국방 드론 운용과 기술개발 동향

[하충열]

7월 27일 북한의 조국해방전쟁승리 70주년 열병식에서 전략무인정찰기인 샛별 4형이 등장했다. 그간 타격용 무기체 계만을 공개했던 것과 다르게 정찰체계를 선보인 것은 이례적이며, 이는 최근 드론의 정찰과 타격체계를 연계한 러시아-우크라이나 전쟁에 영향을 받은 것으로 추측할 수 있다.

[그림 1] 북한군 전략무인정찰기 샛별 4형

최근 전쟁의 드론 운용 양상은 저가ㆍ민수형 모델을 적극 활용해 전선에서는 즉각적인 타격을, 후방에서는 국가 전략자산 및 인프라를 파괴하는 데 활용되고 있다. 대한민국 국방부는 9월 드론작전사령부를 창설하면서 각 군 드론 전력을 통합하고 적 무인기 위협에 대응해 감시, 정찰, 타격, 심리전을 수행하고자 한다.

[그림 2] 대한민국 군 드론작전사령부 창설

이 글에서는 러시아-우크라이나 전쟁 간 드론 운용에 대한 분석, 관련기술 동향을 파악하고 시사점을 제시하고자 한다. 여기서 드론은 무인 항공 장비로 한정하여 조사분석을 실시하였다.

러시아-우크라이나 전쟁 드론 운용 분석

우크라이나 군은 개전 초 튀르키예 드론인 바이락타르 TB2 시리즈를 활용해 러시아군의 군수부대, 기계화부대 등을 타격하며 진격을 둔화시키는 데 크게 기여했다.

[그림 3] 우크라이나 군 Beaver 자폭드론

하지만 이는 곧 러시아군의 방공망으로 인해 차단되었고 이에 대한 돌파구로 저가형 산업용 드론을 이용해 러시아군을 공격했다. 또한 우크라이나 내 자체생산한 비버(Beaver) 자폭 드론이나 골판지를 차체로 한 저가형 드론으로 러시아 방공시스템을 우회하여 후방지역 내 전략자산 및 모스크바의 인프라를 공격하고 있다. 이로 인해 연방정부 청사는 두 차례 공격을 당하고 8월 초 모스크바 내 공항 4곳은 드론 공격으로 인해 폐쇄되었다. 또한 수도 인근 노보고르드 기지 내 전략폭격기인 Tu-22M3가 파괴되었다. 우크라이나의 드론 공격 능력이 발전함에 따라 러시아 후방지역에 대한 공격은 상징적인 차원에서 실질적인 위협으로 변모하고 있다. 모스크바의 방공 시스템은 미사일 요격에만 집중하여 우크라이나군의 드론은 탐지 대상에서 제외돼 위와 같은 피해가 발생했다는 추측이 있다. 고가, 대형 드론은 기존의 방호 시스템에 의해 무용지물이 되었으며 오히려 저가형, 개조형 드론이 효과를 보고 있다. 이러한 현상에 주목해 MIT 테크놀로지 리뷰는 군사용 드론의 대중화를 ’23년 10대 미래기술로 선정하였다.

[그림 4] 우크라이나군 골판지 드론

5월 영국의 군사 싱크탱크 RUSI에 의하면 격추되는 우크라이나군의 드론은 일 300대, 월 1만여 대로 추산하고 있다. 주변국인 프랑스의 드론이 3,000여 대인 것을 비교하면 현격히 많은 수치이다. 우크라이나 국제의용군에 참전했던 김모씨는 인터뷰에서 “24시간 드론이 떠 있어 위치를 추적해 실시간으로 포병에 전송하고, 머리 위에서 수류탄과 대전차 로켓을 떨어뜨려 자폭드론 공격을 피하기 위해 밀폐된 실내에서 생활하다 보니 감기나 장염 등 전염병을 앓는 경우가 많다.”고 증언했다. 우크라이나군은 서방이 제공한 스위치블레이드사의 자폭드론과 피닉스 고스트(Pheonix Ghost) 공격용 드론을, 러시아군은 ZALA Aero사의 쿠브와 란셋 자폭 드론을 운용하고 있다. 또한 정찰, 폭탄투하용으로 상용 드론을 광범위하게 운용하고 있다. 소형 드론의 절대 다수가 중국 드론업체 DJI사의 제품이며, 현재까지 드론이 사용된 것으로 확인된 사례 463건 가운데 59%가 DJI 제품으로 밝혀졌다.

[그림 5] 우크라이나 군 자폭드론(Switchblade 300)

우크라이나 국방부는 전방의 드론 소요를 충당하기 위해 약 1조 5천억 원의 예산으로 40여 곳의 기업과 드론 구매 계약을 체결했으며, 국내외 자산가들의 기부, 크라우드 펀딩 등으로 드론을 공급하고 있다. 러시아-우크라이나 전쟁에 있어서 드론 운용은 반드시 필요한 것이 되었으며, 각국은 드론 확보에 혈안이 되어 있다.

[그림 6] 러시아군 란셋 자폭드론

러시아의 안티드론 체계 운용

러시아군은 드론 탐지체계 및 전자전 장비를 통해 개전 이전 우크라이나군이 축적한 수천대의 드론을 ’22년 여름까지 90%를 격추하였다. 해당기간 동안 드론의 평균 비행수명은 회전의 쿼드콥터 드론 3회, 고정익 드론 6회에 그쳤다. 이는 러시아군이 보유한 드론 탐지 및 전자전 기술의 우수성과 드론의 기술적 취약점을 보여준다. 러시아군은 드론 탐지를 위해 무인항공기 레이다 탐지 시스템(RLS)을 통해 최대 23km 범위에 접근하는 무인항공기에 대한 제원 파악 및 격추를 수행하고 있다. 또한 러시아 국립기술연구소는 가시범위 외 최대 10km 거리에서 접근하는 150g 이하 소형 드론 탐지를 위한 레이다 양산을 시도중에 있다. 전자전 장비로는 기존 JDAM의 항법장치를 마비시키는 역할을 수행하던 R-30Zh 지텔을 대드론용으로 활용하고 있다. ’22년 6월에는 팔란틴(Palantin) 전자전 시스템의 운용능력을 공개해 20km 이상 운용범위와 지정한 좌표에 대한 지향성 공격이 가능함을 보였다. 소형 전술용으로는 트럭 탑재형인 Repellent-1은 2.5km의 운용범위를 지녔고, Shipovnik-Aero 재머는 다중 표적에 대한 투사가 가능하다. 최근에는 Strizh-3을 배치하고, 개인용ㆍ휴대형으로는 Pishchal 소총, LPD-802 전자총 등을 운용해 GPS 시스템 억제, 통신 차단 등을 수행하여 소규모 부대의 대드론 전자전 능력을 확보하고 있다.

[그림 7] 러시아 군 Shipovnik-Aero 재머

[그림 8] 러시아군 Strizh-3 대드론 체계

[그림 9] 러시아군 LPD-802 전자총

자율, 군집주행 기술 발전

드론은 전장에서의 활발한 운용과 발맞춰 관련기술이 발전중이다. 그 중에서 가장 눈에 띄는 것은 드론의 무인 운용을 위한 자율, 군집운행체계이다. 드론의 자율, 군집운행 기술은 운용 인원을 줄임과 동시에 전투력을 확보할 수 있다는 장점이 있다. 완전한 자율주행을 위해서는 상태추정, 환경인지, 경로계획 등 세 가지 기술의 유기적인 결합이 필요하다. 상태추정은 3차원 공간의 드론의 위치와 자세를 카메라 등 측정센서를 통해 실시간으로 기본적인 비행을 유지시킨다. 환경인 지는 추정 상태와 센서 정보 처리를 통해 주위 환경, 장애물 지도를 생성한다. 경로계획은 생성된 지도 정보를 통해 장애물 위치를 파악하고, 충돌을 회피하면서 목적지까지 가장 효율적으로 도달할 수 있는 궤적을 생성하는 기술이다.

드론은 지상체계와 달리 3차원 공간에 대한 제어가 필요하므로 고난도의 기술이 요구된다. 국방과학연구소는 ‘무인자율 체계 작전능력 향상을 위한 차세대 3차원 초소형 자이로 기술 개발’을 수행하고 있다. 소부대용 저고도 드론 운용을 위해서 ‘수풀지역 극복 자율비행 드론 개발’을 ’22년 말부터 진행중에 있다. DARPA는 ’18년도에 경량 비행체 자율(FLA : Flight Lightweight Autonomy) 프로그램을 통해 GPS 나 전파 지원이 없는 조건에서 신속한 임무수행이 가능한 드론 개발을 완료했다. 또한 ’20년부터 인공지능을 활용해 자율 도그파이팅이 가능한 무인전투기를 개발하는 공군 전투 진화(ACE : Air Combat Evolution) 프로그램을 진행중이다. 한 명의 비행사가 전체전인 전술 및 목표를 이해하고 우선순위 및 무기를 적절히 할당할 수 있는 무인 전투기에게 임무하달이 가능한 수준을 목표로 하고 있다. 미 공군 연구소는 스카이보그(Skyborg) 프로그램을 통해 항공기 운항 제어로부터 특정한 임무를 수행할 수 있는 인공지능 기술을 사용한 항공기 개발을 진행중이며, 올해 7월 시제기 비행을 진행하였다.

[그림 10] 미 공군 Skyborg 프로그램

군집기술은 저가형 드론의 집단행동을 통해 적 능력 무력화 및 대응역량 소모를 강요해 유리한 전투력 교환비를 추구할 수 있는 기술이다. 또한 운용인원의 규모를 축소하여 유인 전투력의 절약이 가능하다. 주요 국가는 해당기술에 대한 중요성을 인식하여 활발한 연구를 수행중이며 기초적인 구현이 가능한 수준에 있다. 국방과학연구소에서는 ‘전술 군집 무인기 임무계획 및 자율 임무 재계획 기술’, ‘초소형 군집로봇 주행제어 기술’ 등 무기체계와 연계한 선도형 기술개발을 진행중이며, 미래도전국방기술로 ‘인공지능 기반 군집무인기 통제기술’을 개발중에 있다. 미 해군 연구소는 저가형 드론 군집 기술(LOCUST : Low-Cost UAV Swarming Technology)을 개발중이다. 33개의 코요테 드론을 투하하여 30초 만에 군집

시스템을 구성하는 성과를 이뤘다. 해당 무인기는 지·해·공 투하 플랫폼에서 폭발물, 전자전 장비 등 다양한 임무장비를 탑재해 다양한 임무 수행이 가능하다. DARPA는 공격형 군집 전술(OFFSET : OFFensive Swarm- Enabled Tactics) 프로그램을 진행하여 250개의 드론을 포함한 지상체계를 통합한 기술개발을 ’21년 말에 완료하였다. 또한 C-130 수송기를 모선으로 하여 투하 및 회수가 가능한 Gremlins 군집 무인항공기체계를 개발중이다.

[그림 11] 미 해군 LOCUST 드론

[그림 12] DARPA OFFSET 프로그램

대 사이버, 전자전 기술

드론은 지상통제소(GCS), 기지국, GPS위성, 타 드론과의 교신ㆍ정보 전송 등을 위해 지속적인 통신이 필요하고 여기서 사이버, 전자전 공격에 의한 취약점을 드러낼 수 있다. 드론은 구성요소 상 드론비행체, 무선통신, 지상관제시스템으로 구분할 수 있으며 각각의 사이버 위협과 취약점이 존재한다.

[표 1] 드론 요소별 공격방식 *출처 : 드론 사이버위협에 따른 효과적 대응방안에 관한 연구, 2022, P.7

첫째로, 드론비행체에 대한 공격은 통제부, 탑재부, 내장형 소프트웨어, 무선 송ㆍ수신부, 공급망 체계와 드론 자체로 세분화할 수 있다. 대표적으로 GPS신호를 변조하는 재밍, 스푸핑과 장착된 센서의 정보값을 변조하는 공격이 있다. 공격자는 거짓 항법신호를 비행체에 송출시켜 드론을 조작할 수 있다.

’11년 이란은 이 방식을 이용해 미군의 무인정찰 드론 RQ-1을 노획하였다. 전파로 원격조종 기능을 상실케 한 뒤 GPS 교란을 통해 이란을 아프간 영토로 착각해 착륙시켜 탈취한 사례가 있다. 비행체에 장착한 센서를 공격 대상으로 하는 경우에는 자이로, 가속도, 자력, 기압, 대기속도 센서 등 드론의 비행자세를 조정해주는 장치에 노이즈를 주입시켜 기능 발휘를 제한할 수 있다. 둘째로, 무선통신은 드론 간, 드론-지상 통제소 간 유통되는 데이터와 주파수 채널에 내재한 취약성을 활용하는 경우가 있다. 공격 방식은 드론-지상통제소 간 유통되는 정보를 탈취, 위조를 수행하거나, 통신 자체를 방해하기 위한 교란, 기만 신호 전송이 있다. 여기에는 트래픽 허용범위를 초과하는 Dos, DDos 공격이나 시스템의 취약점을 파악하도록 무작위 데이터를 전송하는 퍼징 공격 등이 포함된다. 셋째로, 지상통제소에 대한 공격은 운영자, 공급체계, 제어 소프트웨어, 수집 데이터 상 공격이 있다. 물리적으로는 드론을 노획한 후 키를 추출하거나 칩으로부터 정보를 획득할 수 있으며, 소프트웨어에 대해서는 악성코드, 바이러스, 하드코딩 오류 등의 공격을 수행한다. 해킹의 75% 이상이 소프트웨어의 취약점을 이용하며 공격자는 쉽게 접근이 가능해 가장 취약한 부분 중 하나이다. 이러한 위협에 대한 대응 방안은 구성요소별로 구분할 수 있다. 비행체 GPS 재밍과 신호변조에 대응하기 위해 GPS 수신기 기능을 보완해 과도하게 강한 신호를 필터링할 수 있다. GPS 외의 항법 시스템을 활용할 수 있는데, 현재 군은 한국형 항법 시스템인 KPS의 무기체계 적용을 추구하고 있다. 또한 주파수 호핑 기법을 통해 공격자가 예측할 수 없도록 운용 주파수를 도약할 수 있으며, 신호위조 공격을 탐지할 수 있도록 전력크기 등 급격한 수치 변화를 식별할 수 있다. 무선통신 관련 대응 방안으로는 인가된 사용자만을 유통에 관여할 수 있도록 하는 인증 방식을 적용할 수 있다. 드론의 중량을 고려하여 암호장비를 대체할 수 있는 소프트웨어인 AES, WPA2, CCMP, CCM 등 암호기술을 적용할 수 있으며, 공격자에 의한 탈취를 고려하여 복제방지기능(Physical Unclonable Function) 등을 적용할 수 있다. 해당기술은 사전에 이용자의 정보를 서버 DB에 저장한 후 인증 요청이 올 때마다 사용기록을 제거해 재사용을 방지하는 개념으로 IoT의 RFID 인증과 드론 인증 강화를 위한 대책으로 제시되고 있다. 지상통제소의 소프트웨어 상 취약점을 제거하기 위해서는 서버, 게이트웨이의 방화벽, 비정상 트래픽을 탐지 및 차단할 수 있는 침입탐지ㆍ방지시스템(IDS, IPS) 체계를 구축할 수 있으며, Dos, DDos 공격에 대비해 지상통제소 내 메모리, CPU, 통신채널 등 중요자원은 컨테이너 형식으로 물리적으로 보호된 공간에 운용할 수 있다. 이 외에도 드론이 가지고 있는 정보, 지역, 로그 기록 등을 수집, 확인, 분석하여 이상징후를 파악하는 드론 포렌식 체계를 적용할 수 있다. 공급망 차원에서 발생할 수 있는 취약점을 제거하기 위해서는 수명주기 전체에 발생할 수 있는 보안 위협을 관리하는 방안이 있다.

[그림 13] 드론 포렌식 구성도 *출처 : https://www.mdpi.com/2504-446X/7/7/430

미 국방부는 위험관리체계(Risk Management Framework)를 통해 전 수명주기 동안 발생할 수 있는 사이버위협을 제거해 무기체계 신뢰성 강화를 추구하고 있다. 또한 ’20년에는 중국에서 사용하는 무인기, 드론의 사용이 많아지자 보안을 우려해 사용을 전면 중지하고 검증된 모델을 인가하는 Blue-UAS Framework 프로그램을 수행하고 있다.

[그림 14] 미 국방부 Blue-UAS 프로그램 

*출처 : https://advexure.com/blogs/news/everything-you-need-toknow-about-the-blue-uas-program

체공시간 개선 및 악천후 운용 기술

체공시간은 드론 운용의 수명과 직결되어 핵심적인 분야이다. 기존 회전익 드론의 경우 전자식 배터리와 전력 소모가 큰 형상으로 인해 30~40분 이내의 짧은 체공시간이 문제가 되어 왔다. 이는 배터리 중량이 가벼운 리튬-폴리머 전지를 사용함으로써 오는 근본적인 제한사항이다. 이를 극복하기 위해 형상 개선을 비롯하여 연료전지, 태양광 등 추진체 배터리의 다변화를 추구하고 있다. 최근 현격한 기술발전을 보이는 리튬이온, 리튬-황 전지를 기존의 리튬-폴리머 전지를 대체하고 있는 움직임을 보이고 있다.

[그림 15] 하이리움 HEXA 모델 *출처 : http://hylium-industries.com/tsb

국내의 수소 드론 기술은 세계적인 수준으로 ’21년 두산모빌리티이노베이션 사가 최대 2시간 비행이 가능한 DS30W를, 올해 8월 하이리움사는 액화수소 기반 최대 6시간 비행이 가능한 HEXA 모델을 선보였다. 태양광 충전 기반 드론은 주로 에너지 효율을 위해 고고도 및 성층권 지역에서 운용하고 있다. 국내에서는 한국항공우주연구원의 EAV-3가 53시간 연속비행을 성공했으며, 국외에서는 미국 Airbus사의 Zephyr S가 5일 동안 비행을 수행했다.

[그림 16] 한국항공우주연구원 EAV3 *출처 : https://www.seoul.co.kr/news/newsView.php?id=20150812009009

이 외에도 성층권에 위치한 열기구 형태의 비행선을 개발하여 소형 위성에 준하는 효과를 목표로 하고 있다. 미군은 이를 통해 통신지원, 감시정찰 자산의 공백을 보충하고 다영역 감지 시스템(MDSS : Multi Domain Sensing System)을 구축하고자 한다. 풍속, 악기상은 소형 드론 운용에 있어서 치명적인 요소로 작용한다. 비와 폭풍우는 드론 내부의 전자기기를 손상시키고, 혹서ㆍ혹한은 배터리 성능에 크게 영향을 미친다. 강풍과 난기류는 드론의 위치제어 및 이동에 악영향을 준다. 이 점을 해결하기 위해 드론 제작사는 방수구조 설계, 대형화, 제어시스템 개선 등을 진행 중이다. 현재 국내외 드론의 풍속저항 기술은 상당부분 발전한 상황이다. 국내 드론 제조업체인 순돌이드론의 군사용 드론의 풍속저항은 최대 18m/s, 국외 Autel사의 Evo2 Pro 모델은 20m/s까지 운용이 가능하다. 풍속 15~20m/s 은 분류 상 강한 바람에 속해 사람은 바람을 향해 걸어갈 수 없으며, 일부 사람은 넘어지는 수준인 점을 고려하면 상당한 수준의 풍속 저항을 확보한 것으로 볼 수 있다. ’22년 칼텍에서는 인공지능을 활용해 실시간으로 새로운 환경에 적응하여 비행이 가능한 뉴럴플라이(Neural-Fly) 기술을 개발하였다. WaveAero사는 전문적으로 전천후 활용이 가능한 드론을 제작하는 회사로 소형 Falcon 2 LE, 중대형 Huntress 모델을 상용화하였으며, 최종적으로는 폭풍중에도 운용이 가능한 전기 하이브리드식 수직이착륙 드론을 제작중이다.

[그림 17] WaveAero사 Huntress 모델 *출처 : https://www.unmannedsystemstechnology.com/company/ waveaerospace/sea-huntress-ii-vtol-turbojet/

맺는 말

러시아-우크라이나 전쟁에서 드론의 활발한 운용은 일정 예견된 상황이었다. 다양한 정찰드론을 활용한 화력운용은 이미 ’20년 아제르바이잔-아르메니아 전쟁에서 보여진 바 있다. 또한 아제르바이잔군은 대량의 자폭드론을 활용하여 아르메니아군이 식별되는 즉시 타격하여 물리적인 파괴와 심리적 위축을 달성했다.

두 전쟁을 기초로 미래 전장을 예측했을 때 중대형의 고가ㆍ고성능 무인기보다 당장 소부대에서 활용할 수 있는 저가ㆍ소형드론에 대한 관심을 기울일 필요가 있음으로 귀결된다. 우크라이나는 바이락타르 드론 투입을 중단하고 상용드론을 활발하게 운용하고 있으며, 러시아는 10여 년 전부터 알티우스, 코르사르, 알타이르 등 중대형 공격용 무인기 개발을 수행했지만 정작 전쟁에 투입된 것은 조악한 이란산 샤헤드 드론이었다. 지금으로서는 드론의 기술적 우위를 점하는 것도 중요하지만 일정 품질의 대량생산이 가능한 드론 개발과, 이를 소모품이라 인식할 수 있는 전환이 필요해 보인다. 하지만, 현재의 운용이 미래를 국한시킬 수는 없다. 드론 관련기술은 각 분야별로 지속적인 발전이 이뤄지고 있다. 미래의 드론은 다양한 에너지원을 토대로 장시간, 전천후 운용이 가능할 것이다. 또한 사이버 및 전자전 공격으로부터 자체적인 방호체계를 갖출 것이며, 유인 전투체계와의 협업 및 독자적인 임무 수행이 가능할 것이다.

우리는 기술 수준에 부합한 드론의 최적 운용 방안을 찾아야할 것이며, 시간이 지남에 따라 발전하는 기술에 발맞춰 우리의 인식을 변화해야 할 것이다.