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문제 정의
- 본 논문에서는 2013년 7월 김포공항에 설치 완료된 GBAS 지상장비에 대해 국토교통부 비행 점검센터의 비행검사용 항공기를 이용한 GBAS CAT-I 비행시험평가 내용을 기술하였다. 우선 시험을 위한 GBAS CAT-I 비행시험 평가항목 및 평가기준을 제시하였고, 구체적인 비행방식을 소개하였으며, 시험평가를 위해 사용된 시험장비에 대해 소개하였다.
- 이에 본 논문에서는 GBAS CAT-I 비행시험 평가 시 수행해야하는 시험 평가항목 및 비행방식에 대해 간략히 소개하고, 비행점검센터의 비행검사용 항공기를 이용한 김포공항 GBAS 비행 시험 평가방법 및 평가결과에 대한 세부 분석 내용을 기술하였다.
제안 방법
- ILS, VOR(VHF Omnidirectional Range), DME(Distance Measurement Equipment) 등과 같은 국내 항행안전시설의 비행검사 규정은 이미 각 항행안전시설에 대한 최소한의 비행검사항목을 권고하고 있는 국제 기술문서인 ICAO Doc 8071 Vol.2와 미국 FAA의 비행검사매뉴얼인 FAA-Order-8200.1C 등을 따르고 있기 때문에, 국내 GBAS CAT-I 비행시험 평가 기준 또한 두 문서에 제시된 시험항목 및 평가 기준을 모두 반영하여 수립하였다. Table 1의 각 시험항목 및 평가기준, 시험절차에 대한 상세한 내용은 문서화되어 국토교통부에 제출되었으며, 현재 기술검토를 완료하고 국내 GBAS 비행검사 규정으로의 고시를 준비 중에 있다.
- 본 연구를 수행하기에 앞서 국내의 경우 GBAS 지상장비를 국내 공항에 설치한 경험이 없었기 때문에 GBAS 비행시험에 대한 평가 기준 및 절차가 수립되어 있지 않을 뿐만 아니라 시험결과에 대한 분석 방법 또한 모호하였다. 그러나 본 연구를 통해 수립된 국내 GBAS CAT-I 비행시험 기준 및 절차를 검증하였고, GBAS 비행시험에 대한 시험평가 기술 및 노하우를 확보하였다. 본 연구를 통해 확보된 기술은 향후 다른 국내 공항으로의 GBAS 지상장비 설치가 확대될 경우 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 그리고 각 평가 구간에서의 수평편 위와 수직편위의 평균 값을 구하고, 그 값이 각각 ±0.1도와 ±0.05도 이하를 만족하는지를 평가한다.
- 우선 시험을 위한 GBAS CAT-I 비행시험 평가항목 및 평가기준을 제시하였고, 구체적인 비행방식을 소개하였으며, 시험평가를 위해 사용된 시험장비에 대해 소개하였다. 그리고 김포공항에서 여러 차례 수행된 Arc, Level Run, Approach 비행을 통해 얻어진 각 시험항목별 평가결과 및 분석 내용을 기술하였다. 비행시험결과 김포공항의 GBAS 신호통달범위 내에서 VDB 신호는 데이터 오류 없이 정상적으로 잘 수신이 되고 있으며, VDB 전계강도 또한 평가 기준을 충분히 만족함을 확인하였다.
- Arc 비행은 비행거리는 활주로 시단으로부터 GBAS의 공간신호를 적절하게 분석할 수 있는 지점인 20NM까지를 비행거리로 하고, 비행고도는 GBAS VDB 신호통달범위 내의 최저고도(통상 약 2000ft) 또는 비행구역의 가장 낮은 장애물회피고도(LCA, Lowest Clearance Altitude)로 하며, 비행범위는 공역의 제한 또는 금지구역이 없는 경우 활주로 중심선을 기준으로 좌우 35도 범위로 한다. 그리고 비행시 FAS 데이터 시험, 비행 신호간섭 시험, VDB 신호통달범위 시험, GBAS 식별부호 확인시험, VDB 데이터 확인 시험을 수행한다.
- Figure 16은 2014년 7월 21일 RWY 32방향에서 4000ft 저고도 Level Run 비행시 측정된 VDB 전계강도를 활주로 시단과 항공기 간의 거리 변화에 따라 나타낸 것이다. 김포공항 RWY 32방향의 경우 공항으로부터 약 10NM 떨어진 곳에 관악산이 위치하고 있기 때문에, 4000ft 저고도 Level Run 비행을 수행함에 있어 활주로 시단으로부터 약 13~22.7NM 구간에서는 항공기 고도를 약 4000ft로 유지하였고, 6～13NM 구간에서는 항공기 고도를 4000ft에서 1500ft로 천천히 하강하였으며, 활주로 시단에서부터 FAF(Final Approach Fix)가 위치한 6NM 구간에서는 1500ft의 고도를 유지하며 비행을 수행하였다. 그 결과 VDB 전계강도는 활주로 시단으로부터 약 21.
- 또한 AD-AFIS-350은 평가에 필요한 여러 정보들을 저장함에 있어 약 32개 파라미터에 대한 값밖에 저장할 수 없기 때문에 시험결과를 후처리 분석함에 있어 많은 제약이 따른다. 따라서 GBAS 비행시험평가를 위해 자체 개발한 GBAS 탑재시험평가장비를 Fig. 8과 같이 비행검사용 항공기 내부에 장착하여 AD-AFIS-350과 함께 병용하여 시험평가를 진행하였다. 참고로, GBAS 탑재시험평가장비에는 측정장치로 MMR (Rockwell Collins사, GLU-925), RF Power Meter, GPS 수신기(NovAtel DL-V3), 스펙트럼 분석기 등을 포함하고 있어 비행시험평가에 필요한 여러 정보들에 대한 획득 및 시현/저장이 가능하고, 일부 시험항목에 대해서는 실시간 평가도 가능하도록 개발되었다[11].
- 29m의 값을 가졌다. 또한 RWY 14R과 RWY 32R 이외에도 RWY 14L와 RWY 32L에 대해서도 여러 차례 Approach 비행 시험을 수행하였으며, 이 경우에도 LPL과 VPL값이 각각 LAL과 VAL을 초과하는 경우는 볼 수 없었다. 본 시험에서 PL이 AL을 초과하는지 또는 초과하지 않는지를 보는 것은 결국, 항공기의 활주로 접근시 GBAS 시스템의 가용여부를 확인하는 것인데 다수의 Approach 비행시험을 수행하는 동안 한 차례도 GBAS 시스템의 가용성이 깨진 적은 없었다.
- 또한 항공기가 활주로 시단을 통과할 때 활주로 표면으로부터의 항공기 고도 값이 접근차트 상에 명기된 TCH 값을 기준으로 ±2m 이내로 통과하였는지를 평가한다.
- 한편, 김포공항 RWY 14방향 공역의 경우 북한과 인접하기 때문에 앞서 소개한 Arc, Level Run 비행이 불가하여 Approach 비행만을 수행하였으며, RWY 32방향 또한 관악산(해발 약 3500ft)과 같은 지형장애물로 인해 Arc와 저고도 Level Run 비행시 비행고도를 2000ft에서 4000ft로 변경하여 시험을 수행하였다. 또한 항공기는 Arc, Level Run, Approach 비행코스를 비행함에 있어 자동비행조정장치를 통해 자동으로 비행하였다.
- 본 시험은 비행 중 GBAS 신호통달범위 내에서 측정된 VDB 전계강도가 Table 1의 평가 기준을 만족하는지를 평가하는 시험으로, 평가 방법은 Arc, Level Run, Approach 비행을 각각 수행하고, 이때 측정된 VDB 전계강도의 값이 평가 기준을 만족하는지를 확인한다. 김포공항에 설치된 GBAS VDB 안테나는 수평편파이므로, 수신된 VDB 전계강도는 -99dBW/m2 ~ -35dBW/m2 이내여야 한다.
- 본 시험은 비행시험시 수신되는 VDB 신호와 GPS 신호에 대한 외부 신호간섭 여부를 확인하는 시험으로, 평가는 VDB 주파수가 할당된 주파수 값으로 오류없이 수신이 되는지, 그리고 수신된 GPS 신호의 세기가 요구범위 내에 있으며, 수신된 GPS 관련 정보가 Table 3을 만족하는지를 확인한다.
- 본 논문에서는 2013년 7월 김포공항에 설치 완료된 GBAS 지상장비에 대해 국토교통부 비행 점검센터의 비행검사용 항공기를 이용한 GBAS CAT-I 비행시험평가 내용을 기술하였다. 우선 시험을 위한 GBAS CAT-I 비행시험 평가항목 및 평가기준을 제시하였고, 구체적인 비행방식을 소개하였으며, 시험평가를 위해 사용된 시험장비에 대해 소개하였다. 그리고 김포공항에서 여러 차례 수행된 Arc, Level Run, Approach 비행을 통해 얻어진 각 시험항목별 평가결과 및 분석 내용을 기술하였다.
- 그러나 국내의 경우 GBAS 지상장비를 국내공항에 설치한 경험이 전무하기 때문에 GBAS 비행시험에 대한 국내 평가 절차 및 기준이 전혀 수립되어 있지 않았다. 이에 본 연구를 수행하기에 앞서 국제 기술문서와 GBAS 지상장비를 설치 및 운영하고 있는 해외 국가들의 시험평가 사례 등을 바탕으로 Table 1과 같이 국내 GBAS CAT-I 비행시험 평가항목 및 평가기준을 수립하는 연구를 우선 수행하였으며, 본 연구의 GBAS 비행시험은 Table 1을 기준으로 진행하였다[5-10].
- 코스정렬 정확도 시험은 항공기가 GLS Autopilot을 통해 Approach 비행을 수행할 때, 활주로 시단에서부터 1NM까지의 구간에서 항공기가 활주로 중심선을 기준으로 평균 ±0.1도 이하로 정렬(Alignment)을 맞추었는지, 그리고 활주로 시단으로부터 3500ft 떨어진 지점 에서부터 4NM까지의 구간에서 항공기가 접근차트 상의 활공각을 기준으로 평균 ±0.05도 이하의 정렬을 맞추었는지를 평가한다.
- 아날로그 방식의 ILS와 달리 GBAS는 VDB 안테나를 통해 디지털방식으로 VDB 메시지를 방송하고 있기 때문에, 수신되는 전파의 전계강도가 약하거나 또는 외부 신호간섭이 있을 경우 수신된 디지털 신호의 정보가 왜곡될 수 있다. 특히 MT4 FAS 데이터는 항공기 착륙유도정보를 생성하는데 활용되기 때문에 수신된 값에 오류가 있을 경우 항공기의 비행안전에 크게 영향을 미칠 수 있으므로, GBAS 비행시험시 FAS 데이터 시험을 수행한다.
- Table 2는 김포공항의 GBAS 지상장비에서 방송되는 MT4 FAS 데이터로, 김포공항 2개 활주로의 4개 방향(RWY 14L/R, RWY 32L/R)에 대한 접근경로정보를 제공하고 있다. 평가는 Arc, Level Run, Approach 비행방식 각각에 대해 비행을 수행하고, 이때 수신된 활주로별 FAS 데이터에 대해 각각의 파라미터의 송수신 정보가 일치하는지를 비교 확인하는 방식으로 수행하였다.
- 한편, 김포공항 RWY 14방향 공역의 경우 북한과 인접하기 때문에 앞서 소개한 Arc, Level Run 비행이 불가하여 Approach 비행만을 수행하였으며, RWY 32방향 또한 관악산(해발 약 3500ft)과 같은 지형장애물로 인해 Arc와 저고도 Level Run 비행시 비행고도를 2000ft에서 4000ft로 변경하여 시험을 수행하였다. 또한 항공기는 Arc, Level Run, Approach 비행코스를 비행함에 있어 자동비행조정장치를 통해 자동으로 비행하였다.
- 활주로 시단 통과높이도 또한 실제 항공기 위치정보를 바탕으로 항공기가 활주로 시단을 통과하는 시점에서 활주로 시단으로부터의 항공기 고도를 구한 후 접근차트상의 TCH 값과의 차를 계산하고 그 차가 ±2m 이내인지를 확인한다.
대상 데이터
- 김포공항에서 수행된 GBAS 비행시험은 Fig. 7과 같이 서울지방항공청 비행점검센터의 비행검사용 항공기(봄바이어사, CL-601-3R)를 이용하여 진행되었다. 비행검사용 항공기는 국내 항행안전 시설에 대한 대부분의 비행검사를 수행하고 있으며, 해당 항공기에는 GBAS 신호를 수신할 수 있는 Rockwell Collins사의 Multi-Mode Receiver(MMR) 장비인 GLU-930과 Honeywell사의 ILS 수신기인 RNZ-850이 장착되어 있어, GBAS와 ILS 신호 수신이 모두 가능하다.
- 김포공항의 GBAS 비행시험은 2014년 6월 27일부터 8월 11일까지 수행되었으며, Table 1의 각 시험항목에 대한 분석 및 평가 결과는 다음과 같다.
- 한국의 경우 국내 규정에 의거 새롭게 설치되는 항행안전시설에 대해서는 운용 개시 전국토교통부 서울지방항공청 비행점검센터를 통해 비행검사를 수행하여 신설된 항행시설의 성능을 검증 하도록 하고 있다[3-4]. 이에 김포공항에 설치된 GBAS 지상장비에 대해서도 성능 확인점검 차원에서 2014년 6월 말부터 8월 중순까지 비행 검사를 수행하였다.
데이터처리
- 본 시험의 평가를 위해 항공기 실제 비행궤적은 GBAS 탑재시험평가장비에 의해 저장된 GPS L1/L2 raw 데이터를 CSRS-PPP(Canadian Spatial Reference System-Precise Point Positioning) 프로그램을 통해 후처리하여 얻었다. CSRS-PPP는 수 cm의 위치 정확도를 제공하는 GPS 후처리 프로그램이므로, CSRS-PPP를 통해 얻어진 항공기 위치정보는 실제 항공기 위치 정보로 간주할 수 있다.
성능/효과
- 14는 2014년 8월 11일 RWY 32R로의 Approach 비행시 얻어진 Table 3의 각 GPS 정보에 대한 값의 변화를 나타낸 것이다. Fig. 12를 통해 비행 중 수신된 GPS 위성의 C/N0 값은 평가 기준치인 35dB 이상임을 확인할 수 있고, Fig. 13을 통해 HDOP(Horizontal Dilution of Precision)과 VDOP(Vertical Dilution of Precision) 또한 평가 기준치인 4이하임을 확인할 수 있다. 그 밖에 Fig.
- MMR을 통해 수신된 GBAS ID가 ’RKSS‘와 일치할 경우에는 1로, 일치하지 않을 경우는 0으로 표기하도록 하였는데, Fig. 18과 같이 모든 비행동안 GBAS ID가 모두 정상적으로 수신되는 것을 확인할 수 있다.
- 그래프 우측 상단의 라벨은 GBAS 지상장비에서 송신한 값이며, 항공기에서 수신된 값은 송신 값과 모두 일치하는 것을 확인할 수 있다. RWY 14L 이외에 RWY 14R, RWY 32L, RWY 32R의 FAS 데이터도 모두 송수신 값이 일치하였으며, Arc, 저고도 Level Run, 고고도 Level Run에서도 동일한 결과를 얻었다.
- 김포공항 VDB 안테나는 RWY 32R의 접근코스로부터 수평방향 으로 약 150m 떨어진 곳에 위치하고 있기 때문에, Approach 시 항공기가 활주로에 근접할 경우 다른 활주로들에 비해 측정되는 VDB 전계강도 값이 상대적으로 높은 것을 확인하였다. RWY 32L로의 Approach시 활주로 시단 부근에서 측정되는 VDB 전계강도는 약 -40dBW/m2 전후로 나타났으며, RWY 14L, RWY 14R의 활주로 시단은 VDB 안테나로부터 약 4km 이상 떨어져있으므로 활주로 시단 부근에서 약 70dBW/m2의 VDB 전계강도가 측정되었다.
- 92m의 값을 가졌다. VPL 또한 활주로 시단으로부터 12NM 지점에서는 4.03m의 값을 가졌으며, 활주로 시단 근처에서는 2.29m의 값을 가졌다. 또한 RWY 14R과 RWY 32R 이외에도 RWY 14L와 RWY 32L에 대해서도 여러 차례 Approach 비행 시험을 수행하였으며, 이 경우에도 LPL과 VPL값이 각각 LAL과 VAL을 초과하는 경우는 볼 수 없었다.
- 그 결과 VDB 전계강도는 활주로 시단으로부터 약 21.7NM 떨어진 지점에서 -96.55dBW/m2 의 최소값을 가졌으며, 활주로 시단에 가까워질수록 그 값이 증가하여 활주로 시단에서는 약 -43.07 dBW/m2 의 값을 가졌다.
- 13을 통해 HDOP(Horizontal Dilution of Precision)과 VDOP(Vertical Dilution of Precision) 또한 평가 기준치인 4이하임을 확인할 수 있다. 그 밖에 Fig. 14를 통해 무결성 관련 지수인 HIL(Horizontal Integrity Limit)과 정확도 성능 관련 지수인 FOM(Figure of Merits) 또한 평가 기준치를 만족하였음을 알 수 있으며, Tracking 위성 개수 또한 8～9개로 평가 기준을 만족하였다. 이러한 결과는 RWY 14 방향으로의 Approach 비행과 RWY 32방향으로의 Arc 비행, 4000ft와 10000ft Level Run 비행에서도 동일하게 요구조건을 만족하는 것을 확인하였다.
- 비행시험결과 김포공항의 GBAS 신호통달범위 내에서 VDB 신호는 데이터 오류 없이 정상적으로 잘 수신이 되고 있으며, VDB 전계강도 또한 평가 기준을 충분히 만족함을 확인하였다. 그리고 항공기의 활주로 Approach시 최종접근구간에서의 수평 및 수직 보호수준은 대략 5m 이하로 평가기준인 보호한계 대비 그 값이 현저히 작은 것을 확인하였다. 코스정렬 정확도 시험을 통해 김포공항의 GBAS 지상장비가 CAT-I 정밀접근서비스를 충분히 제공할 수 있음을 확인하였고, 또한 GBAS가 제공하는 접근정보의 정확도가 ILS보다 우수함을 확인하였다.
- 78dBW/m2 의 값을 가졌다. 김포공항 VDB 안테나는 RWY 32R의 접근코스로부터 수평방향 으로 약 150m 떨어진 곳에 위치하고 있기 때문에, Approach 시 항공기가 활주로에 근접할 경우 다른 활주로들에 비해 측정되는 VDB 전계강도 값이 상대적으로 높은 것을 확인하였다. RWY 32L로의 Approach시 활주로 시단 부근에서 측정되는 VDB 전계강도는 약 -40dBW/m2 전후로 나타났으며, RWY 14L, RWY 14R의 활주로 시단은 VDB 안테나로부터 약 4km 이상 떨어져있으므로 활주로 시단 부근에서 약 70dBW/m2의 VDB 전계강도가 측정되었다.
- 또한 활주로 시단 통과시 항공기 고도는 접근차트의 TCH 대비 약 0.5m 이하의 오차를 보였으며 이는 평가 기준인 ±2m 이하를 충분히 만족하였다.
- 그리고 김포공항에서 여러 차례 수행된 Arc, Level Run, Approach 비행을 통해 얻어진 각 시험항목별 평가결과 및 분석 내용을 기술하였다. 비행시험결과 김포공항의 GBAS 신호통달범위 내에서 VDB 신호는 데이터 오류 없이 정상적으로 잘 수신이 되고 있으며, VDB 전계강도 또한 평가 기준을 충분히 만족함을 확인하였다. 그리고 항공기의 활주로 Approach시 최종접근구간에서의 수평 및 수직 보호수준은 대략 5m 이하로 평가기준인 보호한계 대비 그 값이 현저히 작은 것을 확인하였다.
- 비행시험시 스펙트럼 분석기를 이용하여 VDB 주파수 및 GPS 신호세기를 확인하였으며, 측정된 VDB는 116.1MHz로 GBAS 지상장비에서 설정된 VDB 안테나 주파수 값과 일치하였고, GPS 신호세기 또한 안테나와 신호분배기의 신호 증폭량 및 케이블 신호 손실 등을 모두 고려하여 약 125dBm ~ 130dBm 이내의 값을 가지는 것을 확인하였다.
- 14를 통해 무결성 관련 지수인 HIL(Horizontal Integrity Limit)과 정확도 성능 관련 지수인 FOM(Figure of Merits) 또한 평가 기준치를 만족하였음을 알 수 있으며, Tracking 위성 개수 또한 8～9개로 평가 기준을 만족하였다. 이러한 결과는 RWY 14 방향으로의 Approach 비행과 RWY 32방향으로의 Arc 비행, 4000ft와 10000ft Level Run 비행에서도 동일하게 요구조건을 만족하는 것을 확인하였다. 수평 보호수준(LPL, Lateral Protection Level)과 수직보호수준(VPL, Vertical Protection Level) 또한 평가 기준을 만족하였으며, 결과는 3.
- 그리고 항공기의 활주로 Approach시 최종접근구간에서의 수평 및 수직 보호수준은 대략 5m 이하로 평가기준인 보호한계 대비 그 값이 현저히 작은 것을 확인하였다. 코스정렬 정확도 시험을 통해 김포공항의 GBAS 지상장비가 CAT-I 정밀접근서비스를 충분히 제공할 수 있음을 확인하였고, 또한 GBAS가 제공하는 접근정보의 정확도가 ILS보다 우수함을 확인하였다.
- Figure 17은 2014년 8월 11일 RWY 32R로의 Approach 비행시 측정된 VDB 전계강도를 활주로 시단과 항공기 간의 거리 변화에 따라 나타낸것이다. 활주로 시단으로부터 약 12NM 떨어진 지점에서 VDB 전계강도는 -86.45dBW/m2로 측정되었고, 항공기가 활주로 시단에 가까워질수록 그 값은 증가하여 활주로 시단 부근에서 최대 -36.78dBW/m2 의 값을 가졌다. 김포공항 VDB 안테나는 RWY 32R의 접근코스로부터 수평방향 으로 약 150m 떨어진 곳에 위치하고 있기 때문에, Approach 시 항공기가 활주로에 근접할 경우 다른 활주로들에 비해 측정되는 VDB 전계강도 값이 상대적으로 높은 것을 확인하였다.
후속연구
- 그러나 본 연구를 통해 수립된 국내 GBAS CAT-I 비행시험 기준 및 절차를 검증하였고, GBAS 비행시험에 대한 시험평가 기술 및 노하우를 확보하였다. 본 연구를 통해 확보된 기술은 향후 다른 국내 공항으로의 GBAS 지상장비 설치가 확대될 경우 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
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