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A Study on Data Acquisition in the Invisible Zone of UAV through LTE Remote Control

LTE 원격관제를 통한 UAV의 비가시권 데이터 취득방안

  • 정호현 (한국국토정보공사 공간정보연구원) ;
  • 이재희 (한국국토정보공사 공간정보연구원) ;
  • 박성진 ((주)시스테크)
  • Received : 2019.12.10
  • Accepted : 2019.12.18
  • Published : 2019.12.31

Abstract

Recently the demand for drones is rapidly increasing, as developing Unmanned Aerial Vehicle (UAV) and growing interest in them. Compared to traditional satellite and aerial imagery, it can be used for various researches (environment, geographic information, ocean observation, and remote sensing) because it can be managed with low operating costs and effective data acquisition. However, there is a disadvantage in that only a small area is acquired compared to the satellite and an aircraft, which is a traditional remote sensing method, depending on the battery capacity of the UAV, and the distance limit between Ground Control System (GCS) and UAV. If remote control at long range is possible, the possibility of using UAV in the field of remote sensing can be increased. Therefore, there is a need for a communication network system capable of controlling regardless of the distance between the UAV and the GCS. The distance between UAV and GCS can be transmitted and received using simple radio devices (RF 2.4 GHz, 915 MHz, 433 MHz), which is limited to around 2 km. If the UAV can be managed simultaneously by improving the operating environment of the UAV using a Long-Term Evolution (LTE) communication network, it can make greater effects by converging with the existing industries. In this study, we performed the maximum straight-line distance 6.1 km, the test area 2.2 ㎢, and the total flight distance 41.75 km based on GCS through LTE communication. In addition, we analyzed the possibility of disconnected communication through the base station of LTE communication.

최근 무인항공기(UAV)의 발전과 관심이 높아지면서 UAV의 수요가 급증하고 있다. 전통적인 방식의 인공위성 및 항공영상에 비해 적은 운용비용으로 효과적인 자료 취득이 가능하여 다양한 연구(환경, 지리정보, 해양관측, 원격탐사)에 활용되고 있다. 다만, 배터리 용량 및 관제시스템과 기체의 거리 제한에 따라 전통적인 원격탐사 방법인 위성과 항공기를 이용한 방법에 비해 좁은 면적만을 획득한다는 단점이 있다. 하지만 원거리 원격관제가 가능하다면 원격탐사 분야에서의 UAV의 활용 가능성은 더 높아질 수 있으며 이에 UAV와 관제 시스템의 거리에 상관없이 관제할 수 있는 통신 네트워크 시스템이 필요하다. 전통적인 방식의 무선장치(RF 2.4 GHz, 915 MHz, 433 MHz)로 UAV와 Ground Control System(GCS)가 송수신 할 수 있는 거리는 약 2 km 내외로 제한적이다. 하지만 구축되어 있는 Long-Term Evolution(LTE) 통신망 기반의 제어방식을 적용하면 Radio Frequency(RF) 통신망의 단점을 보완할 수 있어 기존 산업과 융합하여 보다 큰 효과를 이룰 수 있다. 본 연구에서는 LTE 통신방식을 통해 GCS 기준 최대 직선거리 6.1 km, 촬영 면적 2.2 ㎢, 총 비행 거리 41.75 km의 비행을 수행하였다. 또한, LTE 통신의 무선 기지국 현황을 통해 통신 두절 가능성에 대해서도 분석하였다.

Keywords

1. 서론

최근 Unmanned Aerial Vehicle(UAV)의 발전과 관심이 높아지면서 군사, 민간, 기관 등 모든 시장에서 수요는 증가하고 있는 추세다. 실제로 국제무인 시스템협회(AUVSI, Association for Unmanned Vehicle Systems International)는 2025년까지 무인항공기 관련 산업이 약 10만개 이상의 일자리를 창출할 것으로 예상하며 많은 국가들이 무인 항공기 관련 산업에 관심을 가지게 되어 다양한 연구가 활발히 진행 되고 있다(Hong et al., 2016). 국토교통부는 2017년 12월에 발표한 ‘드론산업 발전 기본계획(2017~2026)’에 따르면 세계 드론시장은 연 29% 씩 성장(2026년 약 820억 달러)할 전망이다. ‘드론산업 발전 기본계획’에서는 드론이 첨단기술과 융합하여 자 체 시장도 비약적으로 성장할 뿐만 아니라 4차 산업혁 명의 핵심적인 역할 수행할 것으로 내다보고 있다(LX Spatial Information Research Institute, 2018). UAV는 다양한 산업분야에서 적용되는 만큼 운용지역도 개방된 지역에서 도심, 산간지방, 실내까지 넓혀가고 있다. 따라서 운용지역의 특성에 따라 장소에 상관없이 통제가 가능하도록 통신의 공간적 제약 범위가 없어야 한다(Park et al., 2017). 하지만 현재 UAV 비행은 가시권내에서만 가능하다. 향후 다양한 분야에 활용하기 위해서는 비가 시권에서의 비행과 이를 위한 시스템 개선이 필요할 것 이다.

UAV와 지상 통제 장비간의 가장 보편적인 데이터링크는 Radio Frequency(RF), WiFi, OcuSync, Bluetooth 등 무선 통신 방식을 이용한다. 지상 통제 장비를 통해서 실시간 위치 확인이 가능한 고가의 UAV일지라도, 조종자의 시야를 벗어났을 경우에는 현재 위치를 지상 통제 장비에서만 확인할 수 있는 1:1 관제 방식이다. 1:1 관제 방식의 가장 큰 문제는 UAV가 지상 통제장비의 통신거리를 벗어나거나 다른 이상 발생으로 조종 불능 상태인 노콘(No Control) 상황에서 지정 장소로 복귀하지 못할 경우, 최종 위치를 파악할 수 없어서 분실과 함께 추락에 따른 인명 사고 및 재산 피해의 우려가 매우 크다는 점이다. 또한, 지상 통제 장비를 운용 중인 조종자 외에 는 UAV의 위치를 파악할 수 있는 방법이 없다. 따라서 다수의 UAV를 운용하는 기관이나 비행을 감독하는 기관에서는 현재 비행 중인 전체 UAV의 위치조차 파악할 수 없다(Choi and Ryu, 2017). 단순 무선장치(RF 2.4 GHz, 915 MHz, 433 MHz)로 UAV와 Ground Control System (GCS)이 송수신 할 수 있는 거리는 약 2 km 내외로 제한 적이다. 최근에는 거리 제한 없이 통신망이 구축되어 있는 곳이라면 어디든 조종이 가능하도록 Long Term Evolution(LTE) 통신망 기반의 제어방식으로 진화하고 있다(Lin et al., 2018; Qualcomm Technologies, 2017). LTE 기반의 연구는 다양한 분야에서 활용 연구되고 있다. LEE (2018) 연구에서는 다중 드론 통신 시스템에 관한 연구를 진행하였고, Choi and Ryu (2017)는 이동통신망 을 이용한 UAV의 실시간 위치 추적 관제 방안에 대한 연구를 하였다. LTE통신망으로 UAV의 운용 환경을 개선하고 동시에 관리할 수 있다면 기존 산업과 UAV를 융합하여 보다 큰 효과를 얻을 수 있다. 예를 들어 LTE 통신기술은 대단위로 망이 구축되어 있기 때문에 무인 택배 등에 적용이 가능하다. 하지만, 전국망이 구축되어 있다고 해도 실제 현장에서 기상조건, 접근성 등 이착륙 요건을 충족하는 지역을 선정하는 것은 어렵다. 항공안전기술원(KIAST)의 드론 전용 비행시험장 유치 안내서에서는 안전성을 위해 이착륙장(헬리패드 혹은 활 주로), 안전구역 등 국토교통부고시 “이착륙장 설치 및 관리기준”의 3등급 만족에 필요한 최소면적과 안전구역 추가 필요를 명시하고 있다. 이착륙장의 최소면적과 배터리만 충분하다면 비행거리가 무제한으로 늘어나 실시간 영상 스트리밍, 고용량 데이터 송수신이 가능해 진다(Jeon, 2017). 이 경우 비가시권의 다양한 데이터를 취득할 수 있어 시간적, 경제적으로 많은 분량의 업무를 소화할 수 있으며 이를 위해서는 전국적으로 망이 형성되어 있는 LTE 네트워크 활용이 방법이 될 수 있다. 따라서 본 연구에서는 LTE 원거리 원격관제를 통한 공간정보 데이터 취득방안에 대한 기초연구로 기존의 RF 통신방식과 LTE 통신방식의 테스트를 통해 비교 분석 하였으며, LTE 통신방식의 문제점을 제시하고 보완하고자 하였다.

2. 시스템 구성

본 연구에서 개발한 LTE 기반의 Unmanned Aircraft Systems(UAS)는 LTE 통신제어시스템이 탑재된 모듈이다. RF 통신망을 사용하는 기존 UAV 대신 LTE 통신 방식으로 UAV를 제어하는 시스템이다. RF 통신망은 주파수 간섭을 받을 수 있고 해킹에 취약하기 때문에 악의적인 공격에 노출될 수 있는데, 본 LTE 기반의 UAS 는 기존의 RF 통신방식 대신 LTE 통신 방식을 사용하기 때문에 보다 안전하게 UAV를 제어할 수 있다. LTE 모듈의 주파수 대역(Band 1/5/7)은 Band5의 경우 850 MHz, Band1은 2.1 GHz, Band7은 2.6 GHz 로 메인은 Band5 이며 LTE는 주파수별 회절과 투과율에 따른 커버리지 특성 또한 800 MHz로 가장 양호하다. 세부적인 LTE 모듈의 사양은 Table 1과 같다.

Table 1. Specification of LTE Module

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LTE는 3G 이동통신 기술에 비해 네트워크 성능이 개선되어 전송속도, 효율성이 대폭 증가되었다. 전송 지연을 최소화한 것이 강점으로 빠른 데이터 전송속도, 높은 주파수 효율성, 낮은 전송지연 등의 기술적 특징을 가진다(Lee, 2011; ABI, 2010). 소프트웨어의 발달과 방대한 데이터양으로 기존의 3G만으로는 해결이 어려웠던 데이터 전송량, 데이터 전송 속도까지 향상된 방식 이 LTE 통신규격이다(Cu et al., 2013). 주요 송수신기의 특징은 Table 2와 같다.

Table 2. Transceiver feature

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본 연구에서는 LTE 모듈과 더불어 내장된 센서를 활용하여 UAV의 위치와 자세 자료의 획득이 가능한 사진측량용 UAS를 개발하였다. 기체의 구성품은 Fig. 1과 같다.

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Fig. 1. UAS Configuration.

본 연구에서 개발된 UAV는 넓은 범위의 촬영을 위해 고정익기로 개발이 되었으며, Flight Controller(FC)은 Pixhawk V5로서 Autopilot를 통해 지상관제 및 자동비행이 가능하도록 설계되었다. LTE 기반의 원격관제를 통해 비가시권 비행이 가능하고 다양한 데이터 취득이 가능하다. 세부적은 사양은 아래의 Table 3과 같다.

Table 3. Specification of photogrammetric UAS

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정확하고 신뢰할 수 있는 데이터를 취득하기 위해서는 짐벌이 필수적이다. 하지만 개발된 UAV의 경우, 고정익 기체의 특성상 추가적인 짐벌을 탑재하기 어렵다. 이에 기체의 특성을 고려하여 짐벌 대신 방진장치를 설치하여 이를 보완하였다. 짐벌이나 방진장치가 없을 경우, 취득된 영상데이터에는 Jello effect, Wobbling effect 가 발생된다(Jeong, 2019). Jello effect는 화면 중간이 끊어진 것처럼 보이는 현상이며, Wobbling effect는 취득된 영상이미지가 왜곡되어 기울어져 보이는 현상을 말한다. 이러한 현상을 사전에 방지하고자 Fig. 2와 같이 방진장치를 설치하였으며, 이를 통해 원활한 영상을 취득할 수 있었다.

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Fig. 2. UAV and Anti-vibration Mount designed for the camera.

원거리 지상관제를 위해 자체 제작된 기체에 LG U+ 사의 LTE Module를 탑재함으로써 비가시권의 비행이 가능하도록 설계하였다. LTE 통신 모듈은 통신요금과 같이 데이터 사용량에 따라 월 단위로 과금되어 운용하게 된다. 일반적으로 GCS와 UAV는 사설 IP가 할당된 클라이언트가 되며 공인 IP가 할당된 Server에 접속한다. Server는 Transmission Control Protocol(TCP)를 이용해 GCS와 드론의 통신을 중재하고 연결 상태를 관리한다. 일반적으로 UAV에 탑재되는 비행제어보드와 LTE망을 통해서 패킷을 송수신하고 MAVLink 프로토콜에 따라 메시지 파싱 역할을 하는 Mission Computer를 나타낸다. LTE 환경에서 MAVLink 통신 프로토콜이 적용되어 GCS에서 드론의 제어 명령의 전송과 드론에서 GCS 로 Telemetry 정보가 MAVLink 프로토콜에 의해 전송된 다(Ardupilot, 2019).

LTE 통신망을 통해 원거리에서 데이터 제어 및 영상 스트리밍을 제공하며, GCS에서 비가시권 기체상태 및 위치 제어 등 비행관제가 가능하도록 설계되었다(Fig. 3).

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Fig. 3. LTE Network Configuration.

3. 실험방법 및 검증

1) RF 통신 방식과 LTE 통신 방식의 비교 실험

본 연구에서는 LTE 방식의 원격관제를 통해 비가시권의 데이터를 취득하고자 하였다. 원활한 연구를 수행하기 위해 UAS에 Failsafe 기능을 설정하여 위급한 상황에 대처하고자 하였으며 원거리의 비행을 테스트 하기 위해서 보조 파일럿 및 비행 감시자를 500 m 마다 배치하여 가시권의 확보 및 지속적인 무선통신을 유지 하였다. 본 연구에서는 원거리 비행을 통한 데이터 취득만을 위한 목적으로 하여 위치정확도를 높여주는 Ground Control Points(GCP)는 배치하지 않았다.

연구지역은 청량산 인근으로 2019년 10월 9일에 실험을 수행하였다(Fig. 4). 비행 당시 3 m/s 이내의 풍속, 시정(visibility) 15 km 이상의 맑은 기상상태로 원활하게 실험이 수행되었다(KWEATHER, 2019; KMA, 2019). 영상 취득을 위한 촬영 설정은 Overlap 80%, Sidelap 70%, 운항속도 15 m/s, 고도 150 m로 총 비행거리는 19.14 km 운항하였다. RF 통신은 일반적으로 2 km의 내외로 제한적이지만, 실험 당시 GCS 기준으로 직선거리 3.1 km 까지 통신이 가능하였으며 LTE 통신 방식의 경우 비행 최대거리인 3.7 km까지 통신 두절현상은 없었다.

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Fig. 4. The test field for study area

데이터 비교는 Telemetry log의 Received signalstrength indication(RSSI)과 LinkQuality 기준으로 분석하였다. RSSI는 수신신호강도를 말하는 것으로 무선 수신기에서 수신되는 전력을 수치를 표현한 것이다. 즉, 수신기에 들어오는 신호 전력을 의미하며 RSSI의 값이 높을수록 신호가 강해진다(Wiki, 2019). RF 통신 방식은 시간에 따라 시작과 동시에 수신율은 떨어졌으며 지상관제와의 거리가 멀어질수록 급격하게 하향 곡선을 보였다. 비행 후 1분만에 수신율이 30%가 감소하여 70%까지 떨어져 유동적인 변화율을 확인할 수 있었다(Fig. 5. left). 거리에 따른 결과는 다른 양상을 보였다. RF 통신 방식에서는 주변의 환경여건에 따라 거리가 1 km까지 유동적인 변화를 보였다. 하지만 LTE방식의 비행에서는 최대 3.7 km까지 일정한 수신 신호를 보이는 것을 확인할 수 있다(Fig. 5. right). 기존 통신 방식인 RF 원격관제는 많은 변화의 통신 상태를 보였지만, LTE 원격관제는 일정한 통신 상태를 보였으며, 원거리 비행이 가능하다는 것 을 입증하였다.

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Fig. 5. Telemetry log comparison of LTE and RF communication (Left: Time, Right: Distance).

2) LTE 통신 비행과 무선 기지국 분석

LTE 기반의 원격관제는 원거리 비행이 가능하지만 무선기지국과의 송수신이 원활하지 않은 경우가 발생 할 수도 있다. 이를 위해 추가 테스트를 진행하였다. 추가 테스트 지역은 문학산 인근으로 2019년 10월 9일에 진행되었으며 실험 당시 비행의 운항속도는 평균 15m/s였다. GCS 기준 최대 직선거리 6.1 km 이상인 지역 을선정하여 총 41.7 km를 운항하였으며, 영상 촬영 설정은 청량산과 동일하게 설정하였다. 실험 결과 1회의 통신 두절이 발생하였으며 두절시간은 약 14초, 거리는 300 m 이내였다(Fig. 6).

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Fig. 6. Telemetry log including disconnected LTE communication.

실험지역 인근의 기지국 정보를 이용하여 통신 두절 에 대한 원인을 분석하였다. 기지국 정보는 한국방송통 신전파진흥원이 운영하는 전파누리 사이트를 이용하여 획득하였다(Fig. 7). 전파누리 사이트에서는 국내 통신 주파수와 라디오 주파수 등의 정보를 제공하고 있다 (https://spectrummap.kr accessed on 25 November 2019).

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Fig. 7. Information on the experimental area and Surrounding LTE communication base station.

통신 주파수와 관련하여 제공되는 정보로는 국내 이 동통신 3사의 기지국 위치와 통신방식(2G, 3G, 4G, 5G), 주파수 대역, 출력, 안테나 설치형태, 해발고도 등이다. 이중 UAV의 이동경로를 중심으로 반경 1 km에 위치하 는 LG U+의 4G 안테나 438개를 확인하였다. 추가적으로 설치 해발고도가 80 m 이상인 실외 안테나로 제한하면 개수는 54개로 줄어든다.

연구지역의 54개 기지국 위치와 기지국을 중심으로 반경 700 m, 850 m, 1,000 m의 원을 표현하여 버퍼맵을 생성했다(Fig. 8). 단, 출력에 따른 차이가 있을 것으로 판단하여 색을 다르게 표현하였는데 옅은 녹색, 노란색, 주황색, 빨간색은 각각 20, 30, 40, 60의 출력(watt) 안테나 반경을 의미한다. 반경 1,000 m로 설정한 결과에서는 UAV 비행시 모든 경로를 커버한 것으로 표현되나, 700 m와 850 m로 설정한 경우 누락 부분이 발생한다. 특히 Fig. 8(c)의 반경 850 m에서의 누락부분은 비행 경로(Fig. 8(a))에서 극히 일부분에서 발생된 통신 두절의 위치와 일치한다.

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Fig. 8. The radius map from LTE communication base station.

Hernandez-Aquino et al. (2015)은 안테나의 성능 외 기울임 각도에 따른 통신 커버리지와 에너지 효율에 대해 연구하여 각도에 따라 커버리지가 달라진다고 밝혔다. 실제로 LG U+에서는 안테나 성능 및 설치 위치에 따라 다르지만 일반적으로 지상 기지국 안테나는 지표를 지향하게 설치하고 있다. 이는 대부분의 통신 단말기는 휴대폰이기 때문이며, 지상 지향 안테나는 약 3 km에서 5 km를 커버한다고 알려져 있다. 하지만 LTE 통신을 하는 UAV와 고도별 커버리지에 대한 연구는 아직 확인되지 않았다. 하지만 Hernandez-Aquino et al. (2015)의 연구를 통해 일반적인 지상 지향 안테나의 경우 드론 비행이 이루어진 지표 약 150 m 고도에 대해서는 3 km 이내만을 커버한다고 판단할 수 있다. 연구지역에서 확인된 안테나는 종류에 따라 출력이 각각 다르고 안테나 설치 높이와 각도의 차이를 보이므로 모든 안테나가 모두 같은 통신 거리를 가진다고 볼 수 없다. 특히 통신반경이 Fig. 8(c)의 경우처럼 850 m라고 단정할 수는 없다. 하지 만 LTE 통신은 UAV와 GCS의 1:1 통신이 아닌 LTE 기 지국 간의 1:N 통신으로 이루어지는 것이며 통신 두절은 어떠한 기지국과도 통신이 이루어지지 않았음을 의미한다. 그러므로 통신 두절은 기지국과의 거리와 신호 커버리지에 의해 결정될 가능성이 높다. 하지만 통신 커버리지는 안테나의 성능과 설치 장소 및 기울임 각도에 따라 달라지기 때문에 향후 LTE 통신을 통한 안정 적인 UAV 비행을 위해서는 비행 지역의 기지국과 안테나 속성을 반영한 추가 연구가 수행되어야 할 것으로 판단된다.

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Fig. 9. Shadow area in radius 850 m.

4. 결론

UAV를 다양한 업무에 활용하기 위해서는 시간적, 경제적 측면이 중요하며 LTE 방식의 원거리 원격관제는 이러한 문제의 해결점을 제시하고 있다. 근거리 주파수 통신 방식의 기존 UAV는 비행 제어 거리가 수 킬로미터로 제한되고 도심지에서 비행 시 주파수 대역의 혼선 등이 발생할 수 있어 GCS의 관제 위치가 중요하다. 관제 위치에 따라 업무의 효율성이 달라지고, 주변의 다양한 환경여건이 고려되어야 하는 것이다. 항공안전기술원에서는 드론 전용 시험 비행장의 경우, 헬리패 드는 21×21 m, 활주로의 경우 200×20 m 로 구축을 명시하고 있다. 즉, 넓은 범위의 촬영을 위해서는 고정익 기체를 활용해야 하지만, 고정익 기체의 경우 활주로 기준의 면적이 되는 곳을 선정하기는 어렵다. 도심지역의 경우, 관제위치 선정에 대한 문제점으로 인해 주로 회전익을 통해 자료를 취득한다. 회전익의 경우, 일반적으로 한 번의 비행을 통해 취득할 수 있는 면적은 약 1 km2이다. 위성영상과 항공영상에 비해 영상 취득 범위가 적기 때문에 넓은 면적의 데이터를 취득하고자 할 경우, GCS 관제 위치의 선정·변경, 비행 횟수, 촬영 가능 시간대, 주변 환경요건(이착륙 지점) 등 많은 변수를 고려 해야 한다. 반면 본 연구에서는 LTE 통신 기반의 고정익을 활용하여 비행거리 약 41.75 km, 촬영면적 약 2.2 km2로 기존 RF 통신 방식의 단점을 보완할 수 있음을 확인하였다. 원거리 원격관제를 통해 고해상도의 넓은 면적의 데이터를 획득할 경우 UAV의 활용성이 증가 하고, 취득된 데이터를 통해 다양한 분석 및 활용이 가능할 것으로 기대된다.

본 연구는 LTE 통신 방식의 원거리 원격관제를 통해 비가시권의 데이터 취득을 위한 기초 연구로써 활용가능성을 제시하였다. RF 통신의 관제방식과 LTE 통신의 관제방식 비교를 통해 LTE 통신방식의 가능성 및 LTE 기지국 분석을 통해 무선서비스 특성상 사용환경에 따라 음영지역이 발생할 수 있음을 제시하고 있다. 하지만, 본 연구는 특정 일부 지역에 대한 연구결과만을 바탕으로 수행되었기 때문에 LTE 방식의 통신 두절에 대한 원인 분석은 제한적이다. 이를 보완하기 위해서는 한정된 지역이 아닌 다양한 지역과 여러 가지 환경적 변수를 고려한 연구가 필요할 것으로 판단된다.

사사

본 연구는 국토교통부 수요처 맞춤형 실감형 3D 공 간정보 갱신 및 활용지원 기술개발과제의 연구비 지원 (19DRMS- B147287-02)에 의해 수행되었습니다.

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