드론 구조

UAS(UnmannedAerialsystems,무인항공기시스템)는다음과같은시스템으로구성된다.

1.UAV(무인비행장치)

•비행플랫폼(FlightPlatform)

•임무탐재장비(MissonEquipment)

2.지상조종장비(GroundControlSystem,GCS)

•통신링크(CommunicationLink)

•지상비행제어(GroundFlightControl)

•업무관리(MissonManagement)

3.지상지원장비(GroundSupportSystem,GCS)

•시험장비(TestEquipment)

•부품물류(LogisticsforParts)

무인비행장치(UAV)는그자체를의미하기도하지만일반적으로UAS의축소된시스템을갖는다.

02드론의 구성

34     무인비행장치 측량

페이로드

•EO/IO

•비디오 카

메라

•FLIR：전방감시 적

외선 감

지

•IRLS：적외선 라

인 스

캐너(야

간관측용)

•다중분광센서

•초분관센서

•감지 및

회피센서

- EO(Electro O

ptic

al) 센서：

- 비

디오 카

메라

- 적

외선 카

메라

- 초

음파센서

- LiDAR

- 레

이더

•라이다(LiDAR)

•합성개구레이더(SAR)

•짐벌

•전자광학(Electro O

ptic

al, EO) 센서

•사진카메라

•CCTV

•다방향카메라

•스포트랩(Spore Traps,

세균·포자 채

집기)

•가스 분

석기

•농약살포기

•로봇 암

통신부

•텔레메트리 송

신기

•비디오 송

신기

(선택사항)

•LTE 송

수신기

•WiFi 송수신기

•RC 송

수신기

송신기(transm

itter)

GPS 비

행경로

제어부

구동부

비행제어기

(flig

ht controlle

r)

PWM

1ESC1

모터1

프로펠러1

PWM

2ESC2

모터2

프로펠러2

PWM

3ESC3

모터3

프로펠러3

PWM

4ESC4

모터4

프로펠러4

리튬플러머 배

터리

센서융합기

상태

측정치

회전운동 상

태측정치

•자이로센서

•자속도센서

•지자기센서

병진원동 상

태측정치

•GNSS 수

신기

•기압센서

•이미지센서

상태추정치

드론 구

성도

제2장 드론의 구성      35

드론의 세부구조

드론의구조는드론과지상의원격조정자가각종데이터를주고받는‘통신부’,드론의비행을조정

하는‘제어부’,드론을날아가게구동시키는‘구동부’,그리고카메라등각종탑재장비들로구성된

‘페이로드’의네부분으로나뉜다.

1) 통신부

통신부는지상의원격조정기로부터비행명령어를수신하는RC수신기,촬영한사진이나비디오를

지상으로송신하는비디오송신기,그리고위치,속도,배터리잔량등의비행정보를지상으로송신

하는텔레메트리송신기로구성된다.텔레메트리정보는비디오데이터와함께비디오송신기를통

해지상으로송신되기도한다.

최근에는드론에WiFi혹은LTE송수신기를탑재하고이를이용해원격조정비행명령어및비디

오데이터를송수신하는드론도출시되고있다.

출처：열린친구(https://www.openmakerlab.co.kr/)

(a)

(b)

(a) 쿼드콥터의 구조 및 (b) 드론의 기본 센서와 드론의 비행의 관계

배터리

3축의 가속도/각 변화속도비행 제어기

수신기

송신기

비행제어기

서보 모터

변속기

모터 커넥터

센서

시리얼통신 연결핀(FC, 블루투스)

서브모터연결핀

자이로 센서

자이로 센서

기압센서

MCU3축 방향 보정

요 보정

요축피치축

롤축GPS 좌표

고도

연산

요 롤

Aux : Baro, GPS

스로틀

피치

Gyro/Acc 센서

자력계/나침반센서

Baro 센서

GPS

변경 위치데이터

조종 신호 송신

현재 위치데이터

라디오 연결핀

파워 출력 파워 입력

(＋)

(－)

조종 신호 송신

36     무인비행장치 측량

2) 제어부

제어부는비행제어기,센서융합기및각종센서로구성되어있다.드론이안정적으로비행하기위해

서는드론에장착된각종센서를이용해비행상태를측정해야한다.드론의비행상태는회전운동상

태와병진운동상태로정의되며,회전운동상태는‘요(Yaw혹은Rudder,드론의수평을유지한상태에

서동체를회전시킴)：z축회전’,‘피치(Pitch혹은Elevator,드론기수를상하로움직여전진하거나

후진)：x축회전’,‘롤(Roll혹은Aileron,동체를좌우로기울임에따라드론이좌우로이동)：y축회

전’을의미하며,병진운동상태는경도,위도,고도,속도를의미한다.회전운동상태를측정하기위해

3축자이로센서,3축가속도센서,3축지자기센서를이용하고,병진운동상태를측정하기위해GPS

수신기와기압센서를이용한다.자이로센서와가속도센서는드론의기체좌표가지구관성좌표에대

해회전한상태와가속된상태를측정해주는데,MEMS반도체공정기술을이용해관성측정기(IMU)

라부르는단일칩으로제작되기도한다.

드론은지상에서원격조정기를이용해비행을조정하거나,드론이사전에입력된GPS비행경로

를자기의현재비행위치(GPS수신기를통해확인)와비교하면서스스로비행할수있다(GPS경로

비행이라부름).비행제어기는수신기로부터전달받은원격비행명령어(혹은GPS경로비행을할경

우에는GPS비행경로)를센서융합기에서보내온상태추정치와비교,그차이값을이용해모터들

의회전속도를계산하고,계산된결과들을PWM신호로변환해구동부로전달해준다.

3) 구동부

구동부는드론을구동시키는부품들로모터,프로펠러,모터변속기및리튬폴리머배터리등을포함

한다.모터변속기는비행제어기로부터신호를받아모터를구동시키고,배터리의직류전원을교류

로바꾸어서모터로공급해준다.각각의모터들은별도의모터변속기로구동된다.

4) 페이로드

드론의비행목적은페이로드를탑재하고비행하는것이다.페이로드종류가군사용이면군사용드

론이되고민수용이면민수용드론이된다.페이로드(payload)1는드론의사용목적에따라서여러

종류의임무탑재장비(payload)가탑재될수있는데,원격탐사및사진측량을위해서는비디오카메

라,다중분광센서(multispectralsensor),초분광센서(hyperspectralsensor),적외선카메라,초음파센

서,라이다(Lidar),SAR등각종센서들이탑재될수있다.

센서들은촬영중초점이흔들리지않게해주는짐벌(gimbal)2에고정되어있다.항공촬영이외에

드론에장착되는페이로드의예로는공기중에떠다니는각종세균혹은포자채집용도로사용하는

스포트랩,가스분석기,농약살포기,로봇암등이있다.

1.페이로드(payload)는원래항공기에서항공기의탑재하중가운데,승객이나화물등요금을징수할수있는‘유

상(有償)하중’을의미한다.드론등무인기에서는드론기체에탑재가능한센서혹은화물등을의미한다.

2.짐벌：물이나공기,우주공간위에떠있는구조물이기체의흔들림등에관계없이정립상태로유지해주는지

지장치.

제2장 드론의 구성      37

탑재센서

비행 운용센서

1) 자동비행제어장치

자동비행제어장치(AutomaticFlightControlSystem)란항공기나미사일의내부와외부장치에의해

진로나비행자세를자동적으로조정할수있는모든장비를포괄한장치로서,조종사가목적지에

관한정보를입력하면항공기가자동적으로목적지로비행할수있도록하며,조종사가손을대지

않고도항공기를원하는방향으로직선·수평비행할수있도록하는장치를말한다.

보통비행제어장치와자동비행장치시스템을혼동하는경우가많다.예를들어레이싱쿼드콥터

의경우비행조정장치는드론이안정되게비행하도록할뿐만아니라,무선조정자(pilot)가입력한

것을바탕으로모터에전송하기위한최적의회전수및에일러론,엘리베이터,러더등의‘방향조

정면’을계속적으로계산한다.

자동비행장치는드론을단순히움직이게할뿐만아니라나아가각종센서로부터획득된각종정

보를바탕으로자동항법비행,제자리비행,관심지역(regionofinterest)비행,및장애물회피등을

가능하게하는‘두뇌’에해당한다.센서의모든데이터를읽어들여드론이비행하는데필요한최적

의명령을지속적으로계산한다.프로세서는제어회로기판의핵심부품으로서자동비행장치시스

템의펌웨어를작동시키며,모든계산을수행하는‘중앙처리장치’로서대부분32비트프로세서시스

템을채택하고있다.

Pixhawk 2.1 A3 Pro (GPS 및 IMU)

비행제어장치(flight controller, FC)

38     무인비행장치 측량

2) 모터

드론에서사용하는모터는일반적으로브러시(BrushedDirectCurrent,BDC)모터와브러시리스직

류(BrushlessDirectCurrent,BLDC)모터로나뉜다.

BDC모터는주로완구용드론에사용되는데,장점은가격이싸고,구동방식이간단하다는것이

다.단점은브러시가닳게되면수명이다하고,스파크,열등이발생해모터의고속회전및장시간

회전에는적합하지않다.

BLDC모터는영구자석으로된중심부의회전자(Rotor)와권선(Wire)으로되어있는극(Pole)과

고정자(Stator)들로구성되어있다.전류가인가된권선으로부터생성되는자기장과영구자석회전

자사이의관계에의해전기에너지가회전자를회전시킴으로써기계적인에너지로변환된다.BLDC

모터의장점은브러시가없으므로전기적,기계적노이즈가작다.또한고속화가용이하고신뢰성이

높으며,유지보수가거의필요없을뿐만아니라소형화가가능하다.그리고일정속도제어및가변

속제어가가능하며,모터자체신호를이용하므로,저가로위치제어및속도제어가가능하다.

3) 가속도계와 자이로스코프

가속도계와자이로(Gyro)센서는드론의관성센서이다.가속도계는가속도를측정하고,자이로는

회전력을측정한다.가속도계와자이로모두3축센서를활용하는데센서가3축이라함은센서가3

차원에서움직일때x축,y축,z축방향의가속도를측정할수있다는의미로,이를통해서중력에대

한상대적인위치와움직임을측정한다.

자이로스코프는드론이수평을유지할수있도록도와주는가장기본적인센서로서,세축방향의

각가속도를측정하여드론의기울기정보를제공해준다.두측정값을종합·분석하여비행조정장

치는드론의현재자세(각)를계산하고,필요한보정을수행한다.

브러시 모터 브러시리스 모터

회전방향회전 코일

전류 전류

전지 자석

정류자접촉자

정지 코일

자기장 감지 센서

회전 자석

회전자

반도체 스위치－

－

＋

＋

브러시 모터와 브러시리스 모터의 비교

제2장 드론의 구성      39

4) 자력계

자력계(magnetometer)는나침반기능을하는

센서로자기장을측정하는역할을한다.즉자

기힘을측정하는것으로가속도계와자이로스

코프만으로는비행조정장치가드론의진행방

향을알수없는데,자력계가자북을측정하여

드론의방향정보를드론의비행제어장치(FC)로

보내이를보강하는역할을하기때문에자력계

센서가매우중요하다.GPS의위치정보와자력

계의방위정보,가속도계의이동정보를결합하면드론의움직을파악할수있게된다.

그러나자력계센서는주변자기장에매우민감하다.즉전선,모터,변속기(ESC)등모든것이자

자이로 센서：회전각 측정

(a)

가속도 센서：가속도 측정

(b)

Ωz

ACC－Z

ACC－Y

ACC－X

요

피치

롤

Ωy

Ωx

자이로 센서와 가속도 센서의 측정값

(a) 가속도 센서의 크기와 (b) 가속도계 및 자이로스코프

자력계 센서(AliExpress, 치어슨 CX－20)

40     무인비행장치 측량

기장간섭을일으킬수있다.GPS모듈은일반적으로이런장비들과떨어져있기때문에,장비들에

의한자기장간섭을피하기위해나침반센서를추가적으로GPS모듈에장착하기도한다.

5) 관성측정장치

관성측정장치(InertialMeasurementUnit,IMU)

는GPS와연동되어기체의이동방향,이동경로,

이동속도를유지하는역할을하고,3축자력계와

GPS수신기가결합된형태로얻은정보를드론

의비행제어장치(FC)로전달한다.

조종사의직접적인무선조종없이자동으로

비행하게되면드론의활용도및가치를높일

수있게된다.드론의자동항법비행기능을위

해서는데이터링크기술과관성측정장치의중요성이더욱커진다.데이터링크는지상의컴퓨터와

드론을연결해주는역할을하며，IMU는통제범위를벗어났을때이륙한곳으로자동으로돌아오게

하는등의역할을하는기술이다.

6) 기압계

기압계는항공기의고도를측정하기위한압력센서로서

드론의cm단위의상하이동에의한공기의압력변화도

감지할수있을정도로민감하다.대기압은해수면에서의

높이에따라결정되고기압계는이원리를이용하여대기

압을측정하여고도를측정한다.

드론의고도를측정하는데기압계만사용하는것은정

확도가그리높지않기때문에대부분의드론은고도를

측정하기위한추가적인방법을사용한다.일반적으로는

GNSS센서를사용하여고도를매우정밀하게측정할수

있지만,GNSS를사용할수없는실내에서는초음파나이

미지센서등을사용하여정밀하게고도를측정한다.

7) 대기속도계3

대기속도계(AirspeedSensor)는고정익드론에주로사용되는센서이다.대기속도계는비행중드론

을스쳐지나가는공기의흐름속도를측정하기위한것이다.대기속도(airspeed)는고정익항공기에

서는중요하다.그이유는날개주위로흐르는공기흐름에의해항공기가공중으로뜨는양력이발

3.이강원외(2016),드론원격탐사·사진측량,구미서관

IMU

기압계 바로미터(모델 GY－63)

제2장 드론의 구성      41

생하게되며,항공기의속도가느리게되면대기속도가느리게되고실속하여추락하게되기때문

이다.

높이의변화가없거나무시할수있을경우압력에대한베르누이방정식은다음과같이정리할

수있다.

p＋ ＋pv2

2＝const

정압력 동압력 일정

피토관(PitotTube)은유속측정장치의하나로서,유체흐름의전압력과정압력의차이를측정하고

그것으로부터유속을구하는장치이다.유체의흐름정면에뚫은구멍을통하여전압력을측정하고,

유체흐름의수직한면,즉측면의구멍에서정압력을측정하여,전압력과정압력의차이를구함으로

써공기의흐름속도를구할수있다.즉정압력＋동압력＝전압력→동압력＝전압력－전압력.

8) 센서 융합

센서융합(sensorfusion)이란각종외부센서에서오는정보를통합또는융합함으로써새로운정보

를얻는것을일컫는다.단일센서만으로는드론을조정하는데충분하지않기때문에여러센서를

사용한다.

비행제어장치에서DOF(degreesoffreedom),즉‘자유도’라는용어를접하게된다.기장기본적

인비행조정장치는6DOF,즉6개의자유도를갖는데,이는3축가속도계(accelerometer)와3축자이

로(Gyro)로사용되는모든동작요소인X(수평),Y(수직),Z(깊이),피치(pitch),요(yaw),롤(roll)을말

한다.

(a) (b)

(a) 항공기의 피토관 (b) 드론의 피토관

42     무인비행장치 측량

9) 초음파 거리 센서

초음파4속도는일반적으로340m/s5이다.초음

파가대상체에부딪쳐반사되어돌아오면주행

시간으로부터거리를계산할수있다.

초음파는사람의가청주파수대역인20~

20,000Hz를벗어나는음파영역을가진다.

일반적으로많이사용되는초음파주파수는

40,000Hz이며,주파수가높을수록공간분해능

이높고정밀한결과를얻을수있다.일상생활

에서접할수있는초음파의센서로는차량용

초음파센서가있다.최근차량에는후진시후

방에물체가있는지여부와얼마나가까운지를

측청해주는기능이있는데,이때거리측정센

서로초음파센서가많이시용되고있다.

초음파센서는초음파를발생하는송신기부

분과반사되어돌아오는초음파를검출하는수

신기로구성되며,송수신기가일체형으로하나

로제작되는경우도있다.송신기에서초음파를

발사한후,수신기에반사된초음파가들어올

때까지의시간을측정하여센서와물체까지의거리를측정한다.

4.초음파(超音波,ultrasound)는인간이들을수있는소리의최대한계범위를넘어서는주파수를갖는주기적인

‘음압(soundpressure)’을의미한다.일반적으로가청주파수대역은20~20,000Hz이며,20kHz(＝20,000Hz)이상대

역이초음파영역이다.

5. c(m/s)＝331.3T(℃)

273.151＋

지상국 출발지 장애물 목적지

다양한 센서를 이용한 비행기술·유지

초음파 센서의 거리 측정 원리

초음파 거리 센서

제2장 드론의 구성      43

10) 라이다 센서

Lidar는LightDetectionAndRanging의약어이다.라이다센서는레이저(laser)를목표물(대상체)에

투사하고대상체에서반사되어되돌아오는시간을측정함으로써대상체까지의거리,방향,속도,온

도,물질분포및농도특성등을감지,측정할수있는기술이다.라이다센서는일반적으로높은에

너지밀도와짧은주기를가지는펄스신호를생성할수있는레이저의장점을활용하여보다정밀

한대기중의물성관측및거리측정등에도활용되고있다.

라이다센서는수m부터수km거리측정에사용될수있다.라이다시스템의범위를넓히기위

해보이지않는근적외선의매우짧은레이저펄스를사용하여,눈(eye)에안전하면서기존연속웨

이브레이저에비해훨씬높은레이저출력이가능하다.

라이다는기본적으로레이저송신부,레이저검출부,신호수집및처리와데이터를송수신하기

위한부분으로구성되어있다.측정방식은레이저신호의변조방법에따라일반적으로시간주시

(timeofflight,TOF)방식과위상변이(phaseshift,PS)방식으로구분된다.TOF방식은레이저가펄

스신호를방출하여물체들로부터의반사펄스신호들이수신기에도착하는시간을측정함으로써거

▼ 드론 탑재 라이다의 작동 과정 및 활용 분야

구분 세부내용

라이다작동과정

①레이저펄스방출

②후방산란신호의기록

③거리측정(비행시간×빛의속도)

④평면위치및고도검색

⑤정확한반향위치계산

활용분야

충돌회피용

라이다센서

● 라이다센서내에서통합되어정확한위치와함께안전한탐색을위한임계범

위데이터를생성한다.라이다기술은넓은시야각에걸쳐장애물감지기능을

갖추고있다.

지상이미지

라이다센서

● 최신라이다센서는광집적센서의크기,무게,UAV제조비용요건을충족하고

지상의정확한거리측정이가능하다.● 농업과임업은나뭇잎,작물과같은식물을검사하기위해라이다를사용하며,또

한지상표면을보기위해지상이미지(숲캐노피등)를제거할수도있다.

구조물검사

라이다센서

● 내장신호처리기능,넓은시야및구조적검사수행시안전한탐색을가능하

게하는거리데이터및장애물감지기능을제공한다.

야간라이다

센서● 라이다센서는야간및낮은조도상황에서도작동이가능하다.

기타용도

● 농업및임업● 오픈광산의지형● 건물및구조물검사● 도시환경조사● 충돌회피● 해안선및폭풍해일모델링

● 고고학,문화유산기록화● 건설현장모니터링● 자원관리● 유체역학적모델링● 디지털해발고도모델(DEM)● 전력선,철도트랙및송유관검사등

44     무인비행장치 측량

리를측정하는방식이며,위상변이방식은특정주파수를가지고연속적으로변조되는레이저빔을

방출하고물체로부터반사되어되돌아오는신호의위상변화량을측정하여거리를계산하는방식

이다.

최근3차원역공학(reverseengineering),무인자동차를위한레이저스캐너및3D영상카메라의

핵심기술로활용되면서그활용성과중요성이점차증가하고있고,드론을이용한측량및원격탐

사가본격적으로시작되면서초경량라이다가개발,적용되고있다.

통신기술

무선통신 송수신기

드론과조정기(controller)사이에데이터를주고받기위해서는‘무선통신송수신기(telemetry)’가필

요하다.드론과조정기에는무선송수신기가기본내장되어있으므로추가적으로무선통신송수신

기를추가하는것은유용할수있지만필수사항은아니다.무선통신송수신기는데이터를송수신하

기위한무선장비로서드론과조정기에각각탑재·설치해야한다.중요한것은드론과조정기의무

선통신송수신기를서로페어링해야한다는것이다.

드론과조정기와의통신을위해기본적으로2.4GHz및5.0GHz의와이파이(WiFi)를사용한다.그

러나통신범위가5~7km를넘지못하기때문에장거리이동시에는LTE망을활용하기도한다.

국립전파연구원은2015년12월31일‘항공업무용무선설비기술기준’을개정해드론이용

을위한전용주파수를할당했다.이기술기준에따르면드론전용주파수로5,030~5,091MHz

(5,030~5,091GHz)대역(61MHz폭)이새롭게할당됐다.이대역은아직국내에서이용되지않았던

주파수대역이다.이대역은수많은소출력무선기기가함께이용하는대역이아닌전용대역이기때

문에전파혼선으로인한드론의추락,충돌등사고위험이적어안정적인드론운용이가능하다.드

드론탐재 라이다 측량에 의한 교량 이미지

제2장 드론의 구성      45

론의출력을최대10W까지가능하도록지정하면서매우한정적인거리로만운용되던드론의운용

범위도대폭확장됐다.새로이할당된5,030~5,091MHz대역은2012년스위스제네바에서개최된

‘세계전파통신회의(WRC-12)’에서미국의강력한주장으로채택된지상제어를위한드론전용주파

수대역이다.

주파수 대역

드론은지상에서드론으로원격조정(RC)비행

명령어및카메라조작등페이로드제어신호

를전송하기위한상향링크(지상→드론)가필

요하고비디오,사진및드론의위치,비행속도,

배터리잔량등의비행정보를지상으로전송

하기위한하향링크(드론→지상)가필요하다.

GPS신호는1.2GHz(혹은1.5GHz)주파수대역

으로수신한다.

과거에는페이로드제어신호및텔레메트리

전송을위해특정주파수대역을이용하는별

도의송수신기를이용했으나,최근에는페이로

드제어신호는원격조정비행명령어와함께드론으로전송되고,텔레메트리정보는비디오데이

터와함께지상으로전송되는추세이다.각나라의주파수정책에따라차이가있지만,일반적으로

900MHz,1.3MHz,2.4MHz및5.8GHz의주파수대역이드론의통신링크로사용된다.

1) 900MHz 및 1.3GHz 주파수 대역

900MHz주파수대역은비디오및텔레메트리전송을위한하향링크로사용된다.그러나900MHz

대역은일부국가에서이동통신주파수(예：유럽GSM)혹은가정용과주파수대역이겹치므로송신

기의출력세기를5~10mW이하로엄격히제한하고있다.

한편900MHz대역은최근규격이확정된IoT(internetofthings)용WiFi11ah무선랜과도주파수

대역이겹친다.1.3GHz주파수대역역시비디오전송을위한하향링크로사용되는데,2005년이후

에쏘아올린GPS위성의1.2GHzL2주파수대역과가까워서드론에탑재된GPS수신기에간섭을

줄수있다.

2) 2.4GHz 및 5.8GHz 주파수 대역

2.4GHz주파수대역은거의모든드론이원격조정및페이로드제어로사용하는상향링크이다.그

러나2.4GHz는WiFi,블루투스,지그비등과주파수대역이겹치므로사람이많이모이는공원등의

지역에서는드론비행에주의해야한다.일부드론들은2.4GHz대역을비디오전송하향링크로사

드론의 통신링크

GPS 수신 링크

하향링크

상향링크

원격조정(RC)페이로드 제어 사진 및 비디오

비행정보

46     무인비행장치 측량

용한다.이경우,원격조정상향링크는5.8GHz주파수대역을이용한다.

5.8GHz주파수대역은최근출시된드론들이비디오및텔레메트리전송하향링크로사용하는주

파수대역이다.2.4GHz및5.8GHz주파수대역은전송거리가짧고장애물등에의한전송장애가

심하므로드론과지상의원격조정자사이에양호한시야거리가확보되어야한다.

3) WiFi 및 4G/3G 

최근스마트폰을이용해드론을원격조정하는것을심심치않게볼수있다.스마트폰에드론조정

용앱을설치하고WiFi혹은USB로스마트폰을원격조정기에연결해원격조정기를통해드론을조

정하거나,드론에WiFi수신기를설치해스마트폰WiFi로직접드론을원격조정할수있다.WiFi와

마찬가지로,드론에LTE혹은WCDMA송수신기를설치해이동통신네트워크를통해스마트폰으로

드론을원격조정하거나드론의비디오데이터를지상으로전송하기도한다.

GNSS

GPS 및 GNSS

GPS는인공위성으로부터수신기까지신호가도

달하는데걸린시간을기준으로거리를측정한

다.즉드론에서의GPS는인공위성을이용한범

세계위치결정시스템으로정확한위치를알고

있는위성에서발사한전파를드론에서수신하

여관측점까지소요시간을관측함으로써관측

점의3차원좌표및세계시를구하는시스템이

다.GPS신호로부터추정한위치(x,y)의오차는

수m정도이다.

이러한GPS오차에도불구하고다른여러센

서들에의한측정값들을융합·분석함으로써

비행조정장치는GPS모듈을이용하여드론이

경로점을따라비행하게하거나제자리로돌아오게하는등이륙부터착륙까지지동비행이가능하

도록한다.

지구위에는약30개의GPS위성이돌고있다.이들위성이지구의6개궤도면에분포해전세계

어디에서도최소6개의GPS위성을관측할수있도록한다.GPS위성은태양에너지로작동하며,수

명은약8~10년정도다.제어국은미국콜로라도스프링스에있는주제어국과세계곳곳에분포된5

개의부제어국으로나뉜다.각부제어국은상공을지나는GPS위성을추적하고거리와변화율을측

측위점

시간오차 보정

거리 B

GPS 위성 B

GPS 위성 A

GPS 위성 C

GPS 위성 D

거리 A

거리 C

거리 D

GPS 개념도

제2장 드론의 구성      47

정해주제어국으로보낸다.주제어국은정보를취합해위성이제궤도를유지하도록처리한다.GPS

수신기는GPS위성의신호를수신하는안테나,시계,신호를처리하는소프트웨어,이를출력하는

출력장치등으로이루어져있다.

최근미국에서운영하는GPS외에도러시아의글로나스(GlobalNavigationSatelliteSystem,

GLONASS),유럽연합(EU)의갈릴레오(Galileo),중국의베이더우(北斗,Beidou또는Compass),일

본의준텐초(Quasi－zemithSatelliteSystem,QZSS),인도의IRNSS(IndianRegionalNavigational

SatelliteSystem,인도국지항법위성체계)등이위성항법체계(GNSS)에포함됨으로써위성측위의신

뢰도와성능이향상되었다.이러한GNSS모듈은다양한위성항법신호를수신할수있으며,센서의

가격도저렴한편이다.

GNSS는위의그림에서처럼크게위성,지상의제어국,사용자로구성되어있다.지상제어국의

수신장치에서고도약20,000km중궤도에위치해있는인공위성에서신호를받아수m이내의위

치정보를알아낼수있는것이GNSS의기본원리이다.또한위성의위치와위성시계,전리층모델,

위성궤도변수,위성상태등의항법정보가있다면

현재사용자의위치를파악할수있다.즉위성에

서보내는신호가수신기에도달하기까지걸리는

시간을측정해서위성과수신기사이의거리를

구하고,사용자의현재위치를계산할수있는것

이다.

GNSS수신기는인공위성으로부터신호를수

신해야하는특성때문에일반적으로드론의윗부

분에장착한다.멀티콥터의경우에는별도의기둥

(mast)을세우고그위에GNSS를설치하기위하

여신호를확실히수신하기위한노력을한다.

▲ GNSS 구성

GNSS 장착 드론(DJI, Matrice 600 Pro)

48     무인비행장치 측량

한편,GNSS수신기가드론본체에서멀리떨어져설치되므로,앞서언급한바와같이나침반센

서는다른전자제품의전자기장간섭에민감하기때문에일반적으로나침반센서를함께장착한다.

GNSS의 현재와 미래

GNSS(GlobalNavigationSatelliteSystem)는우주궤도를돌고있는인공위성에발신하는전파를이

용해지구전역에서움직이는물체의위치·고도치·속도를계산하는위성항법시스템으로,현재

미사일유도같은군사적용도뿐아니라측량이나항공기,선박,자동차등의항법장치에많이이용

되고있다.

GPS/갈릴레오네트워크는특히복잡한도심지역의위치정보향상에큰변화를주고있다.사용자

들은기존의위성들보다2배나많은위성들로부터의정보를통해정확한위치정보를얻을수있을

것이다.미국의GPSIndustryCouncil은GPS장비의글로벌시장이매년25~30%씩증가하고있다

고보고있다.유럽위원회(EC)전문가들은위성항법제품과서비스에대한전세계적시장이2025년

경에는4,000억달러에이를것으로예측하면서2020년경에는30억개의위성항법수신기가사용될

것이고갈릴레오프로그램은유럽전역에15만개의일자리를창출할것으로보고있다.

영국교통성연구에서도GNSS시장산업이영국에가져올이익이2025년에는140억파운드에이

를것으로보고있다.GNSS위치정보시스템은공학,항공,농업,선박,해양등을포함한많은시장

에새로운적용분야를열어줄것이다.

GPS와갈릴레오이두시스템을어떻게같이운용할것인지에대해서는아직결정되지않은것들

이많다.예를들면GPS로부터신호를받고이를갈릴레오를통해검증을받는다거나또는GPS및

갈릴레오로부터모두신호를받는다거나하는등이다.그렇지만공동의GPS/갈릴레오시그널프로

세서에기반을두고다수위성으로부터신호를받는수신기인‘multiconstellationreceiver’개발1단

계가이미시작되었다.많은산업체그룹들이GPS/갈릴레오통합을위한고수준의규격(standards)

마련에참여하고있다.

러시아GLONASS는GPS의코드분할다중방식(CodeDivisionMultipleAccess,CDMA)이아닌

주파수분할다중방식(FrequencyDivisionMultipleAccess,FDMA)을채택하고있다.GLONASS프

로그램매니저들이CDMA방식으로이동을고려하고있다고보고되기는하지만GLONASS시스

템이GPS/갈릴레오시스템과의통합에는비용과복잡성문제가있다.그렇지만multiconstellation

receiver제품들은이미소개되고있다.중국은GLONASS,갈릴레오,그리고중국의베이더우위성

들로부터의위치신호를통합하는수신기개발을진행중에있다.지난수년간미국과유럽의워킹

그룹들은여러위성항법시스템신호의호환성및상호운용성을위해MBOC(multiplexedbinary

offsetcarrier)에기반을둔보다향상된공동의민간신호를개발하고있으며그결과도양호하다.

GPS와갈릴레오의통합개발계획과는대조적으로러시아,중국인도의GNSS프로그램은서로

다른시스템으로부터신호를받을수있는multiconstellationreceiver같은항공전자컴포넌트없이

개발되고있다.

제2장 드론의 구성      49

GPS는처음에는군사목적으로사용되었으나,1983년이후민간부분으로확대되어현재여러분

야에서활용되고있으며,지구상어디에서나24시간이용할수있는것은물론,기상조건·외부의

간섭및방해에강하고전세계적으로공통좌표계(WGS－84:WorldGeodeticSystem)를사용한다는

글로벌 위성 항법 시스템(GNSS) 운용 및 개발 현황

시스템 명칭 운용국 운용시점 비고

GPS 미국 1994년● 시스템유지에최소24개위성필요● 현재31개의위성운용중

글로나스

(GLONASS)러시아

1995년,

2011년

● 시스템붕괴로중단,2009년재개● 2011년10월24개의위성(시스템운용)으로시스템구축

완료및서비스시작.24기를제외한4기는예비용● 2012~2020년노후된위성교체를위해13기의글로나스－

M,22기의글로나스－K발사예정

갈릴레오

(Galileo)

유럽연합

(EU)2014년

● 2005년부터한국참여.2011년10월21일첫발사● 2014년24개의위성발사로서비스가동● 2019년까지30개위성구축예정

베이더우(北斗,BDS) 중국 2012년

● 2012년12월27일부터아시아태평양지역서비스가동● 2014년11월에국제해사기구(IMO)로부터첫국제기구

인가획득● 현재까지23개위성발사● 2020년까지35개위성구축예정

준텐초

(準千頂,QZSS)일본 2014년

● 2010년9월11일첫위성발사성공.이후3대의위성으로

일본내우선서비스● 6~7기위성으로독자시스템구축예정

IRNSS 인도 2013년 ● 인도내우선서비스

구분 GPS GLONASS

위성수 24개,4개×6궤도 24개,8개×3궤도

주기 11시간58분 11시간15분

고도 약20,200km 약19,300km

데이터속도 50bps 50bps

경사각 55° 64.8°

주파수 1575.42MHz 1602.5625~1615.5MHz

PN코드클럭 1.023MHz 0.511MHz

측지계 WGS－84 SGS－90

50     무인비행장치 측량

점에서측위정보의신뢰성및정확성이우수하다.GPS는6개의궤도에24개위성을배치하여서비

스를제공하며,위성으로부터의신호는원자발진기(세슘,루비듐각2대)의기본주파수10.23MHz의

154배및120배인2개의반송파L1(1575.42MHz)과L2(1227.6MHz)로송신하고있다.이2개의주

파수는C/A코드와P코드로불규칙코드로위상변조(PSK)된다.항법정보는표준측위서비스(Standard

PositioningSystem,SPS)와고정도측위서비스(PrecisePositioningSystem,PPS)로구분되어서비스

를제공하고있다.

SPS는측위와시각전송의업무로서민간용으로이용되고있고,L1주파수의C/A코드만사용할

수있으며,PPS는주로군용으로설계되어측위,타이밍,속도기능을가지고L1,L2의P(Y)코드가

사용되고있다.일부PPS는별도승인된경우에한하여민간에게도허용하고있다.

GPS 구성 및 관제

GPS구성은크게우주,지상국,사용자로구분된다.이중지상국관제는GPS위성에대한궤도수

정및예비위성작동에대한전반적인지휘를담당하는MCS(MasterControlStation)1개소(콜로라

도스프링스PalconAIRARMY)와GPS위성신호점검및궤도추적·예측과전리층·대류권지연

에대한관찰등의업무를하고있는MS(MonitorStation)5개소(디에고가르시아섬,어센션섬,콰절

런환초,하와이,콜로라도스프링스)및위성에대한정보(시계,보정치,궤도보정치,사용자에대

한메시지)를전송할수있는안테나관리를하는GCS(GroundControlStation)3개소(디에고가르

시아섬,어센션섬,콰절런환초)로나누어GPS를관제하고있다.

GPS 측위 원리

GPS측위원리는삼각측량의원리를사용한다.하지만토목및지적측량에서사용되는측량방법은

알려지지않은지점의위치가그점을제외한두각의크기와변의길이를측정하여위치를결정하

는반면GPS측위는두변의길이를측정하므로미지의점의위치를결정한다는것이삼각측량과의

위성신호 확인 방법

같은 부분에 대하여 시간차를 계산

위성의 코드

Pri＝ρi＋c·ρΔTb (Pri＝i번째 위성과 수신기의 의사거리, ρi＝실제거리 c＝빛 속도, ΔTb＝수신기 시계 바이어스 오차, Rj＝의사거리)

수신기의 코드

제2장 드론의 구성      51

차이점이라할수있겠다.즉전형적인측량방법은두변의각과길이로,GPS측량은두변의길이로

서측위를할수있다.

측위를위해서는위측량방법을기초로삼각법을이용한GPS위성위치와GPS수신기간의거리

를알아야한다.앞페이지의그림(위성신호확인방법)과같이위성에서L1(1575.42MHz)주파수에

C/A코드를실어반송하고,수신기에서도위성의신호와똑같은코드를발생하여수신된위성코드와

비교후위성의신호가수신기에도착되는소요시간을측정한다.위성신호의속도(빛속도)로위성

과수신기간의의사거리(pseudorange)를측정하게되면i번째위성과수신기와의거리가계산되며,

4개의위성을관측하여거리를계산하면수신기의위치를측정할수있다.

GPS 오차

GPS측위오차는다음세가지,즉거리오차,위성의배치상황에따른기하학적인오차증가,그리고

미국방성이실시하는선택적이용성에의한오차로구분된다.

구조적인 요인에 의한 거리오차

거리오차(RangeError)는위성과수신기간의측정된거리의오차를의미하며,약5~10m정도이다.

오차는다음과같은요인에의해발생한다.

1) 위성시계의 오차

위성에탑재된원자시계의오차로부터발생하는오차이나,다행히위성시계의오차는어느정도예

측이가능하므로주관제국에서이를조정함으로써최소화하고있다.

2) 위성궤도의 오차

위성의궤도는모니터국이취득한데이터를바탕으로예측하여그파라미터를위성이코드정보와

함께방송하도록관제하고있다.그러나예측된궤도와실궤도사이에는차이가생기며,이에따라

거리오차가발생한다.

3) 대기권의 전파지연

위성의고도가20,000km정도가되므로신호가위성을통과하여수신기까지오는동안대기권을이

루는전리층과대류권을통과하게되는데이때생기는전파지연(delay)때문에오차가생긴다.특히

전리층에서의전파지연은전리층의전자활동이활발한경우에는커지고,활동이미약한자정무렵에

는작아지며,그차가일별,계절별로상당한격차를보인다.주관제소에서는상기지연량들을예측

하여코드정보와함께방송하므로,수신기는측위계산시이를보정하여위치오차를줄이고있다.

52     무인비행장치 측량

4) 수신기에서 발생하는 오차

수신기에서발생하는전자파적잡음(noise)이나,전파의다중경로(multipath)등으로인하여거리오

차가발생한다.이와같은거리오차는위성의배치상황에따른기하학적인요인과어울려최종적으

로위치의오차로나타나게된다.

위성의 배치상황에 따른 기하학적 오차의 증가

측위시이용되는위성들의배치상황에따라오차가증가하게되는데,이는육상에서독도법으로위

치를낼때와마찬가지로적당한간격의물표를선택하여독도법을실시하면오차삼각형이적어져

서위치가정확해지고,몰려있는물표를이용하는경우오차삼각형이커져서위치가부정확해진다.

마찬가지로위성역시적당히배치되어있는경우에위치의오차가작아진다.다음그림과같이GPS

수신기는관측된데이터를이용하여PDOP(PositionDillutionofPrecision)를계산하고,이를거리

오차에곱하면측위오차가된다.즉거리오차×PDOP＝측위오차가된다.따라서대부분의수신기

는PDOP가작은위성의조합을선택하여측위계산을하고이를표시하도록설계되어있다.최근수

신기의성능이좋아서PDOP가3인경우위치오차는대략15mCEP(CircularErrorProbability),즉

50%오차확률의범위에서평면으로약15m정도이다.

선택적 이용성에 의한 오차

미국방성의정책적판단에의하여오차를일부러증가시킨것으로,미국방성이이를인위적으로

늘리고있는데,이것이선택적이용성에의한오차이다.즉미국방성이인가한사용자만이선택적

으로사용할수있다는의미로선택적이용성(selectiveavailability,SA)인것이다.SA실시시오차는

100m2dRMS가된다.미국의연방항법플랜에의하면GPS측위오차는여하한경우든100m2dRMS

를넘지않도록한다고공시되어있어,항법에이용하는한큰문제는없으나,GIS데이터의취득이

dT1

dT2

dT3

dT4

R1＝CxdT1

R2＝CxdT2

R3＝CxdT3

R4＝CxdT4

R4R3

R2

R1

Xi, Yi, Zi

UX, UY, UZ

GNSS 수신 신호의 시간차

제2장 드론의 구성      53

나측량에서와같이수cm에서수mm의정밀도로위치를구해야하는경우에는단독측위가아닌

상대측위를실시한다.여기서측위오차가100m2dRMS이내라는것은‘100mtwicetherootmean

squarehorizontalerror’의약어로평면에서95%오차확률의범위내에서위치오차가100m임을의

미한다.

GPS 오차 종류 및 크기

오차원인 크기(meters)

위성궤도오차 0.57

위성시계오차 1.43

전리층지연 7.00

대류층지연 0.25

수신기잡음 0.80

구분크기(meters) 2001년 Field test 결과

With SA Without SA (보장되지 않음)

수평오차(95%) 100m 13 m 4 m

GPS 개요의 선택적 이용성에 의한 오차 내용 중 수평오차와 수직오차 구분 GPS 개요의 선택적 이용성에 의한 오차 내용 중 SA 제거 이후 

오차