본 논문에서는 항공관제사의 훈련을 위한 시뮬레이터를 개발하였다. 이를 위해 항공관제 시스템의 구성을 분석하여 훈련용 시뮬레이터가 만족해야 할 요구조건을 도출하였으며, 그 결과는 시뮬레이터 설계에 반영되었다. 훈련용 시뮬레이터는 조종사 인터페이스, 항공기, 레이더의 세 가지 모듈로 구성되어 있으며, 각 모듈들은 요구사항에서 도출된 알고리듬의 확장성, 편의성, 실시간성, 운용범위 등을 기준으로 엄격한 단위시험과 통합시험을 수행하였다. 최종적으로 개발된 시뮬레이터는 관제사가 항공기 관제를 위해 운용하는 관제시스템과 연동이 가능하며, 관제사의 요구에 따라 항공기 500대와 레이더 30대를 운용할 수 있으며, 확장성을 위해 최대 1200대 항공기를 운용할 수 있도록 설계되었다.
본 논문에서는 항공관제사의 훈련을 위한 시뮬레이터를 개발하였다. 이를 위해 항공관제 시스템의 구성을 분석하여 훈련용 시뮬레이터가 만족해야 할 요구조건을 도출하였으며, 그 결과는 시뮬레이터 설계에 반영되었다. 훈련용 시뮬레이터는 조종사 인터페이스, 항공기, 레이더의 세 가지 모듈로 구성되어 있으며, 각 모듈들은 요구사항에서 도출된 알고리듬의 확장성, 편의성, 실시간성, 운용범위 등을 기준으로 엄격한 단위시험과 통합시험을 수행하였다. 최종적으로 개발된 시뮬레이터는 관제사가 항공기 관제를 위해 운용하는 관제시스템과 연동이 가능하며, 관제사의 요구에 따라 항공기 500대와 레이더 30대를 운용할 수 있으며, 확장성을 위해 최대 1200대 항공기를 운용할 수 있도록 설계되었다.
This paper presents a simulation system for air traffic control (ATC) training. The structure of the ATC is analyzed to define simulation components to be developed. Requirements that must be satisfied by a training simulator are also identified. The results were reflected in the design of the simul...
This paper presents a simulation system for air traffic control (ATC) training. The structure of the ATC is analyzed to define simulation components to be developed. Requirements that must be satisfied by a training simulator are also identified. The results were reflected in the design of the simulator. The training simulator is composed of three modules same as in real life : air traffic controller, aircraft, radar. Each developed module performs the strict unit tests and combine test based on the scalability, ease, real-time, the operating range of the algorithm derived from the requirements. The simulation system can be connected to an actual ATC, and used to validate the ATC system. At peak load, 1200 aircraft and 30 radars can be operated simultaneously.
This paper presents a simulation system for air traffic control (ATC) training. The structure of the ATC is analyzed to define simulation components to be developed. Requirements that must be satisfied by a training simulator are also identified. The results were reflected in the design of the simulator. The training simulator is composed of three modules same as in real life : air traffic controller, aircraft, radar. Each developed module performs the strict unit tests and combine test based on the scalability, ease, real-time, the operating range of the algorithm derived from the requirements. The simulation system can be connected to an actual ATC, and used to validate the ATC system. At peak load, 1200 aircraft and 30 radars can be operated simultaneously.
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문제 정의
본 논문에서는 항공관제 훈련용 시뮬레이션 구성과 이에 따른 요구조건을 정의하였다. 그리고 이 요구조건을 만족하기 위한 항공관제 훈련용 시스템을 설계하고, 설계된 조종사 인터페이스 모듈과 항공기 모듈, 레이더 모듈의 역할과 알고리듬에 대해 기술하였다. 이후 이를 구현하여 단위검증을 통해 신뢰성을 확인할 수 있었다.
본 논문에서는 시스템 구성을 분석하여 훈련용 시뮬레이터가 만족해야 할 요구조건을 도출하 였으며, 이를 기반으로 시뮬레이터를 설계하였다. 설계된 개별 구성 요소에 대해 설명하고, 앞서 도출한 요구조건을 기준으로 검증 결과를 제시하였다.
본 논문에서는 항공관제 훈련용 시뮬레이션 구성과 이에 따른 요구조건을 정의하였다. 그리고 이 요구조건을 만족하기 위한 항공관제 훈련용 시스템을 설계하고, 설계된 조종사 인터페이스 모듈과 항공기 모듈, 레이더 모듈의 역할과 알고리듬에 대해 기술하였다.
본 연구에서는 최신의 관제기술과 국내의 관제환경 그리고 추후 확장성을 고려하여 관제훈련용 시뮬레이터를 개발하였다. 개발된 훈련 시뮬레이터는 최신의 항공규약 및 항로정보를 적용하였으며(10), 국내에 있는 각 공항 및 레이더기지들의 특성을 반영하였다.
제안 방법
본 연구에서는 최신의 관제기술과 국내의 관제환경 그리고 추후 확장성을 고려하여 관제훈련용 시뮬레이터를 개발하였다. 개발된 훈련 시뮬레이터는 최신의 항공규약 및 항로정보를 적용하였으며(10), 국내에 있는 각 공항 및 레이더기지들의 특성을 반영하였다. 또한 계속해서 증가중인 항공 운송량을 고려하여 최대 1200대의 항공기와 30대의 레이더를 실시간으로 운용할 수 있도록 관제훈련 시뮬레이터를 설계하였다.
+로 표시된 선은 초기위치와 경로점 위치를 나타내며, 실선은 항공기의 이동 경로를 나타낸다. 고도와 속도 제어는 항공관제의 목적에 맞춰 명령을 과도하게 주지 않기 위해 쉐이핑 필터를 사용하여 명령 제한을 두었다. Fig.
항공관제 훈련용 시스템은 앞서 기술한 항공 관제 시스템 구성과 요구조건을 만족하도록 설계되었다. 관제훈련 시뮬레이터의 각 모듈은 요구된 모델 충실도를 반영하여 알고리듬을 구성하였다. 알고리듬의 복잡성은 연산량과 관련되며, 이는 앞서 운용 범위의 요구조건을 고려해야 한다.
일반적인 관제 시스템 운용 상황에서 관제 데이터 처리 모듈은 실제로 운용중인 레이더로부터 데이터를 받아 그 결과를 관제사 UI에 전달한다. 관제훈련의 현실성을 높이기 위해서 관제사는 훈련 상황에도 동일한 UI를 운용하는 것이 유리하며, 이를 위해 시뮬레이터의 가상 레이더는 실제 레이더와 동일하게 Asterix(9) 프로토콜을 관제 데이터 처리 모듈에 전송하도록 설계하였다.
단위 시험을 통해 검증된 조종사 인터페이스 모듈, 항공기 모듈, 레이더 모듈과 실제 레이더 장비를 연동하여 통합 시험을 하였다. 이를 통해 항공관제 훈련 시뮬레이터 요구조건의 운용범위와 실시간성, 통신 인터페이스를 확인할 수 있다.
훈련 시뮬레이터의 모델 충실도 요구조건에 의하면 항공기 자세를 표현할 수 있어야 하므로 단순질점 이동으로는 동특성을 모사할 수 없다. 따라서 단순화된 저 충실도 운동 모델 중 5자유도 운동 모델을 사용하여 연산 부하를 최소화 하였다(11). 5자유도 운동 모델은 받음각(α), 롤각(μ), 방위각(χ), 속도(V), 비행 경로각(ϒ)으로 상태를 나타내며, 운동 방정식은 수식 1 ~ 수식 5와 같이 구성된다.
가장 많은 연산을 차지하는 항공기 모델은 요구조건에 의해 선택된 알고리듬의 반응 주파수 특성을 분석한 결과 최소 5Hz의 연산주기가 요구된다. 따라서 안정적인 시뮬레이션을 위해 연산주기를 10Hz로 설정하였다. 그리고 항공기 모델에서 10Hz의 주기로 연산된 항공기 정보를 전송한다.
개발된 훈련 시뮬레이터는 최신의 항공규약 및 항로정보를 적용하였으며(10), 국내에 있는 각 공항 및 레이더기지들의 특성을 반영하였다. 또한 계속해서 증가중인 항공 운송량을 고려하여 최대 1200대의 항공기와 30대의 레이더를 실시간으로 운용할 수 있도록 관제훈련 시뮬레이터를 설계하였다.
Autopilot 명령을 제외한 나머지 명령들은 항공기 내부의 유도 알고리듬 제어기에서 수행할 수 있도록 경로로 변환되어 전송된다. 또한, 최신 관제 규약 및 항로정보를 반영하기 위해 AIP(Aeronautical Information Publication)(10) 문서를 기초로 데이터베이스를 구축하였다. 따라서 관제 규약 및 항로정보 변경 시 이전 시뮬레이터는 이를 매번 직접 입력하여 적용하였는데, 본연구에서 개발된 시뮬레이터는 데이터베이스 변경만으로 적용이 가능하다.
본 논문에서는 시스템 구성을 분석하여 훈련용 시뮬레이터가 만족해야 할 요구조건을 도출하 였으며, 이를 기반으로 시뮬레이터를 설계하였다. 설계된 개별 구성 요소에 대해 설명하고, 앞서 도출한 요구조건을 기준으로 검증 결과를 제시하였다.
시뮬레이터는 각 모듈의 알고리듬 연산량과 운용범위를 고려하여 서로 독립적인 모듈로 구성한다. 따라서 실시간성을 확보하기 위한 시간 동기화가 필수적이다.
조종사 인터페이스 모듈과 항공기 모듈, 레이더 모듈에 대하여 단위 시험을 하였다. 이를 통해 항공관제 훈련 시뮬레이터 요구조건의 모델 충실도와 편의성을 검증할 수 있다.
항공관제 구성도에서 볼 수 있듯이 항공관제사는 실제 관제상황과 동일하게 관제 UI(User Interface)를 통해 현재의 비행 상황을 확인하고, 음성을 통해 조종사에게 지시를 전달한다. 조종사는 관제사의 지시에 따르기 위해 조종사 UI를 조작함으로써 시뮬레이터 내부의 항공기를 조종한다. 이때 1명의 시뮬레이터 조종사는 일반적으로 최대 30대의 항공기를 조종하며, 이를 원활하게 운용하기 위해 각 항공기들은 Autopilot 및 Guidance 기능을 수행하는 제어기를 포함하고 있다.
항공기 상태 정보를 UI에 표시하여 조종사가 UI를 통해 항공기 상태를 파악할 수 있도록 한다. Fig.
대상 데이터
운용범위 및 실시간성 요구조건에 의해 항공기 1200대와 레이더 30대 운용이 가능한 설계가 되어있으나, 실제 운용이 항공기 최대 500대 이므로 통합 시험은 항공기 600대와 레이더 30대운용 시험을 하였다. Fig.
이론/모형
모든 데이터는 Broadcast 방식을 사용하여 전송한다. 따라서 필요할 경우 두 라인을 사용하여 필요한 데이터를 사용할 수 있다.
성능/효과
공항 접근용 레이더의 경우 60NM의 탐지거리를 가지며, 거리탐지오차는 탐지거리의 ±3%이내이여야 한다(13). Radar로부터 항공기의 위치가 최대 90NM의 거리에서도 최대 오차가 900m 이내이므로 수용 가능한 오차범위 내에서 각 레이더로부터 항공기의 상대 위치와 방위각이 일치함을 확인할 수 있다.
또한, 최신 관제 규약 및 항로정보를 반영하기 위해 AIP(Aeronautical Information Publication)(10) 문서를 기초로 데이터베이스를 구축하였다. 따라서 관제 규약 및 항로정보 변경 시 이전 시뮬레이터는 이를 매번 직접 입력하여 적용하였는데, 본연구에서 개발된 시뮬레이터는 데이터베이스 변경만으로 적용이 가능하다.
항공기 모델에서 출력하는 항공기 경로와 관제 화면에서의 항공기 경로가 일치하며 진행한다. 이를 통해, 레이더 모듈과 레이더 장비와의 인터페이스가 시간지연과 연산 오차 없이 진행됨을 확인하였다.
후속연구
일반적인 훈련 상황에서는 약 500대의 항공기만을 운용하지만 추후 증가할 항공기의 운송량 및 관제환경을 고려해 최대 1200대의 항공기와 30대의 레이더를 운용할 수 있도록 확장성을 고려한 설계가 필요하다.
현재까지 모든 시뮬레이션 시스템 구성 프로그램은 한 대의 서버 컴퓨터에서 운용 되었다. 하지만 요구조건에 따라 향후 PC를 증설하여 운용해보고, 최대 패킷 내에서 항공기와 레이더의 확장 가능 양을 연구할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
미국의 ADACEL에서 제작된 항공관제 시뮬레이터의 특징은 무엇인가?
미국의 ADACEL에서 제작된 항공관제 시뮬레이터는 수학적 모델링을 통하여 항공기와 레이더를 구현하였고, 시나리오 생성과 항공기의 움직임 등 다양한 부분을 자동화하였다. 또한 관제 장비와 연동이 가능하며, 민항기뿐만 아니라 군용기의 조종사 훈련을 위한 시뮬레이션 환경까지 구성되어 있다(6). Fig.
국내에서 운용되는 거의 모든 관제 시스템 및 훈련체계들이 해외 업체에 의존하고 있는 이유는 무엇인가?
항공 운송 수요가 증가함에 따라 수많은 항공기를 어떻게 관리할 것인가에 대한 효율적 항공 관제에 대한 관심이 높아지고 있다. 국내의 우수한 IT 기술을 바탕으로 관제시스템을 이루는 개별 모듈들에 대해서는 기술개발이 충분히 진행되었으나, 이를 통합할 수준까지는 이르지 못했다. 그러므로 국내에서 운용되는 거의 모든 관제 시스템 및 훈련체계들은 해외 업체에 의존하고 있다(1).
국내 항공관제 시뮬레이터 개발 사례는?
그러나 그 중 항공관제 기술과 관련되어 국내 연구 개발 사례로는 항공관제 시뮬레이션이 유일하며, 현재 국내에서 운용 중인 항공관제시스템은 전량 해외에서 직도입하였다. 국내 항공관제 시뮬레이터 개발 사례는 순수 훈련용 시뮬레이터 이거나, 특정 목적용 연구 시뮬레이션이었으며, 실제 운용 목적의 항공관제시스템과의 상호 운용성 및 연관성은 없다(5).
참고문헌 (13)
Lee, C. H., Jung, J. H., Jeong, D. S., Park, H. D. and Choi, S. B., 2008, "System Architecture for Korean Air Traffic Control System," The Insititute of Electronics Engineers of Korea, Vol. 31, No. 1, pp. 1199-1200.
Gi-Wook Nam, Sanghyuk Lee, Inkyu Kim, Chan Hong Yum, 2000, "Development of Air Traffic Simulation Model for an Integrated Hardware-in-the-Loop Simulation System of UAV", The Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, 2000. 11, pp.52-56.
Sugjoon Yoon, 1999, "A Study in the simulation of the air traffic control system", The journal of aerospace industry, Vol 51, pp.69-89.
http://www.freeflightsystems.com/
Korea Agency for Infrastructure Technology Advancement, 2007, A Study report for Air traffic control system developmet planning.
http://www.adacel.com
http://www.ales.sk
BNSoft, inc, 2012, Detail Design Document of Software Maintenance System for ATC.
http://www.eurocontrol.int/services/asterix
Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, Aviation Policy Division, 2009, AIP(Aeronautical Information Publication).
Jang, S. A., 2012, "Study of Intelligent Pilot Model Based on Basic Fighter Maneuvering for Air Combat Simulation," Ph. D. Dissertation, In-ha University.
http://www1.metacraft.com/VRC/
Ministry of Land Infrastructure and Transport, 2012, The Installation and technical standards for Navigational safety wireless.
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