1. 서 론
무인비행장치가 레저용 중심으로 빠르게 확산되고 있 고, 그 용도가 점차 상업용으로 옮겨가고 있는 상황에서 무인동력비행장치 산업 활성화와 품질 향상을 위한 산업 표준이 인정되고 있다[8]. 항공기(장비품 포함)의 항행안 전을 확보하기 위해서 항공안전법에서는 기술상의 기준 을 규정하고 있으며[13], 일반(유/무인) 항공기가 이 기준 에 적합하지 아니한 경우에는 항공기 운용을 제한하고 있다. 앞의 기준에서 정하지 않은 재료․부품 등의 기준 은 한국산업규격(KS : Korea Standard), 미국 군사규격 (MIL), 미국 항공우주규격(NAS), 미국 기술표준서(TSO : Technical Standard Order), 기타 국제적으로 공인된 규격 기준을 준용토록 하고 있다.
한국산업표준은 항공안전법에서 정하는 (유인)비행체 에 맞춰 대응 가능한 무인비행체(UAV 또는 RPA)를 각각 대형 무인항공기, 중형 무인항공기, 및 무인동력비행장치 로 구분하여 관련 제도를 마련하고 있다. 국토교통부에서 는 저고도 공역 내 무인비행장치의 안전성을 담보하고 무 인비행장치 활성화 및 산업화 기반 마련을 위한 비행기준 및 절차, 공역관리를 아우르는 全방위 노력을 기울이고 있다. 또한, 방위사업청도 군용 무인항공기에 대한 비행 안전성 인증에 관한 법률을 근거로 무인항공기 표준감항 인증기준을 마련, 적용 중이다.
이러한 항공안전을 위한 표준화 추세에 입각하여 살 펴볼 때 국내․외에서 급격하게 성장하고 있는 원격조종 항공기 드론의 한 종류로서 멀티콥터 전반의 표준화와 병행하여 조종기의 조종간(조종스틱) 배열 방식에도 표 준화가 필요할 것으로 판단된다. 현재 국내외에서 보급 판매되고 있는 멀티콥터의 조종기 모드는 통일되어 있지 않아서 조종자 양성이 어렵고, 안전에 저해가 우려되며, 산업계의 조종기 개발에서도 각 모드 간의 호환성을 가 지게 하기 위해서 부수적인 노력이 필요하다. 이에 본 연 구는 원격조종항공기 비행조종기의 조종모드 표준화 방 안과 그 필요성에 대한 확인을 위하여 관련 전문가 조사 를 수행하였다.
2. 본 론
2.1 무인비행장치 표준화 해외 사례
2.1.1 ICAO
국제민간항공기구(ICAO : International Civil Aviation Organization) 항행위원회는 산하에 RPAS panel을 설치 (2014년 7월 4일)하였다. RPAS panel은 2015년에 manual on remotely piloted aircraft systems(Doc 10019)’ 초판을 발표하였으며, 이후 지속적인 보완이 이루어지고 있다. 이 매뉴얼은 RPAS에 대한 개요, 형식증명과 감항성 승 인, 등록, 운용자 책임, 안전관리, 자격증명과 역량, 운항, 탐지 및 회피, 명령과 통제링크, 통신 원격조종기지국, ATM 통합과 절차, 비행장 이용 등에 대한 사항을 담고 있다[5]. ICAO의 RPAS 매뉴얼 표준에 따라 각 국가들은 무인항공기에 대한 개발계획과 운용계획을 수립하고 있 다. 대한민국의 경우도 국토교통부 항공정책실을 중심으 로 무인항공기 운용기준 수립과 저고도 무인비행장치(드 론) 교통관리에 대한 표준을 마련하여 대한민국 내 관련 기업들의 사업에 기여하고 있다.
2.1.2 ISO
국제표준화기구(ISO : International Standardization Organization) 는 ISO TC 20/SC 16 무인항공기 분과위원회에서 무인항공기시스템(UAS : Unmanned Aircraft System)을 다루고 있다. 현재, ISO TC 20/SC 16 분과위원회에서의 UAS 관련 표준(<Table 1> 참조)을 개발 중이며, 지속적 으로 보완이 이루어지고 있다.
국제표준화의 주요내용으로 part 1에서는 UAS 전문용 어, 분류, 자격요건 등이고, part 2에서는 설계 및 제조 관련사항, part 3에서는 운용절차에 대한 표준이다.
ISO의 무인항공기 표준에 따라 각 국가들은 무인항공 기에 대한 표준화계획과 운용계획을 수립하고 있다. 대 한민국의 경우도 국가기술표준원을 중심으로 원격조종 항공기(드론) 관련 KS 표준 마련에 대한 기준과 주요 부 품에 대한 표준을 마련하여 대한민국 내 관련 기업들에 기여하고 있다.
2.1.3 STANAG
STANAG(STANdardization AGreement)는 나토(NATO) 기술기준이며, 대한민국 군용무인항공기 표준 감항인증기 준도 이 기준을 참고하고 있다. STANAG 4586은 NATO 회원국 간의 연합임무 시에 상호운용성을 위해 개발된 표 준이며, 150kg 이하 소형 무인항공기에 STANAG 4703으 로 고정익 무인항공기 감항인증기준을, STANAG 4746으 로 회전익 무인항공기 감항인증기준을 개발하여 적용하고 있다.
STANAG의 감항인증기준은 무인항공기 기체의 비행․ 구조․설계 및 제작․추진체․장비․운용 제한사항 및 정 보․명령 및 통제 데이터링크․통제소에 대한 기준을 제 시한다. 이 기준을 통하여 항공기가 운항을 위해서 필수적 인 감항인증기준 수립에 기여하고 있다.
2.1.4 RTCA
RTCA(Radio Technical Communication for Aeronautics) 에서 무인항공기는 RTCA Special Committee(SC)-228에 서 담당하고 있다. RTCA는 항공통신 및 그와 관련된 문 제를 공동으로 연구하고 해결하는 기관이며, 무선통신의 기기 표준화 및 기타 기술 문제에 대해 권고한다. 2013년 5월에 구성된 SC-228 위원회는 무인항공기 탐지 및 회피 (DAA : Detect and Avoid) 장치와 L 대역과 C 대역을 사용 한 데이터링크 최소운용성능표준(MOPS : Minimum Operation Performance Standard)을 개발하고 있다. 이 표준은 무인항공기를 원격으로 조종하는데 필수적인 무선통신관 련 기술기준이다.
2.2 무인비행장치 표준화 국내 사례
항공기 등의 구성품은 운용 상 안전을 책임지는 국토 교통부 소관 항공안전법에 다양한 기준들이 있다. 먼저, 제작 및 생산에 요구되는 항공기 등의 제작증명, 기술표 준품 형식승인 및 부품 등 제작자 증명, 생산승인에 필요 한 기준 및 세부절차, 인증관리 요건에 대한 규정이 있다 [11]. 또한, 기술표준품에 대한 설계적합성, 성능표준, 품 질관리, 감항증명 등을 검토하여 형식승인을 발부하는 규정도 있다[10, 12].
앞에서 검토된 국제 표준은 다음의 무인항공기(드론) 내용을 다룬다. ICAO 표준은 무인항공기 운항에 대한 표준을 제시하고, ISO 표준은 무인항공기에 장착되는 구 성품에 대한 표준을 제시한다. STANAG 표준은 무인항 공기 운항승인을 위한 감항인증 기준을 제시하고, RTCA 표준은 무인항공기 운용을 위한 조종에 필수적인 무선통 신 관련 표준을 제시한다.
2.2.1 국가기술표준원
무인항공기시스템(UAS : Unmanned Aircraft System) 한 국산업표준은 항공안전법에서 정하는 (유인)비행체에 맞 춰 대응 가능한 형태로 <Table 2>와 같이 구분하고 있다.
국가기술표준원은 UAS(드론) 표준화 추진방안을 연구 하여 2016년 12월 18일 최종보고서가 발표되었다[7]. 보 고서는 표준화 대상 요소기술을 설계와 제작기술, 운항 체계, 무인항공기 운영 서비스 제공 사업 등의 관점에서 검토로 운항체계(6), 구성품(11), 임무서비스(3)로 구분하 여 20개 대상을 선정, 발표하였다.
본 논문과 관련된 운항체계 표준화 기술로는 감항성, 운항방식(공중충돌 탐지 및 회피, 등록 및 식별, 저고도 시계비행절차, 이동통신망 기반 저고도 운항체계, 다수 무인항공기 협업체계)을 선정하였다. 구성품 표준화 기 술로는 비행플랫폼으로 체계종합, 추진기관(전기모터, 소 형 프로펠러, 배터리), 비행제어장치(서보작동기, 비행기 록장치, 조종성 표준), 탑재장비와 지상통제장치(데이터 링크보안체계, 운항상황표시체계, 임무계획체계)를 선정 하였다. 특히, 조종성 표준선정 필요성으로 조종자 조작 이 각각 달라 조종자 양성이 어렵고, 지상조종기 개발에 서 호환성을 가지지 못하여 산업발전을 저해하고 있는 것으로 지적하고 있다.
국가기술표준원은 고시 2017-0439호(17. 10. 6) 무인항 공기 시스템 관련 3종을 제정하여 이를 한국 산업표준으 로 <Table 3>과 같이 고시하고 있으며 추가적으로 무인 항공기(드론) 표준을 추진 중에 있다.
2.2.2 국토교통부
무인비행장치의 표준화 추진에는 안전운용 보장이 필 수적이나 안전성은 산업의 활성화와 대척점에 있는 경우 가 많아 이를 먼저 해결해야 한다. 국토교통부에서는 저 고도 공역 내 무인비행장치의 안전성을 담보하고 무인비 행장치 활성화 및 산업화를 위한 기반 마련을 위한 기술 개발사업을 진행하고 있다(<Table 4> 참조)[4].
저고도 무인비행장치 교통관리체계구축에서 특히, 개 발목표에 명시된 무인비행장치 관리체계 개발에 개별 무 인비행장치 산업표준안 제시를 포함하고 있다. 또한, 유 인항공기 공역에서 무인항공기 운영을 보장하기 위해서 무인항공기 안전운항기술 개발 및 통합 시범운용 사업을 진행하고 있다[6]. 이 사업은 150kg 이상 무인항공기의 시범운용인프라 구축, 필수 시험비행을 통해 운용자료 축 적 및 분석으로 무인항공기 운항기술기준, 인증기반, 운 용절차를 수립하여 무인항공기 실용화 선도 및 무인이동 체 관련 기술발전 및 신산업 발굴에 목적을 두고 있다.
2.2.3 방위사업청
유인항공기 산업이 먼저 군에서 선도해 왔듯이 무인 항공기 분야도 군에서 활발하게 비행안전성 인증 제도를 마련, 적용하고 있다. 군용항공기 감항인증은 군용항공 기 비행안전성 인증에 관한 법률에서 정하는 바에 따라 군용항공기 표준감항인증기준에 관하여 고시[3]하고 있 다. 이 고시(part 3)에서 150kg 이하의 경량급 무인비행기 시스템 감항인증기준을 정하고 있고, 요구도는 시스템건 전성(구조 및 재료, 추진체, 시스템 및 장비, UAS 유지감 항), 시스템 운영의 감항, 조직의 사항을 정하고 있다[2].
2.3 원격조종항공기 드론 비행조종모드 적용 분석
2.3.1 드론 조종기 기능
드론을 위한 조종기의 주파수 선택은 대부분 2.4 GHz 채널방식이 대부분이며, 제조회사마다 각각의 부가기능이 있다. 중요 기능으로 Telemetry는 드론 기체 정보를 조종기 로 보내주는 기능과 조종기 설정을 볼 수 있고, 어두운 곳 에서도 확인이 가능한 LCD display, Alarm, Gimbal 조종, 조종기 스트랩 걸이 등 부가적인 기능들이 포함되어 있다.
대표적인 조종기로는 팬텀 시리즈와 같이 기체와 최 적화된 조종기가 있고, 레이싱 드론이나 DIY 드론 같이 각각의 부품을 조립하여 제작하면서 원하는 조종기를 선 택(채널수, 통신의 안정성, 반응속도, 조작감 등)하여 맞 추어 사용하는 조종기도 있다.
2.3.2 드론 비행조종모드 적용
드론에서 필요한 채널수는 드론의 기본적인 움직임에 필수적인 상승․하강(Throttle), 전․후 이동(Pitch = Elevator), 좌․우 이동(Roll = Aileron), 좌․우 회전(Yaw = Rudder) 이 각각 1개의 채널에 할당되어 드론을 조종한다. 드론 송․수신은 통신장비를 통하며, 송신기는 조종간에 수신 기는 드론에 장착된다. 조종모드로 사용되는 주파수는 2.4 GHz이고, 기체에서 조종기로 보내는 주파수는 2.4(또 는 5.8) GHz로 주파수 대역은 2,400~2483 MHz로 채널공 간은 1 MHz 간격으로 83개 주파수를 사용한다. 이 주파 수는 공동이용 대역이기 때문에 다른 무선통신 간 혼선을 막기 위해 출력을 제한하고 있다. 기술적인 추가 사항은 주파수 변조를 담당하는 통신 프로토콜로 신호를 변환하 여 각각의 기기에 제공하고 작동된다.
이전부터 사용되어진 드론 조종모드는 모드 1, 모드 2, 및 모드 3, 4, 5, 6 등 다양하게 존재하고 있다. 드론 조 종기는 좌/우 손을 이용하여 사용되는 것이 대부분이며 모드 1의 경우는 좌측 손으로 전/후 및 선회 작동하고 우 측 손으로 상/하 및 좌/우 작동하는 모드이다. 모드 2의 경우는 좌측 손으로 상/하 및 선회 작동하고 우측 손으 로 전/후 및 좌/우 작동하는 모드이다. 모드 3은 좌측 손 으로 전/후 및 좌/우 작동하고 우측 손으로 상/하 및 선 회 작동하는 모드이다. 현재 국내에는 모드 1과 2가 대 부분 사용되어지고 있으며, 기본적인 움직임을 통제하는 주요 모드 1 및 2는 <Figure 1>과 같다.
모드 4의 경우는 내부조종사가 작동하며 Waypoint를 따르는 조작으로 경로비행 모드라고도 부른다. 모드 5의 경우는 내부조종사가 작동하며 표적을 중심으로 원을 그 리는 비행모드로 Hold 모드라고도 부른다. 모드 6의 경 우는 표적을 Engage 한 상태로 자동으로 추적하는 비행 모드로 Tracking 모드라고도 부른다.
비행 중 모드 적용의 변경(특히, 모드 1, 2, 3)은 매우 위험하며 베테랑 조종자들의 인터뷰에서도 한 가지 모드 만의 적용이 반드시 필요함을 인정하고 있다.
2.3.3 조사 및 분석
원격조종항공기(드론)의 조종업무 특성은 상황인식(시 각/인지)과 그에 따른 처치(적응성)를 기반으로 하고 있 다[14]. 또한, 유사한 조종성을 가진 유인 헬기의 조종업 무에 적용되는 상황인식은 경험과 숙지 및 숙련에 따라 영항을 미치게 된다는 연구결과도 존재한다[1].
앞서 살펴본 국가기술표준원의 운항체계 표준화 기술 로는 감항성, 운항방식(공중충돌 탐지 및 회피, 등록 및 식별, 저고도 시계비행절차, 이동통신망 기반 저고도 운 항체계, 다수 무인항공기 협업체계)이 선정되었다. 특히, 조종성 표준으로 조종자 조작이 각각 달라 안전성 문제 와 조종자 양성이 어렵고, 지상조종기 개발에서 호환성 을 가지지 못하여 산업발전을 저해하고 있는 것을 지적 하고 있다.
본 논문에서의 조사 및 분석은 조종기 모드 표준화의 문제점 항목인 조종자 양성의 애로, 조작차이에 따른 안 전성, 조종기 호환성 미비로 인한 산업발전 저해에 대하 여 중요도 설문(중요안함(1점), 약간중요(3점), 중요(5점), 매우중요(7점), 절대중요(10점))을 통한 분석을 진행하였 다. 또한, 조종모드를 표준화하기 위한 방안으로 대부분 적용 중인 모드 1과 2에 대한 선호도 설문을 추가하여 진행하였다.
드론 조종모드 표준화에 대한 필요성(중요도)과 표준 화 모드 추천을 위한 선호도(가중치) 선정 총 4개 항목에 대하여 드론의 직접 관련자인 무인항공기 제작(회사, 기 관) 인원 14명, 교육훈련 및 연구기관 인원 130명, 정부 (산하)기관 인원 10명 총 154명을 대상으로 설문 <Table 5>를 진행하였다.
통계학적 구분을 위한 사항으로 이전 또는 현재 조종 모드 조작경험, 숙지 및 숙련에 따라 영향을 미치는 것에 착안하여 반영하였다.
표준화 필요성 중요도 설문결과 다음과 같은 통계가 도 출되었다. 154명의 설문인원 중 2명을 제외한 152명이 드 론의 조종모드 표준화가 필요하다고 답하였으며, 중요도 는 10점 만점(중요안함(1점), 약간중요(3점), 중요(5점), 매 우중요(7점), 절대중요(10점)에 답변을 평균점수화(소수점 2자리)하여 산출결과 조종자 양성 매우중요(7.88%), 비행 안전성 매우중요(7.87%), 산업발전 매우중요(7.33%)로 모 두 매우중요 이상으로 답변(<Figure 2> 참조) 하였다.
표준화 추천 모드 선호도 설문결과 전체인원 154명 중 모드 1은 37명(24.02%), 모드 동등은 25명(16.23%), 모드 2는 92명(59.74%)으로 답변하였다.
모드 선호도는 무인항공기 제작(회사, 기관) 인원은 모드 1은 14%, 모드 2는 86%가 답변하였고, 교육훈련 및 연구기 관 인원은 모드 1은 25%, 모드 동등은 17%, 모드 2는 58%를 답변하였다. 정부(산하)기관 인원은 모드 1은 20%, 모드 동등은 20%, 모드 2는 60%를 답변하여 세 가지 직군 모두 모드 2를 다수 선택(<Figure 3>, <Figure 4> 참조) 하였다.
설문을 진행하면서 수렴된 정성적인 의견으로 ‘표준화 진행을 가능한 빨리 해야 한다.’라는 의견이 대다수를 이 루었다. 일부 전문가는 모드가 다른 기종을 날리기는 매 우 혼란스러우므로 모드 별로 자격증명이 요구될 수도 있다는 의견도 있었다.
특히, 모드 선호도는 이전에 경험하였거나 현재 적용하 고 있는 것을 많이 선호하는 경향이 있기 때문에 경험에 따른 선호도 분석이 추가로 요구된다. 조작경험에 따른 선 호도는 모드 1만의 조작경험자(45명), 모드 2만의 조작경험 자(68명), 모드 1 및 모드 2의 조작경험자(41명) 경험을 구 분하여 설문을 분석하였다. 설문 분석결과 모드 1만의 조 작경험자는 대체로 모드 1을 선호하나 모드 2도 선호하는 인원이 존재하였다. 모드 2의 경험자는 모드 2를 압도적으 로 선호하고 모드 1의 선호는 없었다. 특히, 모드 1 및 2를 모두 경험한 인원은 모드 1 선호가 10명, 모드 2 선호가 22명으로 모드 2를 더 선호(<Figure 5> 참조) 하였다.
모드 2가 모드 1에 비해 선호되는 이유들을 살며보면, 우측 손에 Aileron(좌/우)과 Elevator(전/후)가 같이 있어 서 조작이 용이하며, 특히 드론의 특징인 대각선으로의 조종도 용이하기 때문에 선호한다는 답변이 많았다. 이 에 비해 모드 1은 좌측 손에 Elevator(전/후)가 있고 우측 손에 Aileron(좌/우)이 있어서 순간 상황판단이 어려움으 로 모드 2의 조작이 어렵다는 답변이 많았다.
최근에는 새로운 조종으로 발전하기도 하는데 스마트 폰을 활용한 조종 기능이 개발되었고, 엄지손가락만을 사 용한 드론 조종모드가 개발(forward․after․left․right) : 전․후․좌․우 이동, up․down : 상승․강하)도 개발되 는 등 기능이 계속 발전되고 있다. 엄지손가락만을 사용 한 조종모드는 모드 2와 유사하게 기능되고 있다.
3. 결 론
본 연구에서는 드론의 비행조종모드 표준화 방안을 제시하기 위하여 무인비행장치 표준화 관련 해외 및 국 내사례를 조사하고 드론의 조종모드 적용을 분석하였다. 분석된 내용을 토대로 드론 조종모드의 표준화 미비로 예상되는 문제점에 대하여 현재 관련 분야에 종사하고 있는 전문가를 통하여 필요성과 중요도, 그리고 선호하 는 모드를 설문조사하였다. 설문조사를 통해 분석한 결 과, 드론 비행조종모드 표준화에 도출된 결론은 다음과 같다.
첫째, 드론 비행조종모드 표준화는 조종사 양성, 비행 안전성, 산업발전 항목을 토대로 설문인원 모두 필요하 다고 답변하여 표준화 추진이 반드시 필요한 것으로 조 사되었다.
둘째, 비행조종모드의 표준화 모드 선호도는 전체 설 문인원 154명 중 92명(60%)이 모드 2를 선호하는 것으 로 조사되었고, 조종모드의 특성상 경험에 따른 선호도 도 모드 1 및 모드 2 모두를 경험한 중립적 인원을 대상 으로 한 인원 중에서도 2배 이상의 인원이 모드 2를 선 호하는 것으로 조사되었다.
연구 필요성으로 제시된 조종자 조작이 각각 달라 조 종자 양성이 어렵고, 지상조종기 개발에서 호환성을 가 지지 못하여 산업발전을 저해하고 있는 것으로 지적하고 있는 점을 고려할 때 표준화를 통하여 드론 산업이 안전 하게 운용되고, 용이한 조종자 양성과 드론 조종기 산업 표준을 통하여 드론 산업의 발전이 한층 도약할 것으로 기대된다.
본 연구에서 제안된 원격조종항공기 드론 표준화를 진행시키기 위해서는 국가기술표준원을 통하여 드론 조 종기 모드 표준화를 위한 표준서 작성을 추진하고, 한국 산업표준에서 정하고 있는 항공우주부분 표준에 방법표 준에 반영하기 위한 추진(한국드론산업진흥협회 등)이 필요하다. 또한 드론 운용부분에 보조를 맞추기 위해 국 토교통부와 항공안전기술원에서는 드론 운용에 대한 교 육훈련기준을 보완하는 것도 필요하다.
최근까지도 드론 조종모드가 일부 모드 1을 사용하고 있다. 양손을 모두 사용하는 모드 1 조작자들에 대해서도 일정 시기 동안은 적용이 필요할 수 있다. 따라서 모드 2 로의 표준화에 시간을 가지고 점진적으로 추진하는 것이 필요하다고 판단된다.
이 조사연구 결과는 현장 드론 조종자들에게 다소 막 연하게 인식되고 있었던 표준화의 필요성 및 조종모드의 선호도에 대한 의견을 통계적으로 정량화해서 보여줌으 로써 드론 산업 관련 분야에서 표준화 또는 개발 방향 설정에 참고가 될 것으로 판단된다. 또한, 현재 무인비행 장치 산업이 초창기인 점을 고려하여 다양한 표준화 연 구가 필요할 것으로 보인다.