Specific Operation Risk Assessment(SORA) 시범 적용을 통한 군용 무인기 운용 안전성 평가방안 연구

서론

오늘날, 군용 무인기는 러시아-우크라이나 전쟁 등을 통해 현대 전장에서 핵심적인 역할을 수행하며, 군 전력 증강의 필수 요소로 자리 잡고 있다. 특히, 정찰 및 감시에서 공격 임무까지 현대 기술발전과 함께 우리 국군의 항공전력 측면에서 군용 무인기의 활용범위는 더욱 확대될 전망이다. 이러한 시대적 흐름에 맞춰 국내 군용 무인기의 활용 사례가 증가함에 따라, 군용 무인기의 안전한 비행, 즉 감항성 확인의 중요성 또한, 최근 강조되고 있다.

국내 군용 무인기 군용항공기는 군용항공기 비행안전성 인증에 관한 법률(이하 군용기인증법)에 따라 군용항공기 범주에 포함되며, 군용항공기는 방위사업청에서 고시한 군용항공기 표준감항인증기준에 근거하여 감항인증을 통해 항공기 감항성을 정부로부터 인증받아야 한다[1]. 다만, 기존에 고시된 군용항공기 표준감항인증기준인 Part 1, 2, 3의 경우, 유인항공기 및 글로벌 호크와 같은 대형급 무인기 인증에 초점이 맞춰짐에 따라, 현재 무인기 전력화의 대다수를 차지하는 중·소형급 무인기 감항인증에 그대로 적용 시 설계 인증기준이 과도하다는 문제점이 발생한다. 이러한 문제점을 인식하여, 2024년에 감항인증 당국인 방위사업청 인증기획과는 감항인증 제도개선의 일환으로 600kg 이하급 무인기 인증기준인 표준감항인증기준 Part 4를 신설하였다[2]. 표준감항인증기준 Part 4는 미 공군에서 군용 무인기 감항성 평가에 적용할 목적으로 개발한 AC-20-02 문서를 참고하여 기준화한 인증기준으로 무인기의 위험도 분석 결과에 따라 기준이 차등 적용된다는 점에서 기존 인증기준들과 그 차이가 있다[3]. 현재 표준감항인증기준 Part 4는 2024년에 고시 후 군용 무인기 인증 사업에 적극 활용 중이나, 기준별 세부 입증내용 및 방법 관련 연구의 필요성이 추가로 제기되고 있다[4-6].

본 기고에서는 해외 무인기 관련 운용지침 중, 유럽에서 활용 중인 SORA(Specific Operations Risk Assessments) 운용지침서 내 위험도 평가기법 분석 및 군용 무인기 시범 적용을 통해 위험도 분석에 기반한 무인기 운용 안전성 평가방안을 제시하고자 한다.

SORA(Specific Operation Risk Assessment)란?

SORA(Specific Operation Risk Assessment)는 유럽 항공안전청(EASA) 내 무인항공기 전문가 워킹 그룹 JARUS(Joint Authorities for Rulemaking of Unmanned Systems)에서 2019년 1월에 발간한 지침서로 그림 2와 같이 EASA에서 분류한 무인기 분류 중 Specific Category에 해당하는 무인기를 운용함에 있어 발생 가능한 위험요소를 식별 후 해당 무인기의 위험도에 따라 안전 요구사항을 차등 적용할 수 있는 방안을 제시하고 있다[7].

문서에 따르면, SORA 절차는 총 10단계로 구성되어 있으며 신청자가 무인기 운용 신청 시 크게 지상위험등급(Ground Risk Class, 이하 GRC)과 공중위험등급(Air Risk Class, 이하 ARC)을 결정한 후, 안전운용등급(Specific Assurance & Integrity Levels, 이하 SAIL)을 도출하여 최종적으로 SAIL별 운용안전목표(Operational Safety Objectives, 이하 OSO) 항목 식별 및 달성 여부를 확인하는 순서로 진행되며 이는 간략히 요약하면 그림 3과 같다.

SORA GRC 및 ARC 판단 절차

SORA 운용지침서는 무인기의 위험도 등급인 SAIL을 결정하는 요소로 지상 위험도 등급(Ground Risk Class, 이하 GRC)과 공중 위험도 등급(Air Risk Class, 이하 ARC)을 제시하고 있다.

GRC는 무인기에 내재된 지상 위험도 등급(Intrinsic UAS Ground Risk Class, 이하 iGRC)과 위험 완화방안(Mitigation)을 종합적으로 판단하여 결정된 무인기의 최종 지상 위험등급이다. iGRC는 표 1과 같이 무인기의 제원 및 운용환경에 따라 정해지는데 무인기 제원 고려사항으로는 특징적 최대 치수값(Max UAS characteristics dimension), 무인기의 충돌 에너지 등이 고려되며 무인기 운용환경에 대한 고려사항으로는 가시권 또는 비가시권 운용 여부 및 무인기 비행 구역의 인구 밀집도에 따라 총 1부터 10까지의 등급으로 분류된다.

SORA 운용지침서에서는 iGRC만으로 무인기 최종 지상 위험도 등급을 확정하지 않으며, 추가로 위험도 완화방안(Mitigation)에 따른 iGRC 등급 변경이 가능하다. 이는 SORA 운용지침서 내 가장 핵심요소로 기존 무인기 감항인증기준의 경우, 무인기 형태 또는 무인기 최대이륙중량과 같은 무인기 제원에 따라 기준을 일괄 적용하나, SORA 운용지침서에서는 완화방안에 따라 iGRC 등급 조절이 가능하다.

위험도 완화방안(Mitigation)은 그 성격에 따라 무인기를 운용하기 전에 적용할 수 있는 전략적 완화방안(Strategic Mitigation)과 무인기 운용 중에 적용할 수 있는 전술적 완화방안(Tactical Mitigation) 크게 2가지로 구분되며, SORA 운용지침서에서는 전술적 완화방안을 2가지로 추가 세분화하여, 총 세 종류의 위험도 완화방안 요소를 표 2와 같이 제시하고 있다.

무인기 운용자는 각 위험도 완화방안 요소별로 무결성(Integrity)와 보장성(Assurance)을 제시하여 완화방안의 수준인 강건성(Robustness)를 정의한다. 무결성은 무인기가 어떠한(What) 완화방안을 통해 위험도를 효과적으로 경감하였는지를 의미하며, 보장성은 어떻게(How) 완화방안을 입증하였는지를 의미한다.

예를 들면, 그림 5 내 M2는 지상에 가할 수 있는 위험도 완화방안 요소에 대한 강건성을 확인하는 건으로 무인기 운용자는 무인기 오작동 시 자동 착륙 시스템 또는 낙하산 전개 등과 같은 안전 설계 요소 제시 및 해당 안전 설계를 시험, 분석, 시뮬레이션 등을 통해 완화방안 수준을 정의해야 한다. 강건성 수준은 표 3과 같이 무결성 수준과 보장성 수준을 종합적으로 판단하여 도출하며, 강건성 수준에 따라 iGRC를 하향 조정할 수 있다. 만약, 최대 치수값 8m 이상의 무인기의 경우, 인구 밀집 지역(Populated environment)에서 비가시권 운용(Beyond Vision Line of Sight, 이하 BVLOS) 시 그림 4의 표에 근거하여 무인기 iGRC 등급이 8이 되나, 무인기 운용자가 강건성 수준이 중(Medium)인 M2 위험도 완화방안을 감항당국(Authority)에 정의 및 제시한다면 iGRC 8에서 1이 감소된 7로 최종 GRC(Final GRC)를 완화할 수 있다.

무인기의 공중에서 발생할 수 있는 위험도 수준을 나타내는 ARC 또한, GRC와 마찬가지로 초기 공중 위험도 등급(Initial UAS Air Risk Class)을 그림 5와 같이 우선 결정하는데, 이와 관련된 고려사항으로는 무인기의 비행 고도(Flight Level), 운용환경(인구 밀집 정도 등) 및 운용 공역(무인기 비행영역과 도심 지역 분리 여부 등)이 고려된다. ARC도 무인기 비행 전 또는 비행 중에 적용 가능한 완화방안을 통해 초기 공중 위험도 등급을 조정하여 최종 공중 위험도 등급인 잔류 ARC(Residual ARC)를 도출한다. 공중 위험도 등급 조정 단계는 지상 위험도 등급 조정 과정과 유사하므로 본 장절에서는 관련 내용 기술을 생략한다.

SORA SAIL 판단 및 OSO 적용 절차

무인기 운용자는 SORA 지침서 내 절차에 따라, 1부터 10까지의 최종 GRC 및 a부터 d까지의 잔류 ARC를 우선 도출한다. 이를 기반으로 최종 무인기 위험도 등급인 안전운용등급(SAIL)을 감항당국과 협의를 통해 최종 산정하며, 안전운용등급에 따라 총 24개의 운용안전목표(OSO) 요구사항 충족 시 운용허가서 발급 및 무인기 운용이 가능하다. SAIL은 Low Risk(1~2 level), Medium Risk(3~4 level), High Risk(5~6 level)에 따라 표 4와 같이 총 6가지 등급으로 분류하며, SAIL에 따라 OSO 요구사항 달성 정도를 그림 9와 같이 차등 적용한다.

예를 들어, OSO 항목 중, ‘운용자는 조종 자격을 보유해야 하며, 자격이 증명되어야 한다’라는 요구조건에 대해 SAIL 4 이상의 무인기를 운용하기 위해서는 ‘공인된 무인기 비행시험 기관에서의 무인기 조종 자격시험 통과하여 조종 자격을 획득’했음을 증명해야 하는 수준의 고등급 요구사항을 달성해야 한다. 그런데 SAIL 2 이하의 무인기 운용이 목적일 경우, ‘무인기의 비행 안전 체크리스트 달성 여부 확인, 정비, 임무 수칙 등을 숙지’하는 저등급 수준만으로도 요구사항 달성이 가능함에 따라 무인기 운용이 가능하다.

SORA 운용지침서를 군용 무인기에 시범 적용 시 고려사항?

만약, 가상의 군용 무인기를 SORA 운용지침서에 근거하여 운용 안전성 평가를 수행한다고 가정할 경우, 가장 먼저 해야 할 사항은 해당 무인기의 GRC 및 ARC를 결정해야 한다. 가상의 군용 무인기의 규격 및 성능이 다음 표 5와 같다고 가정해보자.

가상 군용 무인기의 최대 치수 값은 외관 중 폭에 해당하는 3,952mm이며, 무인기의 충돌에너지 산출 식은 다음과 같다.

해당 무인기가 군용 특성상 민가가 일부 산재하고 있는 지역(Sparsely Populated Environment)에서 비가시권(BVLOS)으로 운용된다는 가정하에, 최대 치수 값(8m 미만), 무인기 충돌에너지값(1,084kJ 미만) 및 운용환경(BVLOS in sparsely populated environment) 등 결정요소를 표 4의 GRC 판단 표에 대입할 경우, 내재적 지상 위험등급(iGRC) 5가 도출된다.

iGRC가 확정되면 최종 GRC 산출을 위해, M1부터 M3까지의 지상 위험도 완화방안을 정의해야 한다. 전략적 완화방안(Strategic Mitigation)인 M1은 무인기가 지상에 충돌 시 인명피해를 최소화하기 위한 목적의 무인기 운용 전 경감 조치를 의미한다. 무인기 비행 지역과 인구 밀집 지역과의 최소 안전 여유거리를 의미하는 지상 위험 여유(Ground risk buffer) 설정 여부가 대표적인 M1에 해당하며, 그림 6과 같이 무인기 비행시험계획서 등에 정의하는 방식으로 무인기 운용자가 M1을 제시할 수 있다.

M2와 M3는 전술적 완화방안(Tactical Mitigation)으로 무인기 운용 중 지상 충돌에너지 경감 수단 또는, 비상 대응 대책(Emergency Response Plan, 이하 ERP) 마련 여부를 통해 완화방안을 제시할 수 있다. M2의 대표 예시로는 그림 7과 같이 낙하산 등이 있으며 M3의 경우, ERP를 정의하고 비상운용 절차 등을 제시함으로써 무인기 최종 GRC에 반영할 수 있다.

앞서 표 1에 제시한 무인기의 최종 GRC를 시범적으로 도출해보면 다음 과정과 같다. 만약, ‘강건성 저’ 수준에 해당하는 M1, ‘강건성 고’ 수준에 해당하는 M2, ‘강건성 저’ 수준에 해당하는 M3를 무인기 운용자가 완화방안으로 제시했다고 가정했을 때, 그림 5에 제시된 표에 따라, 무인기의 최종 GRC는 초기 지상위험등급인 iGRC 5에서 M1 완화방안으로 -1, M2 완화방안으로 -2, M3 완화방안으로 +1로 GRC 등급이 조정된다. 그 결과, iGRC 5에서 최종 GRC 3으로 기존 iGRC 대비 2등급을 줄임으로써 무인기 운용 시 적용되는 요구사항을 완화할 수 있다.

ARC의 도출과정도 GRC와 거의 유사하나, 군용 무인기의 특성상 공항 또는 도심 지역과 분리되며, 중앙방공통제소(Master Control and Reporting Center, 이하 MCRC)를 통해 타 항공기의 접근 여부를 지속 확인하므로 공중 충돌 위험도가 현저히 낮다. 따라서 표 1의 무인기의 ARC를 도출한다고 가정했을 때 그림 7의 공중 위험도 등급 분류표에서 제일 낮은 등급인 ARC-a로 분류 가능하며 가장 낮은 등급이 책정됨에 따라 별도의 완화방안 도출은 무의미하다.

종합하여 GRC 3 및 ARC a로 분류된 무인기의 최종 SAIL을 도출하면 그림 8 내 SAIL 판단 표에 근거하여, SAIL II가 확정된다. 24개의 OSO 항목별 달성 수준을 의미하는 강건성 수준이 SAIL 별로 다음 표 6과 같이 차등 적용됨을 감안한다면, SORA 지침서에서 요구하는 특정 수준의 완화방안 제시하는 것만으로도 무인기가 달성해야 할 요구사항의 수준이 현저히 낮아짐을 확인할 수 있다. 앞서 표 1에 제시한 무인기의 경우, SAIL II 등급임에 따라, 무인기 운용자는 고등급 수준의 요구사항 달성 없이 중 또는 저 수준의 요구사항 달성만으로도 무인기 운용이 가능하다.

결론

본 기고에서는 유럽의 무인기 운용지침서인 SORA 운용지침서를 기반으로 군용 무인기에 시범 적용해봄으로써 무인기 운용 시 위험도 완화방안 고찰 및 최종 위험도 등급인 SAIL 도출을 통해 추후 군용 무인기 운용방안에 대한 새로운 관점을 제시하고자 하였다. 기존 군용 무인기의 경우, 설계 관점의 감항인증기준 기반으로 인증서 발급 시 운용이 가능하였으나, 최근, 전 세계적으로 SORA 운용지침서 등 위험도 평가기법을 활용하여 비행 허가 목적의 무인기 안전성 운용 평가기법이 다수 개발되면서 군에서도 최근 표준감항인증기준 Part 4 고시 등 위험도 평가기법을 활용한 군용 무인기 안전성 평가 및 운용방안을 강구하고 있다. 그 일환으로, 해군은 작전 지역 감시·정찰 목적으로 2028년 도입 예정인 함탑재정찰용/서북도서용 무인기에 대해 SORA 운용지침서 분석 내용을 기반으로 운용 안전성을 평가하는 등, 군용 무인기에 적용한 사례도 최근 발생한 바 있다.

본 기고 내용을 바탕으로 군용 무인기의 SORA 운용지침서 활용방안이 구체화 된다면, 중·소형급 무인기 운용 안전성 평가에 대한 새로운 관점을 제시함으로써 향후, 군용 무인기의 전력화 및 안전한 운용방안 마련에 기여할 수 있을 것이라 사료된다.