감지 및 회피 (DAA) 시스템

감지 및 회피의 필요성

유인 항공기에서 조종사는 "보고 회피"합니다—다른 항공기를 시각적으로 스캔하고 충돌을 피하기 위해 기동합니다. 드론의 경우 특히 시각선 너머(BVLOS) 작업의 경우 기술이 이 역할을 수행해야 합니다. 감지 및 회피(DAA) 시스템은 드론이 장애물, 다른 항공기 및 예기치 않은 위험을 감지하고 충돌을 피하기 위해 자율적으로 행동할 수 있도록 합니다.

DAA는 여러 이유로 중요합니다:

• 안전: 공중 충돌 방지—드론-드론 및 드론-유인 항공기
• BVLOS 가능: 조종사가 볼 수 없을 때 DAA가 "눈" 역할
• 규제 준수: FAA 및 EASA는 BVLOS 작업에 DAA를 요구
• 공공 신뢰: DAA는 드론이 사람과 재산에 안전하다는 것을 보여줍니다
• UTM 통합: DAA는 전략적 충돌 방지(USS 조정)를 보완합니다

전략적 vs. 전술적 DAA

DAA는 두 가지 수준에서 작동합니다:

전략적 충돌 방지

장기(몇 분에서 몇 시간) 계획 및 조정:

• 방법: USS가 비행 계획을 조정하여 작업 볼륨이 겹치지 않도록 합니다
• 타임라인: 비행 전 및 비행 중 계획 변경
• 책임: USS, FIMS, 운영자
• 예시: 두 배송 드론이 다른 고도 또는 다른 시간에 비행하도록 계획됩니다

전술적 충돌 회피

단기(몇 초) 감지 및 즉각적인 기동:

• 방법: 온보드 센서가 가까운 위협을 감지하고 드론이 자율적으로 회피합니다
• 타임라인: 5-30초 충돌까지
• 책임: 드론의 DAA 시스템
• 예시: 드론이 예기치 않은 헬리콥터를 감지하고 하강합니다

전략적 및 전술적 DAA는 모두 필요합니다—전략적은 대부분의 충돌을 방지하지만 전술적은 예기치 않은 상황을 처리합니다.

DAA 센서 기술

드론은 다양한 센서를 사용하여 주변 환경을 감지합니다. 각 기술에는 장단점이 있습니다.

1. 광학/비전 기반 센서

카메라 및 컴퓨터 비전은 가장 일반적인 DAA 센서입니다:

단안 카메라

• 작동: 단일 카메라, AI가 객체 감지 및 추적
• 범위: 50-200m (객체 크기에 따라)
• 장점: 저렴, 가벼움, 풍부한 시각 정보
• 단점: 거리 추정 불량, 조명 조건에 민감
• 예시: Skydio 자율 비행

스테레오 카메라

• 작동: 두 개의 카메라, 시차에서 깊이 계산
• 범위: 50-300m
• 장점: 좋은 깊이 추정, 풍부한 시각 데이터
• 단점: 더 무거움, 계산 집약적
• 예시: DJI Mavic 장애물 회피

열화상 카메라

• 작동: 열 방사를 감지, 야간 또는 안개에서 유용
• 범위: 100-500m
• 장점: 모든 조명 조건에서 작동, 숨겨진 객체 감지
• 단점: 비용, 낮은 해상도, 주변 온도 객체 누락
• 예시: FLIR Vue TZ20

2. 레이더 시스템

레이더는 무선 파동을 전송하고 반사를 감지합니다:

• 작동: 전파 펄스, 반사에서 범위/속도 계산
• 범위: 500m - 5km
• 장점: 긴 범위, 모든 날씨, 모든 조명, 정확한 범위/속도
• 단점: 무거움, 비용, 작은 객체 감지 어려움
• 유형: 펄스 도플러, FMCW (주파수 변조 연속파)
• 예시: Echodyne EchoGuard, Fortem TrueView

3. ADS-B (자동 종속 감시-방송)

협력 시스템—항공기가 위치를 브로드캐스트합니다:

• 작동: 항공기가 GPS 위치를 1초마다 브로드캐스트합니다
• 범위: 100-200km (시각선)
• 장점: 매우 긴 범위, 정확한 위치, 저렴한 수신기
• 단점: 협력만 (모든 항공기가 ADS-B를 가지고 있지 않음), 소형 드론은 브로드캐스트하지 않음
• 채택: 2020년 이후 대부분의 유인 항공기에 필수
• 예시: uAvionix pingRX, Sagetech Clarity

4. LiDAR (빛 감지 및 거리 측정)

레이저 기반 거리 측정:

• 작동: 레이저 펄스, 반사 시간으로 거리 측정
• 범위: 50-200m (드론 LiDAR)
• 장점: 매우 정확한 3D 매핑, 작은 객체 감지
• 단점: 비용, 무거움, 안개/비에서 성능 저하
• 예시: Velodyne Puck, Ouster OS1

5. 음향 센서

소리 기반 감지:

• 작동: 프로펠러/엔진 소리를 감지하는 마이크
• 범위: 100-500m
• 장점: 전방향, 비협력 표적 감지, 시각선 불필요
• 단점: 소음 환경에서 성능 저하, 조용한 항공기 누락, 방향 찾기 불량
• 예시: Sentien, ECHODYNE 음향 센서

6. RF 감지

무선 주파수 방출 감지:

• 작동: C2 링크, Wi-Fi, 기타 RF 신호 감지
• 범위: 1-10km
• 장점: 숨겨진 드론 감지, 전방향
• 단점: RF 조용한 드론 누락, 거짓 양성, 정확한 위치 지정 불량
• 예시: DeDrone RF 센서, Airspace Systems

센서 융합 및 AI

단일 센서는 완벽하지 않습니다. 최고의 DAA 시스템은 여러 센서를 결합하고 AI를 사용하여 위협을 감지하고 분류합니다.

센서 융합 접근 방식

센서 융합은 여러 센서의 데이터를 결합하여 보다 완전하고 신뢰할 수 있는 그림을 만듭니다:

• 카메라 + 레이더: 카메라는 시각 식별을 제공하고 레이더는 정확한 범위/속도를 제공합니다
• ADS-B + 레이더: ADS-B는 협력 항공기를 제공하고 레이더는 비협력 표적을 제공합니다
• 비전 + LiDAR: 비전은 객체 분류를 제공하고 LiDAR는 정확한 3D 위치를 제공합니다
• RF + 음향: RF는 드론을 감지하고 음향은 방향을 확인합니다

AI 및 머신 러닝

AI는 DAA 성능을 크게 향상시킵니다:

객체 감지 및 분류

• 딥 러닝: CNN (Convolutional Neural Networks)이 이미지에서 항공기, 새, 드론을 인식합니다
• 실시간 처리: 엣지 AI 칩 (NVIDIA Jetson, Intel Movidius)이 온보드 추론을 가능하게 합니다
• 거짓 양성 감소: AI는 항공기와 구름, 나무 또는 건물을 구별합니다

경로 예측

• 칼만 필터링: 소음이 있는 센서 측정에서 객체 궤적 추정
• 충돌 예측: 계산된 궤적이 충돌로 이어질지 예측
• 회피 계획: 충돌을 피하기 위한 최적 기동 계산

행동 인식

• 의도 추론: 다른 항공기가 무엇을 하려고 하는지 예측
• 이상 감지: 비정상적인 비행 패턴 식별 (예: 통제 불능 드론)
• 우선 순위 지정: 위협 수준에 따라 여러 표적 순위 지정

불확실성 하의 의사 결정

센서 데이터는 노이즈가 많고 불완전합니다. DAA 시스템은 불확실성을 처리해야 합니다:

• 신뢰 수준: 각 감지에 확률 할당 (80% 확신 항공기, 20% 새)
• 위험 평가: 충돌 확률 × 영향 심각도
• 보수적 대응: 의심스러울 때 회피—거짓 양성이 놓친 감지보다 낫습니다
• 운영자 알림: 불확실할 때 인간 조종사에게 경고

회피 기동 및 알고리즘

위협을 감지하는 것은 첫 번째 단계일 뿐입니다. 드론은 회피하는 방법도 알아야 합니다.

충돌 기하학

두 항공기가 충돌 경로에 있는 경우 가장 가까운 접근점(CPA)이 안전 임계값 미만입니다. DAA는 CPA를 계산하고 충돌이 임박한 경우 행동을 취합니다.

회피 전략

1. 수직 분리

고도를 변경합니다—가장 간단하고 가장 일반적입니다:

• 하강: 지상 장애물이 없을 때 선호됨, 유인 항공기에게 양보
• 상승: 고도 제한 내에 머물 경우
• 이점: 예측 가능, 빠름, 수평 경로 유지
• 단점: 공중에서 드론을 더 길게 유지, 배터리 사용

2. 수평 기동

경로를 변경합니다:

• 좌회전 또는 우회전: 표준 규칙 (예: 우선권을 오른쪽에)
• S-턴: 속도를 줄이고 다른 항공기가 지나가도록 허용
• 이점: 고도 유지, 지상 장애물 피함
• 단점: 더 복잡, 더 긴 회피 시간

3. 속도 변경

속도를 높이거나 줄입니다:

• 감속: 다른 항공기가 먼저 지나가도록 허용
• 가속: 충돌 영역을 빠르게 통과
• 이점: 경로 유지 가능
• 단점: 드론 기동성에 따라 제한됨

4. 대기

제자리에서 호버링합니다:

• 사용 사례: 위협이 빠르게 통과할 때 (예: 헬리콥터)
• 이점: 간단, 에너지 효율적
• 단점: 공역 차단, 바람 드리프트

5. 비상 착륙

즉시 착륙합니다:

• 사용 사례: 다중 위협, 시스템 오작동
• 이점: 위험 제거
• 단점: 미션 중단, 드론 손실 가능

ASTM 및 RTCA 표준

여러 표준이 DAA 성능을 정의합니다:

ASTM F3442/F3443

• 범위: 소형 UAS DAA (< 55 lbs)
• 요구 사항: 감지 범위, 추적 정확도, 알림 시간
• 충돌 회피 기준: 누락된 경고 < 10%, 거짓 경고 < 20%

RTCA SC-228

• 범위: 대형 UAS DAA (> 55 lbs)
• 요구 사항: 유인 항공기와 동등한 수준의 안전성
• 표준: DO-365 (최소 작동 성능 표준)

이러한 표준은 다음을 지정합니다:

• 감지 범위: 최소 거리 (예: 1.5 nm 협력, 0.5 nm 비협력)
• 추적 정확도: 위치 및 속도 오류 제한
• 알림 시간: 충돌 전 조종사에게 경고할 시간 (예: 25-35초)
• 회피 안내: 회피 기동 방법 (수직, 수평)
• 신뢰성: 안전 중요 시스템에 대한 고장 확률

협력 vs. 비협력 DAA

DAA 시스템은 협력 또는 비협력 표적을 감지할 수 있습니다.

협력 DAA

표적이 능동적으로 위치를 브로드캐스트합니다:

• ADS-B Out: 유인 항공기가 GPS 위치 브로드캐스트
• 원격 ID: 드론이 위치 및 ID 브로드캐스트
• USS 조정: 계획된 드론 작업이 USS를 통해 공유됨

협력 DAA의 장점:

• 긴 범위 (수십 km)
• 정확한 위치 및 속도
• 저렴한 수신기
• 낮은 계산

단점:

• 협력적인 표적만 (모든 항공기가 ADS-B/원격 ID를 가지고 있지 않음)
• 스푸핑에 취약
• 새, 풍선, 기타 물체 누락

비협력 DAA

표적이 브로드캐스트하지 않습니다—센서가 감지해야 합니다:

• 레이더: 모든 물리적 객체 감지
• 광학: 시각적으로 보이는 것 감지
• 음향: 소리를 내는 것 감지

비협력 DAA의 장점:

• 모든 객체 감지 (협력 불필요)
• 새, 풍선, 기타 위험 감지
• 스푸핑 불가능 (물리적 감지)

단점:

• 짧은 범위 (수백 미터)
• 무거운 센서
• 비용
• 날씨/조명에 민감

하이브리드 접근 방식

최고의 DAA 시스템은 협력 및 비협력 센서를 결합합니다:

• 협력 ADS-B 수신기로 대부분의 유인 항공기 감지
• 비협력 레이더/카메라로 비-ADS-B 위협 감지
• USS 조정으로 계획된 드론 작업 추적
• 원격 ID 수신기로 근처 드론 감지

이 다층 접근 방식은 포괄적인 상황 인식을 제공합니다.

지상 기반 vs. 공중 DAA

DAA 센서는 드론에 장착되거나 지상에 위치할 수 있습니다.

공중 DAA (드론 탑재)

드론 자체에 센서를 장착합니다:

• 장점: 드론과 함께 이동, 로컬 감지, BVLOS 가능
• 단점: 중량/전력 제약, 비용, 제한된 페이로드
• 예시: DJI 장애물 회피, Skydio 자율성

지상 기반 DAA

고정 위치에 센서를 배치합니다:

• 장점: 크고 강력한 센서, 넓은 범위, 비용 공유
• 단점: 고정 범위, 인프라 필요, 보조 범위 부족
• 예시: 공항 레이더, UTM 지상 스테이션

하이브리드 시스템

많은 UTM 배포가 둘 다 사용합니다:

• 지상 기반 레이더/ADS-B가 넓은 지역 상황 인식 제공
• 공중 센서가 즉각적인 위협에 대한 로컬 회피 제공
• USS가 둘 다의 데이터를 융합하여 전체 그림 제공