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문제 정의
- 본 논문은 항공기에서 송신하는 ADS-B 신호를 활용하여 공항 인근의 항공기 위치에 대한 정밀한 감시가 가능한지 확인을 위한 자료의 수집과 일부 데이터에 대한 분석을 수행하였다. 이를 위하여 정밀계기 착륙 접근하는 항공기의 ADS-B 항적을 수집하고, 활주로 최종접근 구간에서 항적의 분포 특성에 관한 분석을 수행하였다.
- 본 논문은 항공기에서 송신하는 ADS-B 신호를 활용한 공항 인근의 항공기 위치에 대한 정밀한 감시가 가능한지 확인을 위한 자료의 수집과 일부 데이터에 대한 분석을 수행하였다. 이를 위하여 정밀계기 착륙 접근하는 항공기의 ADS-B 항적을 수집하고, 활주로 최종접근 구간에서 항적의 분포 특성에 관한 분석을 수행하였다.
제안 방법
- 수신 장비를 사용하여 ADS-B 자료를 수신 및 저장하고, 수신된 전체 자료에서 수신시간, Callsign, 위경도, 고도 정보만 추출한 후, 해당 공항에 항공기 출도착 스케줄을 활용하여 착륙 접근하는 항공기의 데이터만 추출한다. 그 중 분석 범위인 최종 접근 구역의 항적을 추출하고, 분석을 위해 항공기 위경도 데이터는 공항기준점 (ARP; airport reference point)으로 부터의 상대적 UTM (universal transverse mercator grid) 좌표로 변환한 후 활주로 중심선의 연장선과 항적의 이격 거리를 측정하여, 항적의 수평 이격 분포를 도출하였다.
- 그림 4는 수신된 전체 모든 데이터의 항적데이터를 도식한 것이다. 데이터 수신은 그림과 같이 ADS-B 메시지를 송신하는 모든 항공기에 대해서 수신하였다. 현재 국내에서는 주파수 문제 등으로 인하여 ADS-B UAT는 사용할 수가 없으므로, 모든 수신 데이터는 ADS-B 1090ES로 확인할 수 있다.
- 수집된 자료의 분석은 그림5와 같은 절차를 사용하였다. 수신 장비를 사용하여 ADS-B 자료를 수신 및 저장하고, 수신된 전체 자료에서 수신시간, Callsign, 위경도, 고도 정보만 추출한 후, 해당 공항에 항공기 출도착 스케줄을 활용하여 착륙 접근하는 항공기의 데이터만 추출한다. 그 중 분석 범위인 최종 접근 구역의 항적을 추출하고, 분석을 위해 항공기 위경도 데이터는 공항기준점 (ARP; airport reference point)으로 부터의 상대적 UTM (universal transverse mercator grid) 좌표로 변환한 후 활주로 중심선의 연장선과 항적의 이격 거리를 측정하여, 항적의 수평 이격 분포를 도출하였다.
- 분석에 필요한 항공기 ADS-B 항적정보는 항공기가 비행 중 송신한 정보를 지상에서 수신하였다. 이를 위하여 2015년 6월 중 특정일에 국내공항 중 단일 활주로 이착륙 횟수가 가장 많은 J공항 인근에서 오전 5시 30분부터 오후 4시까지 ADS-B 신호를 그림 2와 같이 PC와 상용 수신기로 수신 장비를 구성하여 수신하였다. 수신된 데이터는 LABVIEW 프로그램을 사용하여 수신시간을 포함하는 메시지로 변경하여 그림 3과 같이 텍스트 파일로 저장하고, 분석에 필요한 정보의 추출과 분석을 수행하기 위하여 MATLAB 프로그램을 사용하였다.
- 본 논문은 항공기에서 송신하는 ADS-B 신호를 활용하여 공항 인근의 항공기 위치에 대한 정밀한 감시가 가능한지 확인을 위한 자료의 수집과 일부 데이터에 대한 분석을 수행하였다. 이를 위하여 정밀계기 착륙 접근하는 항공기의 ADS-B 항적을 수집하고, 활주로 최종접근 구간에서 항적의 분포 특성에 관한 분석을 수행하였다.
- 그림 6은 분석의 범위인 최종접근 구간 (final approach segment)을 나타낸 그림이다. 최종접근 구간에서 활주로 연장선 기준의 좌우 분포를 도출하기 위하여, 그림 7과 같이 착륙접근 방향(항공기 진행 방향)을 기준으로 우측을 (+)값, 좌측은(-)값으로 적용하여 활주로 중신선 연장선과 항적의 이격 거리를 측정하였다.
- 국제민간항공기구 (ICAO)에서 규정하고, 대부분 국가의 공항 및 비행장에서 항공기 정밀접근 착륙에 사용되는 시스템으로, 1950년대부터 적용되어 현재까지도 표준 장비로 사용되고 있다. 활주로 중심선을 기준하여 유도를 위한 좌우를 정보를 제공하는 전파와 활주로 착륙지점 (touch down zone)을 기준으로 일정한 활공각에 대한 유도 정보를 제공하는 전파를 사용하여, 목적 활주로까지 항공기에 대한 수평 및 수직 유도 정보를 제공한다.
대상 데이터
- J공항에 착륙 접근을 위한 항적 중 90편의 비행 항적을 ADS-B 수신기로 수신하였다. 해당 시간 동안 착륙 접근하는 모든 항적을 수집할 수는 없었는데, 이는 국내에서 운항하는 운송용 항공기중 일부 항공기는 ADS-B 장비를 장착하고 있지 않기 때문이다.
- 해당 시간 동안 착륙 접근하는 모든 항적을 수집할 수는 없었는데, 이는 국내에서 운항하는 운송용 항공기중 일부 항공기는 ADS-B 장비를 장착하고 있지 않기 때문이다. 수신된 항적 중 위치 좌표의 오류로 인하여 분석에서 제외한 항적은 4편이었으며, 유효한 항적은 86편, 항적수 8,512개이다.
데이터처리
- 이를 위하여 2015년 6월 중 특정일에 국내공항 중 단일 활주로 이착륙 횟수가 가장 많은 J공항 인근에서 오전 5시 30분부터 오후 4시까지 ADS-B 신호를 그림 2와 같이 PC와 상용 수신기로 수신 장비를 구성하여 수신하였다. 수신된 데이터는 LABVIEW 프로그램을 사용하여 수신시간을 포함하는 메시지로 변경하여 그림 3과 같이 텍스트 파일로 저장하고, 분석에 필요한 정보의 추출과 분석을 수행하기 위하여 MATLAB 프로그램을 사용하였다. 분석을 위한 코드(code)는 향후 연구에서도 사용 가능하다.
이론/모형
- ADS-B의 핵심 기술은 위성항법시스템으로 GNSS를 이용하여 항공기 자신의 위치, 고도, 속도, 방향 등을 확인하고, GNSS 사용이 불가하거나 추가적인 정보가 필요한 경우 항공기에 탑재한 다른 항법시스템에 의하여 측정된 값을 ATM (air traffic management) 감시 정보처리를 위해 감시 장비와 자동화 장비 사이의 정보 교환을 위하여 Eurocontrol에서 정의한 표준 프로토콜인 ASTERIX (all purpose structured eurocontrol surveillance information exchange) 형식에 따르는 메시지로 생성하여, 이를 규격에 정해진 장비의 카테고리에 따른 일정한 주기(예 - 1090ES 항공기 callsign 5초 간격, 위경도 위치 1초 간격등)로 1090ES (extended squitter), UAT (universal access transceiver), VDL mode 4 (very high frequency data link mode 4) 등 ADS-B 무선데이터링크 방식에 따라 방송한다[7]. ADS-B 메시지를 수신할 수 있는 지상시설 및 수신기와 CDTI (cockpit display of traffic information)를 장착한 항공기는 수신된 신호를 바탕으로 송신한 항공기의 항적 위치, 고도, 상태 등의 정보를 실시간으로 확인할 수 있다.
성능/효과
- 71 m로 비교적 활주로 중심선의 연장선을 잘 따르는 것을 확인할 수 있었고, 이는 항공기의 크기와 미터급 이상인 GNSS 신호의 오차를 고려하면 비교적 정확한 감시정보를 제공할 수 있음을 의미한다. 또한 이격 거리 최댓값 42.03 m, 최솟값 -34.40 m 이며, 최대 이격 거리의 항공기도 활주로에 가까워지면 중심선에 수렴하는 것을 확인하였다. 항적에 대한 분포 특성은 수평거리 기준으로 평균을 중심으로 좌우로 종모양을 이루고 꼬리 값으로 갈수록 빈도수가 작아지는 정규분포의 형태를 가지는 것을 확인하였다.
- 분석에 사용된 항적인 총 86편의 8,512개의 항적에 대하여 최종접근 구간에서 활주로 중신선의 연장선과 항적의 이격 거리를 측정한 결과는 표3과 같으며, 평균 이격 거리 -0.04 m, 표준편차 6.71 m, 최댓값 42.03 m 및 최솟값 -34.40 m 이다.
- 분석을 위해 국내공항 중 단일 활주로 이착륙 횟수가 가장 많은 J공항 인근에서 ADS-B 신호를 수신하여 자료를 수집하고, 정밀계기 접근 최종접근구간에서 활주로 중심선 연장선과 항공기 항적의 이격 거리를 측정한 결과 평균 이격 거리 -0.04 m, 표준편차 6.71 m로 비교적 활주로 중심선의 연장선을 잘 따르는 것을 확인할 수 있었고, 이는 항공기의 크기와 미터급 이상인 GNSS 신호의 오차를 고려하면 비교적 정확한 감시정보를 제공할 수 있음을 의미한다. 또한 이격 거리 최댓값 42.
- 수신된 90편의 항적 중 분석에서 제외한 4편의 항적은 그림 12와 같다. 이들 항적은 중심선으로부터 200 m 이상 이격된 항적으로 항적은 이격되어 있으나, 수신된 항적으로 항공기 이동 상태를 확인한 결과 이격된 거리를 일정하게 유지한 상태에서 정상적으로 착륙한 것을 확인하였다. 이들 항적인 항공기에 탑재된 장비의 이상 또는 항공기 GPS 장비의 영향 등으로 ADS-B가 송신한 위치 신호의 오류로 추측되나, 수신부에서 송신부의 오류를 파악하는 것이 힘들고 항공편에 따라 오류의 정도가 다르게 나타나 본 논문에서는 상세한 분석을 수행할 수 없었다.
- 하지만, 필수장비로 지정되어 있지 않은 ADS-B 장비를 탑재하지 않은 일부 항공편에 대해서는 정보를 수신할 수 없었고, 수신된 90편의 항적중 약 5%인 4편의 항적은 항공기에서 송신한 ADS-B 신호에 포함된 항공기 위경도 위치 정보가 오류를 가지는 상태로 수신되어, 운항 중인 모든 항공기의 정확한 정보를 확인할 수 없다는 한계도 확인하였다. 이는 향후 ADS-B 장비가 모든 항공기에 필수적으로 탑재되고, GNSS 신호 또는 항공기 자체적인 신호 오류의 감시, SBAS(satellite based augmentation system), GBAS(ground based augmentation system)와 같은 정밀도를 높이기 위한 보정을 통하여 보완할 수 있을 것으로 판단된다.
- 40 m 이며, 최대 이격 거리의 항공기도 활주로에 가까워지면 중심선에 수렴하는 것을 확인하였다. 항적에 대한 분포 특성은 수평거리 기준으로 평균을 중심으로 좌우로 종모양을 이루고 꼬리 값으로 갈수록 빈도수가 작아지는 정규분포의 형태를 가지는 것을 확인하였다.
후속연구
- 본 연구에서의 도출된 항적 분석 결과는 향후 관련 분야의 장비 개발시 고려되거나, 장비 기능의 적합성을 위한 시뮬레이션 및 항공교통 시뮬레이션 등에 입력 자료로 활용될 수 있으나, 본 연구의 한계로 수행하지 못한 수신된 정보 자체의 안정성, 신뢰성과 정확성의 확인에 대한 부분, ADS-B 신호를 송신하지 않는 항공기의 정보, 기존 레이더와의 정밀 정확도 비교, 국외 사례와 같이 감시정보의 보완 및 대체 장비로의 적절한 사용 방안 또는 방법에 대한 연구가 지속 검토와 연구가 필요할 것이며, 레이더에 비하여 저렴한 비용으로 주변 항공기 위치 정보의 획득이 가능한 ADS-B를 활용한 소형항공기 비행 안전의 증진과 보완에 대해서도 추가적인 연구가 필요할 것이다.
- 하지만, 필수장비로 지정되어 있지 않은 ADS-B 장비를 탑재하지 않은 일부 항공편에 대해서는 정보를 수신할 수 없었고, 수신된 90편의 항적중 약 5%인 4편의 항적은 항공기에서 송신한 ADS-B 신호에 포함된 항공기 위경도 위치 정보가 오류를 가지는 상태로 수신되어, 운항 중인 모든 항공기의 정확한 정보를 확인할 수 없다는 한계도 확인하였다. 이는 향후 ADS-B 장비가 모든 항공기에 필수적으로 탑재되고, GNSS 신호 또는 항공기 자체적인 신호 오류의 감시, SBAS(satellite based augmentation system), GBAS(ground based augmentation system)와 같은 정밀도를 높이기 위한 보정을 통하여 보완할 수 있을 것으로 판단된다.
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