[논문]자체 항법 정보만을 이용한 비행 중 기압 고도계 설정 방법

정석영

doi:10.5139/jksas.2012.40.4.300

자체 항법 정보만을 이용한 비행 중 기압 고도계 설정 방법
Procedure of Barometer Setting in Flight with On-board Navigation Data alone 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.40 no.4, 2012년, pp.300 - 308

초록
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무인기의 INS/GPS/기압고도계 결합항법 시스템에서 비행체 자체 항법 정보만을 이용하여 QNH 혹은 QFE 방식의 기압 고도계를 설정하는 방법을 제안한다. 본 설정 방법은 비행체 외부로부터 주어지는 대기나 고도 정보에 의존하지 않고 자체 항법 시스템의 정보만을 사용하며 설정 방법에 따라 요구되는 일정 형태의 비행을 통해 얻어진 정보를 수학적으로 처리하여 기준값을 산출한다. 비행체 자체 정보만을 사용함으로써 지상 지원 장비에서 대기 정보 측정 시스템을 제외하는 등 간소화나 지원 시설의 요구 조건이 완화될 수 있고 지상 지원이 가용하지 않는 영역에서의 비행도 가능하다. 특히 회귀 분석 기법을 이용한 방법은 고도와 기압, 온도의 세 가지 기준값을 설정함에 있어 고도와 기압, 두 가지 정보만을 요구하며 온도 자료가 필요하지 않다. 그러므로 기압 고도 산출에 온도 정보가 전혀 필요하지 않아 비행체의 대기 정보 측정 시스템도 간소화될 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

In GPS/INS/barometer navigation system for UAV, two procedures were proposed in order to set three reference parameters for the pressure altitude of QNH or QFE settings, using the navigation data from on-board system alone. These procedures yield required the reference parameters through mathematical process with the altitude and the atmosphere properties measured for a short duration of flight, of which a special pattern is requested according to the selected procedure. Dependency only upon the on-board navigation data can eliminate a requirement for the atmospheric measurement system in the ground support system and can expand a flight boundary to a remote area where the ground support is not available. Especially the procedure with the regression method uses altitude and pressure but temperature to produce the three reference parameters. No need of temperature measurement for the pressure altitude system can simplify the on-board air data system.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 GPS 고도를 이용하여 QNH 설정의 기준값 정보를 외부에 의존하지 않고 비행 중 비행체 자체의 항법 정보만을 이용하여 산출하는 방법을 제시하고자 한다. 비행 중 자체 항법 정보만을 이용하여 기압 고도를 설정하면 외부의 정보를 받을 필요가 없으므로 지상 지원 시설을 간소화할 수 있고 또 외부의 정보를 받을 수 없는 영역으로 비행할 수 있어 비행 영역을 확장할 수 있을 것으로 기대된다.
즉 처음에 압력 기준값을 임의로 설정하고 나머지 두 개의 고도와 온도 기준값을 최소 자승법을 이용하여 계산한다. 압력 기준값을 설정하는 방법도 여러 가지가 있을 수 있는데 본 논문에서는 대표적인 세 가지에 대해 연구하였다.

제안 방법

비행 중 자체 항법 정보만을 이용하여 기압 고도를 설정하면 외부의 정보를 받을 필요가 없으므로 지상 지원 시설을 간소화할 수 있고 또 외부의 정보를 받을 수 없는 영역으로 비행할 수 있어 비행 영역을 확장할 수 있을 것으로 기대된다. 두 가지 형태의 기법이 제시되며 실제 비행 시험에서 측정된 자료의 후처리를 통하여 가용성을 분석하였다.
3과 같으며 최대 약 2km까지 상승 후 하강하는 형태로 되어있다. 비행 자료에서 GPS 고도는 DGPS 고도로 후처리 되었으며 본 연구에서는 진고도로 사용하였다.
비행 중 자체 항법 정보를 이용하여 기압 고도를 설정하는 두 가지 방법을 제안하고 가용성을 연구하여 다음의 결론을 얻었다.
식(6), (7), (8) 또는 식(15)이외에 추가할 조건이나 식은 여러 가지 방법을 이용하여 선정할 수 있겠으나 본 논문에서는 압력 기준값을 설정하는 식을 추가하는 방법을 제안한다. 즉 처음에 압력 기준값을 임의로 설정하고 나머지 두 개의 고도와 온도 기준값을 최소 자승법을 이용하여 계산한다.
외부 정보에 의존하지 않고 비행체 자체에서 제공되는 정보만을 이용하여 기압 고도계를 설정하는 방법으로 본 연구에서는 두 가지를 제안하고자 한다. 비행체 자체에서 제공되는 정보란 비행체에 탑재된 장비로부터 측정된 자료를 의미한다.
식(6), (7), (8) 또는 식(15)이외에 추가할 조건이나 식은 여러 가지 방법을 이용하여 선정할 수 있겠으나 본 논문에서는 압력 기준값을 설정하는 식을 추가하는 방법을 제안한다. 즉 처음에 압력 기준값을 임의로 설정하고 나머지 두 개의 고도와 온도 기준값을 최소 자승법을 이용하여 계산한다. 압력 기준값을 설정하는 방법도 여러 가지가 있을 수 있는데 본 논문에서는 대표적인 세 가지에 대해 연구하였다.
2) 고도를 변화시키는 비행을 통해 얻어진 항법 정보를 회귀 분석을 통해 기준값을 설정한다. 최소 자승법을 적용하여 두 개의 기준값을 산출하는 식을 유도하고 압력 기준값을 사전에 결정하는 식을 추가하였다. 실제 비행 자료를 이용한 가용성 검토 결과 기압 고도 설정에 이용할 수 있다고 판단된다.
8과 같이 세 구간에서 기준값 설정 기법을 적용하였다. 평균 방법과 동일하게 비행 초기에 기준값을 설정하고 기압 고도를 산출하였다. 첫 번째는 고도가 200m에서 400m로 상승하는 구간이며 두 번째는 400m에서 900m로 변하고 세 번째는 첫 번째와 두 번째의 구간을 합친 구간이다.
평균값 방법을 실제 비행에 측정된 진고도와 압력, 온도 정보에 적용하여 기준값을 설정하고 이 기준값을 사용한 기압 고도와 진고도를 비교하여 설정 방법의 가용성과 정확성을 검토하고자 한다. 사용한 궤적은 Fig.
회귀 방법은 고도 변하는 구간에서 적용할 수 있는 것으로 Fig. 8과 같이 세 구간에서 기준값 설정 기법을 적용하였다. 평균 방법과 동일하게 비행 초기에 기준값을 설정하고 기압 고도를 산출하였다.

성능/효과

3) 저고도에서 기압 고도 설정을 수행하는 경우 기압 분포의 특성에 따라 고도가 상승함에 따라 기압 고도의 오차가 증가하는 경우가 발생하였다. 기온 역전층과 같이 특이 구간이 존재하거나 시간이나 계절, 지역에 따라 다양한 기압 분포에 대해 강건성을 증가시키는 연구가 필요하다.
4) 본 연구에서 제안한 두 가지 방법은 모두 기압 고도 설정에 필요한 정보를 자체 항법 정보 만으로 제공이 가능하다고 판단된다. 이런 방법을 적용하면 외부의 정보없이 기압 고도 설정이 가능하여 저고도 비행이 가능한 영역의 확장이나 지상 지원 시설의 간소화 등이 가능할 것으로 기대된다.
결론적으로 회귀 방법을 적용함에 있어 기준값을 설정하는 구간에서의 고도 변화는 되도록 크게 하는 것이 기압 고도의 정확도를 증가시키며 압력 기준값의 선정 방법은 크게 영향이 없음을 알 수 있다. 평균 방법과 비교하여 온도 입력이 필요없다는 장점이 있지만 평균 방법에 비해 자료 입력 구간이 상대적으로 길게 요구되고 구간 내 비행 특성에 따라 정확도가 영향을 받는 단점이 있다.
이를 위해 항법 정보를 측정하는 동안 고도를 일정하게 유지하는 비행이 필요하다. 실제 비행 자료를 이용하여 후처리 방법으로 적용한 결과 충분한 정확도의 기압 고도 설정이 가능하였다. 또한 설정 고도에 따른 기준값 설정의 정확도 영향은 미미한 것으로 판단된다.
반면에 첫 번째 기압 고도 오차는 최대 - 40m 정도로 오차의 크기도 크고 또한 1km이상의 고도에서 오차가 전반적으로 증가하였다. 앞서 기술한 바와 같이 전반적으로 기온의 특이층 부근에서 오차가 증가하였고 기준값 설정 고도 영역보다 큰 고도에서 오차가 크게 발생하였음을 확인할 수 있다.

후속연구

3) 저고도에서 기압 고도 설정을 수행하는 경우 기압 분포의 특성에 따라 고도가 상승함에 따라 기압 고도의 오차가 증가하는 경우가 발생하였다. 기온 역전층과 같이 특이 구간이 존재하거나 시간이나 계절, 지역에 따라 다양한 기압 분포에 대해 강건성을 증가시키는 연구가 필요하다.
본 연구에서는 GPS 고도를 이용하여 QNH 설정의 기준값 정보를 외부에 의존하지 않고 비행 중 비행체 자체의 항법 정보만을 이용하여 산출하는 방법을 제시하고자 한다. 비행 중 자체 항법 정보만을 이용하여 기압 고도를 설정하면 외부의 정보를 받을 필요가 없으므로 지상 지원 시설을 간소화할 수 있고 또 외부의 정보를 받을 수 없는 영역으로 비행할 수 있어 비행 영역을 확장할 수 있을 것으로 기대된다. 두 가지 형태의 기법이 제시되며 실제 비행 시험에서 측정된 자료의 후처리를 통하여 가용성을 분석하였다.
4) 본 연구에서 제안한 두 가지 방법은 모두 기압 고도 설정에 필요한 정보를 자체 항법 정보 만으로 제공이 가능하다고 판단된다. 이런 방법을 적용하면 외부의 정보없이 기압 고도 설정이 가능하여 저고도 비행이 가능한 영역의 확장이나 지상 지원 시설의 간소화 등이 가능할 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	QFE란 무엇입니까?	기압 고도는 기준면을 설정하는 방법에 따라 여러 설정이 있는데 이중 QNH 설정을 사용하면 기준면을 해수면에 맞추어 해발 고도와 동일한 기압 고도를 표시할 수 있으며 비행 지역의 해수면이나 임의의 고도에서의 기압과 기온을 기압 고도의 기준값으로 사용하는 것이다.4 QFE 는 절대 고도를 산출하도록 기압고도계를 설정하 는 방법이다. 항공기 이착륙에 사용되는 방식으로 통상적으로 활주로를 기준면으로 고도를 0으로 설정한다. QNH와 QFE 설정은 제공되는 고도 정보에 따라 결정된다.
	고도의 종류에는 무엇이 있습니까?	Fig. 1에서 보는 바와 같이 고도의 종류에는 기압 고도(Pressure Altitude)와 해발 고도(True Altitude) 등이 있으며 기압 고도는 고도에 따른 기압 분포 특성을 이용하여 고도를 산출하는 방 법이다. 기압 고도는 기준면을 설정하는 방법에 따라 여러 설정이 있는데 이중 QNH 설정을 사용하면 기준면을 해수면에 맞추어 해발 고도와 동일한 기압 고도를 표시할 수 있으며 비행 지역의 해수면이나 임의의 고도에서의 기압과 기온을 기압 고도의 기준값으로 사용하는 것이다.
	비행 중 비행체 자체의 항법 정보만을 이용하여 기압 고도를 설정할 경우 장점은 무엇입니까?	본 연구에서는 GPS 고도를 이용하여 QNH 설정의 기준값 정보를 외부에 의존하지 않고 비행 중 비행체 자체의 항법 정보만을 이용하여 산출 하는 방법을 제시하고자 한다. 비행 중 자체 항법 정보만을 이용하여 기압 고도를 설정하면 외부의 정보를 받을 필요가 없으므로 지상 지원 시설을 간소화할 수 있고 또 외부의 정보를 받을 수 없는 영역으로 비행할 수 있어 비행 영역을 확장할 수 있을 것으로 기대된다. 두 가지 형태 의 기법이 제시되며 실제 비행 시험에서 측정된 자료의 후처리를 통하여 가용성을 분석하였다.

참고문헌 (5)

황익호, 나원상, "IMM 기법을 이용한 기압 고도계 오차 식별 필터," 2007년 대한전기학회하계학술대회, 2007
Wuest, W., "Pressure and Flow Measurement", AGARD-AG-160, AGARDograh No. 160, Vol. 11, Jul., 1980
정석영, 안창수, "기압 고도의 정밀도 향상을 위한 정압 오차 모델에 관한 연구", 한국항공우주학회 제33권 제4호, 2005, pp. 47-56

원문보기 상세보기
항공장비(계기계통론), 이경준, 한국항공대학출판부, 1973, pp15-18
Nonlinear System Identification, Nelles, O., Springer-Verlag, Berlin, Germany, 2001, pp36-44

저자의 다른 논문 :

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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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