Development of Anti-Drone in Korea at the Center of Drone War

드론 전쟁의 중심에 있는 국내 안티드론 개발 현황

Abstract

Anti-drone (anti-drone) is at the center of the debate over the failure to shoot down a North Korean drone that invaded the metropolitan area at the end of 2022. Anti-drone is a means of detecting and restraining drone flights in unauthorized airspace. Anti-drone technology is a key defense system for drone technology that is essential in the current illegal situation of various drones. We must be alert in the war in Ukraine, where the role of drones has increased. Drone attacks, which are not easy to defend, may determine the victory or defeat of the war. Competition for anti-drone technology development in countries around the world will rise. When new anti-drone technology emerges, drones that go beyond it will be developed. This study presented the current status of anti-drone by analyzing the defense system of domestic drones.

2022년 말 수도권을 침범한 북한 드론 격추 실패의 논쟁 중심에는 안티드론(Anti Drone, 대(對) 드론)이 있다. 안티드론은 허가되지 않은 공역의 드론 비행을 탐지하여 제지하는 각종 수단이다. 안티드론 기술은 현재와 같은 다양한 드론의 위법 상황에서 반드시 필요한 드론 기술의 핵심 방어체계이다. 드론 역할이 증대된 우크라이나 전쟁에서 우리는 경각심을 가져야 한다. 방어가 쉽지 않은 드론 공격이 전쟁의 승패를 가름할 수도 있다. 세계 각국의 안티드론 기술 개발 경쟁은 상승하고 있다. 새로운 안티드론 기술이 나타나면 이를 뛰어넘는 드론이 개발된다. 본 연구는 국내 드론의 방어체계를 분석하여 안티드론 현황을 제시하였다.

Ⅰ. 서론

2022년 2월 시작된 우크라이나 전쟁이 드론 전쟁으로 치닫고 있다. 러시아는 전쟁이 길어지자 주된 공습 전력으로 드론을 활용하고 있다. 지대공 미사일과 같은 방어 무기는 드론보다 훨씬 비싸 고비용이다. 러시아 드론은 대당 가격이 5만 달러에서 최근 1만 달러까지 떨어진 것으로 알려졌다. 우크라이나가 지원받는 방공미사일 ‘나삼스’와 ‘S-300’의 가격은 대당 각각 50만 달러, 14만 달러에 달해 가격경쟁력으로 비교가 안된다. 세계 각국은 드론이 현대 전쟁의 핵심 전력으로 떠올라 앞다퉈 드론 기술을 개발하고 있다. 2022년 11월 중국은 최대 1만㎞ 비행이 가능하고, 16기의 미사일을 장착할 수 있는 대형 드론 ‘윙룽3’을 공개했다. 중국 서북공업대 연구진은 비행 중인 드론에 레이저로 충전하는 기술 개발에 성공했다.^[1] 중국의 드론개발에 위협을 느낀 일본은 2030년까지 1만㎞ 비행이 가능한 미국산 드론 ‘시가디언’ 24대를 도입하는 방안을 추진하고 있다. 중국과 적대 관계인 대만도 3000대 규모의 드론 편대 구축을 밝혔다. 드론 강자인 튀르키예는 군용 드론인 ‘바이락타르’를 우크라이나와 리비아, 카타르 등에 공급했다.^[2] 우리도 2023년 9월 북한 드론에 맞서 ‘합동드론사령부’를 창설하고, 스텔스 무인기와 소형드론을 생산하기로 했다. 드론을 잡는 ‘안티드론(드론 킬러)’ 개발도 가속화가 예상된다. 지금 세계는 드론 전쟁 중이다.^[3]

Ⅱ. 안티드론 기술의 방어체계

드론 방어체계는 드론의 불법행위나 적대행위를 탐지하여 대응하기 위한 체계이다. ‘안티(對)드론’은 불법 드론의 피해를 막기 위한 전략기술로 주목받고 있다. 세계 각국이 안티드론을 전략기술로 지정해 법과 제도 개선을 통해 관련 기술을 확보하는 등 방어체계 구축에 나섰다.

1. 탐지와 식별

드론 대응체계에서 가장 선행되는 ‘탐지’와 ‘식별’은 레이더 등으로 무선 신호와 소리를 식별하는 기술과 전자광학 기반 카메라 기술 등을 이용하고 있다. ‘탐지’와 ‘식별’에는 각각의 단점이 있다. 조류 등 하늘은 나는 새떼나 풍선과 구분하지 못하거나 다양한 무선 신호로 탐지에 어려움을 겪을 수 있다. 탐지 거리가 매우 짧거나 날씨 등 영향으로 탐지를 잘못할 오탐률도 높아질 수 있다. ‘탐지’는 전파를 발사해 반사파 도달 시간과 안테나 지향 특성 등을 분석해 드론 위치를 탐지한다. 레이더나 드론과 조종자 간 통신 주파수를 통한 신호를 분석해 드론 위치를 탐지하는 무선주파수(RF) 스캐너와 촬영 및 모터나 엔진 등에서 배출되는 열원을 적외선 카메라로 탐지하는 광학 기술이 적용된다. ‘식별’은 비행 드론을 육안과 전자로 파악한다. 전자식별은 통신 거리 내에 비행 중인 드론에 대해 드론 식별번호(DIN)나 조종자식별 번호 등을 전자기술 또는 원격으로 식별한다. 안티드론 기술 중심에 있는 탐지와 식별 기술은 매우 중요하다.

2. 드론 무력화 기술

드론 무력화 기술은 물리적, 전자적 무력화 기술, 제어권 탈취 기술로 나뉠 수 있다. 물리적으로 격추 또는 포획하는 ‘하드 킬(Hard kill)’과 전자 방해 전술(ECM)의 일종인 재밍(Jamming)이나 속이는 스푸핑(Spoofing)을 이용해 비행 불능 상태로 만드는 ‘소프트 킬(Soft Kill)’ 기술이 핵심이다.

‘하드 킬’은 쿼드콥터형(Quadcopter-type) 드론을 포획할 때 가장 많이 사용된다. 지상 발사나 다른 드론에 장착한 그물을 이용한 드론 포획은 쿼드콥터같이 정지 비행이나 저속 주행 드론에만 적용된다. ‘소프트 킬’ 기술은 RF 스캐너로 드론 사용 주파수를 파악해 더 강한 주파수 전파를 발사해 드론과 조종자 간 통신을 무력화하는 기술이다. 위성항법 재밍이나 스푸핑은 드론이 사용하는 위성항법(GNSS) 주파수를 교란하거나 가짜 위성 항법 신호로 드론을 나포하거나 항로에서 이탈시킨다. 주요시설 지역에 불법 드론 비행이 불가하도록 설정하는 지오펜싱(Geofencing)은 위성항법을 활용한다.^[4]

가. 물리적 무력화 기술

물리적 무력화 기술은 물리적으로 드론을 무력화시키는 기술이다. 개발 초기에는 그물 던지기나 드론 간 충돌, 독수리나 매 등 맹금류를 훈련 시켜 드론을 무력화시키는 기술이 개발됐다. 그물은 재장착이 불편하고, 맹금류는 확장성이 떨어져 매우 제한적으로 이용됐다.

나. 전자적 무력화 기술

미국의 록히드마틴 등은 고출력 레이저 이용 드론 파괴기술을 개발하고 있다. 이는 비 군집 드론 공격에 효과적이지만 높은 전력이 요구되고, 아군기 등 2차 피해가 발생할 수 있다. 드론 통신을 방해하는 무선주파수 재밍 공격과 위성항법장치(GPS) 신호기반 자율 비행 전파 방해 공격은 효과적인 공격 기술이다. 드론 전파를 방해하는 재밍은 레이더 신호를 은닉, 변형시킨다. 전자방해전술(ECM)인 재밍은 레이더의 수신 대역 내의 주파수로 송신되는 방해 신호이다.

다. 제어권 탈취 기술

지상에서 드론을 원격으로 제어하는 지상 제어시스템(GCS) 통신으로는 와이파이와 이동통신, 무선통신 등이 사용된다. 기지국 신호를 조작해 이동통신망에 교란을 일으킬 수도 있다. 드론 구성 핵심 부품 회로를 공격하여 무력화하거나 드론 방향 등을 유지하는 자이로스코프 센서(Gyroscope Sensor)에 혼란을 발생시킬 수도 있다. 고출력 전자기파(HPEM)로 드론 회로를 태우는 기술은 군집 드론 공격에 효과적이다. 수백 메가와트(㎿)에서 기가와트(GW) 이상의 고출력 에너지를 사용한 공격으로 아군기도 위해를 받을 수 있다. 무선통신은 정해진 시간에 따라 주파수를 이동하면서 통신하는 주파수 도약 확산 스펙트럼(FHSS) 암호를 해독한 제어권 탈취도 가능하다. 위치 정보제공 위성을 이용하여 자율 비행 시는 위성측위시스템(GNSS) 신호 위조를 통한 제어권 탈취가 가능하다. 국내 안티드론 기술은 지난 10년 동안 도약적인 발전을 했다. 2009년 민·군겸용과제로 주요시설 대공방어 시스템 기술 개발이 시작된 이후 다수의 연구 과제 사업 결과이다. 드론 공격 분류는 표 1.과 같다.

표 1. 드론 공격 분류^[5]

Table 1. Classification of drone attacksSimulation Parameters

Ⅲ. 최근 국내 안티드론 개발 현황

1. 무인기 잡는 포획 그물

2023. 3. 한화시스템이 300~800M 저고도로 비행하는 레이더 반사면적 0.03㎡ 소형무인기를 3km 밖에서 탐지 그물로 포획하는 시연에 성공했다. 반공망에 잡히지 않는 소형드론을 포획한 것으로 드론 파괴로 인한 파편 등 낙하물 없이 그물로 포획하여 안전성을 입증했다. 국내 방산업체에서는 전파 방해로 드론은 격추하는 재밍 방식 등 다양한 안티드론을 개발하고 있다.^[6] 포획 드론 개념도는 그림 1.과 같다.

그림 1. 포획 드론 개념도

Fig. 1. Captured drone conceptual diagram

2. 드론 격추 레이저

2022년 3월 한국생산기술연구원은 드론을 격추할 수 있는 강력한 레이저를 개발했다. 날아오는 드론을 근거리에서 격추할 정도로 강력한 레이저 출력을 낼 수 있는 3킬로와트(㎾)급 광섬유 레이저 광원을 국내 최초로 개발했다. 이 기술을 활용해 폭발물 처리기와 대공용 소형 레이저무기 개발에 활용할 방침이다.^[7] 그림 2.는 드론 격추 레이저를 나타내고 있다.

그림 2. 드론 격추 레이더

Fig. 2. drone shooting radar

3. 안티 드론건

2021년 12월 정부는 정부중앙청사 등 4곳에 전자파로 드론을 격추하는 안티드론건 9정을 배치했다. 원거리 조종을 방해하는 전파를 발사해 드론 공격을 무력화하고 1시간 동안 연속 사격이 가능하다. 40도 발사각과 유효사거리 500m 반경 안에서는 대수에 상관없이 모든 드론의 전파를 차단해 무력화시킨다.^[8] 그림 3.은 안티 드론 건의 요격 범위를 나타내고 있다.

그림 3. 안티 드론건 요격 범위

Fig. 3. Anti-drone gun interception range

4. AI로 쏘는 드론 잡는 스마트 소총

국내 기업이 이동표적도 정확히 조준해 맞추는 스마트 소총 조준경 기술을 개발하고 있다. 이를 활용하면 비행 드론처럼 빠르게 날아다니는 물체도 소총으로 명중시킬 수 있을 것으로 기대된다. 공중에 비행 중인 드론을 전자 광학 조준경이 감지하면 거리와 속도 등을 자동 계산해 조준경 뒷면의 OLED 디스플레이 화면에 표적 정보를 보여준다. 해당 정보를 기반으로 소총 사수가 표적지정 버튼을 눌려 사격 목표를 결정하면 조준경의 망선이 표적을 추적해 조준점이 겹치면 자동 격발로 발사된다. 그림 4.는 스마트 소총 조준경 개념도이다.^[9]

그림 4. 스마트 소총 조준경 개념도

Fig. 4. Smart rifle sights conceptual diagram

이 소총은 장착된 조준경이 표적의 거리와 속도를 계산해 보여주고, 이를 기반으로 사수가 사격 목표를 지정하면 조준점에 표적이 들어온 순간 인공지능(AI)이 자동 격발하는 기술이다. 이스라엘의 방산업체 스마트슈터는 2023년 AI가 탑재된 소총을 개발해 화제가 되고 있다. 그림 5.는 스마트 소총 조준경(지능형 조준경)의 운용개념도 이다.

그림 5. 스마트 소총 조준경 운용개념도

Fig. 5. Smart Rifle Aimator Operation Conceptual Chart

Ⅳ. 국내 기술 동향

1. 블록체인(Blockchain) 기술

블록체인은 그림 6.과 같이 새로운 블록 해시값과 기존의 블록 해시값이 체인처럼 연결되어 생성된다. 해킹 시도를 위해 생성한 블록이 침입하기 어려운 구조로 구성되어 위·변조를 방지할 수 있는 기술이다. 서강대 박수용 교수 연구팀의 연구로 해커가 침입해 데이터를 위변조하기 어렵다는 특성 때문에 데이터 신뢰가 많이 요구되는 분야에 응용하고 있다.

그림 6. 블록체인 해시값

Fig. 6. Blockchain Hash Value

블록체인과 드론을 연결한다면 안티드론 대응체계 구축에 활용이 가능할 것이다. 최초에는 드론이 촬영한 영상을 암호화하여 송수신하는데 사용하였지만 반대로 침입하는 드론에 명령을 내려 그림 7.과 같이 드론을 하이재킹(Hijacking)하는 방식으로 활용이 가능하다. 블록체인 시스템은 네트워크로 연결된 블록의 해시값과 이전 블록의 해시값이 체인처럼 연결되어 위변조를 방지하는 시스템이다. EMBlock은 임베디드 블록체인 기술을 기반으로 만들어진 통신체계이다. EMBlock은 블록키방식으로 메세지를 송수신할 때마다 새로운 키를 생성해서 메시지를 실시간으로 암호화하여 지속적으로 높은 보안성을 유지하는 장점이 있다.

그림 7. 드론 하이제킹

Fig. 7. Drone hijacking

2. 무인기 전파탐지 기술

2017년 국내의 우리별은 무인기 동작 시 사용하는 전파를 수신해 위치나 방향을 탐지하여 식별하고, 대응하기 위해 개발을 진행했다. 2.4Ghz 대역의 혼선(와이파이, 블루투스, 제어용 주파수) 등으로 드론제어용 주파수는 주파수 호핑(frequency hopping) 방식을 사용하여 탐지 정확도 및 시장 수요가 낮아 중단된 사례도 있다. 그림 8.은 당시 설계했던 전파 탐지기술 및 연동체계 구성도이다.

그림 8. 전파탐지체계 구성도

Fig. 8. Radio Detection System Configuration Char

당시 구성 장비는 대략 20MHz~6GHz 대역을 수신할 수 있는 광대역 수신기(HF Option 시 9kHz~)와 신호분배기, 안테나, 감시시스템 운용 PC로 구성하였다. 이 기술의 핵심은 주파수와 거리에 따른 방향탐지가 가능하도록 설계하는 것이었다. 그에 따른 시뮬레이션 참조 값을 참조하면 안티드론 대응체계 구축에 도움이 될 것이다. 주파수 대역 및 거리별 출력 예상표는 그림 9. 참조

그림 9. 주파수 대역 / 거리별 출력 예상표]

Fig. 9. Frequency band/Output expectation table by distance

• 방향탐지 정확도 보장 조건 - “SNR 20dB 확보”시 조건 적용

• 수신 배열 안테나 증폭도 3dBi 일괄 적용 조건

• 이론적인 계산값(실 환경에서 편차 발생할 수 있음)

다음 그림 10.은 당시 우리별에서 이동형 Testbed로 서울 일대 주요 지역에서 측정한 결과이다.

그림 10. Testbed의 서울 주요 지역 측정결과

Fig. 10. Testbed's measurement results in Seoul's major regions

3. 국내 기동형 안티드론 대응체계 실험

2015년 여름 경기 연천 북한의 고사총 사격 후 군은 기형통합감시체계에 대한 전투 실험을 진행했다. 당시 RF 스캐너보다는 레이더 탐지 방식이 주로 사용되었다. 미 FlIR사의 ◯◯◯◯ 레이더장비와 한화시스템의 ◯◯◯를 코란도 차량 상부를 개조하여 마스터를 설치하고, 마스트 위에 레이더를 설치하였다. 드론은 전·후방용을 상이하게 하여 전방용에는 캐나다의 스카이◯◯드론으로 후방용은 네스앤택의 ○○○드론을 세트화했다. 기본 운용개념은 적 드론을 레이더로 탐지하고, 탐지된 드론에 대해서는 물체의 열을 감지해서 영상으로 보여주는 장비(TOD)로 피·아를 식별하여 추적하다가 적 드론이 고지 후사면 이동이나 차폐 지역 이동 시에는 드론으로 추적 감시하는 개념으로 현재의 안티드론시스템 탐지–식별–대응에서 대응 분야를 제외한 탐지–식별이 가능한 시스템이었다. 장비 특징은 레이더와 전자광학(EO)장비를 통합하여 관제 화면에서 레이더에 의해 미상 물체를 식별하게 되면 해당 지점에 마우스 커서를 대어 EO장비가 해당 지점으로 방향을 회전하여 새와 드론 식별이 가능하도록 시스템을 구축하였다. 이는 향후 운영되는 안티드론 대응시스템 구축(고정 또는 기동형)에도 동일하게 적용을 해야만 탐지 및 식별단계를 실시간으로 적용이 가능할 것이다. 당시 사용하였던 소형드론은 지금은 생산되지 않고 있는 한화 크로우-M(전폭/전장 78*50Cm)과 중형 드론(2m급 크기)을 묘사하기 위해 동력 패러글라이더(1인승 : 1.6*1.8*1.7m / 2인승 : 2*2*2m) 2대를 운용하여 테스트를 실시했다. 한화 크로우-M의 사진과 제원 및 특징은 그림 11.과 같다.

그림 11. 한화 크로우-M의 제원 / 특징

Fig. 11. Specifications/Features of Hanwha Crow-M

이 시스템으로 주·야간 각 2회 테스트 한 결과(고도 1.5~3km / 총 구간은 10~2.8km) 모두 탐지하였다. 레이더 성능상 18km(차량 기준)까지 탐지가 가능하지만 산악지역에서 TEST를 진행하다보니 차폐 지역인 8km 구간은 레이더로 탐지하지 못하였다. 하지만 시계가 확보된 10km부터 2.8km 구간은 정확히 탐지를 하였으며, 2.8km 이내에 구간에서 미탐지된 사항은 레이더의 특성 때문이었다. 레이더는 고각조절장치가 있어도 레이더 직상방으로 방사판을 조절할 수 없기 때문에 발생하는 문제였다. 이러한 레이더의 고각 특성의 한계 때문에 RF스캐너가 반드시 안티드론시스템 구축에 포함되어야 한다. 레이더의 특성을 잘 이해하고, 레이더 특성의 제한사항을 극복하기 위한 타 탐지수단(EO·IR, RF스캐너 등)을 적절히 조화하는 것이 안티드론 시스템구축에서 제일 중요한 요소라고 해도 과언이 아닐 것이다^[10]

Ⅴ. 결론

2022년 12월 26일 우리 영공을 침범한 북한 무인기 한 대가 서울 용산 대통령실을 중심으로 설정된 비행금지구역(P-73)을 침범해 종로 일대까지 비행했다. P-73은 대통령 집무실 부근의 특정 지점을 근거로 반경 3.7㎞로 설정됐으며, 절대적으로 비행이 금지되는 지역이다. 남과 북이 대치하는 현 상황에서 우리 군의 북한 무인기 대응이 국민적 관심사로 부상했다. 군은 그 후 12월 말 ‘2023∼2027 국방중기계획’을 공개했다. 5년간 국지방공레이더와 레이저 대공 무기 등 북한 무인기 대응 전력 확보에 5천600억 원을 투입할 예정이다. 기존 레이더보다 탐지 거리가 뛰어나면서 방위와 거리, 고도 탐지가 가능한 국지방공레이더로 적 무인기를 탐지하고, 안티드론 기술은 ‘하드 킬’과 ‘소프트 킬’로 밝혀졌다.

㈜한화가 개발 중인 ‘레이저 대공무기 블록-Ⅰ(Block-Ⅰ)’ 기술 사업은 ‘하드킬’ 방식이고, LIG넥스원이 개발을 추진하는 ‘소형무인기 대응체계 체계개발’ 기술 사업은 ‘소프트킬’ 방식이다. 현재 시험평가 중인 ‘레이저 대공 무기 블록-Ⅰ’은 2024년에 개발이 종료된다. 차량에 탑재해 요격이 가능한 ‘레이저 대공 무기 블록-Ⅱ(Block-Ⅱ)’는 2026년에 연구개발을 끝내고 2027년 전력화가 될 것으로 보인다.

‘소형무인기 대응체계 체계개발’ 사업도 2026년 1월종료 후에 전력화가 예상된다.^[11] 군은 위 사업의 전력화 전까지 드론 테러 위협에 신속하게 대응하기 위한 ‘휴대용 소형무인기 대응체계’를 도입해 북한 소형무인기에 대응할 예정이다. 2020년 ‘휴대용 안티드론’ 사업이 ‘감시정찰용 수직 이착륙드론’ 사업과 함께 신속 시범 획득 사업으로 선정돼 시범 운용 등으로 군 활용성을 인정받아 긴급소요로 결정되었다.

현재까지 상업적으로 가장 큰 성공을 거둔 드론 분야는 주로 테러와 정찰 등 국방 응용 분야다. 이는 러시아와 우크라이나 전쟁에서 명확히 입증되었다. 드론은 저렴한 비용의 비대칭 전력이기 때문에 전통적 무기를 써서 드론에 대응하는 것은 비용이나 성능 등 측면에서 비효율적이다.

중요성이 더해지는 드론과 안티드론 기술은 경쟁적으로 진화하고 있다. 미국이나 유럽연합(EU), 중국 등 주요 국가 방위산업 관련 기업은 기존 방공시스템을 개선해 군사 용도로 탐지하여 식별하고, 무력화하는 통합 안티 드론 시스템을 개발하여 공항이나 원자력발전소 등 국가 주요시설 방어용으로 출시하고 있다. 불법 드론을 막는 안티드론 기술을 개발하면 이를 뛰어넘는 드론이 개발된다. 창과 방패의 싸움이다. 본 논문은 대한민국이 이런 드론 전쟁 중심에 우뚝 서는데 기여하길 기대한다.