국내외드론탐지기술동향 이규환정보통신기술진흥센터수석 I. 서론 영화에서주로적을공격하고정찰하는기계인드론 (Drone) 은 IT 기술발달로인해더작고, 더가벼워지고운송무게 / 운항거리도증가해거의모든산업에서영향력을키워가고있다. 미국아마존, 독일 DHL, 영국도미노피자등은물류에서드론을활용하여배송시간을단축시키려하고있으며, 방송 / 영화에서는카메라를장착하여다양한각도의장면들을제공하고있다. 구글과페이스북은드론으로개발도상국, 저개발국가에인터넷을보급하겠다는계획을내놓기도했다. 이외에도농업, 건설, 교통, 재난방지, 교육, 통신등드론이모든곳에서활용될수있을것으로인식되면서우리나라를포함한선진국들은산업활성화및규제철폐 / 완화를추진하고있다. 미국틸그룹의보고서에의하면세계드론시장의규모는 2013 년 66 억달러 ( 군사용 90% 이상 ) 에서 2022 년 114 억달러로성장하고, 민간비중도확대될것으로예상하고있다. 드론은우리실생활깊숙이파고들어없어서는안될존재로부각되고있지만언제라도공격적인목적으로남용될수있으며, 이로인한위협은상대적으로소외되고있다. 기술적인결함또는조정자의실수로발생하는사고까지완벽하게막을수는없지만드론을악의적으로사용한사생활침해, 기밀유출, 테러등은사전에차단되어야만드론산업발전의저해요소가되지않을것이다. 현재까지드론에의해발생한대표적인사고로는독일메르겔총리선거유세침입사건, 런던에서여객기와의충돌사고등이있다. 세계최고수준의경호를자랑하는미국백악관에서는조정자의실수로침입한드론에대응하지못했으며, 일본총리관저옥상에서는미량의방사성물질을함유한드론이발견되기도했다. 드론의운송능력이점점커짐에따라수십킬로그램의마약, 불법의약품, 무기등의밀반입까지도가능해지고있어이런위협은더욱증가할전망이다. * 본내용은이규환책임 ( 042-612-8168, berg76@iitp.kr) 에게문의하시기바랍니다. ** 본내용은필자의주관적인의견이며 IITP 의공식적인입장이아님을밝힙니다. 14 www.iitp.kr
ICT 신기술 규제나제도적인측면에서이를방지하려하고있으나오남용을방지할수없어서드론을 탐지, 경고, 추적, 격추하는안티드론 (Anti-Drone) 이라는새로운산업을탄생시키고있다. 본고 에서는드론을탐지하는방법에대한기술동향을살펴보고자한다. II. 드론이란? 1. 드론의역사드론은당초정찰및폭격을위한군사목적으로개발되었으며 1903 년유인항공기의최초비행이있기전부터사용되었다. 1849 년오스트리아에서발명되고베니스전투에서사용된폭탄을떨어뜨리는열기구가시초라고볼수있으며, 1883 년에더글라스아치볼트가개발한 Eddy s Surveillance Kite 는최초로항공사진을촬영하였다. 1917 년에개발된 Sperry Aerial Torpedo 가일반적으로생각하는무인항공기의모습이며 1 차세계대전이끝난후무인항공기개발은크게감소했다. 1939 년발발된 2 차세계대전은영국의퀸비 (Queen Bee) 를탄생시켰으며, 최초의왕복재사용무인항공기라는타이틀을쥐게되었다. 또한, 이무인항공기는드론 ( 수벌 ) 이라는어원을탄생시킨비행체이다. 1982 년이스라엘스카우트 (Scout) 는레바논전쟁에서실전투입되어미사 < 자료 > http://www.pbs.org/wgbh/nova/spiesfly/ [ 그림 1] 드론의발전과정 정보통신기술진흥센터 15
일유도등의전투임무를수행하였다. 1980 년대말에등장한파이오니어 (Pioneer) 는걸프전에 533 회출격하여임무를수행함으로써전쟁에서드론이중요한요소로인식되는계기가되었다. 1990 년대프레데터 (Predator) 는순수정찰용으로개발되었으나대전차미사일등무기장착이가능해전투용으로도사용되었다. 프레데터는아프간, 이라크, 파키스탄, 발칸반도, 예멘등에서가치를인정받으면서널리사용되었고드라마, 영화에서자주등장하면서일반인들에게대표적인무인정찰기로인식되었다. 2000 년대들어서는 IT 기술발전과더불어방송, 물류, 교통관제등다양한분야에서활용되고있다. 2. 드론의분류조종사가타고있지않는비행체라는의미의다른용어인 UAV(Unmanned Aerial Vehicle), UAS (Unmanned Aerial System) 와원격으로조정된다는의미의 RC(Radio Controlled), RPAS(Remotely Piloted Aircraft System) 등과혼용되어쓰이고있다. 우리나라는국내법령상 150kg 이하는무인비행장치, 150kg 초과는무인항공기로구분하고있다. 드론분류는목적에맞게여러유형이존재하며형태, 크기 ( 무게 ), 고도, 운용목적, 성능등을가지고구분된다. 일반적으로흔히접할수있는기준으로는장착된프로펠러수에따라쿼드 (Quad-, 4) 콥터, 헥사 (Hexa-, 6) 콥터, 옥타 (Octa-, 8) 콥터등으로구분한다. 작용-반작용원리로인해짝수로구성되어있으며, 균형을잡기위해서서로마주보고있는프로펠러는같은방향으로회전한다. 쿼드콥터의경우, 헬리콥터처럼반토크를막기위한꼬리날개같은장치가필요 < 자료 > https://en.wikipedia.org/wiki/u.s._military_uas_groups, http://publicapps.caa.co.uk/docs/33/cap%20722%20sixth%20edition%20march%202015.pdf 등 [ 그림 2] 기관별드론구분기준 16 www.iitp.kr
ICT 신기술 없고, 움직이고자하는방향의프로펠러회전수를저속으로줄이면기체가그방향으로기울어지면서기울어진방향으로이동한다. 구조가단순하고안정적인장점을가지고있다. 무게로보면, 25g 초소형 (Nano Drone) 부터 1 만 2kg 에달하는초대형드론 (Reaper MQ-9) 까지존재하며, 고도에따라저고도 (3km 이하 ), 중고도 (3~10km), 고고도 (10km 이상 ) 로구분한다. 운영목적에따른구분으로는정찰용, 전투용, 전자전용, 통신중계용등으로구분하기도한다. NATO, NASA 등국제기구에서는무게를기준으로구분하며기관별분류기준은 [ 그림 2] 와같다. 3. 드론의활용및시장전망영화, 드라마등에서드론이자주등장하고 DJI 팬텀등과같이보급형모델이보급되면서친숙해졌지만군사용을제외하면시장규모는매우작은편이다. 미국방위분석업체 Teal Group 에따르면 2014 년드론시장은약 53.1 억달러 ( 민간 0.6 억달러, 1% 수준 ) 인데, 이는개인소비재인스마트폰 3,109 억달러, 게임콘텐츠 899 억달러에비하면 0.02~0.07% 수준에불과하다 [8]. 하지만, 앞으로물류, 농업, 건설, 부동산, 미디어분야에서다양하게활용되면서, 민간용드론시장은 2023 년에는큰폭으로 13 배이상증가하여 8.8 억달러까지성장할것으로예측된다. 우리나라에서는등록된무인동력비행장치가 2013 년 238 대였으나약 1 년반만에 2 배가증가한 716 대가등록 (2015 년 7 월기준 ) 되었으며, 조정자격취득자수는 2013 년 64 명에서 1 년반만에 12 배증가하였다. 산업분야별드론활용사례는이런고성장예측을뒷받침해주고있다. 글로벌공룡기업인아마존이배송에활용하고자적극적인움직임을보이면서화제가되기도했다. 농업에서는살충제 / 비료살포등에일찌감치활용되고있으며, 재난발생시환자수송, 매몰자탐색등에활용될예정이다. 섬, 산림등접근성이낮은지역에대한의약품배달은이미운영하고있고, 체신고대수 ( 단위 : 대 ) 등록업체수 ( 단위 : 개사 ) 조종자증명취득자수 ( 단위 : 명 ) < 자료 > 국토교통부발표자료, 2015. 9. [ 그림 3] 국내무인동력장치현황 정보통신기술진흥센터 17
르노빌원전사고이후 28 년만에사고현장이드론을통해공개되기도했다. VR(Virtual Reality) 기술이접목되면서새로운스포츠를탄생시키기도한다. 분야별대표적인사례는 [ 표 1] 과같다. [ 표 1] 드론분야별활용사례 구분 물류 통신 활용사례 아마존을시작으로, 알리바바의타오바오, 독일 HDL, 프랑스우정 (GeoDrone), 도미노피자 (Domi Copter), 스타벅스, 에어로스페이스 (Aerospace- Burrito Bomber) 등이배달을목적으로연구 / 도입. 크록스, 요! 스시등매장내운영 구글 (Loon Project), 페이스북 (Aquila) 이낙후된지역의통신서비스불균형해소목적으로연구 농업 일본야마하 RMAX( 비료, 살충제 ), 프랑스샤토리쉬알드스캔콥터 ( 포도병충해감시 ) 재난 방위 미디어 이스라엘어반에어로노틱스 (Urban Aernautics) 는환자수송, 미국매터넷 (Matternet), 한국 CJ 대한통운은의약품, 구호물품전달, 네덜란드 TUDelft 의앰뷸런스드론 미국노스타코다주테이저건탑재드론 - 경찰지원, 한국리모아이 (RomoEye) 해양감시등 촬영용드론 ( 헬리캠 ) 을이용하여영화, 스포츠, 다큐멘터리등에활용 기타 보험 ( 스페이팜 ), 토지측량 ( 픽스포디, 파파스타모스 ), 부동산중계 ( 돈텔미쇼미 ), 밀렵감시 (Wildlife Protecting Drone), 드론레이싱 < 자료 > 권희춘, 김승일, 쉽고빠르게배우는드론만들기, 2016. 4. 우리나라기술수준한국의드론기술경쟁력은 2009 년만해도미국, 이스라엘과어깨를나란히하고있었으나드론산업의애플이라고불리는중국 DJI 가비약적인발전을하면서추월당하고있는상황이다. DJI 는민간드론시장의 70% 를장악하고있으며, 미국백악관, 일본총리관저등에서의무인기소동에서도중국 DJI 의드론이사용되면서유명세는더욱더높아졌다. 우리나라는세계에서두번째로틸트로터 ( 무인헬기 ) 를개발하고, 최고수준의 ICT 기술을보유했음에도불구하고상용화가정체되면서더딘성장을보여주고있다. 18 www.iitp.kr
ICT 신기술 < 자료 > Frost & Sullivan, UAV Market Trends and Forecast, 2009. 2012 국가별국방과학기술수준조사서, 국방기술품질원 2013 년도특정분야기술수준평가, 한국과학기술평가원 [ 그림 4] 드론분야국가기술경쟁력순위 III. 드론탐지기술동향 1. 전파탐지작은크기의몸체는드론의가장큰장점이자탐지를어렵게하는요인이다. 이작은크기가탐지의기본적인원리인반사되는전파또는빛을최소화하기때문이다. 레이더는특정펄스를전송하고반사되어오는전파의에너지, 주파수등을가지고물체의위치 ( 거리 / 고도 / 방향 ), 속도등을판단한다. 레이더시스템설계시고려해야할사항중에탐지물체와관련이있는것은입사파에대한반사파의비로정의한레이더반사면적 (Radar cross section: RCS) 인데, 이는물체의모양, 재질등에따라달라지며 [ 그림 5] 와같다. 평면의경우는레이더반사면적은동일하지만기울어진각도에따라수신에너지는제로에가까울수있다. 작은레이더반사면적으로인해아주높은레이더의송신파워가필요하지만상용기술로구현하기는어렵다. 그래서, 높은주파수대역을사용하거나안테나이득을높이거나송 / 수신레이더를여러곳에배치하는방법등이사용된다. 이스라엘스타트업아브로보틱스 (Arbe Robotics) 가고주파인 24GHz 를사용하여전방 1km 거리에서장애물을파악하는레이더기술을개발하였다 [1]. 일반적인탐지거리가 150~200m 인점을감안하면상당한거리이다. 한국 DGIST 에서는수신안테나를많이배치하는대신 2 개의안테나만활용하여탐지거리는유지하면서소형화가가능한기술을개발하였다 [2]. 정보통신기술진흥센터 19
< 자료 > http://www.rfcafe.com/references/electrical/ew-radar-handbook/radar-cross-section.htm [ 그림 5] 물체유형별레이더반사면적 있다. 이외에도드론탐지방법으로는무선신호해킹, 열 ( 적외선 ) 감지, 음향탐지, 영상인식등이 2. 무선신호해킹드론이자동화된프로그램으로움직이는것이아니라면제어를위해송수신이이루어지고있다는점을이용하는방법이무선신호해킹이다. 드론의최종목적지까지는최소한송수신이가능해야하기때문에탐지하는위치에서도이를수신할수있다. 제어를위해사용할수있는통신방식으로는 ISM(Industrial Scientific and Medical) 대역을사용하는블루투스 (Bluetooth), 지그비 (ZigBee), WiFi 등이있으나전송거리를고려했을때 WiFi 가많이쓰여지고있다. 3G/4G 및위성통신도가능하지만무게, 장비접근성등으로보편적이지는않다. 해당대역의 Radio Frequency Detector 로신호여부를탐지하여존재여부를판별할수있지만모든신호를보여주기때문에도시등전파가많이발생하는지역에서는효과를얻지못한다. 스누핑 (Snooping), 스푸핑 (Spoofing) 등과같은해킹기법을사용하여드론의위치, 속도등의정보를얻을수있으며제어권한을획득한다거나다른명령을지시할수도있다. Netvision 의 Drone Detector 는 1km 까지탐지가가능하고드론과조정자의위치도식별해낼수있으며, 스카이소프트웨어의스카이그래버 (SkyGrabber) 는 2008 년이라크반군이미군프레데터드론의동영상을리얼타임으로가로채는데사용되었다 [7]. 20 www.iitp.kr
ICT 신기술 3. 열 ( 적외선 ) 탐지열을가진물체가그열을적외선으로방출하는성질을이용하는것이열감지방법의기본원리이다. 물체의온도가높을수록더많은적외선이방출되기때문에프로펠러를회전시키는모터가주된탐지대상이된다. Seek Thermal 에서는핸드폰에장착해서사용할수있고최대측정거리가 550m 인열감지카메라를출시하였다. 다만, 드론여부를판단하기에는일반적인유효거리가약 100m 수준이고가스엔진이아닌전기모터의경우열방출이많지않기때문에탐지에어려움이있다. HGH 의 Spynel 적외선감시카메라는최대 8km 거리의사람을판별할수있으며, 사람이외에도드론 (UAV), 보트등도탐지가가능하며, RF 전파를사용하지않기때문에스텔스기능을갖춘비행체도탐지가가능하다. 레이더처럼적외선을방사하고반사되는적외선을수신해탐지하는 Night Vision 방식도있으며주차장에서흔히보는 CCTV 도같은원리이다. < 자료 > https://www.hgh-infrared.com/documents/optronic-for-security/videos [ 그림 6] 적외선감지예시 4. 음향탐지소리없이움직이기란쉽지않다. 빠른속도로회전하는모터와프로펠러 ( 로터 ) 에서는독특한소리가발생한다. 다른소리와구별되는이것을데이터베이스화된드론의소리와비교하는방식이다. 일반적으로탐지할수있는거리는 100~150 미터정도였으나, 파나소닉시스템네트웍스는 32 개의마이크를원형으로배치하여드론특유의로터회전소리, 바람소리등을감지하는방법으로약 300m 까지탐지거리를확대했다 [3][4]. 특정방향에서들어오는소리신호를가산하고, 무인항공기의비행신호가있으면신호강도가더욱상승하게된다. 드론쉴드도동일한방법이지만방향성을 30 도로좁히고탐지거리를 1km 까지향상시켰다. 오키전기공업 (OKI) 정보통신기술진흥센터 21
DroneSheld 파나소닉시스템네트웍스 OKI < 자료 > https://www.droneshield.com/products/, http://www.irobotnews.com/news/articleview.html?idxno=7010, http://pc.watch.impress.co.jp/docs/news/704183.html [ 그림 7] 음향인식을통한드론탐지사례은탐지거리를늘리기보다는 150m 탐지거리를가지는시스템을분산배치하고이를무선네트워크로연결함으로써탐지영역을확장시켰다 [5]. 각드론이가지고있는고유의소리는다른형태의로터를사용한다거나몸체에다른변화를주어서쉽게변경이가능하기때문에다른방법에비해상대적으로회피대응이쉬운탐지방법으로볼수있다. 5. 영상인식영상인식기술은드론탐지이외에도다양한분야에서적용되는기술이다. 정지된또는연속된이미지에서탐지대상 ( 객체 ) 을찾아내고 ( 검출 ) 드론여부를판별 ( 인식 ) 하게된다. 검출알고리즘을통해객체가있을가능성이높은영역을간추리고인식알고리즘으로드론여부를판단하게된다. 최근에는머신러닝 (Machine Learning) 의한방법인딥러닝 (Deep Learning) 이좋은결과를보여주고있으며, 2016 년 ImageNet 경진대회 (ILSVRC 2016) 에서는기계 ( 인식알고리즘 ) 가사람보다인식오류가낮은단계까지와있다. [ 그림 8] 과같이스위스로잔공대 (Ecole Polytechnique Federale de Lausanne: EPFL) 에서는 2012 년우승알고리즘인 CNN(Convolutional Neural Network) 등을이용하여사람이눈으로도찾기쉽지않은복잡한배경속에서드론을찾아내는기술을개발했다 [6]. 22 www.iitp.kr
ICT 신기술 감지영상인식결과 ( 녹색박스 ) < 자료 > http://cvlab.epfl.ch/research/unmanned/detection [ 그림 8] 스위스로잔공대영상인식사례 6. 하이브리드위에서살펴본것과같이접근방법에따라장단점이구분된다. 레이더는날씨에강한반면, 작은드론을탐지하기에는고주파, 고출력, 신호처리등의기술이필요하며, 영상인식은카메라렌즈, 고화질 CCD 등의발전으로드론크기에대한어려움은상대적으로적으나날씨에취약한단점을가지고있다. 음향탐지는드론과잡음제거 (Noise Cancellation) 기술이접목되면무소음도가능하기에탐지가어려울수도있다. 이로인해서각기술을독립적으로사용하기보다는 [ 그림 9] 와같이탐지거리, 환경등을고려해복합적으로사용하는제품도등장하였다. 하이브리드형제품아이폰과드론의부품비교 < 자료 > http://www.dedrone.com/en/dronetracker/drone-detection-hardware, https://www.wired.com/2012/06/ff_flyingsmartphone/ [ 그림 9] 하이브리드형제품및드론부품구조 정보통신기술진흥센터 23
IV. 결론및시사점 드론은인간이할수없거나위험하고힘든일들을대신해줄수있으므로우리에게좀더나은삶을가져다줄것은분명하다. 하지만, 태생적으로언제든지정찰, 공격용으로사용될여지를배제할수없는것도현실이다. 일반적으로판매되고있는드론의최대운영시간은 30 분내외이며운반가능한무게및수신거리가제한되어있어현재까지는큰위협이되지않고있다. 그러나, [ 그림 9] 와같이드론부품구조는디스플레이장치를제외하면스마트폰과거의같기때문에비약적인속도로개선될수있으며, 3D 프린터보급및성장을감안하면규제를피해서자체제작하는것도불가능해보이지않는다. 최근에는극단주의무장세력이슬람국가 (IS) 가폭탄을적재한드론을테러수단으로실전사용함에따라우려가현실로다가오고있다 [9]. 따라서, 규제 / 제도만으로오남용을막기는역부족이며개인신상및사생활보호, 주요중요시설에대한안전을위해서는탐지및방어기술개발도함께이루어져야한다. [ 참고문헌 ] [1] http://www.nocutnews.co.kr/news/4666641#csidxdbf28b7dfd8a3c788dc123da2eb86fb [2] http://www.dgist.ac.kr/site/dgist/menu/37.do [3] http://kr.whowired.com/news/articleview.html?idxno=413640 [4] http://www.irobotnews.com/news/articleview.html?idxno=7010 [5] http://monoist.atmarkit.co.jp/mn/articles/1505/28/news086.html [6] http://cvlab.epfl.ch/research/unmanned/detection [7] http://www.chosun.com/site/data/html_dir/2009/12/19/2009121900081.html [8] 한국게임해외진출전략수립을위한시장조사 ( 한국콘텐츠진흥원, 2016.5, 17p) [9] http://www.seoul.co.kr/news/newsview.php?id=20161013016015&wlog_tag3=naver 24 www.iitp.kr