[논문]항공주파수 보호를 위한 전자파방해(EMI)분포조사 및 분석

박덕제

doi:10.12673/jant.2011.15.5.714

문제 정의

본 논문에서는 우리나라도 위성 통신에 관심이 높아져 위성 통신 사업에 참여하려고 하는 민간 기업이 등장하고 있는 추세로 K-Band(18 GHz∼26.6 GHz) 정도의 높은 주파수 대역까지 관심의 대상이 되고 있는바 K-Band를 사용하는 항공주파수 전자파방해(EMI) 환경 분포조사를 위하여 측정 주파수 대역을 확대시킬 필요성이 대두되었다[6],[7].
본 연구는 동일한 EUT를 동일한 측정설비 및 측정기기를 사용하여 동일한 시험 장소(Open Test Site)에서 서로 다른 3명의 측정자가 측정하는 결과의 편차에 대한 연구이다. 어느 정도 전파 환경 조사와는 거리가 있다고 생각되지만 측정하고자하는 대상에 차이가 있을 뿐 측정장비에는 동일한 환경이라 생각되어 전파환경 측정에 임하는데도 중요한 참고 자료가 될 수 있으리라 생각된다.
본 연구에서는 공항 내,외부 항공로 주변 및 항공기내에서의 전자파방해(EMI)에 관한 것이다. 항공기 사고는 수많은 생명과 재산을 한순간에 빼앗아간다.
또한, 항공기 기내에서 탑승객 휴대용 전자기기(PED) 사용으로 인한 항공 전자 기기의 기능장애와 오동작으로 일으켜 항공기 안전운항을 방해하여 잠재적인 항공기 사고를 야기 할 수 있음을 여러 사고 사례 자료 분석을 통해 확인 할 수 있었다. 본 연구에서는 전자파방해(EMI) 발생 현장 위치 추적을 위한 관리프로그램을 개발하여 활용함으로써 전자파방해(EMI) 발생시 신속하게 처리 할 수 있었다. 본 연구에서는 전자파방해(EMI)로 인한 항공기 사고 관련 사례 분석 자료, 전자파방해(EMI) 주요 현장인 1000개의 RF 업체 위치자료 등, EMI 관련 스펙트럼 분석자료, 오디오 자료를 데이터베이스화 하였으며, 이 자료를 효율적으로 활용함으로써 신속한 원인분석과 정확한 위치 추적으로 전자파방해(EMI)를 일소할 수 있었다.
측정조건을 측정 주파수가 시험자 마다 다르게 하는 것을 피하기 위하여 예비 시험을 실시하여 방출 레벨이 20 dBuV/m 이상인 64 point의 측정 주파수를 선정하고 그 주파수에 대하여 측정하는 것으로 정했다. 앞에서 언급했듯이 측정 기기나 제반 측정환경은 동일하므로 결과에 대해서만 간단히 언급하고자 한다. 측정자에 의해서 발생될 수있는 측정치의 편차는 ±4dB에서 ±5dB로 나타났으며 측정자 개개인의 측정치 차이는 5dB에서 7dB로 나타났다.

제안 방법

0KW 대의 것을 사용했고 시스템에 안정적인 전원 공급을 위해 AVR(Automatic Voltage Regulator)를 설치하였다. 또한 IEEE Std 473에 근거하여 1m의 구리 접지봉으로 접지를 했으며, 발전기를 안테나로부터 100m 거리에서 설치하여 파워 라인을 통해 발전기로부터 발생한 전도성 노이즈와 복사성 노이즈로부터의 영향을 최소화 하였다. 컴퓨터, 모니터, 스펙트럼 분석기와 앰프에 전원을 공급하고 각 장비를 충분히 워밍업 시킨후에 측정을 수행하였다[1]-[3].
특히 김포 공항 외부 7개의 FIX 포인트 주변 지역과 김포공항 내부 6개 포인트 지역을 조사하였고 각 주파수대의 경년 변화를 조사하였으며 김포공항 주변지역에서 장기간 지속적인 측정으로 조사된 데이터를 분석하여 잡음의 세기와 점유도를 추출함으로써 데이터 이용도를 향상시켰다. 또한, 각 지역별 교통량에 따른 전자파방해(EMI)분포와 안테나 높낮이 변화에 의한 수신전계 세기 분포를 조사하여 인간의 활동과 관련이 있는 교통량, 산업밀집지역과 아파트등 고층빌딩 주거에서 발생되는 인공적인 불요파 발생에 대한 전자파방해(EMI) 분포의 평가도 아울러 실시하였다[8]. 위의 조사지역 이외에도 김포공항 주변의 이동통신사 중계기와 지하철 및 공항철도 및 항공로 주변 고압 송전선로에서 발생되는 전자파방해(EMI)의 평가와 안양 VOR 주변 관악산에 위치한 민간 방송사 송출탑 주변 지역에 대하여 전자파방해(EMI) 환경평가를 실시하여 예상되는 전자파방해(EMI) 분석함으로써 항공주파수 안전확보 방지대책을 수립 할 수 있었다[9]-[11].
또한, 스펙트럼의 분포와 각 주파수의 잡음특성을 파악하기 위해 주파수범위에 대한 전계세기와 특정 주파수에 대한 시간변화에 따른 전계세기의 분포를 조사하였다.
발전기의 용량은 4.0KW 대의 것을 사용했고 시스템에 안정적인 전원 공급을 위해 AVR(Automatic Voltage Regulator)를 설치하였다. 또한 IEEE Std 473에 근거하여 1m의 구리 접지봉으로 접지를 했으며, 발전기를 안테나로부터 100m 거리에서 설치하여 파워 라인을 통해 발전기로부터 발생한 전도성 노이즈와 복사성 노이즈로부터의 영향을 최소화 하였다.
본 연구에서는 전자파방해(EMI) 발생 현장 위치 추적을 위한 관리프로그램을 개발하여 활용함으로써 전자파방해(EMI) 발생시 신속하게 처리 할 수 있었다. 본 연구에서는 전자파방해(EMI)로 인한 항공기 사고 관련 사례 분석 자료, 전자파방해(EMI) 주요 현장인 1000개의 RF 업체 위치자료 등, EMI 관련 스펙트럼 분석자료, 오디오 자료를 데이터베이스화 하였으며, 이 자료를 효율적으로 활용함으로써 신속한 원인분석과 정확한 위치 추적으로 전자파방해(EMI)를 일소할 수 있었다. 또한 상시 모니터링 시스템을 구축하여 24시간 전자파방해(EMI) 발생을 사전에 예방하고 있으며, 공항 이용객 및 항공기 탑승객으로 하여금 PED 사용에 대한 인식전환을 위해 전자파방해 (EMI)방지 안전문화 캠페인 활동을 하고 있다.
회절현상이 일어나고 진행중의 다중경로에 의해 간섭 현상을 일으켜 측정시 오차를 발생기키기도 하기 때문에 측정 장소를 선택하는데 유의해야한다. 본 측정에서는 건물주위나, 산주위, 공중선, 각종 구조물등 전파가 전파하는데 장애가 될만한 곳을 피하였고 산업지역, 주거지역, 도심지역등 각 지역별 특성을 나타낼 수 있는 장소에서 너무 멀리 떨어지지 않은 개방되어 있는 장소를 택하여 지역별 전파환경 특성을 충분히 측정할 수 있도록 하였다[1]-[3].
975MHz) 4 ch, 업무용 지휘 통신망(FM 무전기) VHF 주파수 대역 (169MHz) 80ch과 UHF 주파수 대역(451∼456MHz) 191 ch을 조사하였다. 시간영역 측정에서의 주파수선택은 방송주파수 및 무선국 허가 주파수대역에서 현재 사용하지 않은 주파수를 선택하여 조사하였다. 아래 표 1은 대표적인운용주파수를 발췌하여 나타낸다.
앞에서 설정된 각 지역을 연중 4계절로 분류, 계절당 1일간 측정하였고, 1일 측정시 Day 및 Night 로 분류하여 데이터를 확보하였다.
운영주파수 대역(3KHz∼33.4 GHz)으로써 장거리 항공이동통신(HF) 주파수 대역(3∼18KHz) 12ch 와 관제송수신기 VHF 주파수 대역(117.957∼137MHz) 14 ch, UHF 주파수 대역(225∼399.975MHz) 4 ch, 업무용 지휘 통신망(FM 무전기) VHF 주파수 대역 (169MHz) 80ch과 UHF 주파수 대역(451∼456MHz) 191 ch을 조사하였다.
이 데이터는 측정장소의 교통량과 그 지역의 평균 잡음세기를 비교하였다. 잡음세기가 차량뿐 아니라 다른 잡음원으로 부터의 영향도 많이 포함된 것으로 엄격히 말해서 교통량에 따른 잡음세기의 변화량은 아니지만 측정지역의 주요 잡음원이 될 수 있는 교통량과 잡음의 측정치를 비교하여 상관관계를 도출함으로써 교통량에 따른 전파잡음 세기의 분포를 간접적으로 확인할 수 있었다.
6 GHz) 정도의 높은 주파수 대역까지 관심의 대상이 되고 있는바 K-Band를 사용하는 항공주파수 전자파방해(EMI) 환경 분포조사를 위하여 측정 주파수 대역을 확대시킬 필요성이 대두되었다[6],[7]. 이와같이 항공주파수 보호를 위하여 전파환경 분포 조사 대상지점과 주파수 범위를 확대하여 더 많은 데이터 확보에 주력하였으며 생활공간에서 전파에너지 분포상태 측정에 정확성을 기할 수 있도록 무 지향성 안테나와 고 성능 전파 측정기기를 사용하여 조사를 하였다. 특히 김포 공항 외부 7개의 FIX 포인트 주변 지역과 김포공항 내부 6개 포인트 지역을 조사하였고 각 주파수대의 경년 변화를 조사하였으며 김포공항 주변지역에서 장기간 지속적인 측정으로 조사된 데이터를 분석하여 잡음의 세기와 점유도를 추출함으로써 데이터 이용도를 향상시켰다.
장기간 주차가 용이한 장소를 선택하여 측정을 하였다. 측정은 1일 3회(오전 : 07:00∼11:00, 오후 :13:00∼17:00, 저녁 : 19:00∼23:00) 실시하였고, 또한 측정 기간은 계절별로 봄(3월∼5월), 여름(6월∼8월), 가을(9월∼11월), 겨울(12월∼익년1월)에 실시하였다.
위의 조사지역 이외에도 김포공항 주변의 이동통신사 중계기와 지하철 및 공항철도 및 항공로 주변 고압 송전선로에서 발생되는 전자파방해(EMI)의 평가와 안양 VOR 주변 관악산에 위치한 민간 방송사 송출탑 주변 지역에 대하여 전자파방해(EMI) 환경평가를 실시하여 예상되는 전자파방해(EMI) 분석함으로써 항공주파수 안전확보 방지대책을 수립 할 수 있었다[9]-[11]. 지금까지 측정 지역별 전자파방해(EMI) 관련 조사데이타는 모두 데이터베이스화 되어 있으며 본 논문에서는 그 중 대표적인 것만 발췌하여 분포상태를 논하였다.
측정은 1일 3회(오전 : 07:00∼11:00, 오후 :13:00∼17:00, 저녁 : 19:00∼23:00) 실시하였고, 또한 측정 기간은 계절별로 봄(3월∼5월), 여름(6월∼8월), 가을(9월∼11월), 겨울(12월∼익년1월)에 실시하였다.
먼저, 측정값에 영향을 줄 수 있는 요소들은 Test Reciever, 안테나, Test Site, 시험자 등을 들 수 있다. 측정조건을 측정 주파수가 시험자 마다 다르게 하는 것을 피하기 위하여 예비 시험을 실시하여 방출 레벨이 20 dBuV/m 이상인 64 point의 측정 주파수를 선정하고 그 주파수에 대하여 측정하는 것으로 정했다. 앞에서 언급했듯이 측정 기기나 제반 측정환경은 동일하므로 결과에 대해서만 간단히 언급하고자 한다.
또한 IEEE Std 473에 근거하여 1m의 구리 접지봉으로 접지를 했으며, 발전기를 안테나로부터 100m 거리에서 설치하여 파워 라인을 통해 발전기로부터 발생한 전도성 노이즈와 복사성 노이즈로부터의 영향을 최소화 하였다. 컴퓨터, 모니터, 스펙트럼 분석기와 앰프에 전원을 공급하고 각 장비를 충분히 워밍업 시킨후에 측정을 수행하였다[1]-[3].
이와같이 항공주파수 보호를 위하여 전파환경 분포 조사 대상지점과 주파수 범위를 확대하여 더 많은 데이터 확보에 주력하였으며 생활공간에서 전파에너지 분포상태 측정에 정확성을 기할 수 있도록 무 지향성 안테나와 고 성능 전파 측정기기를 사용하여 조사를 하였다. 특히 김포 공항 외부 7개의 FIX 포인트 주변 지역과 김포공항 내부 6개 포인트 지역을 조사하였고 각 주파수대의 경년 변화를 조사하였으며 김포공항 주변지역에서 장기간 지속적인 측정으로 조사된 데이터를 분석하여 잡음의 세기와 점유도를 추출함으로써 데이터 이용도를 향상시켰다. 또한, 각 지역별 교통량에 따른 전자파방해(EMI)분포와 안테나 높낮이 변화에 의한 수신전계 세기 분포를 조사하여 인간의 활동과 관련이 있는 교통량, 산업밀집지역과 아파트등 고층빌딩 주거에서 발생되는 인공적인 불요파 발생에 대한 전자파방해(EMI) 분포의 평가도 아울러 실시하였다[8].

대상 데이터

본 논문에서는 “항공안전장애보고제도(KAIRS, Korea Aviation safety hIndrance Reporting System)”에 보고된 지난 2000∼2007년까지 1,400여건의 사례 중 전자파방해로 추정되는 14건에 대한 대표사례와 2008년 2월 항공‧철도사고조사 위원회에 보고된 1건의 ACC 주파수 전파방해와 한국공항공사에서 1996년 3월부터 2011년 5월까지 항공관제 주파수 전자파 방해(EMI) 관련하여 자체 보고된 사례 등을 분석하였고 또한 국제 민간 항공 수송 협회 (IATA)에서 2003∼2009년에 125개 국제항공사의 조종사와 승무원을 상대로 조사한 결과 항공기 기내에서 탑승객의 휴대전화 및 개인 전자장비 사용과 관련됐을 가능성이 큰 전자장비 장애가 75건 이며, 그 중 26건은 자동 조종장치와 자동 추력장치, 착륙기어 등 관제장비에 영향을 줬고, 17건은 항법 장비, 15건은 통신 장비에 각각 영향을 미친 대표사례등을 분석하였다.
안테나는 무지향성의 광대역 다이폴 안테나와 지향성의 LP 안테나, 쌍원추형 안테나를 사용하였다.
주요 측정장비로는 ASR Spurious_8 (9KHz∼26.5GHz) Communication Service Monitor, 방탐차량 안테나(20∼999MHz), 휴대용 (20∼500MHz, 20∼500MHz) 안테나와 GPS 수신기 등 10종 16대를 사용하였다.
항공주파수 전자파방해(EMI) 환경 측정지역은 공항 외부는 아래 그림 2, 3과 같이 구글어스 프로그램을 활용한 1000개의 RF 업체 위치등 축적된 자료를 바탕으로 DATABASE한 자료를 이용하여 선정하였다.

성능/효과

결론적으로 전자파 방출 측정값의 오차 발생 요인중 시험자에 기인된 편차는 약 ±4dB에서 ±5dB로 이는 EUT와 I/O Cable 의 배치에 의해 영향을 받고 있으며 특히 EMI 시험시 측정자들의 시험 방법에 대한 정확한 이해 및 시험에 임하는 자세 등이 중요한 변수로 나타났다.
그래서 실제 측정자들에게 주변 장비 배치의 중요성과 정확한 시험 방법에 대한 교육을 실시한 후 같은 방법으로 시험을 실시한 결과 측정치의 편차가 앞의 측정치들보다 줄어든 것을 확인할 수 있었다. 결론적으로 전자파 방출 측정값의 오차 발생 요인중 시험자에 기인된 편차는 약 ±4dB에서 ±5dB로 이는 EUT와 I/O Cable 의 배치에 의해 영향을 받고 있으며 특히 EMI 시험시 측정자들의 시험 방법에 대한 정확한 이해 및 시험에 임하는 자세 등이 중요한 변수로 나타났다.
본 논문에서는 공항 내부 및 공항 외부지역인 항공로 주변 전파환경이 개발로 인하여 공장, 고층건물, 고압전력선, 교통량, 인구밀집지역 증가 또는 기후 변화 등으로 인한 전자파방해(EMI) 관련 자료 조사 수행 및 분석 결과 항공로 주변 전파환경이 심각하게 오염되어 항공주파수 통신 장해 및 혼신등으로 잠재적인 최악의 항공기 사고를 야기할 수 있음을 확인 할 수 있었다. 또한, 항공기 기내에서 탑승객 휴대용 전자기기(PED) 사용으로 인한 항공 전자 기기의 기능장애와 오동작으로 일으켜 항공기 안전운항을 방해하여 잠재적인 항공기 사고를 야기 할 수 있음을 여러 사고 사례 자료 분석을 통해 확인 할 수 있었다. 본 연구에서는 전자파방해(EMI) 발생 현장 위치 추적을 위한 관리프로그램을 개발하여 활용함으로써 전자파방해(EMI) 발생시 신속하게 처리 할 수 있었다.
본 논문에서는 공항 내부 및 공항 외부지역인 항공로 주변 전파환경이 개발로 인하여 공장, 고층건물, 고압전력선, 교통량, 인구밀집지역 증가 또는 기후 변화 등으로 인한 전자파방해(EMI) 관련 자료 조사 수행 및 분석 결과 항공로 주변 전파환경이 심각하게 오염되어 항공주파수 통신 장해 및 혼신등으로 잠재적인 최악의 항공기 사고를 야기할 수 있음을 확인 할 수 있었다. 또한, 항공기 기내에서 탑승객 휴대용 전자기기(PED) 사용으로 인한 항공 전자 기기의 기능장애와 오동작으로 일으켜 항공기 안전운항을 방해하여 잠재적인 항공기 사고를 야기 할 수 있음을 여러 사고 사례 자료 분석을 통해 확인 할 수 있었다.
본 논문에서는 공항 내부 및 공항 외부지역인 항공로 주변 전파환경이 개발로 인하여 공장, 고층건물, 고압전력선, 교통량, 인구밀집지역 증가 또한 기후 변화 등으로 인한 전자파방해(EMI) 관련 자료 조사 수행 및 분석 결과 항공로 주변 전파환경이 심각 하게 오염 되어 항공주파수 통신 장해 및 혼신등으로 잠재적인 최악의 항공기 사고를 야기할 수 있음을 확인 할 수 있었고 또한, 항공기 기내에서 탑승객 휴대용 전자기기(PED) 사용으로 항공 전자 기기의 기능 장해와 오동작 일으켜 항공기 안전운항을 방해하여 잠재적인 항공기 사고를 야기 할 수 있음을 여러 사고 사례 자료 분석을 통해 확인 할 수 있었다[9]-[11].
이 데이터는 측정장소의 교통량과 그 지역의 평균 잡음세기를 비교하였다. 잡음세기가 차량뿐 아니라 다른 잡음원으로 부터의 영향도 많이 포함된 것으로 엄격히 말해서 교통량에 따른 잡음세기의 변화량은 아니지만 측정지역의 주요 잡음원이 될 수 있는 교통량과 잡음의 측정치를 비교하여 상관관계를 도출함으로써 교통량에 따른 전파잡음 세기의 분포를 간접적으로 확인할 수 있었다.
지역별 펄스율을 보면 교통혼잡지역, 상업지역과 주거지역에서 펄스율 10%, 50%, 90% 각각의 베벨 변동 폭이 크게 나타났는데 이는 복잡한 생활환경으로 인한 인공잡음원의 다양화와 자동차등에 의한 임펄스 성분의 잡음이 많은 현상으로 볼 수 있다. 아래 그림 4은 121.

후속연구

결론적으로 전자파 방출 측정값의 오차 발생 요인중 시험자에 기인된 편차는 약 ±4dB에서 ±5dB로 이는 EUT와 I/O Cable 의 배치에 의해 영향을 받고 있으며 특히 EMI 시험시 측정자들의 시험 방법에 대한 정확한 이해 및 시험에 임하는 자세 등이 중요한 변수로 나타났다. 한편, 측정 장비, Test Site등에 의한 측정치와 오차 발생도 신중히 검토 되어야 할 것이다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	항공주파수의 효율적 관리와 전자파방해(EMI) 사례 자료 분석의 필요한 이유는?	본 연구에서는 공항 내,외부 항공로 주변 및 항공기내에서의 전자파방해(EMI)에 관한 것이다. 항공기 사고는 수많은 생명과 재산을 한순간에 빼앗아간다. 특히, 전자파방해(EMI)는 항공기 안전운항을 저해및 사고를 야기한다. 최근 이동통신, FM 방송국 장비및 위성 데이터 통신, 아마추어무선등 전파를 이용하는 무선시설이 크게 증가하고 있으며 사용 주파수 대역도 다양화 되어가고 있고, 또한 태양흑점폭발에 인한 전자파방해(EMI), 북한의 GPS 전자파 교란등 공간상의 전파 환경은 복잡한 양상을 띠어가고 있으며, 가정용, 산업용, 의료용, 과학용 전기.전자 장치에서 발생되는 불요 전자파 복사로 인한 전자파장해(EMI) 문제는 날로 심각성을 더하고 있다. 따라서 잠재적인 최악의 항공기 사고를 예방하기 위하여 항공주파수의 효율적 관리와 전자파방해(EMI) 사례 자료 분석과 항공로주변 EMI 분포 정보를 데이터베이스화 필요성이 요구되어졌다.
	EMI 전파환경 측정이란?	EMI 전파환경 측정은 주파수, 시간, 위치에 따라 하나 또는 그 이상의 지역의 무선 주파수의 전자계 세기를 조사하는 것이다. 이러한 전자계는 노이즈로 간주되며 그 레벨은 만족 할 만한 서비스를 제공하는데 필요한 최소한의 신호 세기를 마련하는데 도움을 주며, 시스템 디자인에도 유용하게 사용된다.
	한국공항공사에서는 전자파방해상태 측정을 어떻게 하고 있는가?	한국공항공사는 자체개발한 혼신발생 위치추적 탐색 프로그램을 이용하여 항공주파수 전파방해 오염지역 및 전파방해 혼신발생의 위치를 찾아 지상점검 장비(RDF) 차량을 이용하여 신속하게 전파자방해 (EMI)를 일소하고 정기적 점검을 통하여 전자파방해 (EMI)를 일으키는 근원을 파악하여 항공주파수 안전 확보 및 최악의 항공기사고를 사전에 예방하기 위하여 전자파방해(EMI)상태를 측정하고 있다.

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