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일반적으로 드론 탐지 기술에는 레이더, RF탐지, 음성탐지, 영상탐지 4가지로 분류된다. 각 탐지 기술에는 특징이 있으며, 탐지 기술에 따라 탐지거리와 탐지율도 다르다.
1. 레이더 탐지 기술
작은 크기의 몸체는 드론의 가장 큰 장점이자 탐지를 어렵게 하는 요인이다. 이 작은 크기가 탐지의 기본적인 원리인 반사되는 전파 또는 빛을 최소화하기 때문이다. 레이더는 특정 펄스를 전송하고 반사되어 오는 전파의 에너지 또는 주파수 등을 가지고 물체의 위치(거리/고도/방향), 속도 등을 판단하는 기술이다. 레이더 시스템 설계 시 고려애야 할 사항 중에 탐지 물체와 관련이 있는 것은 입사파에 대한 반사파의 비로 정의한 레이더 반사 면적(Radar Cross Section, RCS)인데, 이는 물체의 모양,. 재질 등에 따라 달라지며 아래 그림과 같이 정의된다.
물체 유형별 레이더 반사 면적
평면의 경우는 레이더 반사 면적은 동일하지만 기울어진 각도에 따라 수신 에너지는 제로에 가까울 수 있다. 작은 레이더 반사 면적으로 인해 아주 높은 레이더의 송신 파워가 필요하지만 상용 기술로 구현하기는 어렵다. 그래서 높은 주파수 대역을 사용하거나 안테나 이득을 높이거나 송/수신 안테나를 여러 곳에 배치하는 방법 등이 사용된다. 이스라엘 스타트업 아브로보틱스(Arbe Robotics)가 고주파인 24GHz를 사용하여 전방 1km 거리에서 장애물을 파악하는 레이더 기술을 개발하였다. 일반적인 탐지거리가 150~200m 인 점을 감안하면 상당히 먼 거리이다. 한국 DGIST에서는 수신 안테나를 많이 배치하는 대신 2개의 안테나만 활용하여 탐지 거리는 유지하면서 소형화가 가능한 기술을 개발하였다.
일반적으로 FMCW(Frequency Modulation Continuous wave)레이더 종류를 사용하며 레이더 탐지 기술은 목표물에 반사되어 오는 신호를 통해 목표물의 방향과 목표물의 신호를 확인할 수가 있다. 레이더 탐지 기술의 장점으로는 탐지 거리가 최대 3Km까지 가능하며 높은 탐지 정확성을 보여주지만 단점으로는 낮은 고도에서 탐지에 어려움이 있으며, 조류로 오탐지를 할 수가 있다. 아래 그림은 드론을 탐지하는 ELVIRA의 레이더 탐지 장비이다. 이 장비의 주파수는 X-band인 9,650 MHz 대역을 사용하며, 3kg 드론인 경우 3km 떨어진 거리에서 탐지가 가능하며, 식별은 1.1km 거리에서 드론으로 식별이 가능하다.
레이더 탐지는 몇 가지 치명적인 단점을 가지고 있다. 가장 두드러지는 것은 사각지대가 매우 많다는 점이다. 레이더 빔이 갖는 특성상 설치된 곳보다 낮은 고도의 영역은 탐지가 되지 않는다. 또 레이더 빔이 차폐되면 그 후방은 사각지대가 되기 때문에 광활한 개활지가 아닌 건물이나 언덕이 있는 구역에서는 탐지 불능 지역이 많이 존재하게 된다. 레이더의 근접탐지 능력이 매우 낮아 일반적으로 약 50m 이내로 드론이 접근하면 레이더 빔의 각이 매우 좁아지면서 실질적으로 탐지 시야에서 사라진다. 따라서 레이더 단독으로는 완전한 드론 탐지가 불가능하며, 이런 사각지대 보완을 위해 레이더 배치 수를 늘리면 구매 및 관리비용이 천문학적으로 증가하게 된다.
레이더 장비가 갖는 또 다른 문제점은 식별을 사람에게 의존해야 한다는 점이다. 레이더는 특성상 하늘에서 움직이는 모든 것을 탐지하므로 그 중에서 가장 까다로운 것이 바로 드론과 새를 구분하는 것이다. 레이더는 드론인지 새인지 스스로 분간할 수 없기 때문에 고성능 카메라로 확대 촬영한 뒤 사람이 식별을 해야 한다. 따라서 레이더 솔루션을 운용하기 위해서는 24시간 인원을 배치해야 하는데 이는 인력운용 및 비용 측면에서 비효율적이다. 새 때문에 오경보가 울리는 경우가 대부분으로 오탐율이 매우 높고, 진짜 드론이 출몰시 식별 인원이 오판할 가능성도 매우 높다는 점이다.
2019년에 DGIST 협동로봇융합연구센터 오대건 선임연구원 연구팀이 캘리포니아 주립대 김영욱 교수 연구팀과 함께 3km 떨어진 초소형 드론도 식별할 수 있는 '드론 탐지 레이더 시스템'을 개발했다고 과학기술정보통신부가 발표하였다. 이번 연구로 세계 최고 수준의 레이더 탐지기술을 확보하여, 관련 산업 발전과 국방력 강화에 크게 기여할 것으로 기대된다. 연구팀은 최대 탐지 거리 향상을 위한 능동위상배열(AESA) 레이더 기술과 드론의 정확한 위치주정을 위한 초고해상도 레이더 신호처리 기술을 접목하여 3km 이상 떨어진 드론을 탐지하는데 성공했다고 밝혔다.
(AESA: 레이더 안테나에 배열된 레이더 모듈들이 개별적인 반도체 증폭 및 위상 변위기를 갖추고 있어 전파의 송수신 방향 통제가 가능)
또한 연구팀은 차세대 딥러닝 AI 알고리즘으로 주목받는 '생성적 적대 신경망(GANs: Generative Adversarial Networks)' 기반 레이더 인지 기술을 개발하여 식별율을 향상시켰다. 인공지능은 학습데이터가 많을수록 인식률이 높아지는데, 이 알고리즘으로는 적은 양의 데이터만 가지고 이동하는 표적을 쉽게 식별할 수 있다. 더불어 개발 과정에서 레이더 시스템 내부의 송신부, 수신부, 안테나, 신호처리플랫폼 등 하드웨어 부품들을 100% 국내 중소기업들과 공동 개발하여, 기술 자립의 가능성을 한층 앞당겼다.
2. RF 탐지 기술
드론이 자동화된 프로그램으로 움직이는 것이 아니라면 제어를 위해 송수신이 이루어지고 있다는 점을 이용하는 방법이 RF 탐지 기술이다. 드론의 최종 목적지까지는 최소한 송수신이 가능해야 하기 때문에 탐지하는 위치에서도 이를 수신할 수 있다. 제어를 위해 사용할 수 있는 통신방식으로는 ISM(Industrial Scientific and Medical) 대역을 사용하는 블루투스, 지그비(ZigBee), WiFi 등이 있으나, 전송거리를 고려했을 때 WiFi가 많아 쓰여지고 있다.
3G/4G 및 위성통신도 가능하지만, 무게, 장비 접근성 등으로 보편적이지는 않다. 해당 대역의 무선 주파수 탐지로 신호 여부를 탐지하여 존재 여부를 판별할 수 있지만, 모든 신호를 보여주기 때문에 도시 등 전파가 많이 발생하는 지역에서는 효과를 얻지 못한다. 스누핑(Snooping), 스푸핑(Spoofing) 등과 같은 해킹 기법을 사용하여 드론의 위치, 속도 등의 정보를 얻을 수 있으며 제어 권한을 획득한다거나 다른 명령을 지시할 수도 있다.
Netvision의 Drone detector는 1km까지 탐지가 가능하고 드론과 조정자의 위치도 식별해 낼 수 있으며, 스카이소프트웨어의 스카이그래버(SktGrabber)는 2008년 이라크 반군이 미군 프레데터 드론의 동영상을 리얼타임으로 가로채는데 사용되기도 하였다.
RF 탐지는 드론의 조종신호 또는 드론에서 전송하는 영상신호를 구분하여 드론을 탐지한다. ISM밴드의 2.4GHz 및 5GHz 대역의 RF 신호를 최대 1Km내의 거리에서 탐지하며 장점으로는 드론 고유의 RF를 통한 원거리 탐지가 가능하며 단점으로는 동일 주파수대역에 신호가 혼재할 경우 정확도가 낮아진다. 아래 그림은 드론을 탐지하는 Dedrone의 RF 탐지 장비이다.
그러나 이 방법도 드론이 GPS 자동비행을 하면 완전히 무력화되는 단점이 있다. 따라서 이와 같은 수동형 솔루션은 외형이나 프로펠러 소리를 탐지해 식별하는 영상 및 음향 복합 센서를 같이 사용해야 한다. 일차적으로 드론의 RF 통신을 탐지하되 이것이 돌파될 경우, 이차적으로 영상 및 음향과 같은 물리적 신호를 탐지함으로써 탐지율을 높이는 방향으로 운영을 해야 한다.
수동형 방식은 탐지 및 식별을 완전히 자동화할 수 있다는 장점이 있어 레이더와 같은 능동형 방식에 비해 드론탐지를 위해 별도의 인원을 운용하지 않아도 된다는 장점이 있다. 드론의 물리적, 전자적 특성을 데이터베이스화하기 때문에 오탐율이 매우 낮다는 장점도 있다. 또 빔을 쏘아야 하는 레이더 장비와는 달리 보고 듣기만 하는 시스템이므로 설치 및 운용 시 법적, 행정적 장애가 적은 편이며, 레이더 장비 대비 초기비용과 운용비용이 매우 낮은 것이 장점이다.
그러나 수동형의 가장 큰 단점은 탐지거리가 상대적으로 짧아 대응 시간을 충분히 벌어주지 못한다는 것이다. 현재 RF 주파수 탐지 장비의 최대 식별 거리는 반경 약 1km 정도로, 레이더 장비의 탐지거리에 비해 매우 짧다. 그리고 영상 및 음향 복합 센서로 탐지할 경우에는 탐지거리가 200m 전후로 급격히 줄어든다. 드론의 입장에서는 200~ 1,000m 정도도 상당히 먼 거리이지만, 테러 위협을 방어해야 하는 시설에서는 이 보다는 더 원거리에서 조기 경보를 해 줄 수 있어야 한다.
3. 음향 탐지 기술
드론은 소리없이 움직이기란 쉽지 않다. 빠른 속도로 회전하는 모터와 프로펠러(로터)에서는 독특한 소리가 발생한다. 다른 소리와 구별되는 이것을 데이터베이스화된 드론의 소리와 비교하는 방식이다. 일반적으로 탐지할 수 있는 거리는 100~150 미터 정도였으나, 파나소닉 시스템 네트웍스는 32개의 마이크를 원형으로 배치하여 드론 특유의 로터 회전 소리, 바람 소리 등을 감지하는 방법으로 약 300m까지 탐지거리를 확대했다. 특정 방향에서 들어오는 소리 신호를 가산하고, 무인항공기의 비행 신호가 있으면 신호 강도가 더욱 상승하게 된다.
드론 쉴드도 동일한 방법이지만 방향성을 30도로 좁히고 탐지거리를 1km까지 향상시켰다. 오키전기공업(OKI)은 탐지 거리를 늘리기 보다는 150m 탐지거리를 가지는 시스템을 분산 배치하고 이를 무선 네트워크로 연결함으로써 탐지영역을 확장시켰다.
각 드론이 가지고 있는 고유의 소리는 다른 형태의 로터를 사용한다거나 몸체에 다른 변화를 주어서 쉽게 변경이 가능하기 떄문에 다른 방법에 비해 상대적으로 회피 대응이 쉬운 탐지 방법이다.
음향 탐지는 드론의 고유의 모터 소리 또는 프로펠러의 소리를 데이터베이스 하여 최대 150m의 거리에서 탐지가 가능하다. 장점으로는 드론 고유의 소리를 데이터베이스화 하였기 때문에 드론 종류를 구별하는데 용이함이 있으며 단점으로는 환경 잡음에 취약하며 데이터베이스의 최신화가 필요하다. 아래 그림은 드론을 탐지하는 Droneshield의 음향 탐지 장비이다.
4. 열영상 탐지 기술
열을 가진 물체가 그 열을 적외선으로 방출하는 성질을 이용하는 것이 열감지 방법의 기본원리이다. 물체의 온도가 높을수록 더 많은 적외선이 방출되기 떄문에 프로펠러를 회전시키는 모터는 주된 탐지 대상이 된다. Seek Thermal에서는 핸드폰에 장착해서 사용할 수 있고 최대 측정거리가 550m인 열감지 카메라를 출시하였다. 다만, 드론 여부를 판단하기에는 일반적인 유효거리가 약 100m 수준이고 가스엔진이 아닌 전기모터의 경우 열 방출이 많지 않기 때문에 탐지에 어려움이 있다.
HGH의 Spynel 적외선 감시 카메라는 최대 8km 거리의 사람을 판별할 수 있으며, 사람 외에도 드론, 보트 등도 탐지가 가능하며, RF 전파를 사용하기 때문에 스텔스 기능을 갖춘 비행체도 탐지가 가능하다. 레이더처럼 적외선을 방사하고 반사되는 적외선을 수신해 탐지하는 Night Vision 방식도 있으며, 주차장에서 흔히 보는 CCTV도 같은 원리이다.
열영상 카메라에 대한 보다 자세한 기술 내용은 본 블로그의 하기 내용을 참고하면 된다.
https://blog.naver.com/iotsensor/221584718207
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