유인기 시뮬레이터는 고등훈련기 탐색개발 형상 전투기급 항공기의 6자유도 모델과 제어법칙이 탑재되어 있다. 직경 16 ft, 시야각 120° × 150°의 돔에 Rockwell Collins 사의 EP-8000 영상 생성기에서 생성된 외부 영상이 조사된다. 내부에는 12.1인치 터치 모니터 2대로 구성된 계기시현장치와 단좌 조종석으로 구성되어 있다. 실시간 비행모델 시연 및 개발 통합 환경을 제공하고, 입출력 인터페이스 구동 드라이브 기능이 있으며 비행모델 선택, 연동 분리, 공항 선택, 데이터 로깅 및 재현 기능을 가지고 있다. Fig. 3은 조종석에서 전투기의 비행 통제와 레이더 탐지 화면이다.

무미익 무인기 시뮬레이터는 비행체 모의 모델과 무인기를 통제할 수 있는 지상통제시스템(GCS, Ground Control System)으로 구성되어 있다. 탑재된 무인기 모델은 Fig. 4와 같이 적의 레이더를 회피할 수 있는 저피탐(RCS, Radar Cross Section) 형상으로써 저피탐 비행체는 전방위각에 대한 레이더 탐지에 가장 큰 영향을 주는 미익을 없애는 형상이 일반적이다. 이런 형상의 특징으로 인해 횡/방향축에 대해 정적 불안정성(Statically Unstable)을 내재하고 있어 역요(Reverse Yaw), 실속 회복(Stall Recovery) 기능이 떨어진다. 일정 받음각 이상이 되면 종축이 발산하는 피치 브레이크 현상이 발생하여 조종성과 안정성 확보를 위한 제어기 설계가 쉽지 않은 어려움이 있다. 본 연구에서 비선형 적응제어 방식을 적용하여 비행제어법칙을 설계하여 축소기를 활용한 비행시험을 통해 개발된 형상이 비행성(Flying Quality) Level 2 이상을 만족함을 확인하였다^[16].

군집무인기 시뮬레이터는 군집 비행제어 알고리즘에 기반하여 무인기의 군집운용을 모의할 수 있는 시뮬레이터이다. 본 연구에서는 군집무인기를 최대 3개의 그룹으로 구분하여 운용할 수 있으며, 각 그룹 단위로 임무를 지정, 변경하고 명령을 인가하도록 하였다. 군집으로 수행하는 임무의 형태는 기존의 4가지 비행 형태(군집 선회 비행, 근거리 집결비행, 두 점간 왕복하는 경로비행, 개별 대기 비행)에 더하여 목표물에 대응하는 종말유도 비행을 추가하였다. 표적 탐지 기능 모의는 전파를 방사한다고 가정된 표적과의 상대 거리와 상대 시야각 이내인 경우 탐지되는 것으로 모의하였다. 무인기를 유인기에서 원격으로 통제하기 위한 절차 및 기능을 모의하는 관점에서 군집무인기 지상통제시스템과 유인기 간에 통제권이 이양될 수 있도록 하였다. Fig. 5에서는 조종석에서 군집 그룹을 선택하고 임무를 부여할 수 있도록 제어하는 통제화면이다.

항공무장 시뮬레이터는 무장 유도법칙을 기반으로 2종의 항공무장을 모의할 수 있으며, 단독 운용과 유/무인기 연동 운용이 가능하다. 통합 시뮬레이션 모니터링 시스템을 통하여 개체가 도시된다. Fig. 6은 유인기에서 조종사가 무장을 제어하는 통제화면이다.

영상모의장치에서는 비행체 또는 무장의 비행 및 EO/IR 센서 영상 모의가 가능하도록 개발하였다. EO/IR 영상은 상용으로 판매되고 있는 MAK사의 VR-Vantage SensorFX 및 VR-Forces에서 제공하는 기능을 활용하여 모의하였다. Fig. 7은 EO/IR 통제 화면이다.

통합 시뮬레이션 모니터링 시스템은 Fig. 8과 같이 유인기, 저피탐 무인기, 항공무장 시뮬레이터 기반의 유·무인 협업 운용 상황을 시현하는 장치로써, 상용 가시화 도구인 MAK사의 VR-Vantage를 기반으로 2D 및 3D 시뮬레이션 상황 도시, 유인기(풀돔), 저피탐 무인기, 무장 객체 및 IR 영상 도시 기능 등이 있다. 82인치 대화면에 객체들의 목록, 항적, 상태정보가 전시되며, 2차원 항적 또는 3차원 영상을 선택할 수 있다. 무장의 IR 영상을 동시에 전시하며, 풀돔 내에 설치된 CCTV가 연동되어 있어서 유인기 조종사의 계기 운용을 모니터링할 수 있도록 하여, 원격공중통제 시연 수행 내용을 전체적으로 확인할 수 있다.

1단계 시연에서는 Fig. 9과 같이 유·무인 협업 구성 편조는 1대 유인기에서 조종사가 4대 원격공중통제 무인기 운영하는 것으로 2대는 탐색-공격, 나머지 2대는 정찰-감시 업무를 부여하였다. 이를 위해서 무인기는 정찰용 EO/IR 임무 장비와 공대지 무장을 탑재하고, 유인 조종사의 공격 허가 시 표적 타격 및 표적 피해 평가 수행하는 것으로 4가지 항목에 대해 임무 시나리오를 작성하였으며, 이를 기반으로 실시간 모의시연을 수행하였다^[13,14].

Fig. 10에서 임무 시나리오는 다음과 같다.

모의시연은 Fig. 11에서 협업 시나리오(Run Card)에 따라 무인기, 지상체, 유인기별 비행준비 단계, 자동이륙 단계, 임무준비단계, 정찰임무단계, 공격임무단계, 귀환/자동착륙단계 상태에 따라 운용자가 시뮬레이터를 운용하여 다음 4가지 시연을 수행하였다. Fig. 12는 전체 시연 시나리오를 지도상에 간략히 보여주고 있다.

1단계 시연은 원격공중통제 시뮬레이터의 기능 및 운용성을 확인하는 것으로써, Fig. 11의 시나리오를 여러 차례 반복 시연하며 시뮬레이터의 검증(Verification and Validation)을 함께 수행하는 방식으로 이루어졌다. 개발을 목표로 한 원격공중통제 시뮬레이터의 세부 구성품 단위로 상세 요구사항을 식별하여 기능 점검표(Fig. 13)를 작성하였다. 주요 보완 사항들로는 연동 신호의 연동 및 해상도, 무장 운용 절차 상세화, 무인기 비정상 종료 시 제어권 반환 등과 관련한 점검 항목이 식별되었다. 무장 운용 절차는 시나리오 운용 시 통제 화면 운용 절차를 보완하였고, 그 외에는 관련 모의 소프트웨어를 수정함으로써 보완하였다. 시나리오 기반 운용성 측면에서는 먼저 무인기 단독 모의시험을 통해, 무인기 시뮬레이터 단독 운용으로 무인기의 이/착륙 및 임무 수행을 위한 단독 지상 통제 기능을 검증하였다. 유·무인 복합 임무 시나리오에서도 유인기에서 무인기의 무장 및 비행 모드 등을 제어함으로써 유인기의 임무를 보조하여 유인기의 위험도 감소와 무인기의 임무 능력 향상을 동시에 달성할 수 있음을 확인하였다. 이 과정에서 무인기 단독 운용 시뮬레이터 개발에서 고려하기 힘든 이슈 사항들을 추가로 식별할 수 있었는데 주요 사항은 다음과 같다. 공중 무인기 통제장치를 통해 유인기 조종석에서 조종사가 비행통제와 동시에 무인기 통제를 수행하므로 지상 통제 운용자에 비하여 매우 제한된 통제 화면이 제공된 상태에서 비행 중 통제화면 조작이 필요하다. 따라서 통제 화면의 시인성 확보와 통제 편의성이 매우 중요하게 된다. 또한 과도한 정보를 주기 보다는 임무의 중요성과 우선순위를 고려한 정제된 통제 기능 제공이 매우 중요한 것으로 식별되었다. 또한 지상운용자와 달리 비행통제 시 기상 상태에 영향을 받을 수 있으므로 이에 대한 고려도 필요하다. 한편 기상 등 다양한 이유로 통신 두절 시 무인기의 통제권 관리 방안이 필요함을 식별할 수 있었다.

2단계 시연에서 탐지/정찰과 자폭 기능이 결합된 군집무인기가 공중에서 발사하여 임무별 그룹으로 지정되어 탐지/정찰을 수행하면서 표적을 확보하면 종말유도 명령에 따라 표적을 공격하는 임무를 수행하는 시나리오를 설정하였다^[15].

Fig. 14 1번에서는 군집무인기 공중 투하 및 대기 전개된 후 공중에서 대기하고 있다. Fig. 14 2번에서는 통제권 변경(지상→유인기)하고, 그룹으로 분리 후 종말유도 임무 및 정찰 임무를 할당한다. 군집 무인기 통제권을 이양 받은 유인기 조종사는 예상지역의 표적 탐지를 위해 군집 무인기 그룹1을 설정한다. 유인기 조종사는 그룹1로 지정된 군집무인기들이 예상지역의 근거리 정찰 임무를 통해 표적(A)을 탐지하도록 하고, 인근지역에 대한 정찰 임무를 부여하기 위해 일부 무인기를 그룹2로 지정하여 임무를 재할당한다.

Fig. 15 3번에서 그룹1이 표적(A)을 탐지하여 종말유도 가능 여부를 표시하면, 유인기 조종사는 종말유도 명령을 인가한다. Fig. 15 4번에서 표적(A)을 식별한 무인기는 종말유도 비행, 미식별 무인기는 임무 비행을 지속하고, 유인기에서 표적(A) 제거 확인 후 대기 임무를 인가한다.

Fig. 16 5번에서 그룹2가 정찰 임무 중 새로운 표적(B)를 탐지하면, 유인기 조종사는 종말유도 명령을 인가, 표적(B)를 탐지한 무인기는 종말유도, 미탐지 무인기는 임무비행을 지속한다. Fig. 16 6번에서 그룹2가 표적(B) 제거가 확인되면, 유인기 조종사는 그룹2에 그룹 복귀를 인가하고, 그룹2가 그룹1에 복귀하며 대기 비행을 수행하도록 명령한다.

군집무인기를 원격공중통제 화면을 통해 다수 무인기를 그룹화하고 그룹별로 임무를 할당하여 표적을 확보하게 되면 자폭하도록 설정받은 그룹이 표적을 공격하는 시나리오대로 잘 운용되고 있음을 확인할 수 있었다.

한편 다수 무인기의 통제를 위해 1단계 개발 결과의 시사점을 반영하여 직관적이고 간략화된 인터페이스로 시인성과 운용성을 높여 조종사의 업무 부하를 줄이고자 노력하였다. 그러나 현재의 환경은 유인기 시뮬레이터가 단좌로 제한되어 있어, 조종사가 비행을 통제하면서 무인기들을 운용하는데 상당한 부하가 가해질 수밖에 없음을 알 수 있었다. 따라서 복좌 개념으로 조종사와 운용사로 이원화된 운용이 필요한 것으로 확인이 되었다.

본 연구에서는 무인기의 자율 의사결정, 데이터링크 제한과 지상 위협 등은 저자의 연구 범위의 제한으로 고려되지 않았기 때문에 향후 관련 연구 시에는 이에 대한 고려가 필요하다고 판단된다.