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공항, 원전 등 국가 주요시설 대 드론 방어체계 구축 방안(3)
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공항, 원전 등 국가 주요시설 대 드론 방어체계 구축 방안(3)
  • 이시욱 Dt&C CTO/공학박사
  • 승인 2020.03.30 05:35
  • 댓글 0
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이시욱 박사가 드론 방어체계를 설명하고 있다. 출처:미래경제뉴스
이시욱 박사가 계룡대 지상군 페스티벌에서 드론 방어체계를 설명하고 있다. 출처:미래경제뉴스

2020년을 맞아 본지는 4차산업혁명의 핵심기술 진보에 대한 트렌드 특집 기사를 연재하고 있다. 이번에는 '대 드론'의 개념을 정립하고  국가 주요시설에 대한 드론 방어체계를 기획하고 있는 이시욱 박사의 글을 8회에 걸쳐 연재하고 있다. 매주 월요일과 목요일에 연재되며 이번 회차는 3회차 글이다. 

▷드론의 탐지

대 드론 방어체계에서 가장 중요한 것은 드론이 침투하는 것을 탐지하는 것이다. 탐지 수단으로는 레이더, 라디오 주파수 스캔 탐색기, 광학 카메라, 육안 등 여러 종류가 있다. 어느 장비가 드론 탐지에 가장 효과적이라고 언급하기는 매우 어렵다. 그 이유는 아직까지 전세계 어디에도 탐지율 100%의 완벽한 단일 장비는 없으며 또한 설치 목적 및 환경이 각각 다르기 때문이다.

따라서 최선의 방법은 상기 장비들을 적절하게 구성하여 상호 연동 운용함으로써 최대의 효과를 가져 오게 하는 것이다. 즉, 설치 환경에서 건물의 크기와 배치도, 해안에 인접해 있는가, 또는 지형이 평평한가 산악 지형인가, 주변에 큰 나무 숲이 있는가, 민가가 얼마나 떨어져 있는 가 등을 고려하여 장비의 종류 및 필요한 대수를 정해야만 한다. 탐지를 위한 설치 및 운용 개념도는 다음과 같다.

드론탐지 장비 설치/운용 개념도. 출처 : “안티드론 통합솔류션” 뉴데일리, 2019
드론탐지 장비 설치/운용 개념도. 출처:“안티드론 통합솔류션” 뉴데일리, 2019

이 중에서 조기 탐지를 위한 레이더와 라디오 주파수 스캔 탐색기가 가장 중요하다. 이 장비들은 장거리에서 침투 드론을 탐지할 수 있으면 그만큼 대응할 시간이 많아 드론 침투에 대한 완벽한 방어를 할 수 있는 확률이 높기 때문이다.

▷드론 탐지 레이더

아래 그림은 일반적으로 드론을 탐지를 할 수 있다고 소개된 레이더 들이다. 여기서 중요한 사항은 각 장비의 자체 브로셔에 소개된 탐지 성능은 가장 이상적인 탐지 환경에서 측정된 값이므로 반드시 사전 검증을 하여야 한다는 것이다. 특히 공항이나 원전 등 국가 주요시설에 침투할 수 있는 “후티” 드론과 같은 타입의 위협은 반드시 레이더로만 탐지 가능하므로 장비 선정은 매우 중요하다.

드론탐지 레이더. 출처:“드론 어떻게 탐자할 것인가”, 이시욱 2019. 5
드론탐지 레이더. 출처:“드론 어떻게 탐자할 것인가”, 이시욱 2019. 5

드론을 탐지하기 위하여는 다음과 같은 성능의 레이더 장비가 필요하다.

첫째, 앞에서 언급한 것과 같이 DJI 팬텀4의 피탐면적(RCS)이 0.01m2 (10cm x 10cm)이므로 이정도 크기를 탐지할 수 있어야 한다. 이 정도의 탐지 성능을 검증하기 위하여는 기본적으로 레이더에서 사용되는 주파수를 파악해야 한다.

예를 들어 Ku-Band를 사용하는 레이더의 경우 Ku-Band = 15GHz 기준으로 파장 길이가 (λ) = 2cm이고, X-Band 사용 레이더의 경우 X-Band = 10GHz 기준으로 파장 길이가 (λ) = 3cm 정도 되므로 피탐면적 10cm x 10cm 크기의 드론 탐지가 가능하다. 따라서 Ku-Band 및 X-Band 를 사용하는 레이더를 선정해야 한다.

레이더가 탐지할 수 있는 크기는 RCS(Radar Cross Section : 피탐면적)로 그 크기는 드론의 형상, 드론을 탐지하는 방향/각도, 카메라 장착여부, 사용되는 회전 날개의 크기, 날개 회전 속도 및 사용 주파수 등에 따라 달라 진다.

아래 예는 드론을 탐지하는 방향/각도에 따른 RCS를 보여 준다.

드론의 탐지 각도에 따른 RCS 크기 변화. 출처:“AUDS Technical report” 영국 BSS 사 2019
드론의 탐지 각도에 따른 RCS 크기 변화. 출처:“AUDS Technical report” 영국 BSS 사 2019

둘째, 드론의 속도에 따른 탐지 성능으로 드론은 은밀하게 즉, 때로는 빠른 속도로, 때로는 느린 속도로 그리고 제자리에서 정지한 것과 같은 호버링을 하면서 침투 할 수 있다. 만일 최소 탐지속도가 2m/sec인 레이더의 경우 시속 7.2km 이므로 그 이하로 느리게 침투하거나 호버링하는 드론은 탐지가 불가능 하다. 따라서 최소탐지 속도가 15cm/sec이하의 속도를 탐지할 수 있어야 한다.

이 조건은 드론 탐지의 핵심 사항으로 이 조건이 충족되지 않는다면 절대로 도입해서는 안된다. 이러한 레이더가 설치된 것을 드론 침투자가 사전에 알고 느린 속도로 침투시킨다면 100% 침투를 성공할 수 있기 때문이다. 따라서 반드시 도입 전에 최소 탐지속도 검증을 위한 사전시험을 하는 것이 필요하다.

셋째, 스캔속도가 1~2초 이내로 빨라야 하고 탐지율이 90% 이상 되어야 한다. 왜냐하면 우리가 드론을 탐지할 수 있는 최대 거리가 제한되므로 즉시 탐지하지 못하면 대응 시간이 없기 때문이다. 또한 회전형 레이더는 회전시 유격으로 인해 탐지가 제한될 수 있어 전자스캔 방식의 고정형 레이더가 드론 탐지를 위하여 더 효과적이다.

레이더 드론 탐지 거리 및 속도에 따른 대응시간. 출처:“드론 어떻게 탐자할 것인가”, 이시욱 2019. 5
레이더 드론 탐지 거리 및 속도에 따른 대응시간. 출처:“드론 어떻게 탐자할 것인가”, 이시욱 2019. 5

레이더는 가시지역 내에서만 탐지가 가능하므로 드론을 방어하려는 지역에 건물이나 구조물로 인하여 LOS(Line Of Sight)가 제한 된다면 레이더의 설치위치를 심도있게 분석하여 설치 위치, 설치 높이 및 설치 대수를 결정해야 한다.

특히 “후티” 드론의 경우는 속도가 빠르기 때문에 드론을 반드시 장거리(5km이상)에서 탐지할 수 있는 레이더를 선정해야 탐지시 대응할 수 있는 시간이 가능하다. 예를 들면 100km/h 로 비행시 5km 비행하는데 걸리는 시간은 약 3분 정도 이기 때문이다. 이 경우 레이더의 설치는 사각 지대 없이 충분히 설치 되어야 한다. 왜냐하면 라디오 주파수 스캔 탐색기로 탐지가 불가능 하기 때문이다.

<4회로 이어집니다>

 


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