Ⅰ. 서 론
1. 개요 및 필요성
최근 드론 또는 UAV1)이라고 불리는 UAS2) 관련 기술의 급격하게 발전하고 있다. 기술이 발전함에 따라 초기에는 군사 정찰용으로 사용되었지만, 현재에서는 건설, 교통, 에너지, 농업, 촬영, 통신, 보험, 배송 등 실 생활에 다양한 방법으로 활용되고 있다(Korea Institute of Aviation Safety Technology, 2021;National IT Industry Promotion Agency, 2023). 하지만 드론은 크기, 소음이 작지만 비용이 적게 들고 물건 운반이 가능하 여 악의적인 의도로 사용되면 사회의 큰 위협이 될 수도 있다(Electronics and Telecommunications Research Institute, 2023). 특히, 국가중요시설(공공기관, 공항, 항만, 주요 산업시설 등)을 위협할 경우에 국가안보와 국 민 생활에 심각한 영향을 줄 수 있다. 최근 러시아 우크라이나 전쟁에서는 정찰 및 폭격에 드론을 이용하였 다(Institute for National Security Strategy, 2023). 실제로 드론에 의한 위협 및 공격은 아래의 <Table 1>과 같이 국내뿐만 아니라 국외에서도 빈번하게 발생하고 있다.
<Table 1>
Summary of domestic and international drone crashes and terrorist incidents
| Country | Event Details | Date |
|---|---|---|
| Korea | 5 aircraft diverted due to illegal drone at incheon international airport | 2020.09 |
| North Korean drone crashes at THAAD base | 2017.05 | |
| 3 north Korean dromes crashed in republic of korea | 2014.03 | |
| Iran | US military attacks iranian military base with drone | 2020.01 |
| Saudi Arabia | Drone attacks on oil refineries and oil production bases | 2019.09 |
| East oil field attacked by about 10 drones | 2019.08 | |
| Akha airport attacked by drone | 2019.06 | |
| Fueling operations stopped due to drone attack | 2019.05 | |
| UK | Gatwick airport paralyzed by drone invasion | 2018.12 |
| Drone crashed into airplane at heathrow airport | 2016.04 | |
| Venezuela | Attempt to assassinate president maduro by drone | 2018.08 |
| France | Greenpeace's nuclear power plant drone crash protest | 2018.07 |
| Drones appear in various places at nuclear power plants | 2014.10 | |
| South Africa | Nuclear power plant drone crash | 2016.08 |
| Japan | Radioactive drone crashes into prime minister’s residence | 2015.04 |
| USA | Drone crashes into white house | 2015.11 |
| Mozambique | Collision between aircraft and drone while landing | 2014.10 |
여러 국가에서 드론 위협의 발생함에 따라 심각성을 알고 관련 기술 연구개발 및 제도 개선 등 선제 대응 을 위한 정책을 시행하고 있다. 한국, 미국, 중국, 일본 캐나다, 호주, 영국, 독일, 프랑스 등 다양한 국가에서 정부기관 주도하에 드론 관련 규제를 관리하고 있고, 자체 규제를 준수하는 한 자국 내에서 드론 운행을 허 용하고 있다(Sim et al., 2023). 이러한 드론으로 인해 야기되는 범죄나 테러에 대응하여 위한 방안으로 안티 드론 기술을 적용하고 있다(Korea Institute of Aviation Safety Technology, 2022).
안티드론 시스템은 일반적으로 탐지·식별·무력화로 구성되어 있다. 안티드론은 “C-UAS3)” 또는 “對드론” 이라고도 한다(Ahn, 2022). 안티드론 시스템의 장비 구성은 아래의 <Table 2>와 같이 정리할 수 있다(Korea institute of S&T Evaluation and planning, 2021). 탐지 기술은 레이더, RF 스캐너, 광학 등의 장비를 이용하여 드론을 탐지한다. 탐지용 레이더의 원리는 전자파를 이용하여 표적으로부터 반사되는 전자파를 수신하여 전 파의 도달 시간의 차이를 이용하여 거리를 측정하는 원리를 이용한다. 드론의 경우 RCS4)가 작고, 낮은 고도 에서 저속으로 비행하면 탐지 및 추적에 어려움이 있다. 하지만 전자파를 이용하기 때문에 탐지거리가 길고 기상의 영향을 받지 않는 장점이 있으므로 장단점을 고려하여 설치 및 운용하여야 한다. RF 스캐너는 드론 이 방사하는 RF 신호를 측정하여 탐지하는 기술이다. 일반적으로 상용 드론이 사용하는 주파수를 측정할 경 우에는 드론과 조종기의 위치를 파악할 수 있다. 하지만 다른 통신 장비가 동일한 주파수를 사용하면 탐지에 방해가 될 수 있는 단점이 있다. 식별 기술은 EO/IR5) 센서, 음향탐지 센서 등의 방법을 이용한다. EO/IR은 가시광선 및 적외선 영상을 이용하여 표적을 탐지 및 식별하는 기술로 탐지된 물체의 외관 정보를 바탕으로 식별한다. 실제 물체를 광학 장비를 이용하여 판단하여 탐지 시 오차를 줄일 수 있는 장점이 있지만 탐지거 리가 짧고 계속해서 움직이는 물체를 추적하여 조준하기 어려운 단점이 있다. 무력화 기술은 크게 하드 킬 (레이저, 대공화기, 그물망 등 물리적 타격), 소프트 킬(재밍, 스푸핑 등 전파신호 이용)로 구분할 수 있으며, 최근에는 불법 드론에 대해 효과적으로 대응하고 위해 하드 킬과 소프트 킬을 혼합한 기술을 사용하고 있다 (Choi et al., 2017;Hwang and Kim, 2020;Kim et al., 2021).
<Table 2>
Anti-drone technology classification table
| Classification | Technical Concept | ||
|---|---|---|---|
| Detection(D) & Identification(I) | Radar (D) | Use X-Band and Ku-Band | |
| RF Scanner (D) | Communication signal analyze between drone and controllor | ||
| EO Camera (D,I) | Camera with Eo sensor | ||
| IR Camera (D,I) | Camera with IR sensor | ||
| Acoustic Sensor (I) | Calculation the noise delay with acoustic sensor | ||
| Visual Identification (I) | Identify the controllor by drone’s identification number | ||
| Electric Identification (I) | Actively passive electronic remote identification with identification number or operator identification number | ||
| Neuralization | Hard Kill | Net Gun | Illegal drone capture using nets |
| Bird | Train birds of prey to capture illegal drones | ||
| Anti Aircraft Weapons | Combining anti-aircraft artillery and short-range radar to shoot down drones | ||
| Direct Energy Weapons | Shoot down illegal drones with guns equipped with lasers and RF | ||
| Soft Kill | Communication Jamming | Interferes with radio waves, making flight impossible. | |
| GNSS Jamming, Spoofing | Inability to fly or flight condensation due to injecting false coordinates | ||
| Take Control | Hack the protocol or be captured by landing and incapacitating the flight | ||
| Geo-fencing | Prevents flights in specific areas by entering no-fly zone information into the drone's navigation software GPS | ||
이러한 안티드론 기술은 여러 국가중요시설에서 도입을 시도하고 있다(Son et al., 2020). 발전소, 변전소의 경우에는 전기 전달을 위한 송전탑의 상당수가 시설 부근에 설치되어 있다. 시설이 해안가나 도심 한가운데 위치할 경우 드론을 이용하여 다양한 경로로 침투가 가능하고, 송전탑도 크기가 다양하기 때문에 침투가 쉬 울 수 있다. 하지만 드론을 대응하기 위한 안티드론 장비의 관점에서는 음영지역이 발생하기 쉬운 단점이 있 다. 위와 같은 상황을 고려하여 현재는 탐지 장비와 무력화 장비를 우선적으로 구축하고 있다.
본 논문에서는 RF 스캐너의 드론 신호 탐지 시 송전탑이 주는 영향에 대해 측정 및 분석을 진행하였다. RF 스캐너를 설치 후 드론 신호 탐지 시 드론과 RF 스캐너가 LOS6)가 확보됨에도 탐지가 불가능한 경우가 발생하였고, 주요 원인을 분석한 결과 주변의 송전탑이 드론의 RF 신호를 감쇠시켜 탐지가 불가능한 것으로 추정하여 연구를 진행하였다. 실험은 측정 대상 송전탑 주변 전파 환경 측정 후 기준 실험, 감쇠율 측정 실 험을 진행한다.
Ⅱ. 본 론
본론에서는 드론 신호 탐지 시 송전탑의 영향성 확인을 위한 전체적인 실험 방법에 대한 내용을 설명한 다. 실험을 진행하기 전에 주파수의 중복 사용 확인을 위해 측정 대상 송전탑 주변의 전파 환경을 측정한다. 그리고 개활지에서 드론의 전파신호를 수신하는 기준 실험을 진행한다. 기준(Reference) 실험을 통하여 고도 별 드론 신호의 세기를 확인한 후에 거리가 다른 다수의 지점에서 LOS 상에 송전탑을 위치시켜 신호의 세 기를 측정한다. 송전탑 주변 전파 환경 측정 시와 송전탑 전자파 감쇠 측정 시 모두 평균운량 3.1 이하, 일강 수량은 없는 맑은 날씨 환경에서 진행하였다.
1. 측정 대상 주변 전파 환경 확인
측정 대상은 개활지에 위치한 대략 150 m 높이의 송전탑이고, 장비는 수신용 안테나(SAS-510-2)와 전파 수 신기를 사용하였다. 측정은 송전탑으로부터 거리와 각도가 다른 3개 지점(1번 지점 293 m, 2번 지점 365 m, 3 번 지점 445 m)에서 진행하였고 아래의 <Fig. 1>에 3개의 지점과 송전탑과의 거리를 표시하였다. 측정 주파 수 대역은 실험에 사용할 드론이 사용하는 주파수 대역(2.4 GHz, 5.8 GHz 대역)과 중복 사용하고 있는지 확인 하기 위해서 1 GHz ∼ 6 GHz 범위를 선택하였다.
아래의 <Fig. 2>와 같이 1 GHz ∼ 6 GHz 구간에서 전파 환경을 측정한 결과로 이동통신, 항공, 위성(지구 국)에서 주파수 사용이 감지 되었지만, 실험을 진행하기 위한 드론의 통신 주파수와 중복되는 주파수는 없으 므로 실험할 수 있다고 판단하였다.
2. 기준(Reference) 측정
기준(Reference) 실험은 특정 거리만큼 떨어진 곳에서 드론의 고도 변화에 따른 드론 신호 세기의 정도를 측정하여 이득 차이를 확인하는 것이다. 이는 LOS 상에 송전탑이 위치했을 때 드론의 고도 변화에 따른 신 호 세기의 변화 정도를 확인하는 기준이 되는 실험이다. 실험에 사용된 드론은 2.4 GHz, 5.8 GHz 대역을 사용 하는 상용 드론 1기를 사용하였다. 먼저 주변 송전탑과 송전선 전자기장의 영향을 받지 않도록 하기 위해 드 론과 전파 수신기는 송전탑, 송전선과 대략 300m 떨어진 거리에서 평행하게 설정하여 드론과 전파수신기 사 이에 LOS를 확보하였다. 그리고 전파 수신기와 500 m 떨어진 거리에서 드론의 비행고도를 20 m ∼ 220 m 범 위에서 20 m 씩 변화하여 드론에서 방사되는 RF 신호의 세기를 측정하였다. 사용한 드론이 조종기는 측정에 영향을 주지 않기 위해 측정 지점과 드론 간 LOS 경로의 수직 방향으로 290 m 떨어진 지점에 위치하였다.
아래의 <Table 3>과 <Fig. 4>는 측정 결과를 고도 변화, 고도 변화에 따른 거리 증가, 2.4 GHz, 5.8 GHz 대 역에서 측정된 이득 결과를 나타낸 표와 이득 결과와 추세선을 표시한 그래프이다. 측정 결과 고도 20 m ∼ 220 m 범위에서 전파수신기에 측정된 이득 차이는 대략 4.8 dBμV/m 발생하였다. 그리고 고도에 따른 이득의 차이와 고도별 측정 결과 패턴도 2.4 GHz, 5.8 GHz 대역에서 유사하게 발생하였다. 측정하는 주파수 대역이 다르지만, 고도가 상승함에 따라 증가하는 거리도 고려하면 유사한 이득 감소 결과를 알 수 있었다.
<Table 3>
Measured gain and distance by different altitudes
| Altitude [m] | 20 | 40 | 60 | 80 | 100 | 120 | 140 | 160 | 180 | 200 | 220 |
| Gain at 2.4 GHz [dB μV/m] | 36.8 | 42.4 | 37.2 | 44.3 | 34.6 | 40.6 | 36.7 | 64.7 | 41.6 | 33.8 | 34.4 |
| Gain at 5.8 GHz [dB μV/m] | 50.2 | 44.6 | 45 | 48.7 | 43.1 | 43.9 | 44.1 | 42.3 | 43.9 | 43.6 | 43.1 |
| Distance [m] | 540.2 | 541.2 | 542.9 | 545.3 | 548.5 | 552.3 | 556.9 | 562.1 | 568 | 574.5 | 581.6 |
3. 송전탑 전자파 감쇠(Measurement) 측정
앞서 진행한 전파 환경 측정 실험과 기준 실험 결과를 바탕으로 드론과 전파 수신기간 LOS 경로상에 송 전탑을 포함하여 송전탑에 의한 전자파 감쇠 정도 측정 실험을 진행하였다.
측정은 위의 <Fig. 5>와 같이 송전탑으로부터 각각 다른 거리의 4개 지점에서 진행하였다. 드론과 조종기의 위치는 송전탑을 기준으로 측정 위치와 반대 방향에 위치하게 하였다. 측정에 사용한 드론은 상용 드론으로 이륙 시 드론의 안전과 드론과 조종기간 LOS 확보를 위해 드론의 비행고도를 70 m ∼ 190 m까지 20 m 단위로 변화시켜 측정하였다. 드론과 조종기 사이의 사용주파수는 2.4 GHz 사용 대역폭 중에서 10 MHz (2.4625∼2.4725 GHz)를 지정하였고, 5.8 GHz 사용 대역폭 중에서 10 MHz (5.839∼5.849 GHz)를 지정하여 사용하였다.
측정 결과 4개의 측정지점에서 측정한 결과 드론의 비행고도 110 m ∼ 170 m에서 이득이 감소하는 것을 알 수 있었다. 이는 LOS가 송전탑에 가려질 경우에 이득이 감소하는 것을 알 수 있었다. 아래의 <Table 4>와 <Table 5>는 측정 결과를 나타낸 표이고, <Fig. 6>과 <Fig. 7>은 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
<Table 4>
Measurement results at 2.4 GHz
| Altitude [m] | 70 | 90 | 110 | 130 | 150 | 170 | 190 | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Point 1 | Gain [dB μV/m] | 42.4 | 46.9 | 43.2 | 32.9 | 30.2 | 35.0 | 42.8 |
| Reduction Rate [%] | 8.3 | 0.0 | 4.6 | 26.6 | 31.9 | 20.2 | 1.1 | |
| Distance [m] | 445.7 | 449.3 | 453.8 | 459.1 | 465.2 | 472.1 | 479.7 | |
| Point 2 | Gain [dB μV/m] | 41.1 | 42.1 | 41.4 | 35.8 | 43.0 | 43.1 | 42.8 |
| Reduction Rate [%] | 10.5 | 7.3 | 8.0 | 19.5 | 2.4 | 1.1 | 0.7 | |
| Distance [m] | 525.2 | 528.4 | 532.3 | 537.0 | 542.3 | 548.3 | 555.0 | |
| Point 3 | Gain [dB μV/m] | 32.1 | 39.5 | 40.1 | 38.8 | 34.7 | 40.3 | 40.2 |
| Reduction Rate [%] | 29.8 | 12.7 | 10.5 | 12.5 | 20.9 | 7.2 | 6.2 | |
| Distance [m] | 559.5 | 562.4 | 566.0 | 570.3 | 575.2 | 580.7 | 586.9 | |
| Point 4 | Gain [dB μV/m] | 36.6 | 41.2 | 38.1 | 37.6 | 42.9 | 39.5 | 43.4 |
| Reduction Rate [%] | 18.7 | 7.4 | 13.6 | 13.7 | 0.5 | 7.4 | 0.0 | |
| Distance [m] | 893.1 | 895.0 | 897.3 | 900.0 | 903.2 | 906.8 | 910.9 | |
<Table 5>
Measurement results at 5.8 GHz
| Altitude [m] | 70 | 90 | 110 | 130 | 150 | 170 | 190 | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Point 1 | Gain[dB μV/m] | 44.1 | 34.9 | 44.8 | 36.0 | 35.1 | 29.9 | 36.6 |
| Reduction Rate[%] | 0.0 | 16.6 | 0.0 | 11.9 | 13.3 | 25.2 | 7.3 | |
| Distance[m] | 445.7 | 449.3 | 453.8 | 459.1 | 465.2 | 472.1 | 479.7 | |
| Point 2 | Gain [dB μV/m] | 37.5 | 39.7 | 45.9 | 36.8 | 36.1 | 29.3 | 39.3 |
| Reduction Rate [%] | 10.7 | 4.4 | 0.0 | 9.5 | 10.0 | 26.1 | 0.0 | |
| Distance [m] | 525.2 | 528.4 | 532.3 | 537.0 | 542.3 | 548.3 | 555.0 | |
| Point 3 | Gain [dB μV/m] | 33.3 | 34.5 | 38.0 | 37.0 | 34.6 | 28.8 | 36.7 |
| Reduction Rate [%] | 20.2 | 16.4 | 6.8 | 8.2 | 13.1 | 27.0 | 5.7 | |
| Distance [m] | 559.5 | 562.4 | 566.0 | 570.3 | 575.2 | 580.7 | 586.9 | |
| Point 4 | Gain [dB μV/m] | 29.4 | 37.7 | 38.3 | 34.0 | 37.1 | 37.3 | 38.0 |
| Reduction Rate [%] | 28.5 | 7.1 | 4.6 | 14.3 | 5.5 | 3.9 | 0.9 | |
| Distance [m] | 893.1 | 895.0 | 897.3 | 900.0 | 903.2 | 906.8 | 910.9 | |
4. 결과 분석
기준 실험과 송전탑 전자파 감쇠 실험을 바탕으로 분석하면 다음과 같다. 송전탑의 철골 구조물에 의해 드론과 전파수신기간 LOS가 확실하게 확보되지 않은 경우에 특정 지점에서 이득이 감소하는 결과를 보였다. 각 측정지점에서의 평균 감쇠율과 최대 감쇠율은 2.4 GHz와 5.8 GHz 대역에서 유사한 패턴을 보였다.
이는 사용주파수의 차이뿐만 아니라 송전탑의 물리적 형상과 밀도에 영향을 많이 받는 것으로 판단된다. 아래의 <Fig. 10>은 실제 측정 대상으로 선정한 송전탑으로 일반적인 송전탑 구조물의 형상과 같이 아래쪽 은 구조물의 밀도가 낮고, 높은 쪽으로 갈수록 구조물의 밀도가 점점 증가하게 된다. 본 연구에서 측정 대상 으로 지정한 송전탑의 경우에는 드론의 비행고도 110 m ∼ 170 m 지점에서 수신 신호 이득이 특히 감소하는 경향을 보였는데, 그 원인으로 110 m 이하 부분은 철골 구조물의 밀도가 상대적으로 작은 반면에 110 m 이 상 부분은 밀도가 높기 때문에 드론 신호 세기 측정에 영향을 줄 수 있다고 생각된다.
Ⅲ. 결 론
본 논문에서는 RF스캐너 탐지 성능에 송전탑이 미치는 영향을 측정 및 분석하였다. 드론 탐지를 위한 RF 스캐너 성능 시험 시 LOS가 확보됨에도 드론을 탐지하지 못하는 경우가 있다. 탐지 불가 원인을 분석한 결 과 변전소, 발전소, 해안 등 송전탑이 RF스캐너의 탐지 성능에 영향을 미치고 있었다. 송전탑이 RF스캐너 성 능에 미치는 영향 시험은 측정 대상 송전탑 주변의 전파 환경을 측정하여 확인한 후 기준 실험, 4개 지점에 서 송전탑을 포함한 실험을 진행하였다. 시험에는 드론에서 나오는 전파를 수신하기 위한 전파수신기와 수 신용안테나, 상용 제품 드론 1기가 사용되었고, 사용 주파수는 2.4 GHz와 5.8 GHz 대역에서 진행하였다.
실험 결과로 송전탑에 의해 드론과 전파수신기간 LOS가 확실하지 확보되지 않은 경우에 이득이 감소하였 다. 각 측정지점에서의 평균 감쇠율과 최대 감쇠율은 2.4 GHz와 5.8 GHz 대역에서 유사한 결과를 보였다. 드 론의 RF신호 감쇠 원인으로 송전탑 구조물 형상의 밀도에 따라 감쇠 정도가 달라지는 것을 알 수 있었다. 송전탑의 구조상 상대적으로 철골 구조물의 밀도가 높은 지점에서 전자파의 감쇠가 많이 일어났다.
본 논문의 결과를 바탕으로 드론이 탐지 장비 기준으로 송전탑 철골 구조물 뒤쪽에 있는 경우에 탐지가 되지 않을 확률이 높아지는 것을 알 수 있다. 추후에는 송전탑의 송전선에 의한 전자파 영향을 확인하여 송 전선과 철골 구조물을 포함한 탐지장비 사용 시 송전탑의 영향성을 파악할 필요가 있다고 생각된다. 그리고 탐지 장비 설치 및 운용 시 송전탑의 RF 영향성을 고려하면 도심 속 변전소, 발전소, 고속도로 근처 등 우리 나라 전력 계통에 의해 설치된 송전탑 부근에서 RF스캐너 운용 시 탐지 음영지역을 최소화하는 데 활용할 수 있다고 생각된다.
