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문제 정의
- 또한, 인공 장애물과 같은 지형 외의 위협에 대한 충돌 경고와 근접 경고를 출력하도록 한다. 따라서 고기동을 하는 전투기급의 항공기 저고도 임무에서의 생존성을 높임으로써 임무의 효율을 높일 수 있는 알고리듬 개발을 목표로 있다.
- Pull Up 경고나 Terrain 경고 시 예상 지형 충돌 시간이 출력된다. 또한 측면 탐색 영역에서 안전한 경로가 있을 시 상대적으로 안전한 선회 방향을 표시해줄 수 있도록 하였다. 지형 충돌과 마찬가지로 장애물 충돌 경고 시에도 예상 장애물 충돌 시간을 출력할 수 있도록 하였다.
- 이때의 지형 Clearance는 700ft로 변경한다. 이 시험은 정해진 Clearance인 700ft이하일 때 경고가 출력되는지를 확인하는 시험이다. 시험 기준 및 시험 결과는 다음 Table 4와 같다.
제안 방법
- 충돌 회피 경고 알고리듬을 MATLAB의 xPC target이라는 툴박스를 이용하여, 결과를 시연하여 보았다. MATLAB Simulink의 Embedded Matlab Function 블록을 이용하여 알고리듬 코드를 탑재하였고, 메니저, 시연 PC와 목표 PC는 UDP 통신을 사용하여 연결하였다. 목표 PC에는 항공기의 동역학적 거동과 충돌 회피 경고기능을 탑재하였다.
- 검증에 대해서도 다양한 방법을 고려하였다. Matlab의 xPC target이라는 툴을 이용하여 실제로 target 컴퓨터에 탑재하여 구동시켜 실제 경고가 출력되는 것을 확인하는 것에서, TSO-C151b를 이용하여 각종 시험 조건들에 대해서 알고리듬이 적용되는 부분에 대해 검증 절차를 마련하고, 시험 행렬을 구성하여 검증까지 하였다. 하지만 TSO-C151b는 민항기 TAWS 장치 기준이므로 본 알고리듬이 적용되는 모든 범위에 적용시키기는 힘들다.
- 그리고 목표 PC에서 출력되는 데이터를 이용하여 FlightGear에서 항공기의 거동을 확인할 수 있도록 하였고, Simulink 내부의 블록을 사용하여 각종 경고를 확인할 수 있는 창을 만들어서 Fig. 14와 같이 확인하였다.
- 35초로 설정한다. 또한, 롤 보상시간은 항공기 특성에 맞게 롤 각속도를 설정하여 뱅크 각에 기동 가능 롤 각속도로 나눠준다.
- 이 때 항공기의 반응 시간을 고려하여 예상 회피 궤적을 생성하였다. 또한, 인공 장애물과 같은 지형 외의 위협에 대한 충돌 경고와 근접 경고를 출력하도록 한다. 따라서 고기동을 하는 전투기급의 항공기 저고도 임무에서의 생존성을 높임으로써 임무의 효율을 높일 수 있는 알고리듬 개발을 목표로 있다.
- 본 논문에서는 비교적 속도가 빠르고, 고기동을 할 수 있는 전투기급의 항공기에 대해서 지형정보와 비행 상태 등을 이용한 지형 및 장애물 회피 경고 알고리듬을 구성하고, 각종 시험 조건과 절차를 수립하고, 검증을 위한 시뮬레이션 구성 및 수행 등의 내용을 다루었다.
- 본 알고리듬에서는 지형 데이터베이스와 항공기의 비행 상태를 이용하여 Fig. 1과 같이 충돌 위협이 존재하는 경우는 물론, 항공기의 예상 회피 궤적을 이용하여 전방 지형에 대해서 충돌을 예측할 수 있는 알고리듬을 개발한다. 이 때 항공기의 반응 시간을 고려하여 예상 회피 궤적을 생성하였다.
- 8의 선회 궤적은 해당 항공기의 선회 기동 선도를 이용한다. 선회 기동선도 데이터를 이용하여 항공기의 속도와 하중 계수에 해당하는 선회 반지름과 선회율을 데이터에서 추출한다.[5] 탐색 영역 설정 후 원하는 지점의 지형 고도를 얻기 위해서 지형 주변의 점을 보간하여 사용하여야 한다.
- 위의 요소들을 이용하여 예상 회피 궤적을 생성한 후, 지형과의 비교를 통해 조종사에게 적절한 경고를 출력할 수 있도록 한다.
- 기본적인 항법 시스템에서 출력되는 항법 정보와 충돌 위협 판단의 기초가 되는 지형, 장애물 데이터베이스를 입력으로 받는다. 입력정보와 항공기의 비행 상태를 이용하여 항공기 근방의 영역에 대해서 위협 정보와 항공기의 예상 궤적을 비교하여 충돌 위협이 존재할 경우 해당하는 적절한 경고가 출력되도록 하였다. 충돌 회피 경고 시스템의 입출력은 Table 1과 같다.
- 지형 탐색 영역의 모든 점의 고도를 얻기 위해서 보간법을 쓰는 것보다 효율성을 위해 주변의 가장 높은 고도 값을 택해서 사용하도록 한다. 보간법을 사용하는 것과 최대값을 사용하는 것의 차이는 Fig.
- 충돌 위협이 존재하는 장애물의 탐색하기 위해서 모든 장애물에 대해서 판단하는 것은 비효율적이므로 Fig. 12와 같이 장애물 데이터베이스의 구역을 나누고 항공기 주변의 9개 구역 중에서 항공기의 비행경로에 따라 다시 해당하는 6개의 구역을 대상으로 장애물에 대한 데이터를 읽어 들인 후에 전방 탐색 영역에 속한 장애물인지를 판단한 다음에 충돌 위협이 있는 장애물에 대해서 경고를 출력하도록 하였다.
- 현재 항공기의 진행방향을 고려하여 예상 궤적과 회피 궤적을 계산하고, 각각의 궤적의 고도와 해당 위치의 지형 고도를 비교하여 충돌 위협이 있을 경우, 현 상황에 맞는 경고를 출력하도록 하였다. 충돌 회피 경고 시, 수직 회피뿐만이 아니라 양 옆으로 선회하여 회피할 수도 있기 때문에 선회 비행 시 안전한 방향이 있다면 알려주는 Turn Advisory 알고리듬 또한 예상 선회 비행궤적과 지형의 높이를 비교하여 안전한 쪽으로 선회를 할 수 있다는 값을 조종사에게 줄 수 있도록 하였다.
- 충돌 회피 경고 알고리듬을 MATLAB의 xPC target이라는 툴박스를 이용하여, 결과를 시연하여 보았다. MATLAB Simulink의 Embedded Matlab Function 블록을 이용하여 알고리듬 코드를 탑재하였고, 메니저, 시연 PC와 목표 PC는 UDP 통신을 사용하여 연결하였다.
- 16에서의 두 실선 사이가 전방 탐색 영역이다. 탐색 영역의 장애물을 확인할 때, 계산의 효율성을 위해 먼저 탐색 영역의 방위각 내에 장애물의 여부를 확인하고, 탐색 영역 거리 내에 있는지 확인한다. 일정한 넓이의 구역에서 한 점에서의 원 넓이보다 호 형태의 넓이가 더 작기 때문에 판별할 장애물 데이터 수를 줄일 수 있다.
- 8과 같이 해당 항공기의 선회 기동을 고려하여 은행잎 형태로 구성한다. 탑재 모델의 항공기의 선회 기동 한계가 8G이므로 2G 선회부터 8G 선회까지 하중계수를 증가시키면서 탐색하였다. 전방영역의 충돌 회피 경고 시 양 측면의 선회 기동 가능 정보를 조종사에게 줄 수 있도록 은행잎 모양에서의 예상 고도와 지형 고도를 비교하여 안전 선회기동방향을 조종사에게 전달한다.
- 항공기 비행 상태와 지형 데이터베이스의 탐색에 필요한 영역을 읽어, 항공기가 비행할 영역에 대해서 현재 항공기 비행 상태와 지연시간, 예상 회피 기동 궤적 등을 이용하여 조종사에게 적절한 경고를 출력할 수 있도록 하였다. 이 때 각종 매개변수들은 변경이 가능하도록 하여 필요한 경우 알고리듬 향상을 위한 수정이 용이하도록 하였다.
- 해당 항공기의 v-n 선도를 이용하여 최대 허용계수를 추출한다. 항공기의 예상 회피 궤적을 계산할 때 안전을 위해서 최대 허용 하중계수보다 작은 값을 사용하여 회피 궤적을 계산하도록 한다.
- 탐색각 설정은 현재 항공기의 뱅크각이 있는 경우 선회 비행을 하고 있다고 판단할 수 있기 때문에 전방 탐색 영역을 선회 비행 방향으로 치우쳐서 지형 고도를 탐색할 수 있도록 하였다. 현재 항공기의 진행방향을 고려하여 예상 궤적과 회피 궤적을 계산하고, 각각의 궤적의 고도와 해당 위치의 지형 고도를 비교하여 충돌 위협이 있을 경우, 현 상황에 맞는 경고를 출력하도록 하였다. 충돌 회피 경고 시, 수직 회피뿐만이 아니라 양 옆으로 선회하여 회피할 수도 있기 때문에 선회 비행 시 안전한 방향이 있다면 알려주는 Turn Advisory 알고리듬 또한 예상 선회 비행궤적과 지형의 높이를 비교하여 안전한 쪽으로 선회를 할 수 있다는 값을 조종사에게 줄 수 있도록 하였다.
이론/모형
- 본 지형 충돌 회피 경고 알고리듬에 대한 검증은 민간항공기의 지형 인식 및 경고 시스템 기술표준문서인 TSO-C151b의 부록 3의 시험조건 부분에서 Enroute 상태에서의 시험 조건을 확인하여 검증하였다.
- 이 때 거리d와 방위각η은 아래의 Haversine 공식을 사용한다.
- 디지털 지형정보는 고도와 상관없이 일정한 크기의 오차가 존재하므로 항공기의 지형 충돌 문제에서 더욱 정확하게 충돌 위협을 예측할 수 있게 해준다. 이러한 디지털 지형정보의 장점을 이용하여 본 알고리듬에서는 DTED(Digital Terrain Elevation Data)라는 지형 정보를 사용하여 알고리듬을 구성한다.
성능/효과
- 8과 같이 선회기동을 고려한 은행잎 모양의 탐색기하를 설정하도록 한다.[4] 전방 영역 탐색에는 거리에 따른 시간의 밀도를 다르게 하여, 근접 지형에 대해서는 밀도를 높이고, 먼 지역은 밀도를 줄인다. 설정된 시간의 1/2에 해당하는 시간까지는 조밀하게, 1/2에서 3/4의 시간은 근접 지역보다 1/5의 밀도로, 3/4에서 최종 탐색 시간까지는 근접지역보다 1/10밀도로 탐색하게 하였다.
- 9에서 확인할 수 있듯이 최대 20m를 넘지 않는다. 본 알고리듬에서 사용하는 DTED Level 2의 정확도는 위도 경도 방향으로 원형 오차 23m이고, 고도 방향으로 오차 18m이다. 따라서 Fig.
후속연구
- 하지만 TSO-C151b는 민항기 TAWS 장치 기준이므로 본 알고리듬이 적용되는 모든 범위에 적용시키기는 힘들다. 따라서 좀 더 세밀하게 알고리듬을 검증할 수 있는 도구나 절차를 개발해야 할 것이다. 또한, 지형 탐색 영역을 최대한 효율적으로 사용하거나, 탐색 및 비교 방법을 적절하게 구성하여 알고리듬을 구현해야 한다.
- 또한, 지형 탐색 영역을 최대한 효율적으로 사용하거나, 탐색 및 비교 방법을 적절하게 구성하여 알고리듬을 구현해야 한다. 특히, 지형의 단순화를 통하여 지형의 함수화나 간략화를 할 수 있다면 지형과 궤적을 비교하는데 있어서 더욱 더 효율적인 알고리듬이 될 것이다.
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