, 무리한 임무 수행은 또 다른 사고를 불러일으키기도 하는데요.


드론떼는 이러한 위험하고도 성공 확률이 낮은 임무를 수행하는 데 최적화된 수단이 될 수 있습니다. 최근 국내에는 산불이나 지진, 홍수 등 각종 재난이나 등산객 조난, 익수자 발생 등의 긴급 상황 발생 시 대응할 수 있는 드론을 개발하는 등 상용화도 눈앞에 두고 있습니다.


인명 구조 장비를 익수자에게 투하하는 임무 이외에도 야간 탐색·구조 작업 시 드론떼에 조명탄을 탑재하여 투하하거나 드론 하단부에 LED와 같은 조명을 장착해 임무구역 근방을 군집화 하여 빙글빙글 돌게 하는 등 응용분야도 상당합니다.




함정의 방어막 역할을 수행할 드론떼



과거 제2차 세계대전이 한창이던 1939년 9월부터 1945년 4월 기간 동안 연합국의 상선 4,770척이 소실됐는데요, 그 중 2,770여 척이 독일 잠수함에 의한 손실이었습니다. 통계상 독일 잠수함 1척에 대응하기 위해 연합국 측은 25척의 수상함과 100대의 항공기를 동원하였다고 합니다.


이러한 과거의 전사만 살펴보더라도 함정에 대한 잠수함의 위협은 매우 크다고 할 수 있습니다.



<과거 수십 척의 북한 잠수함 미식별 상황은 아군 함정에게도 큰 위협이 되었다.(출처 : YTN 뉴스 속보)>



북한도 과거부터 잠수함을 동원해 해상 도발을 지속적으로 해 왔습니다. 2010년 천안함 피격사건, 2015년 북한 잠수함 50여 척이 동시다발적으로 기지를 이탈해 우리 해역을 위협한 사건 등이 대표적인 예이지요. 최근에는 잠수함발사탄도미사일(SLBM)을 탑재한 신형 잠수함을 개발하면서 우리에게 큰 위협이 될 것으로 예상되고 있습니다. 


따라서 만약 우리 군이 드론떼를 활용하여 북한 잠수함에 의한 아군 함정 피해를 최소화하고 우리 군의 임무 수행능력을 극대화 할 필요성이 대두되고 있습니다.


북한 잠수함은 일반적으로 함정을 공격하기 전 명중률을 높이기 위해 함정 위치를 잠망경으로 확인하고 어뢰를 발사하는데요. 이때 함정에서 드론떼를 이륙시켜 함정 반경을 지속적으로 선회하며 잠망경을 찾는다면, 공격을 예측해 회피하거나 역으로 잠수함을 먼저 공격할 수 있을 것입니다.




드론떼를 운용할 수 있는 핵심 비행 기술, 제어방식!





한 대도 아니고 수십 수백 대의 드론을 동시에 운용하기 위해서는 어떤 기술이 필요할까요?


수많은 드론을 조종하기 위해서 가장 효과적인 알고리즘이 적용되어야 할 텐데요. 드론떼 비행 제어방식은 크게 4가지로 나눌 수 있답니다. 

 

첫째, 선도 / 추종기 방식입니다. 이 방식은 맨 앞에 선 리더 드론(선도기)을 따라 여러 대의 드론이 뒤에서 쫓아 가는(추종기) 개념입니다. 새떼의 편대 비행을 모방한 방식이죠. 

 

둘째, 가상 구조 방식입니다. 리더 드론이 없고 삼각형이나 사각형과 같은 가상의 구조를 이루어 이동하는 개념입 니다. 선도 / 추종기 방식에 비해 군집 비행 형태 유지에 유리한 것이 특징입니다. 

 

셋째, 일치 기법입니다. 각 드론이 일정한 수직 거리와 수평 거리를 서로 유지하면서 함께 이동하는 개념인데요. 따라서 각 개체들이 인접 개체와 제한된 정보교환을 연속적으로 유지할 수 있습니다. 

 

넷째, 행동기반 방식입니다. 각 드론 간 거리나 상대방위를 기준으로 가상의 구조를 형성한 후 이동하는 개념으로, 다른 군집비행에 비해 네트워크 소요량이 적은 것이 특징입니다. 

 


<드론떼 제어방식의 특징>


이처럼 4가지 제어기술은 다양한 전장 환경 및 전술 상황에 따라 적용할 수 있을 텐데요. 예를 들어 선도 / 추종기 방식은 선도기가 적에게 피격될 가능성이 높은 전장상황이라면 다른 방식으로 제어하는 것이 효과적일 것입니다. 선도기가 격추된다면 추종기들의 기동에 문제가 생기기 때문이죠.


반면 선두에 선 드론의 안전이 보장되면서, 네트워크 상 송수신 데이터 량이 많을 시 매우 효과적일 것입니다. 이러한 각 제어방식의 장단점을 적절히 분석하고 판단하여 드론떼를 운용할 전장 상황에 가장 최적화 된 제어 방식을 적용해야 합니다. 




적을 식별하고 다음 행동까지 예측할 수 있다고? 드론떼의 표적 식별과 분석 기술!





최근 드론떼에서는 인공지능을 기반으로 적을 식별하고 다음 행동까지 예측할 수 있는 기술을 연구 중에 있습니다. 바로 ‘표적 식별 기술’과 ‘분석 기술’입니다. 먼저 표적 식별 기술을 살펴보면, 표적을 정확히 구분하기 위해 다양한 표적의 영상 자료를 인식시킨 후 실제 표적을 알아내는 기술인데요. 다만 현재의 기술력으로는 탐지된 표적 수가 늘어나면 그만큼 정확도가 떨어지는 제한사항이 있습니다. 따라서 현재 기술 수준에 맞는 적정 표적 수를 알고리즘에 반영시킨다면 효과적으로 적을 탐색할 수 있습니다. 

 

아울러 분석 기술은 적을 파악한 후 그 객체의 의도까지 분석하고 추론하는 기술인데요. 예를 들어 우리 해상에서 적 경비 함정이 나타났다고 가정해보죠. 이 경비 함정이 단순히 위협을 하기 위해 나타난 것인지, 아니면 실제 도발을 준비하고 공격하기 위함인지 등을 알아낼 때 드론떼 분석 기술이 활용된답니다. 이 기술의 원리는 표적의 이동 방향이나 표적 간 상호작용을 분석해서 적의 의도까지 추론해 내는 것입니다. 



지금까지 드론떼가 가진 기술과 군사 작전에서의 활용 방안에 대해 살펴보았습니다. 현재 북한의 끊임없는 해상 도발 위협 속에서 드론떼는 부족한 전력 증강에 큰 도움이 될 수 있을 것입니다. 하루빨리 드론떼가 실제 군사 작전 환경에서 활용될 수 있기를 기대하겠습니다.


※ 더 자세한 내용은 월간 <국방과 기술> ‘17년 11월호에 게재된 ‘미래 해상전장의 주역, 드론떼가 몰려온다!’를 통해 확인하실 수 있습니다.



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