MUAV ( 중고도정찰용무인항공기 ) 개발현황 (The Development Status of MUAV) 유홍주, 박병훈, 정덕조, 이왕국, 이재화, 정인재, 임경미국방과학연구소 요약 MUAV 체계는공군의표적정보수집, 정찰및감시등의임무수행을위해, EO/IR 및 SAR를동시탑재하여원거리고해상도영상정보를획득, 실시간전송이가능한중고도무인항공정찰체계이다. 이체계는고공에서장시간체공하는무인비행체, 고해상도영상을획득하는 EO/IR 및 SAR, 지상에서임무를계획및통제하는임무통제체계, 비행체이착륙을계획하고통제하는이착륙통제체계와대용량의데이터를송수신하는데이터링크체계로구성된다. 무인비행체등과같이이체계를구성하는각부체계는그자체로도규모가크며기술적난이도가높은복잡한체계이므로 MUAV와같은대형 / 복합체계를개발하기위해서는심도있는개념설계가필요하다. 본논문에서는작전운용성능분석, 체계설계요구조건설정등의체계개념설계결과와주요부체계인비행체, 임무 / 이착륙통제체계, 데이터링크체계의개념설계결과를정리하였다. I. 서론 II. 체계개념설계 MUAV 사업은공군의표적정보수집, 정찰및감시등의임무수행을위해, EO/IR 및 SAR를동시탑재하여원거리고해상도영상정보를획득, 실시간전송이가능한중고도무인항공정찰체계를국내연구개발하는사업이다. 중고도무인항공정찰체계를국내연구개발하면전략정찰 감시체계를독자구축할수있으며, 이에따라정보누출이예방되고, 국내타정보획득체계및전파체계와의상호운용성을확보할수있게된다. 또한향후고성능무인항공기, 무인전투기등미래무인화핵심전력체계개발을위한기술적전환점이될수있으며, 운영유지비절감및정비효율화로전순기비용절감이가능하며, 고부가가치창출, 고용증대, 타산업기술파급효과등경제적효과를가져올수있다. MUAV체계는고공에서장시간체공하는무인비행체, 고해상도영상을획득하는 EO/IR 및 SAR, 지상에서임무를계획및통제하는임무통제체계, 비행체이착륙을계획하고통제하는이착륙통제체계와대용량의데이터를송수신하는데이터링크체계로구성된다. 무인비행체등과같이이체계를구성하는각부체계는그자체로도대형이며기술적난이도가높은체계이므로 MUAV 와같은대형 / 복합체계를개발하기위해서는심도있는개념설계가필요하다. 본논문에서는작전운용성능분석, 운용개념및체계설계요구조건등의체계개념설계결과와주요부체계인비행체, 임무 / 이착륙통제체계, 데이터링크체계의개념설계결과를정리하였다. 1. 작전운용성능분석작전운용성능중에서운용고도와작전반경에대한분석결과는다음과같다. 장시간체공운용을위해운용고도는민간항공기운용고도이상으로하는것이적절하다. 작전반경은활용가능위성통신체계의성능에따라좌우되는데, 군위성통신을사용하면한반도대부분지역및일본일부지역까지정찰이가능하고, 가시선링크만을활용할경우에도평시정찰임무수행이가능하다. 2. 운용개념관심지역의연속적인감시를위해서는, 임무지역에서임무를수행하는비행체 1기와임무종료시간부근에근방에서대기하는비행체 1기가있어야한다. 임무수행및임무대기비행체의고장등과같은사태에대처하기위해서는지상에서비행체 1기가임무수행준비상태로대기하여야하며, 정비소요등을고려하면 1기가추가로필요하므로 MUAV 체계 1식에서비행체는최소 4기가필요하다. 임무수행및대기하는비행체각 1기를임무통제체계가동시에통제가가능하여야하며, 임무대기를위해이륙하는비행체및지상대기비행체각 1기를이착륙통제체계가동시에통제가가능하여야한다. 또한, 이착륙통제체계는임무통제체계의고장등과같은비상상황에대비하여, 임무중인비행체및임무대기비행체의동시통제가가능하여야한다. 최대 3대동시운용을위한 MUAV 체계의운용개념을 UML(Unified Modeling Language) 모델링등을통하여정 - 1 -
립하였으며, MUAV 의임무수행절차는그림 1 과같다. 소요군의작전운용성능과체계설계요구조건등을기초로비행체외형개념설계, 내부배열개념설계를수행하였는데, 성능해석과풍동시험그리고 2회의무선조종비행시험을통하여형상 M100에서부터형상 M101을거쳐서, 형상 M102까지비행체형상을개량하였다. 그림 1. MUAV 임무수행절차 3. 체계설계요구조건 MUAV 비행체의표준임무형상을정의하였으며, 비행안전신뢰도요구조건, 표적위치정확도등의요구조건을유사무기체계성능을비교분석하고기술발전추세를고려하여설정하였으며, 한반도고공의기상측정자료를통계처리하여고공에서비행중의환경요구조건을설정하였다. 현관련규격과기술수준및발전추세등을고려하여, 감항인증기준설정을위한기본자료로 NATO 규격인 STAGNAG (Standardization Agreement) 4671 등을선정하였으며 TCAS II, 피아식별기장착등과같은비행체충돌회피관련요구조건을설정하였다. 탑재임무장비 (EO/IR, SAR) 의특성에맞게최적의임무성능을발휘할수있도록여러영상획득모드를설계하였다. 운용모드설계에서모드명칭, 영상획득방식, 모드해상도, 영상크기및기준거리를정의하였다. 4. 운용효과도분석무인항공정찰체계운용효과도분석연구를통해정찰용중고도무인항공정찰체계개발에서요구되는운용효과도분석기법을개발하였다. 개발된분석기법은 M&S를이용하여무인항공정찰체계의성능제원에따른운용효과도를제시하는것으로, 이를무인항공정찰체계의임무성능과환경에따른운용효과를분석하기위한도구로활용하였다. 무인항공정찰체계의탐지와식별을결정짓는입력변수, 탐지와식별에영향을미치는기상, 지형그리고표적상태와같은외부환경및내부변수를고려하여운용효과를산출토록모델을구축하였다. 또한, 각센서의입력자료를통해주 야간및강우 강설에따른효과도분석이가능토록 EO, IR, SAR 각각에대한센서별모드를지정하여운용효과도를분석할수있도록하였다. 1. 외형개념설계비행체초기개념형상을도출하기위하여채택가능한형태 (Conventional, Twin boom, Canard 등 ) 의비행체형상을분석하였다. 비행체형태별장단점을분석하여개발비용및위험도측면에서 Conventional 형태로초기개념형상을결정하였으며, 유사동급항공기의형상매개변수및개발경향을분석하여동체날씬비, 날개종횡비, Taper Ratio 등의초기평면형상변수를결정하였다. 초기값으로결정된평면형상변수를기초로군요구조건에적합한중고도무인기평면형상을추진형태 (Turbo Fan, Turbo Prop) 별로초기사이징과정을통하여도출하였다. 도출된형상을비교검토한결과, 개발위험도및운용경제성관점에서 Turbo Prop 형상이 Turbo Fan 형상보다더적절한것으로판단되어 Turbo Prop 형상을 MUAV 개념설계형상으로선정하였다. 초기사이징에의해형상 M100을도출하였고, 이형상에대한비교연구 (Trade off Study) 및분야별해석결과를반영하여형상 M101, M102를도출하였다. 1.1 M100 형상설계형상 M100은추진형태 (Turbo Fan, Turbo Prop) 를공유할수있는개념으로동체를설계하였으며, 엔진 Nacelle에 Turbo Prop 엔진이삽입, 장착되고또한 Nacelle과동체를 Strut으로연결하는형태로구성되어있다. SAR 안테나는비행체와간섭이최소가되는위치 ( 동체후방 ) 에장착되었으며, Tail Bump 각이 12도를유지하도록동체를설계하였다. 전방동체는 SATCOM 안테나로인하여형상이결정되었으며동체연료탑재량을증가시키기위하여횡안정성을크게저하시키지않는범위에서가능한저익으로설계하였다. 그림 2는형상 M100을보여주고있다. III. 비행체개념설계 그림 2. 형상 M100-2 -
1.2 M101 형상설계형상 M101은형상 M100이엔진 Strut에의한과도한항력및추력선의상향으로인한 Trim 항력의증가현상이있어서이를개선하기위해후방동체형상을변경하고, 관련세부분야별로비교연구를통하여비행체형상을전반적으로개선하였다. 또한항력을감소시키고양항비를상향시킬수있는최적화된익형 (KMA1017) 으로개선하였다. 그림 3은형상 M101의외형과내부배열이다. 그림 4. 형상 M102 2. 비행체중량분석비행체내부배열설계결과에대하여비행체중량분석이수행되었으며, 무게중심 (C.G.) 포화선도를설정한결과, 전방 C.G. 한계는 16% 의정적여유를갖고, 후방 C.G 한계는 7% 정적여유를갖도록적절하게설계된것으로확인되었다. (a) 형상 M101 외형 (b) 형상 M101 내부배열그림 3. 형상 M101 1.3 M102 형상설계형상 M101의설계타당성을확인하기위하여역학적으로상사된축소모형을활용한무선조종비행시험을수행하였다. 비행시험결과를반영하여미익의면적을증가시켜비행체의세로안정성을향상시켰다. 또한분야별 2차비교연구를통하여전반적으로동체형상을개선하였으며특히형상매개변수분석및전산유체해석을통하여동체형상을최적화하였다. 이를바탕으로개념설계최종형상인형상 M102를도출하였으며. 그림 4에보였다. IV. 임무 / 이착륙통제체계개념설계 MUAV 체계의지상통제체계는이착륙통제체계와임무통제체계로구성된다. 이착륙통제체계는활주로근처에위치하여무인항공기이착륙통제, 근거리비행통제, 임무장비점검및통제권변경등을수행하며, 임무통제체계는비행통제, 통제권변경, 임무계획, 영상처리및영상분석, 영상정보전파등의임무를수행한다. 요구사항정립및분석, 선진국의기술현황분석, 아키텍처설계등을통해개념설계를수행하였다. 현용유사무인기체계와관련된지상통제체계기술수준조사는미군에서운용중인글로벌호크, 프레데더, 이스라엘에서운용중인이글을대상으로하였다. 조사결과, 다수무인기통제기능보유, 상용부품및프로그램적극사용, 안전과관련된장비의다중화적용및자동이착륙기능보유등과같은기술적추세를확인하였다. 특히, NATO 동맹국들간무인기체계의임무통제장비와비행체, 그리고 C4I 체계간의상호운용성을구축하고, 표준으로규약된인터페이스프로토콜을사용함으로써무인기체계의상호운용성증진을목적으로제정된 STANAG 4586의기본개념은향후국내무인기개발계획및기술의활용성을고려하여적극적으로수용해야할것으로분석되었다. MUAV 체계요구사항을분석하여이착륙통제체계및임무통제체계의요구사항을도출하였다. 도출된요구사항을항목별로추적하고버전관리를용이하게하기위해요구사항관리도구인텔레로직사의 DOORS를활용하였다. 전체적인요구사항분석아키텍처는그림와같이구성하여수행하였다. 본업무를통해임무계획, 상 - 3 -
황인식, 지도, 외부체계와의인터페이스, 지상통제체계의소프트웨어아키텍처, 소프트웨어를포함한시험계획안등세부적인기능또는계획을작성하였다. 임무통제체계의기능할당설계결과는그림 8과같다. 임무통제체계를구성하는장비가운데고신뢰도및비행안전과관련된구성품인비행 / 임무통제장비, 네트워크관리장비, 데이터저장장치등은이중화를적용하였다. 그리고, 이착륙통제체계의기능할당설계결과는그림 9 와같이이착륙과관련된부분을제외하면임무통제체계와유사하다. 임무통제제계의소프트웨어아키텍처는그림 10과같이 3-Layer 구조로구성되는데, Boundary Layer는임무통제체계외부인터페이스를담당하고, Control Layer 는임무통제체계의핵심로직을구현하며, Entity Layer 는임무통제체계의모든데이터를관리하는역할을하도록설계하였다. 이착륙통제장비는임무통제체계와동일한소프트웨어아키텍처로구성된다. 그림 5. 요구사항분석아키텍처 지상통제체계의요구도 / 요구조건에따른내 / 외부인터페이스설계결과는그림 6과같다. 이착륙통제체계및임무통제체계는외부체계및항공관제소 (ATC) 와인터페이스되고, 내부의데이터링크체계와명령및상태데이터를주고받는다. 신호관점에서지상통제체계와비행체사이에데이터링크를통해송 / 수신되는데이터는그림 7과같다. 그림 8. 임무통제체계구성도 그림 6. 지상통제체계내 / 외부인터페이스 그림 9. 이착륙통제체계구성도 그림 7. MUAV 체계주요인터페이스신호흐름도 - 4 -
그림 12 는데이터링크기능할당을보여주고있다. 그림 10. 임무통제체계의소프트웨어아키텍처 V. 데이터링크체계개념설계 그림 12. 데이터링크기능할당 데이터링크체계는가시선데이터링크와위성데이터링크로구성되며, 가시선데이터링크는 1차, 2차가시선데이터링크로구성된다. 또한임무통제체계및이착륙통제체계의데이터링크지상부와비행체의탑재부로구분한다. 데이터링크탑재부는탑재데이터링크통합제어부, 가시선데이터링크탑재부, 위성데이터링크탑재부로구성되며, 데이터링크지상부는임무통제체계, 이착륙통제체계의데이터링크통합제어부, 가시선 위성송수신및지상안테나부로구성된다. 위성데이터링크는군위성통신체계의트랜스폰더를사용할예정이다. 개념연구기간동안데이터링크체계에대한요구사항분석 / 할당을통하여군요구사항을분석한후체계요구사항을분석하였고이를통하여비행체, 임무통제체계, 이착륙통제체계에해당하는데이터링크시스템의기능분석을수행하였다. 요구조건항목별추적성및버전관리를위해요구조건관리 CASE 도구인텔레로직사의 DOORS를활용하였고, 그림 11은 DOORS에서데이터링크와관련된요구조건의구성도를나타낸다. 시스템구조설계를통하여데이터링크하드웨어아키텍처 ( 안 ) 을도출하였다. 그림 13은데이터링크탑재부의하드웨어아키텍처이다. 그림 13. 데이터링크탑재부하드웨어아키텍처그림 14는데이터링크지상부의하드웨어아키텍처이다. 그림 11. 데이터링크요구조건구성도 그림 14. 데이터링크지상부하드웨어아키텍처 - 5 -
무인기와지상통신장비간의통신링크분석의기초가되는링크버짓분석을수행하였다. 링크버짓은 Ku-band 및 UHF-band에대하여 MUAV 와임무통제체계사이, MUAV와이착륙통제체계사이에서여러데이터전송률, 고도및통신거리에대하여분석되었으며, 또한 Low Angle 페이딩, Scintillation, Gaseous Absorption 등의손실조건및 Crane D3영역에서의강우조건을고려하였다. 그림 15는 Crane two component 모델에서의강우지역을나타낸다. 운용고도, 다운링크데이터전송률, 변조방식, 송신출력, 주파수, 지상안테나및탑재안테나크기, 기타손실요인및 Crane two component 모델을적용하여강우를고려한경우, 분석결과로부터통신거리요구조건을만족하는 Link Margin을확보할수있음을알수있었다. 부기능할당을완료하였다. 임무및이착륙통제시스템에대한개념설계결과는탐색시제개발을위한기본형상으로적용하기에적절한것으로판단된다. 그림 15. Crane Zones Map VI. 결론 체계개념설계을통하여 MUAV체계의운용개념을정립하였으며, MUAV의군운용요구조건충족을위한체계요구도 / 요구조건을도출하여탐색개발에서체계설계를위한체계개발규격서초안으로적용할수있도록하였다. 비행체개념설계에서는 CATIA를이용하여비행체외형과내부배열개념설계를수행하였다. 비행체는군요구를바탕으로상쇄연구를통해초기형상 M100을도출하였으며, 역학적으로상사된중간형상 M101의축소모형을활용한무선조종비행시험과형상최적화연구를통해비행안정성과공력성능이향상된형상 M102를도출하였다. 도출된최종형상 M102는성능해석및비행안정성시험결과군운용요구조건을만족하므로, 탐색개발을위한후보형상으로충분히적용이가능한것으로판단된다. 임무 / 이착륙통제체계와데이터링크체계의개념설계에서는체계운용개념설계를통하여임무수행을위한각장비의기능분할을완료하였다. 이에대한소프트웨어와하드웨어아키텍처구성및각소프트웨어에대한세 - 6 -