Korean Institute of Information Technology

Current Issue

The Journal of Korean Institute of Information Technology - Vol. 20 , No. 8

[ Article ]
The Journal of Korean Institute of Information Technology - Vol. 20, No. 8, pp. 79-89
Abbreviation: Journal of KIIT
ISSN: 1598-8619 (Print) 2093-7571 (Online)
Print publication date 31 Aug 2022
Received 22 Jun 2022 Revised 02 Aug 2022 Accepted 05 Aug 2022
DOI: https://doi.org/10.14801/jkiit.2022.20.8.79

군집 무인수상정 운용을 위한 무선통신 토폴로지 설계 및 구현
최동호* ; 김동희* ; 김민수* ; 최병웅* ; 정명철** ; 최영두***
*한화시스템 해양연구소
*한화시스템 해양연구소(교신저자)
**기가알에프
***해군사관학교

Design and Implementation of Wireless Communication Topology for Swarm Unmanned Surface Vehicle(USV) Operation
Dongho Choi* ; Donghee Kim* ; Minsoo Kim* ; Byungwoong Choi* ; Myoungchul Jung** ; Youngdoo Choi***
Correspondence to : Donghee Kim Naval R&D Center, Hanwha Systems Co., Ltd., Korea Tel.: +82-54-460-8734, Email: donghee4.kim@hanwha.com

Funding Information ▼

초록

군집 무인수상정이 계획된 임무를 성공적으로 완수하기 위해서는, 자율운항 중 육상통제소로부터 통신거리 이탈이나 지형으로 인한 가시거리 미확보로 인해 발생할 수 있는 통신 단절에 대한 대응이 필요하다. 이를 위해 군집 무인수상정의 통신상태와 전장환경에 따라 가변되는 적응형 무선통신 시스템이 필요하며, 본 연구에서는 무인수상정의 운용환경에 따라 전환이 가능한 세 가지 형태의 무선통신 토폴로지를 제안하였다. 제안된 중앙집중형, 하이브리드형, 분산형 무선통신 토폴로지를 상황에 따라 적절히 전환시킴으로써 육상통제소와의 통신 단절 상황에서도 임무 지속성을 보장하도록 하였다. 육상통제소와 무인수상정에 탑재 가능하도록 제작된 무선통신 시스템에 대하여 실해역에서 통신 성능시험과 토폴로지 기능시험을 수행하였다.

Abstract

In order for the swarm Unmanned Surface Vehicle(USV) to successfully complete the planned mission, it is necessary to deal with communication disconnection that may occur due to deviations in communication distance from the Ground Control Station(GCS) or Line Of Sight(LOS) restriction due to terrain during autonomous operation. It is necessary to establish an adaptive wireless communication system that varies depending on the communication state and battlefield environment of the swarm USV, and this study proposes three types of wireless communication topology that can be converted according to the operating environment of USV. The proposed centralized, hybrid, and distributed wireless communication topologies are appropriately switched depending on the situation to ensure mission continuity even in situations of communication disconnection with GCS. Performance tests and topology functional tests are conducted on wireless communication systems manufactured to be mounted on GCS and USV.


Keywords: Unmanned Surface Vehicle(USV), wireless communication, topology

Ⅰ. 서 론

인공지능 기반의 최첨단 기술들을 바탕으로 초연결, 초지능, 초융합의 4차 산업혁명 시대가 본격적으로 진행되고 있으며, 이에 따라 국방분야에서 전투 패러다임도 변화하고 있다. 특히 해군에서는 첨단기술이 적용된 유⋅무인 함정전투체계에 의해 획득된 다양한 정보들이 초고속 네트워크로 연결되고, 수집된 방대한 데이터가 초지능화로 실시간 분석되어 복잡한 전장에서 최적화된 상황판단을 할 수 있는 「SMART Navy」 건설을 목표로 다양한 무기체계에 대한 첨단 핵심기술들을 개발 중에 있다[1].

이러한 중점 추진과제의 일환으로 무인수상정, 무인잠수정 등의 해양무인체계는 미래 전투 환경에서 인명 손실을 최소화하면서 전투력 우위를 확보하기 위한 최적의 전투체계로서 대두되고 있으며, 특히 그림 1과 같이 무인수상정은 미국이나 유럽 등 국방분야 선진국에서 다양한 형태의 무인수상정을 개발 및 실전 배치하여 운용 중에 있다[2]-[8].


Fig. 1. 
Unmanned Surface Vehicle(USV)

무인수상정을 이용한 감시정찰, 대잠전, 대기뢰전 및 방호전투와 같은 임무 수행의 효과를 향상시키기 위해서는 실시간으로 변화하는 전장 상황을 파악하고, 다수의 무인수상정을 가장 효과적으로 운용할 수 있는 임무를 개별이 아닌 군집으로 계획하는 것이 필요하다. 또한 임무 수행을 위한 자율운항 중 육상에 위치한 통제소로부터 플랫폼의 통신 거리 이탈 및 섬 등의 지형지물에 따라 통신을 위한 가시거리가 확보되지 않는 경우에 발생할 수 있는 육상과의 통신 단절에 대한 대응이 필요하다[9][10].

이에 대한 방안으로 육상과 무인수상정 간 통신 단절에 대해 LTE망 또는 위성 통신을 이용한 원거리 무선통신, Adhoc망을 활용한 RF 통신 등이 연구되고 있다[11].

이에 군집 무인수상정의 임무 계획에 따라 가변되는 적응형 무선통신 환경이 필요하며, 본 연구에서는 적절한 군집 무인수상정 운용을 위하여 AP망과 Adhoc망을 조합하여 세 가지 형태의 무선통신 토폴로지를 제안하였다. 무인수상정이 운용되는 환경에 따라 무선통신 토폴로지를 적절히 전환시킴으로써 육상 통제소와의 통신 단절과 같은 상황에서도 지속성을 보장하여 군집 무인수상정의 성공적인 임무 수행이 가능하도록 하였다.

본 연구에서는 무선통신장치가 탑재된 무인수상정 플랫폼 2대와 육상원격통제장치를 개발하였으며, 설계 및 제작된 무선통신장치의 성능과 기능 입증을 위해 실해역 시험을 수행하였다.


Ⅱ. 군집 무인수상정 및 무선통신 시스템
2.1 시스템 구성

군집 무인수상정 시스템은 실해역에서 감시정찰, 기뢰탐색, 방호전투 등 특정 임무를 수행하기 위해 자율적으로 운항하는 다수의 무인수상정 플랫폼과 육상에서 무인수상정 운용을 통제하기 위한 육상원격통제장치로 구성된다. 무인수상정은 육상원격통제장치로부터 무인수상정 운용에 필요한 임무계획, 제어명령 등을 전달받게 되고, 육상에서는 실시간 전장 상황 파악 및 임무 계획 수립을 위해 무인수상정 운용 상태를 파악하고 주요한 정보를 운용자콘솔에 전시할 수 있도록 무인수상정의 운항정보, 탐지 장애물 정보, 장비 상태/고장정보 등을 수신받게 된다. 이를 위해 육상원격통제장치와 무인수상정에는 일반적으로 RF통신이 가능한 무선통신 시스템을 탑재하게 된다.

군집 무인수상정 무선통신 시스템은 육상원격통제장치에 탑재되는 육상 무선통신부와 무인수상정에 탑재되는 무인수상정 무선통신부로 구성된다. 그림 2와 같이 육상 무선통신부는 통제소쉘터 내부에 탑재되는 육상용 무선통신장치와 통제소쉘터 외부 안테나마스트에 탑재되는 안테나조립체로 구성된다.


Fig. 2. 
Configuration of Ground Control Station(GCS) Wireless Communication System(WCS)

무인수상정 무선통신부는 그림 3과 같이 광대역모뎀과 파워엠프 등으로 구성된 무인수상정용 무선통신장치와 무인수상정 마스트조립체에 장착되는 안테나조립체로 구성된다.


Fig. 3. 
Configuration of USV WCS

2.2 임무 상황에 따른 무선통신 토폴로지

군집 무인수상정이 광범위한 해역에서 임무를 수행하는 중에는 무인수상정의 작전 위치 및 주변 상황에 따라 무인수상정별로 무선통신 성능은 다르게 나타날 수 있다. 즉, 육상원격통제장치와 모든 무인수상정이 통신 가능할 수도 있고, 일부 무인수상정과만 통신이 가능한 경우도 있다. 이처럼 육상원격통제장치와의 통신이 단절된 경우에도 무인수상정은 주어진 임무를 성공적으로 수행할 필요가 있기 때문에, 다양한 임무 상황에 맞는 무선통신 토폴로지를 적용하는 것이 필수적이다. 이를 위해 본 연구에서는 임무 상황에 따라 발생할 수 있는 무선통신 토폴로지를 그림 4와 같이 세 가지 형태로 구분하였다.


Fig. 4. 
Types of wireless communication topology

먼저 중앙집중형 토폴로지는 모든 무인수상정이 육상원격통제장치와의 통달거리 이내에 위치해 있는 경우, 육상원격통제장치와 모든 무인수상정이 직접 연결되어 서로 직접 통신을 수행하며, 육상원격통제장치가 모든 무인수상정을 직접 관리하는 토폴로지이다. 다음으로 하이브리드형 토폴로지는 일부 무인수상정은 육상원격통제장치와 통신이 가능하고, 일부 무인수상정은 통달 거리 밖에 있거나 또는 장애물에 의해 통신 불가일 경우, 통신 가능한 무인수상정을 리더로 설정하고 육상원격통제장치는 리더 무인수상정을 통제한다. 또한 통신 불가 상태인 멤버 무인수상정은 통신이 가능한 리더 무인수상정을 통해 육상원격통제장치가 관리하는 토폴로지이다.

마지막으로 분산형 토폴로지는 모든 무인수상정이 통달 거리 밖에 있거나 또는 장애물에 의해 통신할 수 없는 상태를 포함하여 육상원격통제장치와 통신 불가인 경우, 사전에 선정된 리더 무인수상정을 중심으로 소규모 네트워크를 생성하여 육상원격통제장치의 실시간 제어 명령없이 리더 무인수상정이 각 그룹 내의 멤버 무인수상정을 관리하는 토폴로지이다.

본 연구에서는 위 3가지 토폴로지를 계획적 토폴로지 전환 방식으로 구현하여 시스템 안정성을 확보하였다. 계획적 토폴로지 전환이란 육상원격통제장치에서 하달되는 임무계획에 따라 무인수상정의 임무그룹이 나뉘게 되고 임무그룹별로 통신그룹을 할당하여 토폴로지를 변환하는 것을 의미한다.


Ⅲ. 무선통신 시스템 설계 및 제작

본 연구의 최종 목표는 총 10대의 군집 무인수상정을 운용하는 것으로서, 이를 위한 통신 데이터의 종류 및 데이터량에 대한 분석과 무인수상정을 운용하기 위한 시험 장소 및 시험 시나리오 등을 고려하여 무선통신 시스템에 대한 통신거리와 통신속도에 대한 요구사항을 선정하였다. 선정된 통신거리와 통신속도에 대한 요구사항을 만족하기 위한 통신장비 사양을 도출하고, 내수면 및 연근해 예상 시험 장소에 대하여 선정된 통신장비 사양, 자유공간손실모델, 수치표고모델 SRTM-30을 적용한 시뮬레이션을 통해 링크버짓 분석을 그림 5와 같이 수행하였으며, 그 결과 설계된 무선통신 시스템은 요구사항을 만족함을 확인하였다.


Fig. 5. 
Result of link budget analysis

또한 세 가지 형태의 무선통신 토폴로지를 생성할 수 있도록 그림 6에서 보는 바와 같이 육상원격통제장치에 탑재되는 육상 무선통신부는 중앙집중형과 하이브리드형 토폴로지를 지원하여야 하며, 이를 위해 1채널 AP(Station) 방식의 무선통신장치로 구성하였다. 또한 무인수상정에 탑재되는 무인수상정 무선통신부는 중앙집중형, 하이브리드형, 분산형 토폴로지를 지원하여야 하며, 복합망을 구성하기 위해 2채널(채널#1: Adhoc Client(AP bridge), 채널#2: AP(Client)) 방식의 무선통신장치로 구성하여 세 가지 형태의 무선통신 토폴로지 구현이 가능하도록 복합 통신망 설계를 수행하였다.


Fig. 6. 
Design of multi wireless communication network

본 연구의 최종 목표인 10대의 군집 무인수상정 시스템 구성에 앞서, 현재 연구 단계에서는 2대의 무인수상정을 제작하여 최소의 군집 운용에 대한 가능성을 사전에 확인하도록 하였다.

그림 7에서 보는 바와 같이 실해역에서 운용 가능한 무선통신 시스템을 비롯하여 추진조향장치, 항해/탐지 센서 등이 탑재된 무인수상정 2대와 내부에 운용자콘솔이 탑재된 육상원격통제장치로 구성된 군집 무인수상정 시스템을 제작하였다.


Fig. 7. 
Appearance of USVs and GCS

또한 앞서 기술한 설계사항을 기반으로 군집 무인수상정 시스템에 탑재되어 운용할 수 있는 무선통신 시스템을 제작하였으며, 그림 8은 각각 육상원격통제장치 내⋅외부에 탑재된 육상 무선통신부와 무인수상정 마스트조립체 및 선실 내부에 탑재된 무인수상정 무선통신부 형상을 나타낸다.


Fig. 8. 
GCS WCS and USV WCS


Ⅳ. 무선통신 시스템 성능 및 기능시험

제작된 무선통신 시스템에 대한 요구사항 만족 여부를 확인하기 위하여 실해역에서 통신거리와 통신속도 성능시험 및 무선통신 토폴로지 기능시험을 수행하였다.

4.1 통신 성능시험

시제 제작에 앞서 그림 9(a)와 같이 프로토타입을 제작하고 이에 대한 성능시험을 수행하여 통신거리와 통신속도에 대한 요구사항 만족을 확인하였으며, 이후 시제를 제작하여 시제품이 장착된 육상원격통제장치와 무인수상정을 이용하여 그림 9(b)와 같이 실해역에서 통신 거리 및 속도 시험을 수행하였으며, 그 결과 본 연구에서 요구하는 성능을 만족함을 확인하였다.


Fig. 9. 
Performance test of WCS

4.2 토폴로지 기능시험

앞서 기술한 바와 같이 본 연구에서는 무인수상정 2대와 육상원격통제장치의 군집 무선통신 시스템을 이용하여 토폴로지 기능시험을 수행하였고, 토폴로지별 구축 통신망은 그림 10과 같다.


Fig. 10. 
Configuration of channel connection according to topology

토폴로지 변화에 따른 무선통신장치 간 연결/해제 여부를 확인하기 위해 각 무선통신장치에 상용 소프트웨어인 「WinBox v6.48.1」를 설치하고 해당 소프트웨어를 이용하여 서로간의 연결여부 및 수신감도와 송수신율 등을 확인하도록 하였다. 프로그램 화면을 캡쳐한 결과에 나타나 있는 GROUND, USV1, USV2는 각각 육상원격통제장치, 리더 무인수상정, 멤버 무인수상정을 나타내고, CH1, CH2는 각각 무인수상정 간 통신 망인 채널#1(Adhoc망)과 육상원격통제장치와 무인수상정 간 통신망인 채널#2(AP망)을 나타낸다.

먼저 중앙집중형일 경우에는 원격운용통제장치와 리더 무인수상정 및 멤버 무인수상정이 모두 채널#2(AP망)으로 연결되어야 한다. 그림 11에서 보는 바와 같이 GROUND에 USV1과 USV2가 CH2로 모두 연결되어 있고, USV1에 GROUND, USV2에도 GROUND가 연결되어 있음을 확인할 수 있다.


Fig. 11. 
Test result of centralized topology

하이브리드형일 경우에는 원격운용통제장치와 리더 무인수상정이 채널#2(AP망)로 연결되고, 리더 무인수상정과 멤버 무인수상정이 채널#1(Adhoc망)로 연결되어야 한다. 그림 12에서 보는 바와 같이 GROUND에는 USV1만 CH2로 연결되어 있고, USV1에는 GROUND가 연결되어 있으며, 또한 USV2가 CH1로 연결되어 있다. USV2에는 USV1만 CH1로 연결되어 있음을 확인할 수 있다.


Fig. 12. 
Test result of hybrid topology

분산형 토폴로지일 경우에는 원격운용통제장치와 무인수상정의 통신 연결은 단절된 상태이고, 리더 무인수상정과 멤버 무인수상정이 채널#1(Adhoc망)로 연결되어야 한다. 그림 13에서 보는 바와 같이 GROUND에는 연결되어 있는 무선통신장치는 없고, USV1과 USV2는 서로 CH1로 연결되어 있음을 확인할 수 있다.


Fig. 13. 
Test result of distributed topology

실제 해역에서 중앙집중형 토폴로지를 이용하여 군집 무인수상정을 운용하는 중, 그림 14에서 보는 바와 같이 일부 무인수상정이 지형 장애물로 인하여 육상원격통제장치와 통신이 단절되는 상황이 발생할 수 있게 된다.


Fig. 14. 
Performance test results of WCS

본 연구에서는 이와 같은 상황을 실해역 시험 시 구현하여 무선통신 토폴로지가 중앙집중형에서 하이브리드형으로 전환하게 하였으며, 멤버 무인수상정의 통신 단절 없이 지속적인 임무 수행이 가능함을 확인할 수 있도록 다음과 같이 시험을 수행하였다.

멤버 무인수상정이 통신 불가 구역에 진입하였을 경우, ①육상원격통제장치 운용자가 원격으로 무인수상정에 대한 제어명령을 송신하고 이에 따라 무인수상정이 정상적으로 원격제어가 되는 지 여부, ②무인수상정에 탑재되어 있는 EO카메라 영상이 육상원격통제장치에 전송되어 정상적으로 전시되는 지 여부를 확인하였다.

중앙집중형 토폴로지인 경우에는 멤버 무인수상정이 통신 불가 구역에 있을 때, 원격제어 명령이 무인수상정에 전달되지 않음에 따른 무인수상정 운용 불가 및 EO카메라에 의해 획득된 영상정보가 운용자콘솔에 전시되지 않음을 확인하였다. 멤버 무인수상정이 동일한 장소에 위치해 있고, 하이브리드형 토폴로지로 전환된 경우에는 원격제어 명령에 따라 무인수상정이 정상적으로 동작하였으며, 그림 15와 같이 멤버 무인수상정에 장착된 EO카메라에 의해 획득된 영상정보도 운용자콘솔 화면에 정상적으로 전시됨을 확인하였다.


Fig. 15. 
EO camera video of member USV

육상원격통제장치와의 통신 연결이 모두 단절된 경우에는 토폴로지가 분산형으로 전환된다. 이 경우 육상원격통제장치에서는 무인수상정 시스템에 원격으로 접근할 수 없기 때문에, 군집 무인수상정 임무 운용 상황에 대한 모니터링이 어려우며 향후 분산형 토폴로지를 이용한 군집 무인수상정 운용 시 상태정보에 대한 모니터링을 수행할 수 있는 적절한 방안을 모색하여 기능시험을 진행할 계획이다.


Ⅴ. 결론 및 향후 과제

군집 무인수상정의 임무계획 및 통신환경에 따라 가변되는 적응형 무선통신 환경 구축을 위해 중앙집중형, 하이브리드형, 분산형 세 가지 형태의 무선통신 토폴로지를 설계하였으며, 설계된 세 가지 형태의 무선통신 토폴로지 기능 구현이 가능하도록 육상 무선통신부와 무인수상정 무선통신부를 설계 및 제작하였다.

본 연구의 최종 목표인 10대의 군집 무인수상정 시스템에 대한 무선통신 토폴로지 기능 구현에 앞서, 현재 연구 단계에서는 2대의 무인수상정을 제작하여 최소의 군집 운용에 대한 가능성을 확인하였다. 상용 소프트웨어를 활용하여 토폴로지 변화에 따른 무선통신장치 간 연결/해제 여부를 확인하였으며, 그 결과 중앙집중형, 하이브리드형, 분산형 토폴로지에 따라 각 무선통신장치 간 연결과 해제가 정상적으로 수행됨을 확인하였다. 또한 하이브리드 토폴로지로 설정되어 있는 경우 실해역에서 통신 불가 구역에서 운용되는 무인수상정의 상태정보 및 EO카메라 영상 정보 등이 육상과 통신 가능한 리더 무인수상정을 통해 육상원격통제장치에 위치한 운용자콘솔에 정상적으로 전시됨을 확인하였다.

이러한 시험 결과를 바탕으로 본 연구에서 제안한 AP망과 Adhoc망의 복합 통신망 설계가 타당함을 확인하였고, 향후 군집 무인수상정 10대를 제작하여 설계된 무선통신 토폴로지에 대한 기능시험을 실해역에서 추가적으로 진행할 예정이다.


Acknowledgments

본 연구는 국방과학연구소 미래도전국방기술 PM기획과제인 “군집 통신 네트워크 및 알고리즘 시연 플랫폼 구축(UC190074RD)” 과제의 지원으로 수행되었음


References
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저자소개
최 동 호 (Dongho Choi)

2014년 2월 : 한국해양대학교 조선기자재공학과(공학사)

2016년 8월 : 한국해양대학교 해양과학기술융합학과(공학석사)

2017년 1월 ~ 현재 : 한화시스템(주) 선임연구원

관심분야 : 해양무인체계, 자율운항 알고리즘

김 동 희 (Donghee Kim)

1999년 2월 : 한양대학교 기계공학과(공학사)

2001년 2월 : 한양대학교 기계공학과(공학석사)

2016년 2월 : 한국해양대학교 기계공학과(공학박사)

2016년 3월 ~ 현재 : 한화시스템(주) 수석연구원

관심분야 : 해양무인시스템, 동역학 및 제어

김 민 수 (Minsoo Kim)

2000년 2월 : 건국대학교 전자공학과(공학사)

2002년 2월 : 건국대학교 전자공학과(공학석사)

2010년 4월 ~ 현재 : 한화시스템(주) 수석연구원

관심분야 : 해양무인체계, S/W 프레임워크

최 병 웅 (Byungwoong Choi)

2001년 2월 : 경북대학교 전자전기공학부(공학사)

2003년 2월 : 경북대학교 전자공학과(공학석사)

2008년 2월 : 경북대학교 전자공학과(공학박사)

2008년 3월 ~ 현재 : 한화시스템(주) 수석연구원

관심분야 : 해양무인시스템, 소나신호처리

정 명 철 (Myoungchul Jung)

2008년 2월 : 신구대학교 인터넷정보과(전문학사)

2011년 10월 ~ 현재 : 기가알에프(주) 차장

관심분야 : RF 무선통신, H/W설계

최 영 두 (Youngdoo Choi)

2003년 2월 : 해군사관학교 해양학과

2013년 2월 : 경북대학교 전자공학과(공학사)

2016년 2월 : 경북대학교 전자공학과(공학박사)

2021년 ~ 현재 : 해군사관학교 기계시스템공학과장

관심분야 : 수중탐지, 해양무인체계, 무기체계 RAM분석