일본산업뉴스요약

Nikkei X-TECH_2023.10.4

방위테크
전장(戰場)의 게임 체인저 ‘드론의 스웜 비행’
방위성도 올해 연구에 착수

‘15대의 드론이 일정 간격을 유지하며 무리를 지어 비행해 주어진 미션을 서로 협조해 수행한다’. 올 8월 1일, 드론의 차세대 기술로 주목 받고 있는 ‘스웜(Swarm, 무리) 비행’에 대한 일본 최초의 실증이 도치기(栃木) 현에 있는 고야마키누(小山絹) 글라이더포트에서 시행되었다.

지바대학(千葉大学) 명예교수이자 자율제어시스템연구소(현 ACSL)의 창업자이기도 한 노나미(野波) 교수가 2022년에 설립한 Automy(도쿄)가 세계 톱 레벨의 스웜 비행기술을 가진 인도의 New Space Research & Technologies(이하, NRT)를 초청해 실시했다. 양 사는 같은 해 7월 31일, 스웜 드론을 활용한 재해 구조 지원 등 솔루션 개발 협업에 기본 합의한 바 있다.

8월 1일의 실증에서는 재해지역에 남겨진 68명의 생존자 상황을 총 15기의 드론이 스웜 비행을 해 조사하는 등, 복수의 시나리오로 데모가 실시되었다.

실증에서는 NRT가 개발한 3종류의 회전날개형 드론이 사용. 엔진식 발전 유닛이 탑재되어 있어 최대 1시간 반, 최장 100km를 비행할 수 있는 대형 드론과 최대 비행시간이 50분인 중형 드론, 그리고 20분 정도 밖에 비행할 수 없는 소형 드론이 사용되었다.

소형 드론의 비행거리는 최대 5km 정도로, 단독으로는 재해지역까지 비행하지 못할 수도 있다. 대형 드론은 소형 드론을 탑재해 공중에서 분리하는 기능을 가지고 있는다. 예를 들어, 대규모 재해 시 스웜 비행으로 현지에 가서, 현지의 상공에서 대형 드론으로부터 소형 드론이 분리되고, 소형 드론이 재해 지역의 모습을 상세하게 촬영하거나, 생존자에게 약을 전달하는 등의 활용이 가능하다.

한편, 중형 드론은 고성능 광학 및 적외선 카메라가 탑재되어 있기 때문에 이를 이용해 피해 지역에서 생존자를 수색하는 등 정보 수집 활동을 할 수 있다. 이처럼 이번 실증에서는 기체의 특징에 따라 역할을 분담하면서 미션을 수행할 수 있다는 것을 보여주었다.

15대를 2개 편대로 나눠 상공에서 교차하는 데모도 펼쳐졌다. 스웜 비행을 하고 있는 기체간 통신을 하며 위치 정보를 교환하기 때문에 충돌을 자동으로 피할 수 있는 것이다.

-- 드론 쇼와는 다른 기술 --
“현재 드론 사업은 하면 할수록 적자이다. 조종사 한 명이 한 대만 날릴 수 있어 운용비가 비싸기 때문이다. 이것은 자율비행에서도 마찬가지이다. 만약 한 명의 운용 담당자가 수십 대 이상을 날릴 수 있게 된다면 비용은 수십 분의 1로 낮아지고, 드론 시장은 비약적으로 성장할 것이다. 노나미 교수는 “스웜 비행의 실현이야말로 드론 시장 성장의 열쇠를 쥐고 있다”라고 주장한다.

스웜은 수십 대에서 수백 대의 드론이 기체간 통신을 하면서 무리를 지어 자율비행하는 형태를 말한다. 아직 그 정의가 정확하게 확립되어 있는 것은 아니지만, 회전날개형에서는 수십 기, 보다 속도가 빠른 고정날개형에서는 5~10기 정도가 표준으로 되어 있다.

다수의 드론이 집단으로 비행하는 것으로는 ‘드론 쇼’가 있다. 2021년 도쿄올림픽 개회식에서 인텔이 직접 연출한 쇼에서는 탑재된 LED를 발광시킨 1,824기의 드론이 밤하늘에 지구를 본뜬 구체 등을 형성해 보였다.

하지만, 드론 쇼와 스웜 비행 기술은 크게 다르다. 드론 쇼의 경우는 각 기체가 ‘x시 ×분에 ×의 위치에서 청색으로 빛난다’ 등으로 프로그래밍되어 있어 이에 근거해 비행할 뿐이다. 드론간에는 통신을 하지 않기 때문에 드론에 어떤 문제가 생길 경우 충돌할 수도 있다.

한편, 스웜에서는 자율비행을 하는 드론이 메시 네트워크를 통해 통신을 주고 받으며 일정 간격을 유지하며 비행한다. 만약 드론간 서로 접근할 경우 충돌하지 않도록 거리를 두거나, 일부 드론이 비행이 불가능해지면 남은 드론이 메시 네트워크를 자율적으로 재구축하기도 한다.

즉, '협조', '자율성', '유연성'이라는 점에서 드론 쇼의 비행 기술과는 큰 차이가 있다.

이번 NRT의 데모에서는 메시 네트워크 통신에 2.4 GHz/ISM(Industrial Scientific and Medical) 대역을 사용했다. ISM 대역은 국제 규약에 따라 산업·과학·의료용 기기가 면허 없이 자유롭게 이용할 수 있는 주파수대이다. 이번 데모는 이륙 지점에 대형 안테나를 설치해 전방 100km까지 통신이 가능한 사양이었다고 한다.
 

이번 스웜 비행에서는 원칙적으로 각 기체가 자율비행을 하고, ‘리더 팔로워’는 존재하지 않았다. 그러나, 향후 보다 고도의 비행을 실현하기 위해서는 스웜의 선두 등에 ‘내비게이터 역할’을 두는 아이디어도 있다.

예를 들어, 대규모 자연재해가 발생해 재해지역의 조사나 생존자에게 약을 전달하는 미션을 수행하는 경우, 미리 지정된 루트는 있지만 재해로 인해 루트 상에 새로운 장애물이 발생할 수도 있다. 그래서 내비게이터 역할의 드론이 비행 중에 AI(인공지능)를 사용해 실시간으로 루트를 수정하고 메시 네트워크로 뒤따라오는 드론에 그 정보를 전달할 수 있다.

내비게이터 드론에 어떤 문제가 생겼을 때에는 순식간에 옆의 드론에 그 역할을 넘기는 방법 등도 검토되고 있다고 한다.

-- 안보 분야에서 실용화가 선행 --
스웜 비행은 재난 구조 지원 외에도 민생 분야에서는 물류에서의 활용이 기대되고 있다. 현재는 불과 몇 kg의 화물을 드론 한 대로 옮기는 데 복수의 인력이 운용에 투입되고 있다. 이것을 스웜 비행으로 할 수 있게 된다면, 단 1명의 운용 담당자만으로 훨씬 많은 양의 화물을 한 번에 옮길 수 있을 가능성이 있다.

하지만, 스웜 비행에 대한 수요가 가장 높고 실용화가 선행되고 있는 것은 안보 분야이다. AI가 탑재된 자율비행형 드론의 스웜 비행이 실제 전투에서 사용된 것은 이스라엘 국방군이 2021년 5월에 실시한 이스라엘 가자지구에서 활동하는 이슬람 원리주의 조직 '하마스'의 소탕작전에서이다. 이때 실시된 스웜 비행은 공격이 아니라 정찰 미션에 사용되었다고 한다.

올 8월에는 우크라이나군이 소형 폭탄을 탑재한 드론 4대로 구성된 소규모 스웜으로 러시아 박격포를 파괴했다고 미국 월스트리트저널이 보도한 바 있다.

현 단계에서 실제 전장에서 사용되고 있는 스웜 비행은 그다지 고도의 자율성을 갖추고 있지 않은 것으로 보이지만, 안보 분야에서는 이것을 ‘전장의 게임 체인저’로 규정하고 각국이 대응을 서두르고 있다.

예를 들어, 일본 정부가 2022년 12월에 책정한 '방위력 정비계획'에서는 '급속히 높아지고 있는 드론 스웜의 위협에 대해 경제적이고 효과적으로 대처하기 위한 기술을 획득해 조기 장비화를 목표로 한다'라고 기술되어 있다.
 

실제로 방위성은 올해부터 실증 연구를 시작했다. 구체적으로는, 날아오는 스웜을 요격하기 위해 필요한 기술과 방공(防空)용 스웜 기술에 대한 연구를 실시하고 있다.

-- 중국, 200대의 스웜 비행에 성공 --
스웜 비행에 의한 공격이 큰 위협이 되는 것은 이하의 특징 때문이다. (1)기체가 전투기나 미사일 등 기존의 병기와 비교해 코스트가 낮다 (2)기체가 소형이기 때문에 레이더에 잡히지 않는 등 탐지가 어렵다 (3)스웜의 일부가 공격 당해도 남은 스웜으로 미션 달성 능력이 유지된다 (4)스웜 내에서 기능을 분담하거나, 역할을 교대하는 것이 가능하다.

노나미 교수에 따르면, 스웜 기술 개발에서 앞서 있는 것은 중국과 스위스 연방공과대학 취리히대학교이며, 인도가 그 뒤를 잇고 있다고 한다. 중국과 인도는 안보 용도의 개발이 중심이며, NRT의 출발점도 인도군용 개발이었다.

‘드론 대국’인 중국은 스웜 기술에서도 미국을 앞서고 있다. 2023년의 방위백서에는 ‘중국은 2018년 5월, 중국전자과기집단공사(中國電子科技集團公司)가 AI가 탑재된 200대 드론으로 구성된 스웜 비행을 성공시켰으며, 2020년 9월에는 중국의 국유 군수 기업이 무인 항공기의 스웜 비행 시험 상황을 공개했다.

이처럼 스웜 비행이 수반된 군사 행동이 실현된다면 기존의 방공 시스템으로는 대처하기 어려울 것으로 예상된다’. ‘중국군은 지능화된 스웜을 통한 소모전 등, 지능화된 전쟁에 대비하기 위한 차세대 작전 구상을 모색하고 있다’라고 명기되어 있다.

중국이 세계를 선도하고 있는 증거 중 하나로, 스웜 비행으로 수림을 빠져나가는 기술 개발을 추진하고 있다는 사실이다. “계속해서 나타나는 수목 사이의 어느 위치에 기체의 중심을 두어야 빠져나갈 수 있을까를 심층학습이 완료된 AI로 순식간에 판단해 비행하는 기술이다”(노나미 교수).

이러한 고도의 스웜 비행 실현에는 AI를 활용한 자율 기능과 대량의 정보를 순식간에 처리하는 온보드 컴퓨팅 등 기술 개발의 여지는 클 것으로 보이지만, 만약 실현된다면 큰 위협이 될 것임은 틀림 없다.

-- 이상적 형태를 실현하기 위해서는 ‘대뇌’가 필요 --
스웜 비행이라고 말해도 현재 실현되어 있는 것은 어느 정도 사람의 개입이 필요하며, AI가 하는 자율적인 판단도 진화되고 있는 과정에 있다. 노나미 교수는 자율성의 클래스를 5단계로 나누고 현재는 ‘사전에 제공된 루트를 스스로 비행할 수 있지만, 파일럿(오퍼레이터)이 상시 대기하고 있는 상태’인 ‘클래스 3’라고 한다.

이것이 ‘목적지나 미션 내용을 주면 드론이 최적의 비행 경로를 선정해 스웜 비행에서 사람의 개입 없이 미션을 수행’하는 클래스 5(완전 자율성)가 실현되는 것은 2030년대일 것으로 노나미 교수는 전망하고 있다.

그는 “현재 드론은 환경인식 능력이나 의사결정 능력이 없다. 이른바 운동신경과 평형감각만을 가진 소뇌형 드론이다. 반면, 새와 곤충은 본능적인 환경인식 능력, 의사결정 능력을 발휘하는 대뇌를 가지고 있다. 드론의 자율성을 고도화하기 위해서는 대뇌에 해당하는 오토파일럿의 고도화와 지능화가 매우 중요하다”라고 말한다.

Automy는 신에너지·산업기술 종합개발기구(NEDO)의 연구 프로젝트로, 2026년까지 대뇌형 오토파일럿 기술을 완성하고 그 후, 스웜 비행 기술 개발을 추진. 2030년에는 물류용 스웜 비행을 실현할 계획이라고 밝히고 있다.

이를 위해 핵심이 되는 것이 심층학습에 의한 AI의 진화다. “이미 자율적인 비상착륙은 할 수 있다. 다음은 기체의 이상을 검지하는 셀프 모니터링과 장애물 검지 및 회피, 동적 정보와 정적 정보를 조합한 다이내믹 맵 생성, 그리고 최종적으로는 목적지까지의 대략적인 경로 생성이나 그때그때의 상황에 따른 판단 등을 자율적으로 할 수 있도록 하겠다”(노나미 명예교수).

고도의 자율성을 가진 스웜 비행의 실현에는 이 밖에도 다양한 기술적 과제가 있다. 일본경제단체연합회의 방위산업위원회가 정리한 ‘공격형 소형 무인기·드론 무기 및 스웜 공격 동향’에는 예를 들면, ‘협조’에 필요한 기술의 예를 표2와 같이 정리하고 있다.

구체적으로, 기술로는 ‘의사결정’, ‘군 제어’, ‘스웜 내 통신’, ‘HMI(휴먼 머신 인터페이스)’가 있다. 예를 들면, 군 제어는 동일 기종이라도 페이로드가 다른 경우나 서로 다른 기종으로 스웜을 구성하는 경우, 그 성능의 차이를 흡수해 제대로 무리를 형성하는 기술이 필요하다고 한다.

미래에 완전 자율의 스웜 비행이 실현된다고 해도, 운용 시에는 지상관제장치인 GCS(Ground Control Station)를 조작하는 오퍼레이터의 개입은 불가피할 것이다. 다수의 드론으로 구성된 스웜의 상황은 복잡하며, 그 정보를 알기 쉽게 오퍼레이터에게 전달하거나 반대로 오퍼레이터의 의도를 스웜 전체에 정확하게 전달할 필요가 있다. HMI는 이러한 운용 시에 사용의 편의성을 좌우하는 중요한 기술이 될 것이다.

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