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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

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.

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

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.