KR101668196B1 - 불법 무인 비행장치 감지, 추적 및 퇴치를 위한 감시 무인 비행장치 애드혹 네트워크 - Google Patents

불법 무인 비행장치 감지, 추적 및 퇴치를 위한 감시 무인 비행장치 애드혹 네트워크 Download PDF

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인하대학교 산학협력단
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Abstract

비행 애드혹 네트워크 시스템 및 그 동작 방법이 제시된다. 본 발명에서 제안하는 비행 애드혹 네트워크 시스템은 I-UAV를 감지하기 위한 센서들을 이용하여 관측정보를 수집하고, 상기 I-UAV를 감지하기 위한 명령을 수행하는 복수의 M-UAV, 상기 복수의 M-UAV로부터 관측정보를 수신 받고, 상기 감시국에게 I-UAV의 교란명령을 내리기 위한 필요 신호 처리를 수행하는 지상 관제국, 상기 교란 명령을 수신하여 상기 I-UAV에 교란신호를 전송하고, 상기 복수의 M-UAV에게 상기 포획명령을 내리며, 상기 지상 관제국의 서비스 제공자 네트워크와 연결되는 감시국을 포함한다.

Description

불법 무인 비행장치 감지, 추적 및 퇴치를 위한 감시 무인 비행장치 애드혹 네트워크{Monitoring UAVs Ad-hoc Network Architecture and Suitable Technologies to Detect, Track, and Eliminate Illegal UAVs}
본 발명은 불법 무인 비행장치 감지, 추적 및 퇴치를 위한 감시 무인 비행장치 애드혹 네트워크에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 I-UAV에 대응하기 위한 FANET 기술로서, I-UAV 대응시스템의 현안 및 개선사항을 해결하기 위한 전반적인 M-UAV 애드혹 네트워크 구조, I-UAV 및 I-UAV 조종자 위치추적에 적합한 상황에 견고하고 계산 효율적인 이동체 감지 알고리즘, 에너지 효율적인 라우팅, 간섭 관리 알고리즘, I-UAV 교란 및 퇴치 기술에 관한 것이다.
모바일 애드혹 네트워크(Mobile Ad-hoc Network)기반 FANET(Flying Ad-hoc Network)는 일반 네트워크 망과는 달리 네트워크를 유지하기 위한 기반시설 없이 네트워크에 참여하는 구성기기들이 기반시설의 임무를 분담하여 자율적으로 네트워크를 구성하는 기술이다. 이러한 FANET의 배경이 되는 기술인 모바일 애드혹 네트워크(MANET: Mobile Ad-hoc Network)는 기기들의 이동속도를 감안하여 네트워크를 유지하고 운영하기 위한 방법들이 제시된다.
MANET은 AP가 없이 흩어져 있는 무선으로 통신이 가능한 노드들끼리 서로 통신을 하는 네트워크 구조이며, 중간에서 제어하는 노드가 없으므로 각 노드들은 자신이 가질 수 있는 정보를 최대한 활용하여 네트워크에서 통신이 가능하도록 라우팅한다. 이러한 통신 특성 때문에 센서네트워크에서의 노드들 간의 무선통신은 애드혹(Ad-hoc) 통신에 의해 이루어진다.
애드혹(Ad-hoc) 네트워크의 경우는 이동 단말들이 유선 환경에 기반을 둔 기지국이나 AP를 중심으로 구성되는 인프라가 있는 네트워크와 달리 기지국이나 AP의 도움 없이 순수하게 이동 단말들로 구성된 인프라가 없는 네트워크이다.
다중 모니터링 UAV(Multi Monitoring UAV) 시스템의 장점은 다음과 같다.
비용적 측면에서 싱글 UAV(Single UAV) 시스템은 기기 하나당 비용이 많이 드는 반면, FANET을 적용한 멀티-UAV(Multi-UAV) 시스템은 기기 하나당 유지비가 적게 든다. 확장성 측면에서는 멀티-UAV(Multi-UAV) 시스템은 싱글 UAV(Single UAV) 시스템에 비해 커버리지가 확장된다. 생존 가능성 측면에서는 UAV하나가 링크가 단절되더라도 다른 UAV에 의해 쉽게 복구 가능하다. 처리속도 측면에서는 여러 대의 UAV가 동시에 임무를 수행함으로써 처리속도가 향상된다. 기존의 애드혹 네트워크와 FANET의 차이점을 정리하면 표 1과 같다.
<표 1>
Figure 112015092446690-pat00001

도 1은 종래기술에 따른 칼만 필터를 사용한 I-UAV 추정의 예시를 나타내는 도면이다.
기존의 위치 추정 알고리즘은 칼만 필터링(Kalman filtering) 기반 3D 위치 추정 알고리즘을 이용한다. 칼만 필터(Kalman filter)를 잡음이 포함된 측정치에 적용한다. 잡음이 포함되어 있는 선형 역학계의 상태를 추적하며, 시간에 따라 진행한 측정을 기반으로 한다. 해당 순간에 측정한 결과만 사용한 것보다 좀 더 정확한 결과를 기대할 수 있다. 칼만 필터링(Kalman filtering) 기반 3D 위치 추정 알고리즘은 하기식을 이용한다.
Figure 112015092446690-pat00002
여기에서 x는 x좌표, y는 y좌표,
Figure 112015092446690-pat00003
는 x좌표의 변화율,
Figure 112015092446690-pat00004
는 y좌표의 변화율을 나타낸다.
FANET구조에서의 기존의 라우팅 알고리즘은 기존의 라우팅 알고리즘으로 AODV(Ad-hoc on demend Distance Vector) 가 있으나 위치기반 알고리즘의 성능이 더 좋아 GPS를 이용한 GPCR(Greedy Perimeter Coordinator Routing) 알고리즘이 있다.
라우팅 알고리즘을 위한 성능 인덱스(Index)는 다음과 같다.
기대전송(ETX: Expected Transmission)은 에러 없이 수신되는 패킷의 기대 전송량(재전송 포함)을 나타내고, 하기식과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112015092446690-pat00005
여기에서
Figure 112015092446690-pat00006
는 수신기에 성공적으로 도달한 패킷의 확률(전방수신률),
Figure 112015092446690-pat00007
는 ACK 패킷이 성공적으로 수신된 확률(역수신률)를 나타낸다.
그리고, 경로 R의 ETX는 하기식과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112015092446690-pat00008
기존의 간섭관리 알고리즘은 안보위협이 높은 지역에서 감시국에 의한 감시영역 간의 협력방식 및 전력 제어 및 주파수 재사용 기술을 사용하여 간섭을 회피하거나 최소화할 수 있는 방법이 있다. 안보위협이 비교적 낮은 공공지역의 경우에는 주파수 관리 기술만을 적용하여 간섭 관리하는 방안을 제안한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 지상 관제국, 감시국 및 P2P 또는 FANET 구조로 전개되는 M-UAV(Monitoring Unmanned Aerial Vehicle)이 효율적으로 불법 무인 비행장치(I-UAV)의 영상, 음향, 전파를 감지, 추적 및 퇴치하는 것이다. 즉, 이를 위한 전반적인 M-UAV 애드혹 네트워크 구조, I-UAV 및 I-UAV 조종자 위치추적에 적합한 상황에 견고하고 계산 효율적인 이동체 감지 알고리즘, 에너지 효율적인 라우팅, 간섭 관리 알고리즘, I-UAV 교란 및 퇴치 기술에 관한 기술적 해결책을 제시하는 것이다.
일 측면에 있어서, 본 발명에서 제안하는 비행 애드혹 네트워크 시스템은 I-UAV를 감지하기 위한 센서들을 이용하여 관측정보를 수집하고, 상기 I-UAV를 감지하기 위한 명령을 수행하는 복수의 M-UAV, 상기 복수의 M-UAV로부터 관측정보를 수신 받고, 상기 복수의 M-UAV에게 I-UAV의 교란명령을 내리기 위한 필요 신호 처리를 수행하고, 감시국에게 상기 교란명령을 내리는 지상 관제국, 상기 지상 관제국의 서비스 제공자 네트워크와 연결되고, 상기 지상 관제국으로부터 상기 교란명령을 수신하여 상기 복수의 M-UAV들을 제어하는 감시국을 포함한다.
상기 지상 관제국은 멀티 포인트로 센싱함으로써 복수의 노드로부터 받은 신호를 분석하여 상기 I-UAV 및 상기 I-UAV의 조종자의 위치를 추적한다.
상기 복수의 M-UAV들은 상기 지상 관재국으로부터 명령을 수신 받지 못하는 상황에서 자가구성이 가능하도록 설계된다.
상기 지상 관제국으로부터 명령을 수신 받지 못한 M-UAV는 다른 M-UAV 간에 애드혹 링크를 구성하여 명령을 수신 받는다.
상기 복수의 M-UAV는 영상을 이용한 이동체 감지, 음향을 이용한 이동체 감지, 전자기 파장을 이용한 이동체 감지 방법을 사용한다.
상기 지상 관제국은 상기 복수의 M-UAV로부터 상기 관측정보를 페이로드를 통해 수신하고, 상기 수신 받은 관측정보를 분석하여 상기 I-UAV를 감지하고 위치를 추적한다.
상기 감시국은 상기 감시국에 의한 감시영역 간에 협력방식을 이용한 링크연결을 이용함으로써 두 신호가 충돌이 발생하지 않도록 간섭을 관리하고, 전력 제어 및 주파수 재사용 기술을 사용하여 간섭을 관리한다.
상기 복수의 M-UAV는 상기 감시국으로부터 상기 교란명령을 수신 받아 표적 I-UAV의 지휘권을 통제하고, 상기 표적 I-UAV의 거리 및 주변 상황에 따른 교란명령 수행하여 표적 I-UAV를 포획한다.
상기 비행 애드혹 네트워크 시스템은 예측-OLSR 및 공간적 대기 행렬 이론 기반 라우팅 알고리즘을 이용하고, GPS 정보를 활용한 ETX를 이용한다.
또 다른 일 측면에 있어서, 본 발명에서 제안하는 비행 애드혹 네트워크 시스템의 동작 방법은 복수의 M-UAV가 I-UAV를 감지하기 위한 센서들을 이용하여 관측정보를 수집하고 지상 관제국으로 전송하는 단계, 상기 지상 관제국이 상기 복수의 M-UAV로부터 관측정보를 수신 받아 상기 복수의 M-UAV에게 I-UAV의 교란명령을 내리기 위한 필요 신호 처리를 수행하고, 상기 I-UAV 및 상기 I-UAV의 조종자의 위치를 추적하는 단계, 상기 지상 관제국이 감시국에게 상기 관측정보에 따른 상기 교란명령을 내리고, 상기 감시국은 상기 지상 관제국으로부터 상기 교란명령을 수신하여 상기 복수의 M-UAV들을 제어하는 단계, 상기 복수의 M-UAV가 상기 감시국으로부터 상기 교란명령을 수신 받아 상기 I-UAV의 포획임무를 수행하는 단계를 포함한다.
상기 지상 관제국이 상기 복수의 M-UAV로부터 관측정보를 수신 받아 상기 복수의 M-UAV에게 I-UAV의 교란명령을 내리기 위한 필요 신호 처리를 수행하고, 상기 I-UAV 및 상기 I-UAV의 조종자의 위치를 추적하는 단계는 멀티 포인트로 센싱함으로써 복수의 노드로부터 받은 신호를 분석하여 상기 I-UAV 및 상기 I-UAV의 조종자의 위치를 추적하고, 상기 복수의 M-UAV들이 상기 지상 관재국으로부터 명령을 수신 받지 못하는 상황에서 자가구성이 가능하도록 설계되어, 상기 지상 관재국으로부터 명령을 수신 받지 못한 M-UAV는 다른 M-UAV 간에 애드혹 링크를 구성하여 명령을 수신 받는다.
상기 지상 관제국이 감시국에게 상기 관측정보에 따른 상기 교란명령을 내리고, 상기 감시국은 상기 지상 관제국으로부터 상기 교란명령을 수신하여 상기 복수의 M-UAV들을 제어하는 단계는 상기 감시국에 의한 감시영역 간에 협력방식을 이용한 링크연결을 이용함으로써 두 신호가 충돌이 발생하지 않도록 간섭을 관리하고, 전력 제어 및 주파수 재사용 기술을 사용하여 간섭을 관리한다.
상기 복수의 M-UAV가 상기 감시국으로부터 상기 교란명령을 수신 받아 상기 I-UAV의 포획임무 수행하는 단계는 상기 감시국으로부터 상기 교란명령을 수신 받아 표적 I-UAV의 지휘권을 통제하고, 상기 표적 I-UAV의 거리 및 주변 상황에 따른 교란명령 수행하여 표적 I-UAV를 포획한다.
본 발명의 실시예들에 따르면 FANET(Flying Ad-hoc Network) 구조 하의 M-UAV(Monitoring Unmanned Aerial Vehicle)는 지상 관제국(GCS: Ground Control Station)과의 CNPC 통신링크가 단절된 경우에도 M-UAV 간 애드혹 링크를 구성하여 임무를 수행할 수 있다. 멀티 포인트(Multi-point)로 센싱을 함으로써 여러 노드로부터 받은 신호를 다각도로 분석하여, I-UAV(Illegal Unmanned Aerial Vehicle) 및 I-UAV 조종자 위치의 정확도를 높여 감시의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또한, 이동체를 감지할 시 영상, 음향, 전파 등 여러 형태의 정보 취합을 시도함으로써 정확도가 높아져 감지의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또한, 안보위협이 높은 지역이나 비교적 낮은 공공지역에 대한 기술을 다르게 적용하여 효율적으로 주파수 간섭 관리가 가능하다. 따라서, 제안하는 알고리즘은 QoS, 보안 민감성 조건 및 M-UAV 비행속도 등을 고려하여 최적화할 수 있고, 교란 시 지향성의 고전력 교란신호를 전송하여 I-UAV의 지휘권을 통제하여 불법 UAV를 차단함으로써 공공안전을 높일 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 칼만 필터를 사용한 I-UAV 추정의 예시를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 불법 UAV(I-UAV: Illegal Unmanned Aerial Vehicle) 감지 및 퇴치를 위한 감시 UAV 애드혹 네트워크 시스템의 전체 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 UAV 시스템 처리단위와 통신 및 네트워크 계층을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 비행 애드혹 네트워크 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 감시 UAV 네트워크 구조를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 비행 애드혹 네트워크 시스템의 동작 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 드론의 블록도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 날씨로 인한 링크 단절시 FANET구조에서의 링크연결을 설명하기 위한 도면이다.
도 9은 본 발명의 일 실시예에 따른 M-UAV에 적용 가능한 실시간 이동체 감지 및 추적 기능 블록도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 감지 처리과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 동적 라우팅을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 불법 UAV(I-UAV: Illegal Unmanned Aerial Vehicle) 감지 및 퇴치를 위한 감시 UAV 애드혹 네트워크 시스템의 전체 구성을 나타내는 도면이다.
감시 UAV 애드혹 네트워크 시스템의 전개 구조는 P2P (Point to Point) 및 FANET (Flying Ad-hoc Network)를 이용한다.
P2P(Point to Point)는 감시국과 M-UAV(Monitoring Unmanned Aerial Vehicle) 간에 직접적으로 링크를 연결한다.
FANET(Flying Ad-hoc Network)는 감시국(211, 212, 213)과 복수의 M-UAV(Monitoring Unmanned Aerial Vehicle)(221, 222, 223, 224)의 링크가 연결되며 중간에 임의의 M-UAV가 감시국과 링크가 단절되더라도 자가회복이 가능하다.
FANET의 전개 시나리오는 다음과 같이 간략하게 설명할 수 있다. 먼저, 복수의 M-UAV(221, 222, 223, 224)가 지상 관제국(210)에 관측정보를 전송한다. 지상 관제국(210)은 데이터를 분석하여 I-UAV(Illegal Unmanned Aerial Vehicle)(231)를 감지하고 위치를 파악하고, I-UAV(231) 및 I-UAV 조종자(232)의 위치를 추적한다. 이후, 지상 관제국(210)은 감시국(211, 212, 213)에게 교란명령을 전송하고 M-UAV가 포획임무를 수행하도록 감시국이 교란신호를 I-UAV로 전송하여 제어할 수 있다.
이러한 M-UAV 전개를 위한 시스템 요구사항은 다음과 같다.
먼저, 주파수 대역 선택은 CNPC (Control and Non-Payload Communication) 링크를 위한 주파수 소요량, 무인기 제어를 위한 주파수 협정, 현재 가장 많이 운용되는 드론 주파수 대역 등의 요구사항 등을 필요로 할 수 있다.
CNPC(Control and Non-Payload Communication) 링크를 위한 주파수 소요량은 지상 CNPC 링크를 위한 주파수 소요량 및 위성 CNPC 링크를 위한 주파수 소요량을 포함할 수 있다. 지상 CNPC 링크를 위한 주파수 소요량은 34MHz(상향: 4.6MHz, 하향: 29.4MHz)에 해당하고, 위성 CNPC 링크를 위한 주파수 소요량은 46MHz(리턴링크: 18.9×2MHz, 포워드링크: 4.1×2MHz)에 해당한다.
무인기 제어를 위한 주파수 협정은 WRC-12에서 전파규칙 개정에 따라 960~1164MHz 대역에서 기존의 항공무선항행 시스템에 혼신을 주지 않는 조건하에 신규 항공통신 시스템(무인기 지상 제어용)의 사용이 가능하게 되었다.
CNPC링크는 통신의 신뢰성을 확보하기 위해 L 대역을 주 대역으로 하고 C 대역을 보조 대역으로 하는 IEEE 802.16 기반 무인기 지상 제어용 통신 링크 기술을 2016년 완료를 목표로 개발 중이다. L 대역의 경우 기존 항공 시스템이 혼재되어 운용되고 있어서 글로벌하게 사용될 수 있는 무인기 제어용 주파수 확보가 어려울 수 있다.
현재 ITU 관련 연구그룹은 WRC-15 의제 1.5에 따라 Ku-대역(10.95~14.5GHz) 및 Ka-대역(17.8~20.2GHz, 27.5~30GHz)의 고정위성업무 주파수를 이용한 무인기 제어를 위한 기술적, 운용적, 규정적 검토를 수행 중이다.
현재 가장 많이 운용되는 드론 주파수 대역은 433MHz, 2.4GHz, 5.8GHz에 해당한다. I-UAV의 신호를 교란하기 위해 ISM 대역(2.4GHz, 5.8GHz), GPS(Global positioning system) 대역(GPS L1 1575.42MHz, GPS L2 1227.60MHz) 및 무선 제어 대역(433MHz, 800MHz, 933MHz) 등과 같은 상업적으로 이용 가능한 주파수대역이 모두 제어 가능해야 한다. I-UAV CNPC 링크 주파수 대역의 장단점을 표 2에 나타내었다.
<표 2>
Figure 112015092446690-pat00009

채널 접근 기법은 DSSA(Direct spread spectrum access), OFDMA, TDMA을 포함한다.
DSSA(Direct spread spectrum access)는 안보위협이 높은 공공안전지역을 위한 CDMA와 같은 직접 확산 스펙트럼이다. 다른 사용자 신호는 간섭 신호로만 작용되어 혼신 방지에 유리하다.
OFDMA은 안보위협이 낮은 공공안전지역을 위한 기법이다. 한 사용자가 모든 유효 부반송파를 독점하는 것이 아니라, 여러 사용자가 유효한 부반송파의 부분집합을 서로 다르게 분할 할당 받아 사용하는 방식이다. 전 대역을 각 사용자가 요구하는 전송속도에 따라서 주파수 영역 상에서 부반송파를 할당함으로써, 채널용량의 최적화가 가능하다.
TDMA은 안보위협이 낮은 공공안전지역을 위한 기법이다. 데이터 전송이 버스트(Burst) 형태로 불연속성을 가지며 특정시각에 전송한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 UAV 시스템 처리단위와 통신 및 네트워크 계층을 나타내는 도면이다.
다중 UAV 시스템 처리 단위와 통신 및 네트워크 계층은 UAV 센서 유닛(UAV Sensor Unit)(311, 312, 313), UAV 컨트롤러(UAV Controller)(321, 322, 323) 및 태스크 매니저(Task Manager)(331, 332, 333), 네트워크 레이어(Network Layer)(340), 그라운드 컨트롤 스테이션(Ground Control Station)(350)을 포함할 수 있다.
UAV 센서 유닛(UAV Sensor Unit)(311, 312, 313)은 GPS, 레이더(Radar) 등을 사용할 수 있으며 이미지나 음향 등의 여러 센서로 정보를 수집한다.
UAV 컨트롤러(UAV Controller)(321, 322, 323) 및 태스크 매니저(Task Manager)(331, 332, 333)는 UAV를 조종하고 임무를 할당하는 통신 인터페이스가 요구된다.
네트워크 레이어(Network Layer)(340)는 다중 UAV가 네트워크 계층으로 연결되어 애드혹을 이루고 있으며 각각의 M-UAV들이 얻어낸 정보를 GCS로 전송한다.
그라운드 컨트롤 스테이션(Ground Control Station)(350)는 전송 받은 정보로 임무를 부여하며, 데이터베이스에 저장된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 비행 애드혹 네트워크 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
제안하는 비행 애드혹 네트워크 시스템은 I-UAV 퇴치 M-UAV 네트워크 구조에 관한 것으로서, UAV의 사용빈도가 높아짐에 따라 증가하는 I-UAV 및 I-UAV 조종자의 위치추적하고, I-UAV의 교란 및 포획을 수행한다. 또한, 이동체 감지 알고리즘, 에너지 효율적 라우팅, 간섭관리, 교란 및 퇴치에 관한 기술을 제안한다.
본 실시예에 따른 비행 애드혹 네트워크 시스템(400)는 프로세서(410), 버스(420), 네트워크 인터페이스(430), 메모리(440) 및 데이터베이스(450)를 포함할 수 있다. 메모리(440)는 운영체제(441) 및 비행 애드혹 네트워크 시스템 동작 루틴(442)을 포함할 수 있다. 프로세서(410)는 복수의 M-UAV(411), 지상 관제국(412), 감시국(413)를 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서 비행 애드혹 네트워크 시스템(400) 은 도 4의 구성요소들보다 더 많은 구성요소들을 포함할 수도 있다. 그러나, 대부분의 종래기술적 구성요소들을 명확하게 도시할 필요성은 없다. 예를 들어, 비행 애드혹 네트워크 시스템(400) 은 디스플레이나 트랜시버(transceiver)와 같은 다른 구성요소들을 포함할 수도 있다.
메모리(440)는 컴퓨터에서 판독 가능한 기록 매체로서, RAM(random access memory), ROM(read only memory) 및 디스크 드라이브와 같은 비소멸성 대용량 기록장치(permanent mass storage device)를 포함할 수 있다. 또한, 메모리(440)에는 운영체제(441)와 비행 애드혹 네트워크 시스템 동작 루틴(442)을 위한 프로그램 코드가 저장될 수 있다. 이러한 소프트웨어 구성요소들은 드라이브 메커니즘(drive mechanism, 미도시)을 이용하여 메모리(440)와는 별도의 컴퓨터에서 판독 가능한 기록 매체로부터 로딩될 수 있다. 이러한 별도의 컴퓨터에서 판독 가능한 기록 매체는 플로피 드라이브, 디스크, 테이프, DVD/CD-ROM 드라이브, 메모리 카드 등의 컴퓨터에서 판독 가능한 기록 매체(미도시)를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서 소프트웨어 구성요소들은 컴퓨터에서 판독 가능한 기록 매체가 아닌 네트워크 인터페이스(430)를 통해 메모리(440)에 로딩될 수도 있다.
버스(420)는 비행 애드혹 네트워크 시스템(400) 의 구성요소들간의 통신 및 데이터 전송을 가능하게 할 수 있다. 버스(420)는 고속 시리얼 버스(high-speed serial bus), 병렬 버스(parallel bus), SAN(Storage Area Network) 및/또는 다른 적절한 통신 기술을 이용하여 구성될 수 있다.
네트워크 인터페이스(430)는 비행 애드혹 네트워크 시스템(400)을 컴퓨터 네트워크에 연결하기 위한 컴퓨터 하드웨어 구성요소일 수 있다. 네트워크 인터페이스(430)는 비행 애드혹 네트워크 시스템(400)을 무선 또는 유선 커넥션을 통해 컴퓨터 네트워크에 연결시킬 수 있다.
데이터베이스(450)는 그룹 사용자 스마트 기기 사용 중재를 위해 필요한 모든 정보를 저장 및 유지하는 역할을 할 수 있다. 도 4에서는 비행 애드혹 네트워크 시스템(400)의 내부에 데이터베이스(450)를 구축하여 포함하는 것으로 도시하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 시스템 구현 방식이나 환경 등에 따라 생략될 수 있고 혹은 전체 또는 일부의 데이터베이스가 별개의 다른 시스템 상에 구축된 외부 데이터베이스로서 존재하는 것 또한 가능하다.
프로세서(410)는 기본적인 산술, 로직 및 비행 애드혹 네트워크 시스템(400) 의 입출력 연산을 수행함으로써, 컴퓨터 프로그램의 명령을 처리하도록 구성될 수 있다. 명령은 메모리(440) 또는 네트워크 인터페이스(430)에 의해, 그리고 버스(420)를 통해 프로세서(410)로 제공될 수 있다. 프로세서(410)는 복수의 M-UAV(411), 지상 관제국(412), 감시국(413)를 위한 프로그램 코드를 실행하도록 구성될 수 있다. 이러한 프로그램 코드는 메모리(440)와 같은 기록 장치에 저장될 수 있다.
복수의 M-UAV(411), 지상 관제국(412), 감시국(413)는 도 6의 단계들(610~640)을 수행하기 위해 구성될 수 있다.
비행 애드혹 네트워크 시스템(400)는 복수의 M-UAV(411), 지상 관제국(412), 감시국(413)를 포함할 수 있다.
복수의 M-UAV(411)는 I-UAV를 감시하기 위한 센서들을 이용하여 관측정보를 수집하고, 상기 I-UAV를 감시하기 위한 명령을 수행한다.
복수의 M-UAV(411)는 지상 관재국으로부터 명령을 수신 받지 못하는 상황에서 자가구성이 가능하도록 설계된다. 지상 관재국으로부터 명령을 수신 받지 못한 M-UAV는 다른 M-UAV 간에 애드혹 링크를 구성하여 명령을 수신 받는다.
복수의 M-UAV(411)는 감시국으로부터 상기 교란명령을 수신 받아 표적 I-UAV의 지휘권을 통제하고, 상기 표적 I-UAV의 거리 및 주변 상황에 따른 교란명령 수행하여 표적 I-UAV를 포획을 수행한다. 상기 복수의 M-UAV는(411)는 영상을 이용한 이동체 감지, 음향을 이용한 이동체 감지, 전자기 파장을 이용한 이동체 감지 방법을 사용한다.
지상 관제국(412)은 복수의 M-UAV(411)로부터 관측정보를 수신 받고, 상기 복수의 M-UAV(411)에게 I-UAV의 교란명령을 내리기 위한 필요 신호 처리를 수행한다. 그리고, 감시국(413)에게 상기 교란명령을 내린다.
지상 관제국(412)은 멀티 포인트로 센싱함으로써 복수의 노드로부터 받은 신호를 분석하여 상기 I-UAV 및 상기 I-UAV의 조종자의 위치를 추적한다. 또한, 복수의 M-UAV(411)로부터 상기 관측정보를 페이로드를 통해 수신하고, 수신 받은 관측정보를 분석하여 상기 I-UAV를 감지하고 위치를 추적한다.
감시국(413)은 지상 관제국의 서비스 제공자 네트워크와 연결되고, 상기 지상 관제국으부터 상기 교란명령을 수신하여 상기 복수의 M-UAV들을 제어한다.
또한, 감시국(413)은 감시국에 의한 감시영역 간에 협력방식을 이용한 링크연결을 이용함으로써 두 신호가 충돌이 발생하지 않도록 간섭을 관리하고, 전력 제어 및 주파수 재사용 기술을 사용하여 간섭을 관리한다.
제안하는 비행 애드혹 네트워크 시스템(400)은 예측-OLSR 및 공간적 대기 행렬 이론 기반 라우팅 알고리즘을 이용하고, GPS 정보를 활용한 ETX를 이용할 수 있다. 이하에서 더욱 상세히 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 감시 UAV 네트워크 구조를 나타내는 도면이다.
I-UAV 퇴치 M-UAV 네트워크 구조에서 설계 시 고려사항은 다음과 같다.
실시간 FANET 응용 프로그램을 사용하기 위해서 지연감소가 요구된다. 다중 UAV시스템에서는 패킷간의 충돌을 미연에 방지하여 지연을 감소시킨다. 또한, M-UAV의 이동성이나 전력제한으로 인한 라우팅 문제가 발생하므로 전력 효율적 라우팅 프로토콜이 요구된다. 센서가 음향이나 영상의 정보를 처리하므로 각각의 정보를 처리할 기법이 각기 존재해야 하며 주파수밴드대역폭도 광범위하게 요구된다.
지상 관제국(GCS: Ground Control Station)(510)은 시스템 운영자가 상주하는 기관으로서 운영자와 시스템 사이의 인터페이스를 관장하는 주 제어국이다. 이 곳에서 M-UAV들(531, 532, 533, 534)로부터 정보를 모으고 M-UAV 들(531, 532, 533, 534)에게 I-UAV의 교란 명령을 내리기 위한 필요 신호를 처리한다.
감시국(521, 522)은 지상 관제국의 서비스 제공자 네트워크로 연결되어 드론(M-UAV들(531, 532, 533, 534))을 전체적으로 제어하는 역할을 한다.
M-UAV들(531, 532, 533, 534)은 시각 및 음향 센서를 부착하고 정보를 수집하거나 임무를 수행한다.
페이로드(Payloads)는 임무를 위해 카메라나 음향 센서, 레이저, 광센서와 같은 센서들로부터 필요한 정보를 수집한 트래픽을 지칭한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 비행 애드혹 네트워크 시스템의 동작 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
비행 애드혹 네트워크 시스템의 동작 방법은 복수의 M-UAV가 I-UAV를 감시하기 위한 센서들을 이용하여 관측정보를 수집하고 지상 관제국으로 전송하는 단계(610), 상기 지상 관제국이 상기 복수의 M-UAV로부터 관측정보를 수신 받아 상기 복수의 M-UAV에게 I-UAV의 교란명령을 내리기 위한 필요 신호 처리를 수행하고, 상기 I-UAV 및 상기 I-UAV의 조종자의 위치를 추적하는 단계(620), 상기 지상 관제국이 감시국에게 상기 관측정보에 따른 상기 교란명령을 내리고 상기 감시국은 상기 지상 관제국으로부터 상기 교란명령을 수신하여 상기 교란신호를 상기 I-UAV로 전송하는 단계(630), 상기 복수의 M-UAV가 상기 감시국으로부터 상기 포획명령을 수신 받아 상기 I-UAV의 포획임무를 수행하는 단계(640)를 포함한다.
단계(610)에서, 복수의 M-UAV가 I-UAV를 감시하기 위한 센서들을 이용하여 관측정보를 수집하고 지상 관제국으로 전송한다.
단계(620)에서, 상기 지상 관제국이 상기 복수의 M-UAV로부터 관측정보를 수신 받아 상기 복수의 M-UAV에게 I-UAV의 교란명령을 내리기 위한 필요 신호 처리를 수행하고, 상기 I-UAV 및 상기 I-UAV의 조종자의 위치를 추적한다.
이때, 멀티 포인트로 센싱함으로써 복수의 노드로부터 받은 신호를 분석하여 상기 I-UAV 및 상기 I-UAV의 조종자의 위치를 추적한다. 또한, 복수의 M-UAV로부터 상기 관측정보를 페이로드를 통해 수신하고, 수신 받은 관측정보를 분석하여 상기 I-UAV를 감지하고 위치를 추적한다.
상기 복수의 M-UAV들이 상기 지상 관제국으로부터 명령을 수신 받지 못하는 상황에서 자가구성이 가능하도록 설계되어, 상기 지상 관제국으로부터 명령을 수신 받지 못한 M-UAV는 다른 M-UAV 간에 애드혹 링크를 구성하여 명령을 수신 받을 수 있다.
단계(630)에서, 상기 지상 관제국이 감시국에게 상기 관측정보에 따른 상기 교란명령을 내리고, 상기 감시국은 상기 지상 관제국으로부터 상기 교란명령을 수신하여 상기 교란신호를 상기 I-UAV로 전송한다.
이때, 감시국에 의한 감시영역 간에 협력방식을 이용한 링크연결을 이용함으로써 두 신호가 충돌이 발생하지 않도록 간섭을 관리하고, 전력 제어 및 주파수 재사용 기술을 사용하여 간섭을 관리한다.
단계(640)에서, 상기 복수의 M-UAV가 상기 감시국으로부터 상기 포획명령을 수신 받아 상기 I-UAV의 포획임무를 수행한다.
감시국으로부터 상기 교란명령을 수신 받아 표적 I-UAV의 지휘권을 통제하고, 상기 표적 I-UAV의 거리 및 주변 상황에 따른 교란명령 수행하여 표적 I-UAV를 포획한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 드론의 블록도이다.
이러한 드론, 다시 말해 복수의 M-UAV가 지상 관제국, 감시국 및 다른 M-UAV와 통신하는 링크 연결은 다음과 같다.
UAS(Unmanned Aircraft System) 데이터 링크는 CNPC, UAS 임무용 링크, 비행 제어 처리 FCP(Flight Control Processing), 임무 지향 처리(MOP: Mission-oriented Processing), CPRI(Common Public Radio Interface)를 포함할 수 있다.
CNPC는 지상제어 및 비임무용 링크로써 무인기 비행 제어, UAS 상태 모니터링, CNPC 링크 관리와 관련된 데이터를 전달하기 위한 링크로서 조종사 및 ATC(ATC: Air Traffic Control) 중계 링크와 UAS 제어 링크로 구성된다. 조종사 및 ATC 중계 링크는 항공교통관제센터와 조종사 간의 음성 및 데이터를 무인기를 통해 중계하기 위한 통신 링크이다. UAS 제어 링크는 조종사와 무인기 간의 안전 운항 관련 제어 정보를 전달 하기 위한 링크이다.
UAS 임무용 링크는 임무용 데이터 링크는 임무 수행과 관련된 데이터를 전달하기 위한 링크로서 일반적으로 CNPC 데이터 링크보다 광대역이다.
비행 제어 처리 FCP(Flight Control Processing)는 FCP는 드론에 필수적인 처리로 주로 비행 데이터 수집, 분석 및 통합, 항행 제어 (GNC: Guidance, Navigation and Control) 알고리즘 실행, GCS와의 통신, 데이터 logging 등을 수행한다.
임무 지향 처리(MOP: Mission-oriented Processing)는 필수가 아닌 선택적인 업무로서, 센싱 성능을 향상시키거나 작업 관리 및 임무 계획과 같은 보다 향상된 수준의 작업을 수행한다.
CPRI(Common Public Radio Interface)는 공공 무선 접속기(CPRI, 공공 무선 인터페이스)는 표준에서 말하는 무선 장비 제어기(Radio Equipment Controller, REC)에서 무선 장비(Radio Equipment, RE)로 알려진 특정 지역 또는 원격 무선 장치 사이의 기지국간 접속을 정의하는 규격이다. 이 규격을 정의하는 회사에는 에릭슨, 화웨이, NEC, 노텔, 알카텔 루슨트와 노키아 지멘스가 포함되어 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 날씨로 인한 링크 단절시 FANET구조에서의 링크연결을 설명하기 위한 도면이다.
제안하는 FANET구조는 노드의 이동성이 종래기술의 VANET 및 MANET보다 빠르며, 노드 밀도는 더 적다. 노드끼리는 LOS(Line of Sight) 모델로 설계할 수 있다. FANET의 주요 목표는 I-UAV 및 I-UAV 조종자의 위치를 찾기 위한 멀티 포인트(Multi-point) 센싱 및 감지 기능을 갖추는 것이다.
멀티 포인트(Multi-point)로 센싱을 수행함으로써 여러 노드로부터 받은 신호를 다각도로 분석하여 I-UAV 및 I-UAV 조종자 위치의 정확도를 향상시킨다.
감시국(820)은 지상 관제국(810)의 서비스 제공자 네트워크와 연결되고, 상기 지상 관제국(810)으로부터 상기 교란명령을 수신하여 M-UAV들(831, 832, 833, 834)을 제어한다.
비행 애드혹 네트워크(FANET) 구조는 M-UAV들(831, 832, 833, 834)이 중앙 GCS, 다시 말해 지상 관제국(810)의 도움을 받지 못하는 긴급 상황에서 자가구성 할 수 있게 설계된다.
따라서, 날씨와 상관없이 임무를 수행할 수 있다. P2P (Point to Point) 방식과 달리 지상 관제국(810)과 직접 링크연결이 되지 않더라도 다른 M-UAV로부터 임무를 대신 전달 받을 수 있다.
FANET 구조하의 M-UAV들(831, 832, 833, 834)은 지상 관제국(810)과의 CNPC 통신링크가 단절된 경우에도 M-UAV간 애드혹 링크를 구성하여 임무를 수행할 수 있다.
도 9은 본 발명의 일 실시예에 따른 M-UAV에 적용 가능한 실시간 이동체 감지 및 추적 기능 블록도이다.
이동체 감지 알고리즘으로는 영상을 이용한 이동체 감지, 음향을 이용한 이동체 감지, 전자기 파장을 이용한 이동체 감지, 루카스-카나데(Lucas-Kanade) 기법, 호모그래피티(Homography) 투영 기법을 포함할 수 있다.
영상을 이용한 이동체 감지는 적외선 카메라 기반 감지, 열상 카메라 기반 감지 방법을 포함할 수 있다.
적외선 카메라 기반 감지는 한 지점의 온도를 측정하는 데는 매우 신뢰성이 높고 편리하나 넓은 면적을 스캔하는 경우에는 발견하기가 어렵다.
열상 카메라 기반 감지는 하이브리드 접근 방식에 의한 적응 알고리즘의 특징을 갖는다. 카메라의 움직임에 따른 인공적인 움직임을 포착하고, 이를 이미지의 불일치를 나타내는 실제 광학 흐름과 비교한다. 이러한 두 가지 광학흐름을 이용한 접근방식으로 인하여 물체의 움직임에 의하여 생성되는 차이가 보다 강조된다. 이것은 이미지를 검출하기 위한 알고리즘 중의 하나이다.
루카스-카나데(Lucas-Kanade) 기법에서 피라미드의 모든 레벨 L의 목표는 영상속도 Dl을 찾는 것이고, 이것을 최소화하는 잔류 함수(residual function)는 하기식과 같이 정의된다.
Figure 112015092446690-pat00010
I= I(X) = I(x,y) 2D 그레이스케일 영상으로
Figure 112015092446690-pat00011
위치에서의 그레이 스케일 값이다. J= J(X) =J(x,y) 2D 그레이스케일 영상으로
Figure 112015092446690-pat00012
위치에서의 그레이 스케일 값이다. x와 y는 영상 X의 두 픽셀 좌표이다. 첫 번째 영상 I상의 특정 위치를
Figure 112015092446690-pat00013
라 하면 영상 추적은 I(u)와 J(v)가 유사하도록 두 번째 영상 J에서 위치 v = u + d =
Figure 112015092446690-pat00014
를 찾는 것이다.
호모그래피티(Homography) 투영은 카메라 이동 기반 인공 광학 흐름을 얻기 위해서 Homography 투영을 사용하며, 수학적으로 다음과 같이 정의된다.
두 개의 연속적인 k 와 k+1프레임에서
Figure 112015092446690-pat00015
좌표를 가진 첫번째 프레임의 투영
Figure 112015092446690-pat00016
는 아래와 같다.
Figure 112015092446690-pat00017
여기에서,
Figure 112015092446690-pat00018
이고,
Figure 112015092446690-pat00019
는 카메라 좌표프레임 k와 k+1 간의 회전이고,
Figure 112015092446690-pat00020
는 카메라 좌표프레임 k와 k+1 간의 이동이고,
Figure 112015092446690-pat00021
는 지면에 수직인 벡터이고, d는 지면과 카메라 간의 평균 거리이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 감지 처리과정을 설명하기 위한 도면이다.
음향을 이용한 이동체 감지는 I-UAV의 프로펠러 음향에 대한 연구를 추가로 진행하여 각 기술을 적용한 감지결과를 결합하여 다이버시티 이득을 얻도록 한다. 그리고, 한 가지 기술로 감지가 어려운 환경에서나 작은 크기의 I-UAV를 감지하기 위한 감지 성능을 보완하여 전반적인 감시시스템의 신뢰성을 향상시킨다.
결정 트리 분석(Decision Tree Classifier) 알고리즘은 배경잡음과 I-UAV 프로펠러 음향을 구분하기 위한 특징을 찾아내고 이를 활용하여 감지결정을 내림으로써 감지성능을 높이고 오감지 확률을 낮춘다.
전자기 파장을 이용한 이동체 감지는 I-UAV 조정신호 감지를 위해 I-UAV가 사용 가능한 주파수 대역들을 주기적으로 탐색하여 주어진 시간 내에 조정신호를 감지해야 한다.
이러한 알고리즘으로는 전력 감지(Energy Detection), 매치 필터링(Matched Filtering), 싸이클로-스테이셔너리(Cyclo-stationary) 특성 감지 알고리즘과 같은 알고리즘이 있다.
전력 감지(Energy Detection)는 잡음, 간섭과 조정신호를 구분할 수 없어 오감지 확률이 높다.
매치 필터링(Matched Filtering)은 가장 높은 SNR을 제공하나 특정신호에 정합되어야 하는 코히어런트 방식으로써 송신정보를 필요로 하며 변화하는 환경 하에서는 적용이 어렵다.
싸이클로-스테이셔너리(Cyclo-stationary) 특성 감지 알고리즘은 조정신호의 자기상관(Auto-correlation) 특성을 활용하기 때문에 잡음이나 다른 간섭 신호와 조정신호를 신속히 구분할 수 있는 감지 성능 요구사항을 만족시킬 수 있다. 이러한 이동체 감지기술의 장점 및 단점을 정리하면 표 3과 같다.
<표 3>
Figure 112015092446690-pat00022

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 동적 라우팅을 설명하기 위한 도면이다.
도 11(a)는 동적 라우팅의 임무 발생, 도 11(b)는 M-UAV 임무 할당 및 경로 선택, 도 11(c)는 새로운 임무 발생 및 할당과 경로 업데이트를 나타내는 도면이다.
에너지 효율적 라우팅은 예측-OLSR 및 공간적 대기 행렬 이론 기반 라우팅 알고리즘, ETX 재정의 적용(라우팅 링크의 품질 개선)을 포함한다.
예측-OLSR 및 공간적 대기 행렬 이론 기반 라우팅 알고리즘은 이동성과 감지와 같은 제한조건을 가진 동적인 상황을 효율적으로 고려할 수 있는 예측-OLSR 및 공간적 대기 행렬 이론 기반 라우팅 알고리즘이다.
라우팅 경로 설정 시 에너지 제한조건을 고려하며, FANET 환경 하의 특정 M-UAV에 문제가 발생하는 경우, 자가 치유(self-healing) 할 수 있도록 한다.
라우팅 성능개선을 위하여 GPS 정보를 활용하고, GPS 정보를 활용한 효율적인 경로 탐색이 가능하다. 또한, M-UAV노드 링크 단절의 경우, 대체 경로 설정할 수 있다.
ETX 재정의 적용 (라우팅 링크의 품질 개선)은 FANET과 같은 동적 무선 애드혹 네트워크의 경우 ETX 적용이 적절하지 않기 때문에 라우팅 성능개선을 위하여 GPS 정보를 활용한다.
링크 품질의 변화를 예측하기 위하여 FANET 상 두 노드(M-UAV)의 상대적인 속도를 사용하여 하기식과 같이 ETX를 재정의한다.
Figure 112015092446690-pat00023
여기에서,
Figure 112015092446690-pat00024
는 두 노드 i 와 j 사이의 상대적인 속도이고, GPS 위치 정보의 오차와 풍향으로 인한 M-UAV 이동성의 변화를 고려하기 위해 순시 속도의 이동평균값을 사용한다.
간섭은 M-UAV 간의 간섭뿐 아니라 주변 ISM대역 사용하는 기기들로부터 지속적으로 발생할 수 있다. 이러한 간섭을 관리하기 위해 협력 알고리즘 및 전력 제어 및 주파수 재사용 기술 알고리즘을 이용할 수 있다.
협력 알고리즘은 안보위협이 높은 지역에서 감시국에 의한 감시영역간의 협력방식이다. 감시국간 링크연결로 협력하여 두 신호가 충돌이 나지 않게 함으로써 간섭을 회피할 수 있다.
전력 제어 및 주파수 재사용 기술 알고리즘은 전력 제어 및 주파수 재사용 기술을 사용하여 간섭을 회피하거나 최소화할 수 있다.
교란 및 퇴치 기법은 싸이클로-스테이셔너리(Cyclo-stationary) 검출에 의하여 I-UAV 조정신호를 파악한 후, 지향성의 고전력 교란신호를 전송하여 I-UAV의 지휘권을 통제한다. 이를 위해서는 표적 I-UAV의 거리와 주변 상황에 적합한 교란신호 전력제어를 수행한다.
I-UAV의 GPS 신호 수신을 방해하기 위하여 GPS 위성으로부터 수신되는 신호보다 강한 신호가 수신되도록 함으로써 M-UAV를 관장하고 있는 지상 관제국이 I-UAV의 지휘권을 통제할 수 있도록 하며, M-UAV에 역교란 장치를 탑재한다.
상황인식(context-aware) 기반 교란신호생성 알고리즘은 역교란 장치를 탑재하지 않은 M-UAV를 위한 알고리즘이다. M-UAV가 상공에서 그물 등을 사용하여 I-UAV를 포획하거나, I-UAV가 위험물질을 운반하는 것으로 예상되는 경우 안보위협이 높은 지역 밖의 안전한 장소에 I-UAV를 착륙시키기 위하여 실제 실현가능성과 최적성을 모두 고려하여 알고리즘을 설계한다.
본 발명의 실시예들에 따르면 FANET(Flying Ad-hoc Network) 구조 하의 M-UAV(Monitoring Unmanned Aerial Vehicle)는 지상 관제국(GCS: Ground Control Station)과의 CNPC 통신링크가 단절된 경우에도 M-UAV 간 애드혹 링크를 구성하여 임무를 수행할 수 있다. 멀티 포인트(Multi-point)로 센싱을 함으로써 여러 노드로부터 받은 신호를 다각도로 분석하여, I-UAV(Illegal Unmanned Aerial Vehicle) 및 I-UAV 조종자 위치의 정확도를 높여 감시의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또한, 이동체를 감지할 시 영상, 음향, 전파 등 여러 형태의 정보 취합을 시도함으로써 정확도가 높아져 감지의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또한, 안보위협이 높은 지역이나 비교적 낮은 공공지역에 대한 기술을 다르게 적용하여 효율적으로 주파수 간섭 관리가 가능하다. 따라서, 제안하는 알고리즘은 QoS, 보안 민감성 조건 및 M-UAV 비행속도 등을 고려하여 최적화할 수 있고, 교란 시 지향성의 고전력 교란신호를 전송하여 I-UAV의 지휘권을 통제하여 불법 UAV를 차단함으로써 공공안전을 높일 수 있다.
제안된 FANET 전개는 불법 UAV(I-UAV) 대응 시스템의 현안 및 개선 사항을 해결하기 위하여 불법 UAV 감지 및 퇴치를 위한 감시 UAV (M-UAV) 애드혹 네트워크 구조를 목표로 한다. 제안된 시스템을 위해서 이동체 감지 및 추적 알고리즘을 사용한다. 이동체 감지는 영상, 음향, 전파 등의 여러 형태의 정보를 처리하며, 감지한 불법 UAV를 추적하는 기술도 사용한다. 간섭관리를 위해서 안보위협이 높은 지역에서 감시국에 의한 감시영역 간의 협력방식, 그리고 전력 제어 및 주파수 재사용 기술을 사용하여 간섭을 회피하거나 최소화하며, 안보위협이 비교적 낮은 공공지역의 경우에는 주파수 관리 기술만을 적용하여 간섭관리 하는 방안을 제안한다. 제안하는 알고리즘은 QoS, 보안 민감성 조건 및 M-UAV 비행속도 등을 고려하여 최적화한다. 불법 UAV의 교란 및 포획 시 포획한 UAV를 안보위협이 높은 지역 밖의 안전한 장소에 I-UAV를 착륙시키기 위한 상황인식(context-aware) 기반 경로 설계 알고리즘을 제안하며, 실현가능성과 최적성을 모두 고려하여 알고리즘을 설계한다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (13)

  1. 비행 애드혹 네트워크 시스템에 있어서,
    I-UAV를 감시하기 위한 센서들을 이용하여 관측정보를 수집하고, 상기 I-UAV를 감시하기 위한 명령을 수행하는 복수의 M-UAV;
    상기 복수의 M-UAV로부터 관측정보를 수신 받고, 상기 복수의 M-UAV에게 I-UAV의 교란명령을 내리기 위한 필요 신호 처리를 수행하고, 감시국에게 상기 교란명령을 내리는 지상 관제국; 및
    상기 지상 관제국의 서비스 제공자 네트워크와 연결되고, 상기 지상 관제국으로부터 상기 교란명령을 수신하여 상기 I-UAV로 교란신호를 전송하는 감시국
    을 포함하고,
    상기 감시국은,
    상기 I-UAV에 교란신호를 보내 상기 I-UAV를 제어하고, 교란 및 퇴치 기법은 싸이클로-스테이셔너리(Cyclo-stationary) 검출에 의하여 I-UAV 조정신호를 파악한 후, 지향성의 고전력 교란신호를 상기 복수의 M-UAV로 전송하고, 표적 I-UAV의 거리와 주변 상황에 따른 교란신호의 전력제어를 수행하고,
    I-UAV의 GPS 신호 수신을 방해하기 위해 GPS 위성으로부터 수신되는 신호보다 강한 신호가 I-UAV에 수신되도록 함으로써 M-UAV를 관장하고 있는 지상 관제국이 I-UAV의 지휘권을 통제하도록 하고,
    상기 감시국에 의한 감시영역 간에 협력방식을 이용한 링크연결을 이용함으로써 두 신호가 충돌이 발생하지 않도록 간섭을 관리하며, 전력 제어 및 주파수 재사용 기술을 사용하여 간섭을 관리하는 것
    을 특징으로 하는 비행 애드혹 네트워크 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 지상 관제국은,
    멀티 포인트로 센싱함으로써 복수의 노드로부터 받은 신호를 분석하여 상기 I-UAV 및 상기 I-UAV의 조종자의 위치를 추적하는 것
    을 특징으로 하는 비행 애드혹 네트워크 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 M-UAV들은 상기 지상 관제국으로부터 명령을 수신 받지 못하는 상황에서 자가구성이 가능하도록 설계되는 것
    을 특징으로 하는 비행 애드혹 네트워크 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 지상 관제국으로부터 명령을 수신 받지 못한 M-UAV는 다른 M-UAV 간에 애드혹 링크를 구성하여 명령을 수신 받는 것
    을 특징으로 하는 비행 애드혹 네트워크 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 M-UAV는,
    영상을 이용한 이동체 감지, 음향을 이용한 이동체 감지, 전자기 파장을 이용한 이동체 감지 방법을 사용하는 것
    을 특징으로 하는 비행 애드혹 네트워크 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 지상 관제국은,
    상기 복수의 M-UAV로부터 상기 관측정보를 페이로드를 통해 수신하고, 상기 수신 받은 관측정보를 분석하여 상기 I-UAV를 감지하고 위치를 추적하는 것
    을 특징으로 하는 비행 애드혹 네트워크 시스템.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 M-UAV는,
    상기 감시국으로부터 상기 교란명령을 수신 받아 표적 I-UAV의 지휘권을 통제하고, 상기 표적 I-UAV의 거리 및 주변 상황에 따른 포획명령 수행하여 표적 I-UAV를 포획하는 것
    을 특징으로 하는 비행 애드혹 네트워크 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 비행 애드혹 네트워크 시스템은,
    예측-OLSR 및 공간적 대기 행렬 이론 기반 라우팅 알고리즘을 이용하고, GPS 정보를 활용한 ETX를 이용하는 것
    을 특징으로 하는 비행 애드혹 네트워크 시스템.
  10. 비행 애드혹 네트워크 시스템의 동작 방법에 있어서,
    복수의 M-UAV가 I-UAV를 감시하기 위한 센서들을 이용하여 관측정보를 수집하고 지상 관제국으로 전송하는 단계;
    상기 지상 관제국이 상기 복수의 M-UAV로부터 관측정보를 수신 받아 상기 복수의 M-UAV에게 I-UAV의 교란명령을 내리기 위한 필요 신호 처리를 수행하고, 상기 I-UAV 및 상기 I-UAV의 조종자의 위치를 추적하는 단계;
    상기 지상관제국이 감시국에게 상기 관측정보에 따른 상기 교란명령을 내리고 상기 감시국은 상기 지상 관제국으로부터 상기 교란명령을 수신하여 교란신호를 상기 I-UAV로 전송하는 단계; 및
    상기 복수의 M-UAV가 상기 감시국으로부터 포획명령을 수신 받아 상기 I-UAV의 포획임무를 수행하는 단계
    를 포함하고,
    상기 지상관제국이 감시국에게 상기 관측정보에 따른 상기 교란명령을 내리고 상기 감시국은 상기 지상 관제국으로부터 상기 교란명령을 수신하여 교란신호를 상기 I-UAV로 전송하는 단계는,
    상기 I-UAV에 교란신호를 보내 상기 I-UAV를 제어하고, 교란 및 퇴치 기법은 싸이클로-스테이셔너리(Cyclo-stationary) 검출에 의하여 I-UAV 조정신호를 파악한 후, 지향성의 고전력 교란신호를 상기 복수의 M-UAV로 전송하고, 표적 I-UAV의 거리와 주변 상황에 따른 교란신호의 전력제어를 수행하고,
    I-UAV의 GPS 신호 수신을 방해하기 위해 GPS 위성으로부터 수신되는 신호보다 강한 신호가 I-UAV에 수신되도록 함으로써 M-UAV를 관장하고 있는 지상 관제국이 I-UAV의 지휘권을 통제하도록 하고,
    상기 감시국에 의한 감시영역 간에 협력방식을 이용한 링크연결을 이용함으로써 두 신호가 충돌이 발생하지 않도록 간섭을 관리하며, 전력 제어 및 주파수 재사용 기술을 사용하여 간섭을 관리하는 것
    을 특징으로 하는 비행 애드혹 네트워크 시스템의 동작 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 지상 관제국이 상기 복수의 M-UAV로부터 관측정보를 수신 받아 상기 복수의 M-UAV에게 I-UAV의 교란명령을 내리기 위한 필요 신호 처리를 수행하고, 상기 I-UAV 및 상기 I-UAV의 조종자의 위치를 추적하는 단계는,
    멀티 포인트로 센싱함으로써 복수의 노드로부터 받은 신호를 분석하여 상기 I-UAV 및 상기 I-UAV의 조종자의 위치를 추적하고,
    상기 복수의 M-UAV들이 상기 지상 관제국으로부터 명령을 수신 받지 못하는 상황에서 자가구성이 가능하도록 설계되어, 상기 지상 관제국으로부터 명령을 수신 받지 못한 M-UAV는 다른 M-UAV 간에 애드혹 링크를 구성하여 명령을 수신 받는 것
    을 특징으로 하는 비행 애드혹 네트워크 시스템의 동작 방법.
  12. 삭제
  13. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 M-UAV가 상기 감시국으로부터 상기 포획명령을 수신 받아 상기 I-UAV의 포획임무를 수행하는 단계는,
    표적 I-UAV의 거리 및 주변 상황에 따른 교란명령 수행하여 표적 I-UAV를 포획하는 것
    을 특징으로 하는 비행 애드혹 네트워크 시스템의 동작 방법.
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