제14부 민간 UAS — 기술·운용·응용

14.22 UTM I: 개념·아키텍처(USS·DSS)

14.22.1 이 장에서 배우는 것 / 선수 지식 / 특히 중요한 독자

항공교통관제(ATC)는 소형 무인기를 관제하지 않는다. 지표 위 400 ft 이하에서 수만 대가 날 수 있다면 관제사와 조종사의 음성 교신으로 분리를 유지할 수 없다. 무인기 교통관리(UTM) 는 그 자리에 운용자들이 운용 의도를 서로 공유하고 서비스 공급자를 통해 조정하는 분산 체계를 두는 개념이다. 이 장은 FAA의 UTM 운용 개념 2.0판(2020-03-02)을 원문으로 읽어 참가자와 서비스, 운용의 흐름, 분리의 층, 책임의 배분을 정리하고, 전략적 분리가 시간 불확실성 때문에 얼마나 많은 용량을 잃는지를 계산한다. USS 사이의 프로토콜과 DSS의 자료 구조는 9.14가 다루므로 여기서는 반복하지 않고, EU U-space와 한국의 체계는 14.23, 원격 식별은 14.24이 다룬다. 이 책의 방침(BK-04)에 따라 군용 공역 통제는 다루지 않는다.

배우는 것:

• 구조 — 운용 개념은 FAA(규제·공역 제약), 운용자와 원격조종사, USS와 USS 네트워크, 보충 데이터 제공자, 공공 안전·일반 대중을 참가자로 둔다(14.22.2.2).
• 책임 — 분리의 최종 책임은 운용자에게 있고 USS는 지원자다. 정상 운용 중 FAA는 USS로부터 의도 자료를 받지 않는다(14.22.2.2·14.22.4).
• 분리의 층 — 전략적 분리 → 적합성 감시 → 전술적 분리 → 통행 규칙의 순서이며, 전략적 관리만으로 충분한 곳은 저위험·저복잡도 운용이다(14.22.3.1).
• 용량 — 운용 부피가 구간 100 m·속도 15 m/s이고 시간 여유 $k=2$일 때 한 차선의 처리량은 도착 시간 불확실성 $\sigma$가 1·3·10·30 s이면 338·193·77·28편/h다(14.22.3.2).
• 거래 — 여유를 줄이면 처리량이 늘지만 $\sigma=3$ s에서 $k=1$은 시간 창 이탈이 31.7 %다(14.22.3.3).

선수 지식: 0.8(공역), 9.14(ASTM F3548·DSS), 14.20(유인기와의 공존), 14.21(공역·기상 정보)을 읽었다고 가정한다.

특히 중요한 독자: 서비스 사업자는 14.22.2·14.22.5를, 정책·법무 담당자는 14.22.4·14.22.8을, 엔지니어는 14.22.3·14.22.7을, 운용 담당자는 14.22.2.3·14.22.3.1을 먼저 읽는다.

기준 시점과 정직성. 2026년 11월 기준이다. 원문을 읽은 것: FAA, Unmanned Aircraft System (UAS) Traffic Management (UTM) Concept of Operations v2.0(2020-03-02, 80쪽; 1.3·1.4, 2.1, 2.3~2.7과 부록 목차 — 2.2·2.7.2의 보안 서술, 3장의 운용 시나리오와 4장 구현은 읽지 못했다), FAA LAANC 쪽(14.21에서 읽음). 읽지 못한 것: ASTM F3548 본문(유료, 9.14는 공개 OpenAPI만 읽었다), NASA의 UTM 기술 능력 수준(TCL) 문서, FAA의 후속 문서(Part 108 NPRM의 UTM 연계 등), EU·한국의 규정(14.23). 이 장이 읽은 것은 개념 문서이지 규정이 아니다. 운용 개념은 '해결책이나 구현 방법을 규정하지 않는다'고 스스로 밝힌다(1.4). 시간 창 용량 모형은 이 책의 단순화이며 입력은 설명용 가정이다. 이 장은 운용 승인 지침이 아니다.

14.22.2 개념·직관

14.22.2.1 UTM은 무엇이고 ATC와 어떻게 다른가

운용 개념 2.1은 UTM을 FAA의 규제 권한 아래 업계가 서비스를 공급하는, 공동체 기반의 협력적 교통관리 체계로 정의한다. 운용자와 운용 지원 서비스 제공자가 운용의 조정·실행·관리를 책임지고 FAA는 '통행 규칙'을 정한다. 운용자 사이의 의도 공유와 조정이 중심이고 주된 통신 수단은 조종사와 관제사의 음성이 아니라 분산된 정보 네트워크다. FAA는 실시간 공역 제약을 운용자에게 제공하되 운용자는 FAA의 ATC 서비스를 받지 않고 제약 안에서 스스로 안전하게 운용한다. FAA는 필요할 때 UTM 운용 정보에 접근할 수 있다.

두 가지 원칙이 눈에 띈다. 첫째, '승인하고 평가한다(authorize and assess)' 는 접근이다. 새 산업의 핵심 우려에 맞추어 능력을 시간에 따라 발전시키고, UTM 서비스의 운용 사용을 밀도 같은 요인에 따라 사건 기반으로 둘 수 있다. 둘째, LAANC를 초기 UTM 능력으로 본다. 14.21.4.1의 LAANC는 이 체계의 첫 구현이다.

14.22.2.2 참가자와 서비스

운용 개념 2.3.1·2.3.2의 참가자는 다음과 같다.

운용 개념은 서비스를 세 부류로 나눈다. ① FAA 규정상 운용자가 사용해야 하거나 FAA 시스템과 직접 연결되는 서비스 — FAA가 정한 성능 규칙에 따라 자격을 인증받아야 한다. ② 규정 충족의 일부를 맡는 서비스 — 허용 가능한 준수 수단을 충족하고 개별 인증을 받을 수 있다. ③ 규정 준수와 무관한 부가가치 서비스 — 업계 표준을 충족할 수 있으나 FAA 인증을 받지 않는다. 운용 개념에서 'UTM 운용'은 ①·②의 서비스를 사용하는 운용이다. 운용자는 USS를 쓰거나 자체 서비스를 갖출 수 있고(각주 15), 자체 USS가 되려면 서비스 제공 요건을 충족해야 한다.

14.22.2.3 운용의 흐름

운용 계획은 비행 계획과 다르다. 비행 계획은 ATC 자동화 체계에 전달되어 관제 대상이 되지만 운용 계획은 운용자 사이의 상황 인식과 조정을 위한 의도 자료다. 운용 부피는 단일 부피이거나 시간으로 나눈 분절의 연속이며, 부피를 분절하면 공역 효율이 높아지고 중복이 줄어든다고 운용 개념은 서술한다.

14.22.3 원리 — 분리의 층과 전략적 분리의 용량

14.22.3.1 분리는 여러 층의 곱이다

운용 개념 2.4.6은 분리가 공유된 의도, 공유된 인식, 운용 부피의 전략적 충돌 해소, 기체 추적과 적합성 감시, 전술적 충돌 해소를 돕는 기술, 통행 규칙으로 이루어진다고 서술한다. 순서는 다음이다.

전략적 관리만으로 충분할 수 있는 곳은 저위험·저복잡도 운용이다. 운용 개념의 예는 유인·무인 활동이 드문 농촌·외지에서 의도를 공유하는 BVLOS 운용이다. 사람이 많고 유인기 활동이 있는 곳은 전략적 관리를 넘는 분리 보증이 필요하다고 한다. 또 저고도 유인기 조종사는 BVLOS UAS 운용자와 분리 책임을 일부 나누지만 VLOS UAS 운용자에 대한 분리 책임은 나누지 않는다(2.7.1). 이것은 14.20.3.1의 크기 비대칭과 일치한다(해석).

14.22.3.2 전략적 분리가 용량을 잃는 방식

운용 부피는 구간마다 진입·퇴출 시간을 가진 4차원 블록이다(2.7.1). 두 운용이 같은 구간의 시간 창이 서로 포개지지 않게 예약하는 것이 전략적 분리의 핵심이다. 이 책은 다음의 단순화 모형을 둔다. 한 비행이 구간 길이 $\ell$을 속도 $v$로 지나는 시간 $\ell/v$에 양쪽으로 시간 여유 $k\sigma$($\sigma$는 구간 도착 시간 오차의 표준편차, $k$는 여유 계수)를 더해 예약한다. 같은 구간을 연속으로 예약할 수 있는 최소 간격과 한 차선의 처리량은 다음이다.

$$h=\frac{\ell}{v}+2k\sigma,\qquad C=\frac{3600}{h}\ \text{[편/h]}$$

$\ell=100$ m·$v=15$ m/s·$k=2$에서 시간 불확실성에 따른 값은 다음과 같다.

여유가 0이면 540편/h이지만 $\sigma=10$ s에서는 77편/h로 줄고, 이때 구간을 줄이는 것은 소용이 없다. $\sigma=10$ s에서 구간 길이 100·500·2,000 m의 처리량은 77·49·21편/h이며 구간이 짧을수록 좋지만 한계는 $3600/(2k\sigma)=90$편/h다. 시간 불확실성이 용량을 정하고 구간 분절은 그 한계에 접근하는 수단일 뿐이다. 운용 개념이 "항법 성능이 높은 UAS는 더 작은 부피를 유지할 수 있고 밀도가 높을 때는 항법 성능 요구가 엄격해질 수 있다"고 서술하는 것은 이 관계를 정성적으로 말한 것이다(2.7.1). 이 모형은 구간마다 독립인 정규 오차, 한 차선 직선 경로, 무인기끼리 같은 속도를 가정했고 교차·합류·고도 분리와 취소·지연의 연쇄는 포함하지 않았다.

14.22.3.3 여유와 적합성의 거래

시간 오차가 정규분포 $N(0,\sigma^2)$일 때 한 구간에서 시간 창을 벗어날 확률은 $2(1-\Phi(k))$다.

($\sigma=3$ s, $\ell=100$ m, $v=15$ m/s)

이탈을 줄이는 여유가 곧 처리량을 줄인다. $k=3$이면 이탈은 0.27 %로 낮아지지만 처리량은 여유 0의 27 %다. 운용 개념은 운용자가 운용 부피 안에 머무를 책임이 있고 이탈 감지는 적합성 감시가 맡으며 이탈하면 USS가 새 부피를 만들어 대응한다고 서술한다. 즉 작은 여유로 높은 처리량을 노리고 이탈은 감시와 사후 조정으로 흡수하는 설계와 큰 여유로 이탈을 줄이는 설계는 같은 문제의 다른 해법이고, 어느 쪽이 맞는지는 이탈의 결과(14.20의 충돌 에너지, 14.18의 사람 위)에 달려 있다. 이탈 확률 4.6 %의 구간은 안전 논거에서 '이탈은 흔한 일'로 취급해야 하며, 구간 수가 많은 경로에서는 구간마다의 이탈 확률이 누적된다(독립이 아닌 상관 오차를 포함하면 달라진다).

14.22.4 규제와 책임

운용 개념은 규정이 아니다. 운용 개념 1.4는 '해결책이나 구현 방법을 규정하지 않는다'고 밝힌다. 책임 배분 표(2.5)는 운용자를 분리와 위험 요소(기상·지형·장애물) 회피의 주 책임자로, USS를 지원 역할로 두고, FAA를 공역 할당·제약 정의와 관제 공역 승인에 관여하는 주체로 표시한 것으로 읽힌다(텍스트 추출에서 칸의 기호 일부가 손실되어 칸별 확인은 못 했다). 본문의 명시 서술은 다음이다.

• 운용자의 최종 책임. UTM 운용자는 다른 항공기·공역·기상·지형·위험 요소로부터의 분리와 안전하지 않은 상태의 회피에 궁극적으로 책임이 있다(2.4.6). 책임은 서비스 이용으로 옮겨지지 않는다.
• 정상 운용 중 FAA는 의도 자료를 받지 않는다. FAA는 FIMS로 실시간 공역 제약을 USS에 제공하지만 정상 운용 중 USS로부터 의도 자료를 받지 않고, 비정상 상황에서 FAA·ATC가 시간 안에 조치할 수 있는 기준에 맞을 때만 USS가 FIMS로 통지한다(2.7.1).
• 의도 공유 의무의 범위. BVLOS 운용자는 USS 네트워크로 운용 의도를 공유해야 한다고 서술하고(2.7.1), VLOS 운용자(Part 101(e)·107)와 유인기는 의도 공유 의무가 없으나 비행 전에 영향을 주는 운용을 확인하는 서비스를 이용하도록 권장한다. 유인기 운용자의 참여는 선택이며 수동(UAS 의도를 얻는다)과 능동(자기 의도를 제공한다)이 있다(2.4.1).
• UVR. 경찰·재난 대응 같은 임시 활동의 시간·공간을 알리는 UAS 부피 예약은 보통 시간 단위의 짧은 기간이다. UVR은 UTM 참가자를 공역에서 배제하지 않는다. 운용자는 계속 운용하되 주의하거나(자체 감지·V2V 능력이 있을 때), 구역을 피하거나, 착륙하는 판단을 스스로 하며 안전 책임을 진다(2.4.5·2.7.1). UVR은 알림이고 규정상 임시 비행 제한(91.137, 14.20.4.1)은 배제다. 한 구역이 UVR과 임시 비행 제한으로 함께 지정될 때의 관계는 읽은 범위의 운용 개념에서 확인하지 못했다(확인 필요).
• 형평. 성능 승인을 받은 사용자 사이에는 우선 체계를 가정하지 않는다. 수요가 늘면 성능 요구가 높아질 수 있고 수요가 안전을 넘으면 FAA가 수요를 관리할 수 있다(2.7.3).

EU의 U-space 규정과 한국의 K-드론 교통관리는 14.23, 17.12에서 다룬다(확인 필요).

14.22.5 설계·운용의 선택

• ① 자체 USS 대 공급자 이용. 자체 서비스는 통제력이 크지만 USS 요건과 상호운용 검증을 모두 충족해야 한다(운용 개념 각주 15). 공급자는 상호운용을 얻지만 단일 고장점이 된다.
• ② 정보 공유 범위. 운용 의도는 USS 네트워크에서 공유되는 부분과 운용자와 USS 사이에서만 공유되는 독점 정보로 나뉜다(2.7.1). 공개를 늘리면 조정이 좋아지고 사업 비밀 노출이 늘어난다.
• ③ 유인기 참여. 유인기에 의무를 두지 않는 한 UTM은 유인기를 보지 못한다. 14.20에서 보았듯 현장 유인기가 가장 큰 위험이다. 수동 참여(UAS 의도 조회)는 저비용이지만 유인기의 위치는 UTM에 없다.
• ④ 여유와 용량. 14.22.3.3의 거래다.

견해: UTM의 가치는 전략적 분리로 위험 구역을 비우고 이탈을 빠르게 알리는 것에 있고, 높은 처리량을 목표로 시간 창을 좁히는 것이 첫 목적은 아니라고 본다. 근거는 14.22.3.2·14.22.3.3의 계산이다. 시간 불확실성 $\sigma$가 용량을 정하고, 여유를 줄이면 처리량은 늘지만 이탈 확률이 31.7 %까지 오른다. 반론은 도심 물류 같은 고밀도 운용은 높은 처리량이 사업의 조건이라는 점이다. 그러나 그 경우에도 처리량은 $\sigma$를 줄이는 기체·운용(정시성)의 성능으로 얻어야 하고 여유를 깎아 얻으면 이탈이 일상이 된다. 그래서 성능 승인에서 요구하는 값은 항법 정확도만이 아니라 시간 정확도도 포함하는 편이 낫다고 본다.

14.22.6 세 축 비교

14.22.7 관련 규격·프로토콜

14.22.8 관련 규제·인증 요구와의 연결

14.22.9 함정과 한계

14.22.10 체크포인트·연구 질문

체크포인트

1. UTM의 참가자와 USS 네트워크, SDSP, FIMS의 역할을 구별해 설명할 수 있는가?
2. 운용 개념이 서비스를 세 부류로 나누는 기준과 'UTM 운용'의 정의를 설명할 수 있는가?
3. 분리의 네 층을 열거하고 전략적 관리만으로 충분한 경우를 말할 수 있는가?
4. 시간 불확실성에서 한 차선의 처리량과 여유 계수의 거래를 계산할 수 있는가?
5. UVR과 규정상 임시 비행 제한의 차이를 설명할 수 있는가?

연구 질문(25.7에 모은다)

• 소형 무인기의 구간 도착 시간 오차 $\sigma$의 실측 분포는 기체·바람·임무에 따라 어떠한가?
• 운용 부피 분절의 최적 길이는 항법 성능과 처리량의 균형에서 어떻게 정해지는가?
• 유인기의 수동 참여(UAS 의도 조회)는 저고도 근접 사건을 얼마나 줄이는가?
• USS 인증의 성능 규칙은 상호운용 시험으로 어떻게 검증되는가?

1차 출처(이 장)

• FAA, UAS Traffic Management (UTM) Concept of Operations v2.0 (2020-03-02) — 1.3·1.4, 2.1, 2.3~2.7

다음 장: 14.23 UTM II: U-space·K-드론교통관리·실증 사례 — 이 장의 개념이 EU 규정과 한국의 체계에서 어떻게 구현되는지 본다.