[논문]비행기지 PAR을 이용한 DGPS 공항 접근 및 착륙 정확도 분석

구정; 표상호; 강경성; 김기형

doi:10.9766/kimst.2011.14.5.788

비행기지 PAR을 이용한 DGPS 공항 접근 및 착륙 정확도 분석
Analysis of DGPS Approach and Landing Accuracy using Air Base Precision Approach Radar 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.14 no.5, 2011년, pp.788 - 797

구정 (공군작전정보통신단) , 표상호 (공군작전정보통신단) , 강경성 (공군작전정보통신단) , 김기형 (아주대학교)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper analyzes the accuracy on the approach and landing of aircraft to an airport through comparison with airbase Precision Approach Radar and aircraft track data of DGPS equipped in aircraft. The proposed analysis result could be a basis for verifying the possibility that DGPS can be utilized in Airbase precision approach and landing. Position identification capability of widely used commercial DGPS is fairly accurate on latitude and longitude, while there is a slight error for being used in an airbase accurate approach and landing of Category I precision when it comes to altitude. Thus, we tested accuracy by analyzing actual flight track data of high performance aircraft to verify the accuracy of the airbase approach and landing using DGPS. Through the research, we developed instrumentation to compare PAR track data with DGPS track data, which can be used in reducing the number of PAR verification Flight utilizing it as a system measuring PAR accuracy at PAR installation phase.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

상업용 DGPS는 위도·경도는 상당히 정확한 반면, 고도 정보는 Category I 정밀도의 공항 접근 및 착륙에 이용하기에는 다소 오차가 있어 이에 대한 검증이 필요한 실정이다. 따라서 본 논문에서는 고성능 항공기의 실 비행을 통해 PAR 항적자료와 항공기 탑재 DGPS의 항적자료를 추출하여 비교, 분석함으로서 DGPS의 정확도에 대한 검증을 시도하였다. 본 연구를 통해 PAR 항적자료와 DGPS 항적자료를 비교분석하는 방법적 측면의 기법을 개발하고, 이를 이용하여 PAR의 정확도를 검증하는 방법을 제시하고자 한다.
마지막으로 본 연구의 결과를 적용할 수 있는 분야 및 추가적인 연구사항에 대하여 제시하였다.
본 논문은 비행기지의 정밀접근레이더(PAR : Precision Approach Radar)와 항공기 탑재 DGPS의 항적자료에 대한 비교를 통하여 항공기의 공항접근 및 착륙에 대한 정확도를 분석하고, 이를 근거로 항공기의 공항 정밀접근 및 착륙에 DGPS를 활용할 수 있는 가능성을 검증하기 위한 것이다.
본 논문은 항공기의 공항 정밀 접근에 DGPS를 이용할 수 있는 방법을 연구하기 위한 것으로 고성능 항공기의 실제 비행을 통해 추출한 자료를 이용하여 이를 검증하였다.
본 연구는 DGPS의 정확성을 검증하기 위한 것이었으나 비행기지에 PAR을 설치 시 PAR인증을 위한 사전 단계로서 DGPS를 장착한 항공기의 비행을 통해 그 정확성을 측정함으로써 검증비행 횟수를 줄일 수 있을 것으로 본다.
따라서 본 논문에서는 고성능 항공기의 실 비행을 통해 PAR 항적자료와 항공기 탑재 DGPS의 항적자료를 추출하여 비교, 분석함으로서 DGPS의 정확도에 대한 검증을 시도하였다. 본 연구를 통해 PAR 항적자료와 DGPS 항적자료를 비교분석하는 방법적 측면의 기법을 개발하고, 이를 이용하여 PAR의 정확도를 검증하는 방법을 제시하고자 한다.
검증하기 위한 방법은 특정 기지에 대하여 UMPC와 DGPS를 탑재한 실제 항공기의 PAR 정밀접근을 수행하고, 같은 시간대에 국토지리정보원에서 정한 비행장 주변의 국가 통합기준점에서의 DGPS 위치자료를 수신함으로서 DGPS의 오차를 측정한다. 항공기가 정밀접근을 수행하는 동안 PAR에서는 이 항공기를 추적하여 항적자료를 생성하고, DGPS와 PAR에서 추출한 항적자료 비교를 통하여 정밀접근에 대한 정확성을 검증하는 것이다.

제안 방법

본 시험에는 3대의 WAAS DGPS를 이용하였다. 1개 측지점에서 각각 2시간 씩 측정하고 그 결과를 후처리방식으로 계산하였다.
DGPS를 이용한 공항접근의 정확성을 시험하고 검증하기 위한 체계는 Fig. 2에서 보는 바와 같이 UMPC(Ultra Mobile Personal Computer)를 항공기 조종석 전면에 장착하여 DGPS 항적 자료를 저장함과 동시에 특정기지에 대한 접근 경로각과 강하각을 조종사에게 시각적으로 나타내 줄 수 있는 체계를 구축하였다.
제 4장에서는 실질적인 검증을 위한 실험자료의 추출과 비교/분석 결과를 나타내었다. DGPS의 고도 정확도를 검증하기 위해서 시험을 단계별로 수행하였으며, 최종적으로 항공기의 공항 접근을 통해 DGPS에서 추출한 항적자료와 비행기지에 설치되어 있는 PAR의 항적 자료를 비교하여 검증하였다.
검증하기 위한 방법은 특정 기지에 대하여 UMPC와 DGPS를 탑재한 실제 항공기의 PAR 정밀접근을 수행하고, 같은 시간대에 국토지리정보원에서 정한 비행장 주변의 국가 통합기준점에서의 DGPS 위치자료를 수신함으로서 DGPS의 오차를 측정한다. 항공기가 정밀접근을 수행하는 동안 PAR에서는 이 항공기를 추적하여 항적자료를 생성하고, DGPS와 PAR에서 추출한 항적자료 비교를 통하여 정밀접근에 대한 정확성을 검증하는 것이다.
DGPS의 정확성을 검증하기 위해서는 PAR에서 바라보는 항공기의 위치자료와 항공기에 장착된 DGPS가 측정하는 자료와의 관계에 대한 정의가 필요하며, WGS-84는 이를 나타낼 수 있는 가장 좋은 좌표체계가 될 것이다. 따라서 PAR에서 추적하는 항적의 위치를 WGS-84 좌표체계상의 위도, 경도, 고도로 환산하여 나타내고, 이를 활주로 상의 착륙지점에 대한 접근경로와 강하각으로 나타내어 정확한 위치를 작도하였다.
먼저 첫 단계로 사용하게 될 DGPS의 위치별, 시간대별 위치 정확도를 정확하게 검증함으로써 오차의 범위를 우선적으로 분석하였다. 측정은 국가표준 통합기준점을 여러개 선정하여 단시간 측정하는 것과 및 단일지점에서의 장시간 측정으로 수행하였다.
먼저, 관련 연구로서 DGPS의 정확성 검증에 대한 각종 논문과 DGPS를 이용하는 착륙시스템과 관련한 참조 안테나 구축 등, 선행 연구논문을 검토함으로서 본 연구를 위한 실마리를 정리하고, DGPS의 구성과 원리 및 종류 등에 대해서도 간략하게 정리하였다.
시험 방법은 정확한 위치와 고도를 알 수 있는 특정 측지점에 두 대의 DGPS를 위치시켜 일정한 시간동안 측정하고 측정한 결과를 바탕으로 위치정확도를 계산하게 된다. 즉 DGPS 기준국의 역할을 하는 DGPS를 별도로 지정하고, 지정된 DGPS에서 측정되는 오차를 기준으로 상대 DGPS에서 측정된 자료를 보정해 주는 방식을 택하였다.
첫 번째로 국가통합기준점(측지점)에서 DGPS의 정확도를 검증하는 것으로 다수 지점에서의 단시간 검증과 단일지점에서의 장시간 검증을 수행하고, 2단계에서는 DGPS오차 보정의 효용가치를 예측하기 위하여 DGPS 기준국에서 측정한 오차 정보를 이용하여 항공기의 위치를 보다 정확하게 보정하는 시뮬레이션을 수행하는 것이다. 시험 방법은 정확한 위치와 고도를 알 수 있는 특정 측지점에 두 대의 DGPS를 위치시켜 일정한 시간동안 측정하고 측정한 결과를 바탕으로 위치정확도를 계산하게 된다.
먼저 첫 단계로 사용하게 될 DGPS의 위치별, 시간대별 위치 정확도를 정확하게 검증함으로써 오차의 범위를 우선적으로 분석하였다. 측정은 국가표준 통합기준점을 여러개 선정하여 단시간 측정하는 것과 및 단일지점에서의 장시간 측정으로 수행하였다. Fig.
항공기에 탑재하는 DGPS와 국가통합기준점에서 오차를 측정하는 DGPS는 각종의 정보를 10Hz로 제공하는 DGPS를 선택하여 항공기의 속도로 인해 나타날 수 있는 오차를 최소화할 수 있도록 하였다.
다음은 PAR이 바라보는 지구상의 특정 방향으로의 접선벡터에 대한 단위벡터를 구하고, 이를 기준으로 항공기의 사거리에 대한 스칼라양을 곱한 후 항공기가 위치한 강하각과 경로각 만큼 차례로 회전시켜 X, Y, Z 좌표계상의 지점으로 변환한다. 항공기의 최종적인 위치는 X, Y, Z 축 상의 위치를 위도, 경도, 고도로 변환하여 위치를 구함으로서 필요한 연산에 이용하였다.
현재 상업적으로 판매되고 있는 DGPS를 이용한 공항 정밀접근에 대한 정확도 검증은 Fig. 6에서와 같이 3단계로 구분하여 검증을 수행하였다.

대상 데이터

즉 1대의 DGPS는 측지점에서 오차보정치를 추출하는 역할을 담당하며, 나머지 DGPS는 측정하고자 하는 위치에서 위치정보를 수신한다. 본 시험에는 3대의 WAAS DGPS를 이용하였다. 1개 측지점에서 각각 2시간 씩 측정하고 그 결과를 후처리방식으로 계산하였다.

성능/효과

NAVSTAR GPS 위성이 최초로 운영된 이래 SA(Selected Availability)의 종료와 WAAS를 포함한 각종 DGPS 구현으로 GPS의 측위 정확도는 극적으로 향상되었으며, 정확도의 향상은 DGPS가 항공기의 항로비행 뿐만 아니라 공항 접근의 시작 등, 항공기의 공중항법에 있어 없어서는 안 될 중요한 시스템으로 자리매김하게 하였다.
두 번째 접근에서는 DGPS2 의 자료는 PAR과 약 16ft의 고도오차를 보였으나, DGPS1 의 자료는 1～2ft의 오차범위 내에서 일치하는 것으로 나타났다. DGPS 수신 상태에 따라 고도 및 방위오차가 약간 다를 수 있으나 공항의 Cat I 기준에 만족하고 있음을 알 수 있다.
본 연구를 통해 항공기가 특정 공항에 접근 및 착륙을 수행함에 있어 DGPS의 이용 가능성이 충분함을 입증을 하였으며, 2번의 실제 비행을 통한 기지 정밀접근을 수행하는 가운데 확보한 4종의 DGPS 자료 중 1회만 PAR 자료와 약간 상이한 결과를 나타내었으며 3종의 자료는 거의 일치하는 만족한 결과를 얻었다.
그림에서 보는 바와 같이 DGPS로 측정할 경우 고도 오차가 20～30ft 정도의 오차를 보이는 반면, 오차보정을 수행한 경우 오차가 약 10ft 정도로 줄었음을 알 수 있다. 이는 NAVSTAR 위성으로부터 수신되는 각각의 의사거리(Pseudo Range)를 측정하지 않은 종합된 위치오차를 기준으로 보정한 결과로서 각각의 Pseudo Range를 고려할 경우 정확도는 더 향상시킬 수 있을 것으로 본다.

후속연구

향후 NAVSTAR 위성 각각의 Pseudo Range를 측정하여 접근 및 착륙에 이용할 경우 Cat I을 충분히 만족할 수 있을 것으로 기대된다.
향후 공군에서 연구 중에 있는 S/W 패킷 모뎀^[13]과 PAR 인가 주파수, 그리고 임무컴퓨터로 활용될 신형 UMPC를 이용할 경우 최소의 비용으로 기지 정밀접근이 가능한 Local Area DGPS 체계를 구축할 수 있으며, 실제 비행에 이용 가능한 RTK DGPS를 구축하여 운영함으로서 보다 높은 정밀성을 가지는 체계를 구축할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	GPS의 운영국가는 어디인가?	GPS 운영국가인 미국은 SBAS(Satellite Based Argumentation System)의 일종인 WAAS(Wide Area Argumentation System)를 실용화하여 운영 중에 있으며, 우리나라도 GBAS(Ground Based Argumentation System)의 일종인 NDGPS(Nationwide DGPS)를 운영하는 등, DGPS가 보편화되어 있다[1].
	DGPS는 어떤 능력을 가지고 있는가?	DGPS는 기준신호를 수신할 수 있는 적절한 장비만 갖춘다면 지구상의 어떤 지점에서건 불과 몇 m 이내로 정밀하게 위치를 식별할 수 있는 능력을 가지고 있다. 상업용 DGPS는 위도․경도는 상당히 정확한 반면, 고도 정보는 Category I 정밀도의 공항 접근 및 착륙에 이용하기에는 다소 오차가 있어 이에 대한 검증이 필요한 실정이다.
	상업용 DGPS의 고도 정보는 오차가 있어 어떤 검증을 시도하였는가?	상업용 DGPS는 위도․경도는 상당히 정확한 반면, 고도 정보는 Category I 정밀도의 공항 접근 및 착륙에 이용하기에는 다소 오차가 있어 이에 대한 검증이 필요한 실정이다. 따라서 본 논문에서는 고성능 항공기의 실 비행을 통해 PAR 항적자료와 항공기 탑재 DGPS의 항적자료를 추출하여 비교, 분석함으로서 DGPS의 정확도에 대한 검증을 시도하였다. 본 연구를 통해 PAR 항적자료와 DGPS 항적자료를 비교분석하는 방법적 측면의 기법을 개발하고, 이를 이용하여 PAR의 정확도를 검증하는 방법을 제시하고자 한다.

참고문헌 (13)

군산지방해양수산청, "전국망 위성항법보정시스템(NDGPS)의 측위 정확도 분석 및 이용활성화 방안", 2007. 2.
채성병, "GPS를 이용한 항공기 이착륙시스템 개선에 관한 연구", 한국항공대학교 항공산업정보대학원, 2004. 6.
Jeonghan Kim and Changdon Kee, "RTK-GPS Correction Generation Technique For Low-Rate Data- Link", The Journal of Navigation 57, pp. 465-477, 2004.

상세보기
한국전자통신연구원, "위성항법시스템의 국내도입을 위한 지역지상국 및 탐색구조 서비스 기술 선행연구", 정보통신부, 2007. 2.
Alfred R. Lopez, "GPS Landing System Reference Antenna", IEEE Antennas and Propagation Magazine, Vol. 52, No. 1, pp. 104-113, February 2010.

상세보기
Bill Clarke, Aviator's Guide to GPS, 2nd Edition, McGraw-Hill, p. 42, 1995.
구정, "상업용 GPS의 군사적 활용방안 연구", 공군전투발전단 연구 제15호, pp. 562-595, 1999. 12.
박용철, "Beacon DGPS 개발과 Mobile IT Solution응용", 인하대학교 해양학과, 서해연안환경연구센터(과기부지정), 2002.
T.O. 31P5-2GPN22-2. Table 1-1-1-2.
국방정보본부, "미 국방성세계측지체계 1984 (WGS84)", pp. 2-6, 1991. 9.
NIMA, Its Definition and Relationships with Local Geodetic Systems., NIMA TR8350.2 THIRD EDITION AMENDMENT, p. 4-4., JAN. 2000.
국토지리정보원 고시 제2009-598호, GPS에 의한 기준점측량 작업규정 제정, 별지 총괄계산식, 2009. 8. 18.
구정 외 3명, "주파수 도약 통신장비용 S/W 패킷 모뎀 개발 및 적용에 관한 연구", 한국군사과학기술학회지(통권 51호), pp. 222-231, 2011. 4.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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