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나도 드론을 배우고 싶다- ⅩⅣ

드론 비행을 본격적으로 시작하기 전에 꼭 알아야 할 기본적인 사항

서울 서대문소방서 허창식 | 기사입력 2021/12/20 [10:00]

나도 드론을 배우고 싶다- ⅩⅣ

드론 비행을 본격적으로 시작하기 전에 꼭 알아야 할 기본적인 사항

서울 서대문소방서 허창식 | 입력 : 2021/12/20 [10:00]

<지난 호에서 연결되는 내용입니다.>

 

8. 지구자기장(우주기상)

4) 지구자기장 교란이 드론에 미치는 영향은? 

드론은 지구자기장 교란 발생 시 상당히 민감하게 반응한다. 드론은 대체로 전자 센서와 전기 배터리를 사용하는 전자기기면서 전파 송수신을 이용해 위치를 파악하고 조종하는 전파기기라서다. 따라서 드론을 안전하게 비행하려면 지구자기장 교란에 항상 대비하고 있어야 한다.

 

드론 비행 중 강한 지구자기장 교란이 발생한다면 지자계 센서와 GNSS(이하 GPS)가 영향을 받아 정확한 위치와 방향 정보를 사용할 수 없게 될 확률이 굉장히 높다. 그리고 드론과 조종기의 송수신을 무선전파로 사용하기 때문에 수신 거리가 급격히 줄어들거나 신호가 끊겨 조종 불능 상태가 되기도 한다.

 

이 밖에 전자ㆍ전파 기기와 관련된 모든 부품이 제 기능을 하지 못하는 등 다양한 증상을 동반한다. 따라서 지구자기장 지수 등급이 높으면 비행을 지양하는 게 좋다. 만약 가볍게라도 비행 전 또는 비행 중 평소와 다르게 이상 증상이 발견된다면 즉시 비행을 중지하고 기체를 회수해야 한다.

 

▲ 방향을 감지하는 지자계 센서는 지구자기장 교란뿐 아니라 기체 주변 통신ㆍ고압선, 철근 자성체 등의 영향을 받아도 오류가 발생한다.

 

5) 지구자기장 교란 관측값에 따른 드론 이상 증상의 상관관계 

G5(Kp=9) 등급이 관측될 수 있는 강력한 태양 폭풍이 발생해 지구자기장에 영향을 미칠 경우 대부분 드론에 비슷한 이상 증상이 발생할 수 있다(지구자기장 교란 지수 등급에 관한 내용은 지난 호 참조).

 

다만 일반적으로 지구자기장 교란 지수 등급이 높으면 여러 가지 이상 증상이 발생할 확률만 높을 뿐이지 등급이 높다고 무조건 이상 증상이 발생하는 건 아니다.

 

가볍거나 애매한 강도의 태양풍이 발생한 경우 증상 발생 가능성 유무와 정도에 큰 차이가 있다. 만약 이 애매한 등급을 필자의 경험을 통해 판단한다면 지구자기장 교란 지수 기준 Kp=4~6등급까지라고 생각한다(Kp=7등급 이상부터는 이상 증상 발생 확률이 매우 높다).

 

경미한 증상이지만 실제 Kp=6등급에서 발생하지 않던 이상 증상이 Kp=4, 5등급에서 발생하기도 한다. 이런 일이 발생하는 이유 중 하나는 우주기상 예보 역시 우리가 잘 알고 있는 일기예보 방식과 비슷하기 때문이다. 

 

일기예보는 우리 일상생활에 많은 영향을 미칠 정도로 중요한 정보다. 그러나 일기예보가 100% 정확하지 않다는 건 많은 사람이 공감할 거다.

 

기상 예측이 완벽하지 않은 이유는 슈퍼컴퓨터로도 계산이 어려울 정도로 이 지구 날씨에 영향을 주는 변수(요소)가 너무나 많다. 수많은 경계지역마다 비구름이 지나가는 경로와 시간, 강수량을 모두 정확히 예측해 예보한다는 건 결코 쉬운 일이 아니다.

 

그래서 기상 상황의 변화를 확률(chance of rain)로 예측하기도 한다. 만약 비가 올 확률이 40~60%인 경우라면 우산을 가져갈지 말아야 할지 고민하는 상황이 올 수도 있다.

 

우주기상 또한 마찬가지다. 태양풍의 영향을 받아 지구자기장이 변형된다면 전반적인 영향을 예측할 순 있어도 그 경계 부분에 해당하는 모든 지역까지 무슨 영향을 미칠지 정확하게 예측하긴 어렵다.

 

게다가 자기장 변형이 드론에 미치는 증상 또는 그 정도가 제각각 달라 태양풍이 드론에 미칠 영향을 수치만 보고 정확히 예상하기엔 한계가 있다.

 

6) 기체 상태도 지구자기장 교란 이상 증상 발생과 정도에 충분히 영향을 미칠 수도 있다

지구자기장 교란 시 같은 종류의 기체라도 이상 증상이 잘 나타나는 기체가 있지만 이상 증상이 잘 나타나지 않는 기체가 있다. 실제 필자가 2016년부터 지구자기장 지수 평균 Kp=5~7 이상에서 여러 기체로 비행 테스트를 진행해보니 같은 환경에서 항상 모든 기체가 이상 증상이 나타나는 건 아니었다.

 

설령 같은 이상 증상이 발생한 기체가 있었다 해도 그 증상의 정도는 차이가 있었다. 특히 지구자기장 지수 등급이 애매한 경우 비행 주변 환경과 드론 상태(컨디션)에 따라서 영향을 받는 경우가 많았다. 

 

같은 조건에서 이상 증상 발생에 가장 영향을 미친 건 역시 기체의 내구성이었다. 특히 노후화 또는 극한 환경에 자주 노출돼 성능이 떨어진 기체일수록 이상 증상이 발생하는 빈도가 높았다.

 

그리고 새 기체라도 유난히 주변의 영향을 받아 지자계 센서 에러가 잘 발생하는 기체가 지구자기장 교란 발생 시 이상 증상이 발생하는 때도 많았다.

 

7) 비행 전 지구자기장 교란에 따른 기체 이상 증상 

필자의 경험을 통해 언급하는 기체의 이상 증상이 모든 드론 기체에 발생할 수 있다고 볼 순 없다. 필자가 재난 현장 운용과 테스트를 통해 경험한 드론은 4개의 국내ㆍ외 업체에서 제작된 8종류의 기체로 제한됐기 때문이다.

 

따라서 참고사항으로만 생각해 줬으면 한다. 만약 추후 기체에 장착될 센서의 종류와 기체를 제어하는 작동 원리(기체 비행 설정 포함)가 달라진다면 기체 이상 증상 또한 달라질 수 있다는 점을 참고해야 한다. 

 

먼저 비행 전 발생할 수 있는 증상부터 알아보자. 첫 번째는 GPS 수신에 관련된 이상 증상이다. 대부분 제조사에서 설정한 GPS 수신개수에 도달하면 홈 포인트가 설정되고 위치제어가 가능한 GPS 비행 모드를 사용할 수 있게 된다.

 

그러나 지구자기장 교란이 드론에 영향을 미치면 GPS 수신이 늦어지거나 수신율이 일정하지 않게 된다. 수신율이 일정하지 않다는 건 GPS 수신개수가 불규칙적으로 바뀌는 걸 의미하며 위치제어의 정확성에 상당히 많은 영향을 준다. 

 

위치 정확성이 떨어지면 GPS 수신개수가 일정 이상 도달 시 자동으로 설정되는 홈 포인트 위치 오류가 발생한다. 홈 포인트 위치 오류는 크게 두 가지 증상으로 나눌 수 있다.

 

먼저 초기 설정된 홈 포인트가 변경되지 않은 기체의 경우 처음부터 잘못된 위치에 홈 포인트가 지정될 가능성이 크다. 따라서 홈 포인트가 올바른 위치에 올 때까지 재설정을 해줘야 한다.

 

그러나 이미 기체의 GPS 수신 오류가 발생 중인 경우라 큰 의미는 없다. 또 하나는 일정 간격 또는 실시간으로 홈 포인트를 자동 설정하는 경우다. 이 경우 조종자가 보는 화면의 오버레이 된 지도 정보상에 홈 포인트가 지속해서 순간이동 하는 증상을 보인다.

 

두 번째는 기체 방향 정보 이상 증상이다. 드론에는 방향에 대한 자세를 제어하는 지자계 센서를 사용한다. 지자계 센서는 지구자기장을 감지해 방향을 파악하는 전자 나침반과 같다.

 

지구자기장 교란이 발생해 전자 나침반이 정확한 방향을 감지하지 못하면 기체도 정확한 방향인지 판단할 수 없게 된다. 지구자기장 교란으로 인한 지자계 센서 이상 증상은 기체 스스로 오류를 판단할 수 없는 경우도 있다.

 

따라서 이륙 전 실제 기체 방향과 조종자에게 수신된 방향 정보가 일치하는지 확인해보는 게 좋다. 

 

8) 비행 중 발생할 수 있는 기체 이상 증상

다음은 비행 중 발생할 수 있는 이상 증상이다. 첫 번째는 지자계 센서나 GPS 수신 오류로 인해 위치제어가 되지 않고 기체가 옆으로 흐르는 증상이다.

 

이 경우 증상을 크게 두 가지 단계로 분류할 수 있다. 지자계 센서 오류로 발생한 이상 증상은 기체의 흐르는 정도가 바람의 영향을 받을 정도로 수동적이지만 GPS 수신 오류까지 더하면 더 급발진처럼 기체가 순간 급격히 돌진하며 흐르는 증상이 동반될 수 있다(조종 스틱을 반대로 틀어도 기체가 즉시 반응하지 않고 늦게 반응할 때도 있다).

 

비행 중 발생할 수 있는 두 번째 증상은 기체 자세와 짐벌 각도의 기울어짐 증상이다. 이 증상이 발생하면 드론의 안정적인 항공촬영이 어려워진다. 그리고 지자계 센서 캘리브레이션(교정)을 해도 정상으로 돌아오지 않는 특징이 있다.

 

세 번째는 송수신 신호 강도(RSSI)의 저하다. 송수신 강도 저하는 반드시 지구자기장 교란 증상이 아니더라도 전파 간섭 등으로 흔히 접할 수 있는 증상이다.

 

그래서 지구자기장 교란으로 인해 이상 증상인지 모르고 비행하다 신호가 끊겨 분실하는 때도 있다. 지구자기장 교란과 일반 전파 간섭의 차이가 있다면 전파 지구자기장 교란으로 인한 증상은 전파 신호가 불규칙적으로 널뛰기하듯 요동친다.

 

그리고 아무런 장애물이 없는 개활지에서도 평소보다 신호가 약하고 앞서 언급한 이상 증상과 함께 발생하는 때도 많다. 

 

지구자기장 교란으로 인한 이상 증상은 기체나 운용환경마다 조금씩 차이가 있다. 그리고 매번 같은 증상이 순서대로 발생하지 않고 정도도 다를 수 있다는 걸 항상 명심하자.

 

▲ 기체 이상 증상 영상(1)- 위치 제어 오류 -

▲ 기체 이상 증상 영상(2)- 자세 제어 오류 -





 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

※ 지구자기장 교란으로 인한 기체 이상 증상 영상(QR코드 접속)으로 확인하기

 

서울 서대문소방서_ 허창식 hcs119@seoul.go.kr

 

<본 내용은 소방 조직의 소통과 발전을 위해 베테랑 소방관 등 분야 전문가들이 함께 2019년 5월 창간한 신개념 소방전문 월간 매거진 ‘119플러스’ 2021년 12월 호에서도 만나볼 수 있습니다.> 

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