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문제 정의
- 본 논문은 국내의 ADS-B 기술개발과 관련하여 국제기구 및 국가의 전환계획에 따른 국가적 수요에 대응하고, 향후 국내 CNS/ATM 시설 구축을 위한 필수적인 기초연구가 될 뿐만 아니라 실제 운용상에 있어 국내 환경에 기반을 둔 독자적이고 종합적인 성능및 효과에 대한 확인결과를 확보할 수 있는 점을 주요 근간으로 삼고 있다. 항공분야에 있어 새로운 시스템에 대한 연구/개발은 체계적인 비행시험으로 완성되므로 현재까지 부분적으로 수행되었던 국지적인 개발 기술과 향후 연계될 개발사업과의 체계적인 연계를 통하여 포괄적인 CNS/ATM 분야의 기반 기술의 확보도 가능해지리라 예상되기에 CNS/ATM 분야에 대한 기반 연구로 그 의미가 크다고 본다.
- 본 비행시험은 항공기 및 지상국에 설치된 CDTI 상에서 제시되는 항공기정보 특히 목적고도정보를 이용하여 ADS-B의 운영상 이점(benefits)을 확인하고자 진행되었다. 비교대상은 음성통신량 즉, 주파수 사용횟수와 주파수 점유시간으로, 수행된 비행시험은 물론 비행시험결과 나온 데이터를 바탕으로 시뮬레이션을 통하여 반복적으로 기존 시스템 환경에서와의 차이를 비교분석을 하였다.
제안 방법
- ADS-B 조건시에 사용되는 용어(Phraseologies)는 ADS-B를 실제로 운영하고 있는 호주를 비롯하여 미국, 유럽의 표준 관제용어를 바탕으로 국내 항공교통관제사와 조종사가 교신내용을 명확하게 이해할 수있는 용어를 선별하여 본 비행시험 및 사후 시뮬레이션에 적용하였다(표 2 참조).
- 비행시험은 미리 설정된 비행시험절차에 따라 3개의 단계로 나누어 실시되었다. 각 단계의 비행시험시간은 평균 25분 내 외로 일상적인 비행형태를 따라 실시되었으며, 항공교통관제사와 조종사간의 주파수 사용횟수 및 주파수 점유시간을 관제탑 음성녹음장치를 이용하여 확보하였고 그 자료를 ADS-B 조건하에서 음성통신량과 비교하여 어떠한 변화가 있는지를 분석하였다.
- 비행시험은 미리 설정된 비행시험절차에 따라 진행되었다. 각 단계의 비행시험시간은평균 25분 내외로 일상적인 비행형태를 따라 실시되었고, 항공교통관제사와 조종사간의 주파수 사용횟수 및 주파수 점유시간은 태안비행장 관제탑 음성녹음장치를 이용하였으며 그 결과를 ADS-B 조건하에서 음성통신량과 비교하여 어떠한 변화가 있는지를 분석하였다.
- 그림 4는 이번 비행시험을 위해 구축된 ADS-B 비행시험의 체계도로, 각 송수신기 및 데이터 프로세싱 장비를 통하여 ADS-B, TIS-B 메시지와 D-GPS 정보를 처리하였고, 데이터링크는 태안비행장에서 사용 가능한 VHF 주파수대역(121.600~121.975MHz) 중 121.6MHz를 STDMA7) 방식을 이용하여 항공기와 항공기간, 항공기와 지상국간을 링크 시켰다. 이러한 데이터 링크를 통하여 항공기 및 지상국에 설치된 CDTI에 ADS-B 장비를 탑재한 항공기의 데이터를 실시간으로 시현하여 관제사와 조종사가 동일한 화면을 보며 해당 업무를 수행할 수 있도록 하였다.
- 본 연구는 국내 ADS-B 도입을 위해 반드시 준비 되고 선행되어야할 비행시험으로, 지상국(ground station)을 태안비행장 관제탑에 구축하고 태안비행장 북측 9~30km에 위치한 비행시험공역에서 총 2대의 항공기에 CDTI를 포함한 ADS-B 장비를 장착한후 ADS-B 및 TIS-B 메시지의 VHF 데이터링크 테스트 등을 거쳐 실시되었다.
- 본 비행시험은 항공기 및 지상국에 설치된 CDTI 상에서 제시되는 항공기정보 특히 목적고도정보를 이용하여 ADS-B의 운영상 이점(benefits)을 확인하고자 진행되었다. 비교대상은 음성통신량 즉, 주파수 사용횟수와 주파수 점유시간으로, 수행된 비행시험은 물론 비행시험결과 나온 데이터를 바탕으로 시뮬레이션을 통하여 반복적으로 기존 시스템 환경에서와의 차이를 비교분석을 하였다.
- 비행시험을 위한 브리핑은 참여하는 항공교통관제사 및 항공기 조종사의 상황인식을 높이기 위하여 사전에 정해진 시나리오 즉, 태안비행장에서 일상적 으로 이루어지는 비행절차를 바탕으로 설정하여 실시하였다. 비행시험절차는 그림 6에서 보는 바와 같이 총 3개의 단계(segment)로 이륙 후 상승단계, 체 공단계, 강하단계로 구성하였다.
- 비행시험을 위한 브리핑은 참여하는 항공교통관제사 및 항공기 조종사의 상황인식을 높이기 위하여 사전에 정해진 시나리오 즉, 태안비행장에서 일상적 으로 이루어지는 비행절차를 바탕으로 설정하여 실시하였다. 비행시험절차는 그림 6에서 보는 바와 같이 총 3개의 단계(segment)로 이륙 후 상승단계, 체 공단계, 강하단계로 구성하였다. 상승단계는 활주로 15로 출발하여 2회의 장주비행을 거친 후 태안비행장에 설정된 waypoint를 거쳐 6000피트까지 step-up 상승을 하는 단계이고, 체공단계는 6000피트에서 1000피트까지 step-down 방식으로 체공하는 단계이며 강하단계는 BACKA지점(4500피트)에서 1000피트까지 하강하는 단계를 말한다.
- 사후 시뮬레이션(post-simulation)은 비행시험이 종료된 이후에 수행된 시험의 데이터 및 교신내용을 바탕으로 ADS-B 조건하에서 항공교통관제업무 (ATCS)의 변화, 특히 음성통신량(주파수 사용횟수및 주파수 점유시간)을 비교분석하기 위한 과정으로, 비행시험에 참여한 항공교통관제사 및 조종사와 함께 시뮬레이터를 통해 동일조건으로 다시 수행하였다(그림 8 참조)
- 6MHz를 STDMA7) 방식을 이용하여 항공기와 항공기간, 항공기와 지상국간을 링크 시켰다. 이러한 데이터 링크를 통하여 항공기 및 지상국에 설치된 CDTI에 ADS-B 장비를 탑재한 항공기의 데이터를 실시간으로 시현하여 관제사와 조종사가 동일한 화면을 보며 해당 업무를 수행할 수 있도록 하였다.
- 효과적인 비행시험을 위하여 비행시험 전에 시나리오에 대한 사전 브리핑이 실시되었다. 브리핑에는 H대학교의 항공교통관제(ATCS) 시뮬레이터가 이용되었는데 이 시설은 비행시험 후 실제 비행시험에 대한 검증과정을 거치기 위하여 사후 시뮬레이션 (Post-Simulation)을 수행하는데도 이용되었다.
대상 데이터
- 공간적 범위는 태안비행장 북측 9~30km에 위치한 비행시험공역(36.40N 126.12E, 36.46N 126.07E, 36.54N 126.15E, 36.45N 126.20E)으로, 지상국 (ground station)을 태안비행장 관제탑에 구축(그림 7참조)하고 총 2대의 항공기에 CDTI를 포함한 ADS-B 장비를 장착한 후 ADS-B 및 TIS-B 메시지의 VHF 데이터링크 test 등을 거쳐 실시되었다.
- 본 비행시험을 위하여 H대학교 태안비행장에 ADS-B 및 TIS-B를 위한 지상국(Ground Station)을 설치하였다.
- 본 연구는 제한적인 지역에서 한정된 항공기를 이용하여 비행시험이 이루어졌다. 그러나 국내에서 처음으로 ADS-B를 이용한 운용시험이므로 앞으로 각 단계별로 운용시험범위를 확대하는 연구가 필요할 것으로 판단되며, 특히 상황에 따라 항공안전을 저해할 환경을 지닌 공항에서의 지속적인 운용시험의 확대가 필요하다고 판단된다.
- 또한 비행시험을 위해 2대의 Cessna 172R 항공기가 참여하였으며 그림 5는 참여 항공기와 비행시험에 사용된 항공기 탑재장비 및 지상국장비를 보여주고 있다. 탑재장비에는 탑재용 CDTI 및 ADS-B 데이터 프로세서, ADS-B 데이터 송수신기, VHF 안테나, DGPS 수신기 등이 사용 되었고, 지상장비로는 지상용 CDTI, ADS-B 송수신기, ADS-B 데이터 프로세서, DGPS 안테나 등이 사용되었다.
성능/효과
- 또한 기존시스템에서 제공하지 못하던 목적고도 (aiming altitude) 제공을 포함하는 CDTI의 항공기 탑재는 음성통신량의 혁신적인 감소를 가져오고, 이를 통하여 관제사 및 조종사의 업무량이 뚜렷하게 개선됨을 확인할 수 있었다. 이를 통하여 관제사는 보다 감시(S)업무에 전념할 수 있어 항공교통업무 측면에서 항공안전의 증대를 가져올 수 있게 되고, 조종사는 ADS-B 조건에서 본연의 업무인 항공기운항에 더욱 집중할 수 있게 되어 조종사의 상황인식 (situational awareness) 증대효과도 기대할 수 있음을 본 연구를 통하여 확인할 수 있었다.
- 이를 통하여 항공교통관제사 및 조종사의 업무량이 개선 되는 효과를 얻을 수 있음도 확인하였고, 조종사의 경우는 ADS-B로의 전환이 상황인식(situational awareness) 증대 효과가 있음을 확인할 수 있었다. 또한, ADS-B가 조종사 보다 항공교통관제사 업무량을 더욱 개선하는 것으로 분석되었다.
- 분석결과, 기존 환경에서보다 ADS-B 조건하에서 음성통신량이 현저하게 감소함을 확인하였다. 이를 통하여 항공교통관제사 및 조종사의 업무량이 개선 되는 효과를 얻을 수 있음도 확인하였고, 조종사의 경우는 ADS-B로의 전환이 상황인식(situational awareness) 증대 효과가 있음을 확인할 수 있었다.
- 1% 감소하여 그만큼의 개선효과가 있음을 보여주고 있다. 이 분석결과에서 기존 시스템이 ADS-B로 전환될 경우 조종사보다도 관제사가 더 큰 효과 및 수혜를 볼 것으로 예상할 수 있게 되었다.
- 또한 기존시스템에서 제공하지 못하던 목적고도 (aiming altitude) 제공을 포함하는 CDTI의 항공기 탑재는 음성통신량의 혁신적인 감소를 가져오고, 이를 통하여 관제사 및 조종사의 업무량이 뚜렷하게 개선됨을 확인할 수 있었다. 이를 통하여 관제사는 보다 감시(S)업무에 전념할 수 있어 항공교통업무 측면에서 항공안전의 증대를 가져올 수 있게 되고, 조종사는 ADS-B 조건에서 본연의 업무인 항공기운항에 더욱 집중할 수 있게 되어 조종사의 상황인식 (situational awareness) 증대효과도 기대할 수 있음을 본 연구를 통하여 확인할 수 있었다.
- 분석결과, 기존 환경에서보다 ADS-B 조건하에서 음성통신량이 현저하게 감소함을 확인하였다. 이를 통하여 항공교통관제사 및 조종사의 업무량이 개선 되는 효과를 얻을 수 있음도 확인하였고, 조종사의 경우는 ADS-B로의 전환이 상황인식(situational awareness) 증대 효과가 있음을 확인할 수 있었다. 또한, ADS-B가 조종사 보다 항공교통관제사 업무량을 더욱 개선하는 것으로 분석되었다.
- 전체적으로 ADS-B 조건에서 주파수사용횟수는 관제사가 약 80.6%, 조종사는 79.7%가 감소하였고 주파수 점유시간은 기존 환경에 비해 관제사가 61.1%, 조종사가 54.1% 감소하여 그만큼의 개선효과가 있음을 보여주고 있다. 이 분석결과에서 기존 시스템이 ADS-B로 전환될 경우 조종사보다도 관제사가 더 큰 효과 및 수혜를 볼 것으로 예상할 수 있게 되었다.
- 표 3는 비행시험 및 시뮬레이션을 통하여 각각 기존 ATCS 환경에서의 음성통신량과 ADS-B 조건에서의 음성통신량을 비교한 결과를 보여주고 있다. 주파수 사용횟수는 기존 환경에서 각 단계별로 관제사는 평균 10회(상승단계), 15회(체공단계), 6회(강하단계) 를, 조종사는 평균 20회, 27회, 12회로 나타났는데, ADS-B 조건에서는 관제사가 각 단계에서 2회를, 조종사는 4회를 나타내어, 교신횟수가 많았던 체공단계에서 관제사는 무려 86.7%가, 조종사는 85.2%가 감소하는 개선효과를 보였고 상승단계 및 강하단계에서 관제사 및 조종사 모두 각각 80.0%, 66.7%의 개선효과를 보였다. 주파수 점유시간의 경우, 관제사는 상승, 체공, 강하단계에서 각각 66.
- 7%의 개선효과를 보였다. 주파수 점유시간의 경우, 관제사는 상승, 체공, 강하단계에서 각각 66.7%, 61.4%, 48.4%가 감소하였고, 조종사는 60.0%, 54.9%, 42.2%가 감소하여 주파수 점유시간은 상승, 체공, 강하단계 순으로 뚜렷하게 개선됨을 알 수 있었다.
후속연구
- 본 연구는 제한적인 지역에서 한정된 항공기를 이용하여 비행시험이 이루어졌다. 그러나 국내에서 처음으로 ADS-B를 이용한 운용시험이므로 앞으로 각 단계별로 운용시험범위를 확대하는 연구가 필요할 것으로 판단되며, 특히 상황에 따라 항공안전을 저해할 환경을 지닌 공항에서의 지속적인 운용시험의 확대가 필요하다고 판단된다.
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