[논문]ADS-B 메시지를 이용한 충돌 경보 알고리즘에 관한 연구

주요한; 구성관; 홍교영

doi:10.12673/jant.2015.19.5.379

ADS-B 메시지를 이용한 충돌 경보 알고리즘에 관한 연구
A Study for Avoidance Alarm Algorithm with ADS-B Message 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.19 no.5 = no.74, 2015년, pp.379 - 388

주요한 (한서대학교 대학원 항공시스템공학과) , 구성관 (한서대학교 항공레저산업학과) , 홍교영 (한서대학교 항공전자공학과)

초록
AI-Helper

1990년대 말 미국에서는 미래 자유비행 기술개발 및 시험을 추진하였고, 이에 국내에서도 2017년까지 자유비행을 실현 할 계획을 수립하였다. 자유비행 실현을 위해서는 항공기 간 충돌의 예방을 위해 항공기 분리보증 (separation assurance)이 필수적이다. 현대 대형 민간항공기는 분리보증을 위해 충돌회피장치(TCAS; traffic collision avoidance system) 운영 및 회피 기동 규칙이 있지만 경량항공기는 비용과 공간 문제로 TCAS를 적용하기 어렵기 때문에 이에 대한 대안이 필요하다. 이에 본 논문에서는 저비용으로 경량화 및 소형화되어 구성된 ADS-B 환경 하를 가정하여 소형항공기에 적합하도록 수정하였고 LABVIEW 프로그램으로 시뮬레이션하여 시험해보았다. 시뮬레이션은 국제항공민간기구에서 제시한 항공기 충돌상황에 대하여 수행하였고, 그 결과 TCAS 기준에 따라 경보발령을 100% 수행하였음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In the end of 1990's, future free flight technology had been developed and tested in America and government established the plan for free flight until 2017. Aircraft separation assurance must be secured essentially to avoid collision between aircrafts before Free Flight comes true. Now, Civil aircraft has rules about avoidance activity with traffic collision avoidance system (TCAS) but it can't apply to light aircraft. So there is a need about alternative method to apply light-aircraft because it has space and price problem to use TCAS. In this paper, TCAS algorithm has been modified and verified by simulating with LABVIEW program under ADS-B condition to get miniaturization and weight lighting cheaply. By simulating, collision alert algorithm is analyzed and verified with collision situation proposed by ICAO, and 100% checked for performing the alert announciation on all cases by TCAS standards.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

따라서 본 논문에서는 TCAS 충돌 회피알고리즘을 분석하였고 이를 ADS-B (automatic dependance surveillance – broadcast) 환경에 적용하기 위하여 충돌예상시간과 항공기 간 거리 계산방법 등을 수정하였다.
본 논문의 목적은 저비용으로 구성된 ADS-B 환경을 가정하여 기존의 충돌회피 알고리즘을 수정하고 수정된 충돌회피 알고리즘을 시뮬레이션을 통해 검증하는 것이다.
본 연구에서는 TCAS 충돌회피 알고리즘을 ADS-B 환경 하에서 운영되는 소형항공기에 적용 가능하도록 수정하였다. 그리고 시뮬레이션 결과 제시된 모든 충돌상황에서 알고리즘은 정상적으로 경보발령을 수행하였고 이로써 제시된 알고리즘의 구현이 잘 되었다고 판단할 수 있었다.

가설 설정

수신프로그램은 이를 수신하여 위치데이터를 분석, 고도테스트와 거리테스트를 수행하여 충돌경보 LED에 표시한다. 또한 직관적인 경보 상황 인식을 위해 자신의 항공기는 흰색, 표적항공기는 빨간색으로 표시하였으며 표적항공기가 감시영역에 들어온 순간부터 계산하는 것으로 가정하였다.
일반적으로 항공교통분야에서의 운영실험은 매우 제한적이고, 고비용과 고위험성을 동반하지만 시뮬레이션 실험은 상대적으로 저비용과 저위험성을 제공하게 된다. 본 논문에서 시뮬레이션은 ADS-B 운영환경을 가정하였고, GPS위치데이터 또한 오차가 없음을 가정하였다.
본 논문에서는 유인소형항공기에 ADS-B 시스템이 장착된 상황을 가정하여 회피기동은 조종사의 몫으로 고려하였다. 따라서 TCAS 충돌회피 알고리즘에서 회피기동보다는 충돌경보에 대한 알고리즘에 중점을 두어 분석을 수행하였다.
분리기준 위반여부는 앞서 소개된 충돌경보 알고리즘을 통해 계산된 결과값을 통해 확인하였으며 데이터는 오차가 없고 무결성이며 매초 갱신되는 것으로 가정하였다.

제안 방법

‘traffic advisory’와 ‘resolution advisory’부분은 회피를 위한 과정으로 회피기동을 지원하지 않는 본 논문의 알고리즘에 서는 동일한 강도의 경보수준을 적용하여 ‘caution level(주의단계)’와 ‘warning level(위험단계)’로 수정하였다.
기존의 알고리즘에서 ‘sense/strength selection’은 TCAS의 안테나 전계강도를 이용하여 상대 항공기의 위치를 계산하기 위하여 필요한 것으로 ADS-B 데이터에서 GPS정보를 이용하는 본 논문에서의 충돌경보 알고리즘은 이를 삭제하였다.
본 논문에서는 유인소형항공기에 ADS-B 시스템이 장착된 상황을 가정하여 회피기동은 조종사의 몫으로 고려하였다. 따라서 TCAS 충돌회피 알고리즘에서 회피기동보다는 충돌경보에 대한 알고리즘에 중점을 두어 분석을 수행하였다.
하지만 수평적 위험도 측정은 항공기 위치 정보 수집 방법이 TCAS와 다르기 때문에 같은 방법으로 수행될 수 없다. 따라서 본 논문에서는 ADS-B를 통하여 획득한 위도, 경도의 정보를 거리로 환산하여 수평적 위험도를 측정하였다.
‘traffic advisory’와 ‘resolution advisory’부분은 회피를 위한 과정으로 회피기동을 지원하지 않는 본 논문의 알고리즘에 서는 동일한 강도의 경보수준을 적용하여 ‘caution level(주의단계)’와 ‘warning level(위험단계)’로 수정하였다. 또한 TCAS에서 주변 항공기 위치 정보를 수집하는 방법이 ADS-B에서 다르게 적용되므로 거리테스트와 고도테스트를 각각 수평적 위험도 측정 (horizontal risk measurement)과 수직적 위험도 측정(vertical risk measurement)으로 수정하였다.
본 논문에서 수정한 충돌경보 알고리즘의 수직적 위험도 측정은 TCAS 충돌회피 알고리즘의 고도테스트와 동일한 방법으로 측정한다. 하지만 수평적 위험도 측정은 항공기 위치 정보 수집 방법이 TCAS와 다르기 때문에 같은 방법으로 수행될 수 없다.
본 논문에서는 저비용으로 구성된 ADS-B 수신기를 통하여 얻은 주변 항공기 위치 정보를 이용하여 충돌위험 정도를 산출하는 알고리즘을 작성하였다. 알고리즘에 사용되는 정보는 위도, 경도, 고도정보이며 시뮬레이션 입력값으로 사용된다.
본 연구에서 경보의 단계는 크게 안전, 주의, 위험 단계로 나누었으며, 국제민간항공기구 (ICAO ; international civil aviation organization)에서 제시한 충돌상황에 대해 TCAS에 적용된 최소분리기준과 수평분리기준 위반상황에 대한 경보 문제에 초점을 맞춰 수행하였다. 국제민간항공기구에서 제시한 충돌상황은 항공기가 서로 마주보며 접근하는 경우, 교차하는 경우, 추월하는 경우 3가지이며[7], 이는 그림 6에 나타나있다.
시뮬레이션 결과는 시간에 따라 항공기가 진행하면서 발령된 tau와 DMOD에 의한 경보를 그래프를 통해서 확인하였다.
시뮬레이터는 데이터 작성프로그램과 데이터 수신프로그램으로 구성되어 있으며, LABVIEW 프로그램을 이용하여 만들었다. 데이터 작성프로그램은 그림 5와 같으며, 데이터 수신프로그램은 그림 6과 같다.
따라서 본 논문에서는 TCAS 충돌 회피알고리즘을 분석하였고 이를 ADS-B (automatic dependance surveillance – broadcast) 환경에 적용하기 위하여 충돌예상시간과 항공기 간 거리 계산방법 등을 수정하였다. 이후에 ICAO에서 제시한 항공충돌상황에 대하여 시뮬레이션하여 계산결과와 기준에 따른 경보발령 여부 등을 검증하였다.

대상 데이터

이때 TCAS 무지향성 안테나가 사용된다. 방위정보는 지향성 안테나의 회전각 데이터를 통하여 획득한다. 각 안테나는 항공기 외부에 부착되어 운영되며, 소형항공기에서는 이와 같은 방법을 적용하기에 어려움이 있다.
본 논문에서는 저비용으로 구성된 ADS-B 수신기를 통하여 얻은 주변 항공기 위치 정보를 이용하여 충돌위험 정도를 산출하는 알고리즘을 작성하였다. 알고리즘에 사용되는 정보는 위도, 경도, 고도정보이며 시뮬레이션 입력값으로 사용된다.

성능/효과

89 NM이었다. case II-1과 caseII-2를 통하여 tau에 의한 경고단계 및 위험단계 경보발령이 잘 이루어졌음을 확인할 수 있었다.
TCAS는 접근하는 항공기에 대한 충돌위험을 판단하기 위해 거리테스트 (range test)와 고도테스트 (altitude test)를 수행한다. 각 테스트 결과는 최종적으로 TA (Traffic advisory)와 RA (Resolution advisory)를 결정하게 되며 RA의 위험도가 TA 위험도보다 더 높다. 각 테스트 결과가 TA인 경우 TCAS는 조종사에게 음성과 함께 주의경보를 발령하며, RA인 경우 회피 방향과 함께 위험경보를 발령한다.
본 연구에서는 TCAS 충돌회피 알고리즘을 ADS-B 환경 하에서 운영되는 소형항공기에 적용 가능하도록 수정하였다. 그리고 시뮬레이션 결과 제시된 모든 충돌상황에서 알고리즘은 정상적으로 경보발령을 수행하였고 이로써 제시된 알고리즘의 구현이 잘 되었다고 판단할 수 있었다.
마지막 case II-3은 고도분리가 위험단계로 이루어진 상황에서 다른 항공기가 뒤에서 추월하는 상황을 구현하여 시뮬레이션을 수행한 결과이다. 해당 시뮬레이션에서 경보는 DMOD에 의해서 발령되었으며 tau뿐만 아니라 DMOD에 의한 경보도 잘 수행됨을 알 수 있다.

후속연구

이러한 충돌 회피 규칙은 어디까지나 현행의 공역체계, 즉 정해진 항로를 이용하고 아직까지는 공역 용량이 포화상태가 아닌 조건에서만 통용될 수 있는 규칙이다[3] 그리고 현재 운용 중인 충돌회피 장치 (TCAS)는 비용과 공간의 제약 문제로 대형항공기에만 적용되어 사용되고 있는 실정이다. 따라서 향 후 자유비행을 위하여 대형항공기에만 갖추어져 있는 충돌경보시스템을 소형항공 기도 갖추어야 할 필요가 있으며 기존의 충돌회피시스템에서 소형화, 경량화 되어야 한다. 따라서 본 논문에서는 TCAS 충돌 회피알고리즘을 분석하였고 이를 ADS-B (automatic dependance surveillance – broadcast) 환경에 적용하기 위하여 충돌예상시간과 항공기 간 거리 계산방법 등을 수정하였다.
또한 ADS-B 메시지에 담겨 있는 추가 정보를 이용하여 항공기 항법에 응용하여 감시기능에 부가적으로 항법기능을 더하여 사용할 수 있을 것으로 예상된다.
마지막으로 본 논문에서 수행된 시뮬레이션 검증은 몇몇 상황들에 대한 시뮬레이션 시험이 끝난 것으로, 좀 더 다양한 변수와 특수한 상황에 대한 추가 시험이 필요하며, 실제 항공기에 적용한 시험이 필수적이다.
본 알고리즘을 통해서 기존의 TCAS와 대비한 ADS-B의 장점을 기대할 수 있는데, 저비용으로 소형화 및 경량화를 이루어낼 수 있다는 것이 그것이며, 탐지거리 또한 기존 TCAS의 40NM에서 ADS-B의 탐지거리인 100NM까지 확장할 수 있을 것으로 기대할 수 있다.
하지만 본 연구에서는 GPS의 오차가 없는 것을 가정하였음으로 실제 GPS오차에 대한 보완방안 수립이 필요하다. 또한 위치데이터의 무결성을 가정하였으므로, 주변항공기들의 위치정보가 수집되지 않았을 경우에 대한 알고리즘 보완도 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자유비행의 실현을 위해서는 어떤 문제가 해결이 선행되어야 하는가?	자유비행은 더 효율적인 경로에 대한 가능성을 제공하는 때문에 항공기 연료절감과 대기오염 감소, 운항비용 및 항공교통관제 의존을 축소시킬 수 있는 가장 큰 대안으로 자리 잡았다. 하지만 자유비행의 실현을 위해서는 항공기 분리보증 (separation assurance)의 문제 해결이 선행되어야 하며, 자유비행을 위한 주요 핵심 요구사항으로 국내외에서 여러 연구가 진행되고 있다[2].
	ADS-B가 소형항공기에 적합한 이유는?	개념도에서 설명하고 있는 것처럼 ADS-B는 자신의 위치정보를 100NM 이내 주변 항공기와 지상국에 방송하는 시스템이다. 따라서 ADS-B는 저비용의 수신기만 있어도 주변 항공기의 위도, 경도, 고도 등의 정보를 수집할 수 있으며 시스템을 위한 별도의 공간이 필요치 않아 소형항공기에 적합하다.
	TCAS 충돌회피 알고리즘의 과정은 어떻게 진행되는가?	알고리즘 초기에는 자항공기를 중심으로 주변 교통상황을 감시(surveillance)를 수행한다. 이후에 타항공기가 감시영역에 진입 시 자항공기의 위치정보와 타항공기의 위치정보를 이용하여 tracking하고 거리테스트와 고도테스트를 수행하여 조종사에게 주의경보(TA)를 발령한다. 주의경보가 발령되었음에도 불구하고 충돌위험이 감지(threat detection)되면 상대 항공기와 회피 방향을 최종 결정 후 회피기동(RA)을 지시한다.

참고문헌 (7)

J. Y. Kang, J. H. Han, and J. H. Kim "Free flight concept and implementation in U.S.A. and EU," Journal of the Korean Society for Aviation and Aeronautics, Vol. 7, No. 7, pp. 25-28, June. 2007.
J. Y. Kang and D. Y. Lee, "Comparative analysis of free flight conflict detection and resolution algorithm," Journal of the Korean Society for Aviation and Aeronautics, Vol. 19, No. 4, pp. 83-90, Dec. 2011.
J. H. Kim, "Cooperative level turn maneuver for free flight separation assurance," Korea Aerospace University, Feb. 2011.
J. H. Kim, "A study for standard about performance improve of traffic collision avoidance system(TCAS-II)," Korea Transport Institute, Korea Aerospace Research Institute, Dec. 2012.
S. Y. Lee and M. S. Lee, "Next generation technology development for free flight," Ministry of Construction and Transportation, May, 1994
Y. J. Seo and D. W. Lee, "Test of UAV tracking antenna system using Kalman filter based on GPS velocity and acceleration," Journal of the Korean Society for Space and Aeronautics, Vol. 39, No. 9, pp. 883-888, Sept. 2011.

원문보기 상세보기
ICAO, "Aircraft operations", ICAO, Document Sales Unit 999 University Street Montreal Quebec Canada, Doc 8168 Vol.1, 5th edition, pp. I-2-3-1-I-2-3-3, Nov. 2006.

저자의 다른 논문 :

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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