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Nikkei X-TECH_2022.8.17

플라잉카, 사회 구현 카운트다운
플라잉카의 정체, 양자 어닐링 머신으로 통제
FaroStar, 충돌방지 자동관제 기술 개발

플라잉카, 즉 eVTOL(수직이착륙)기를 사용한 상용운항서비스는 초기 단계에서는 통상의 항공기와 마찬가지로 파일럿이 조종한다. 그러나 미래의 최종적인 목표는 조종사가 탑승하지 않는 컴퓨터 제어를 통한 자율/고밀도 운항이다. 이것이 실현되지 않으면 ‘100조엔’이라는 꿈의 거대 시장은 그림의 떡이 될 수도 있다.

그 실현에 필요한 핵심 기술 중 하나가 하늘을 날아다니는 수많은 eVTOL기가 충돌하지 않고 안전하게 비행할 수 있도록 관리하는 항공 관제다. 게다가 평상시에는 인간의 판단을 필요로 하지 않는 자동시스템이 필수불가결하다.

현재 민간 항공기의 관제는 고도 200m 이상이 대상으로 국토교통성이 관할하고 있다. 어느 기체가 어디를 날고 있는가’라는 기체 식별정보 취득에는 능동형과 수동형 두 가지 방식이 있다.

우선 능동형은 지상의 관제시스템에서 SSR(Secondary Surveillance Radar)이라 불리는 레이더로 질문 신호를 발사하고, 항공기에 탑재된 트랜스폰더(자동응답장치)가 기체의 식별정보나 고도, 위치, 방향정보를 되돌려 보낸다.

수동형은 항공기가 GPS(위성위치확인시스템)로부터 취득한 위치 정보 등을 방송형 데이터링크를 이용해 일정 간격으로 발신하고 있기 때문에 관제시스템 측에서 그것을 수신한다. 방송형자동종속감시(ADS-B: Automatic Dependent Surveillance-Broadcast)라 불린다. ADS-B는 SSR보다 정확한 위치 정보를 얻을 수 있는 등의 장점이 있다.

한편, 고도 150m 이상을 날게 되는 eVTOL기 전용 관제에 대해서는 현시점에서 아직 결정된 것은 없다. 다만 한 가지 말할 수 있는 것은 SSR이 고도 200m 미만의 구역에 대해서는 다른 전파대에 대한 간섭이나 인체에 대한 악영향 등의 우려 때문에 사용할 수 없다는 것이다.

이러한 비관제 구역을 비행하는 eVTOL기나 택배용 물류 드론(고도 150m 미만 비행)과 같은 차세대 에어 모빌리티 관제를 위한 기술을 개발하고 있는 국내 스타트업 기업이 있다. FaroStar(도쿄)다.

FaroStar는 'AURORA(오로라)'라는 충돌방지 자동관제 기술을 개발해, 차세대 에어 모빌리티에 적용하는 것을 목표하고 있다. AURORA는 트랜스폰더를 탑재해 위치정보 등을 발신하는 항공기나, 22년 6월부터 '리모트 ID'라 불리는 식별정보 발신기기의 탑재가 의무화된 드론에서 기체 식별정보를 취득한다.

아울러 트랜스폰더를 탑재하고도 위치정보 등을 발신하지 않은 기체에 대해서는 응답파를 해석하여 기체에 관한 정보를 파악한다. 예를 들면, ‘SSR 모드 A/C’라는 트랜스폰더를 탑재한 경우, 식별코드와 기압고도 정보를 취득해 자체 계산에 따라 위치와 속도를 추정하는 것이다.

또한 원격 ID를 탑재하지 않은 드론의 식별에 대해서는 드론이 발신하는 통신용 전파를 해석함으로써 기체와 조종사의 위치를 특정한다. 현재 이 기술을 방위대학교와 공동으로 연구하고 있고, 23년 3월까지 실증을 시작할 예정이다.

-- 기체에 루트 변경/복귀를 지시 --
AURORA는 FaroStar의 도시교통관제시스템(UMTCs)의 핵심 기술이다. FaroStar가 기체 제조사에 독자 프로그램을 제공하고, 이를 기체에 인스톨해 UMTCs에 접속함으로써 자동관제가 가능해진다. 기체에 비행 루트를 입력하고 자율비행을 시작하면 UMTCs가 비행을 감시한다. UMTCs는 타사의 UTM(운행관리시스템)과도 제휴가 가능하다.

항공기의 경우 비행플랜을 제출할 때 비행 루트에 문제가 없더라도, 예를 들어 바람에 휩쓸리는 등 상공 환경의 영향을 받거나 기체에 어떤 변화가 있으면 충돌 위험이 발생할 수 있다.

AURORA는 예를 들면, 이대로는 다른 기체와 충돌할 위험이 있다고 판단한 경우, 한쪽의 기체에 대해 충돌 회피 경로를 계산해 루트 변경을 지시한다. 그리고 충돌을 회피하면 원래의 루트로 돌아가라고 지시한다.

FaroStar는 22년 5월, AURORA의 자동관제시스템과 연계할 수 있는 장치를 탑재한 드론을 이용한 충돌 회피 실험을 NEXCO 동일본과 공동으로 실시했다. 자율비행 중인 드론에 다른 드론을 의도적으로 접근시켜 자동으로 충돌을 피할 수 있는지를 검증했다. 4회 실시한 실험(고도 30~50m, 전체 700m의 비행 경로)에서 모두 충돌 회피 능력을 확인했다고 한다.

-- 기존보다 비행 기체를 70% 늘릴 수 --
미래에 많은 에어 모빌리티가 상공을 날아다니게 됐을 때 안전한 운항을 위해서는 최적 항로, 최적 운항 시간표의 실시간 설계도 필요하다.

그러나 이 실시간 설계를 위해서는, 기체의 비행성능이나 적재내용, 목적지와 같은 에어 모빌리티 한 대당 변수에 더해 기상조건, 긴급사태 등 외부변수를 조합한 방대한 데이터를 순식간에 계산해야 한다. 이러한 계산은 기존 컴퓨터로는 처리 능력의 한계로 인해 실현 불가능하다고 생각했다.

스미토모상사, 도호쿠대학, 무인기관제시스템을 개발하는 미국 OneSky Systems의 3자는 양자컴퓨팅을 활용한 실시간 3차원 교통제어에 관한 실증실험을 21년에 진행했다.

스미토모상사가 이 실증의 기획/운영을 담당하고, OneSky의 무인기관제시스템에 대해 도호쿠대학이 보유한 양자 컴퓨팅 기술을 응용했다.

구체적으로는, 조합 최적화 문제의 계산 처리에 강한 캐나다의 양자 컴퓨팅 기업 D-Wave Systems의 컴퓨터를 이용해 고층빌딩이 즐비한 도시 지역에서의 에어 모빌리티 운항을 상정한 고정밀도 궤도 시뮬레이션을 실시했다. 시뮬레이터는 OneSky가 개발한 것을 사용했으며, 양자 어닐링 전용 알고리즘은 도호쿠대학과 스미토모상사의 Quantum Transformation Project가 공동 개발했다.

이번 시뮬레이션에서는 싱가포르 중심부에서, 다수의 기체를 어느 지점에서 어느 지점으로 경로를 최단으로 하면서 띄우는 과제를 설정했다. 이때 (1) 일정 간격으로 새로운 기체부터 비행 요청이 들어오고, (2) 비행하는 기체끼리는 항상 100m 이상의 거리를 유지하고, (3) 충돌이 예상될 경우는 다른 항로를 선택하면서 경로 길이의 합계를 최단으로 한다는 조건을 충족하도록 알고리즘을 개발했다.

“30초마다 새로운 비행 요청을 하는 기체의 대수를 바꾸면서, 일정 범위 내 빈 공간 내에서 얼마나 기체를 띄울 수 있는지를 시뮬레이션했다. 그 결과, 양자 어닐링 머신은 최대 기체 수를 종래의 컴퓨터보다 약 70% 늘릴 수 있었다”(스미토모상사 디지털사업본부 테크놀로지 디렉터 데라베(寺部) 씨). 구체적으로는, 종래의 컴퓨터용 알고리즘에서는 40기였지만, 그것을 70기까지 늘릴 수 있었다고 한다.

에어 모빌리티의 고밀도 운항은 30년대에 실현될 것으로 예상하고 있다. 때문에 이번에 개발한 알고리즘의 사업화에 대해서는 아직 구체적인 플랜은 없다. “미래의 실현을 위해서 과제를 찾아내거나 파트너를 찾는 계기가 된다면 그것으로 좋다”(데라베 디렉터).

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