[논문]QAR 데이터 분석을 통한 항공난류 조기 인지 가능성 연구

김인규; 장조원

doi:10.12985/ksaa.2018.26.4.036

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Although continuous passenger injuries and physical damages are repeated due to the unexpected aviation turbulence encountered during operations, there is still exist the limitation for preventing recurrence of similar events because the lack of real-time information and delay in technological devel...

Although continuous passenger injuries and physical damages are repeated due to the unexpected aviation turbulence encountered during operations, there is still exist the limitation for preventing recurrence of similar events because the lack of real-time information and delay in technological developments regarding various operating conditions and variable weather phenomena. The purpose of this study is to compare and analyze the meteorological data of the aviation turbulence occurred and actual flight data extracted from the Quick Access Recorder(QAR) to provide some precursors that the pilot can identify aviation turbulence early by referring thru the flight instrumentation indications. The case applied for this study was recent event, a scheduled flight from Incheon Airport, Korea to Narita Airport, Japan that suddenly encountered turbulence at an altitude of approximately 14,000 feet during approach. According to the Korea Meteorological Administration(KMA)'s Regional Data Assessment and Prediction System(RDAPS) data, it was observed that the strong amount of vorticity in the rear area of jet stream, which existed near Mount Fuji at that time. The QAR data analysis shows significant changes in the aircraft's parameters such as Pitch and Roll angle, Static Air Temperature(SAT), and wind speed and direction in tens of seconds to minutes before encounter the turbulence. If the accumulate reliability of the data in addition and verification of various parameters with continuous analysis of additional cases, it can be the precursors for the pilot's effective and pre-emptive action and conservative prevention measures against aviation turbulence to reduce subsequent passenger injuries in the aviation operations.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig 1. Company SIGWX Chart
그림 Fig 2. RDAPS_700hpa Chart at 10,000ft
표 Table 2. QAR Data Analysis
표 Table 1. QAR Data Parameter List
그림 Fig 3. ALT vs Vertical G
그림 Fig 4. Pitch vs Vertical G
그림 Fig 5. Roll vs Vertical G
그림 Fig 6. SAT vs Vertical G
그림 Fig 7. Wind Speed vs Vertical G
그림 Fig 8. Wind Direction vs Vertical G

AI 본문요약
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문제 정의

기상정보 상 예측이 가능했던 상황이라는 점을 고려할 때 접근지연(Delayed Approach), 항로우회(Detour), 안전한 지역에서의 공중대기(Holding) 및 회항(Diversion) 등 상황에 따른 다양한 결정이 요구된다. 또한 임무 조종사에게 제공된 회사 기상자료와 기상청 정보의 차이에서 비교되듯이 조종사가 운항지역의 기상현상을 보다 명확히 인지할 수 있도록 항공기상 교육의 현실화, 비행 전 브리핑 시 강조 방안 및 기상상태의 강도와 특성에 따른 유효한 정보의 추가제공 가능성도 제고되어야 하나 본 연구는 데이터 분석에 의한 기술적 접근에 국한하여 진행하고자 한다. 항공요란이 예상되는 지역을 비행하는 조종사에게 적절한 고도의 유효한 정보가 적시에 제공된다면 신속하고 정확한 판단에 분명 도움이 될 것이다.
본 연구의 결과가 모든 비행에 절대적으로 통용되는 표준절차로 적용될 수는 없으나, 조종사의 개인적인 경험과 노하우에 근거하여 분석한 자료로서 의미를 가진다. 또한, 조종사가 실제 비행 시 계기지시를 통해 기상현상을 예측하고 항공난류의 조우가 의심되는 경우 Precursor로서 운항절차에 적용가능성 여부를 검증하고자 하였다.
본 연구는 항공난류가 발생한 운항 사례의 기상자료와 실제 비행 편에서 추출한 QAR 데이터를 비교 분석한 결과이다. 본 연구에서 수행된 한 편의 비행 분석 내용으로 모든 비행에 일반화 하여 적용하기에는 무리가 있으나, 결과적으로 일부 파라미터에서 항공난류 진입 전 조종사가 비행계기를 통한 조기 인지가 가능할 정도의 변화가 확인되었으며 시간적으로 사전에 충분한 판단과 결정을 취할 수 있는 여지도 일부항목에서 긍정적으로 분석되었다.
항공난류를 경험한 비행 편의 조종사에게 회사가 제공한 당시 기상자료와 QAR 데이터를 비교하여 유효하다고 판단되는 파라미터들을 추출한 후 각각의 의미를 분석하고자 하였다. 기상청(KMA)의 기상자료를 제공된 회사 기상자료와 함께 비교하여 기상자료 간의 차이점도 함께 재분석 하였다.

가설 설정

또한 임무 조종사에게 제공된 회사 기상자료와 기상청 정보의 차이에서 비교되듯이 조종사가 운항지역의 기상현상을 보다 명확히 인지할 수 있도록 항공기상 교육의 현실화, 비행 전 브리핑 시 강조 방안 및 기상상태의 강도와 특성에 따른 유효한 정보의 추가제공 가능성도 제고되어야 하나 본 연구는 데이터 분석에 의한 기술적 접근에 국한하여 진행하고자 한다. 항공요란이 예상되는 지역을 비행하는 조종사에게 적절한 고도의 유효한 정보가 적시에 제공된다면 신속하고 정확한 판단에 분명 도움이 될 것이다.

제안 방법

본 연구는 항공난류에 조우한 비행 편의QAR 데이터로부터 인적피해가 발생한 시점으로 추정되는 최대 Vertical G 도달시점을 기준으로 주요 파라미터의 변위량과 변화시점을 구분하여 분석하였다.

대상 데이터

본 연구에 적용된 QAR 데이터는 비행정보취득장치(FDAU)²⁾로 부터 운항 중 항공기의 모든 비행 상황을 기종에 따라 수십, 수백 개의 파라미터들로 기록한다. 기본적인 파라미터 구성은ICAO 부속서 6의 부록 9에 근거하며 항공사의QAR 분석 프로그램 제작사인 Sagem의 기준³⁾을 참고하였다.
현재 대부분의 운송용 항공기는 국제민간항공기구(ICAO)에 의해 운항 중 비행정보기록장치(Flight Data Recorder)의 장착을 의무화 하고 사고조사 및 예방안전 차원의 사용에 국한하여 사용하도록 규정하고 있으며 [4], 이의 부적절한 오용을 방지하고자 법적 제한을 두기도 한다[5]. 이러한 점을 감안하여 본 연구는 FDR과 함께 발췌되는 비행정보 중 하나인 QAR¹⁾ 데이터를 적용하여 분석하였다. 항공난류에 조우한 특정 비행의 운항정보와 기상자료를 바탕으로 운항 중 주로 영향을 주거나 특이하게 표출되는 조종계기 상 지시치를 각각의 QAR 데이터 파라미터(Parameters)와 비교하여 기상 현상 간의 연관성을 파악한 후 그 의미를 분석한 결과, 일부 계기지시에 상응하는 QAR 파라미터의 유의미한 변화를 확인하였다.

데이터처리

항공난류를 경험한 비행 편의 조종사에게 회사가 제공한 당시 기상자료와 QAR 데이터를 비교하여 유효하다고 판단되는 파라미터들을 추출한 후 각각의 의미를 분석하고자 하였다. 기상청(KMA)의 기상자료를 제공된 회사 기상자료와 함께 비교하여 기상자료 간의 차이점도 함께 재분석 하였다.

이론/모형

로 부터 운항 중 항공기의 모든 비행 상황을 기종에 따라 수십, 수백 개의 파라미터들로 기록한다. 기본적인 파라미터 구성은ICAO 부속서 6의 부록 9에 근거하며 항공사의QAR 분석 프로그램 제작사인 Sagem의 기준³⁾을 참고하였다. QAR 데이터는 매 비행 종료 후항공기에 장착된 기록 저장장치로부터 Binary데이터 상태로 추출되어 Decoding 과정을 거친 후 가시적인 형태로 변환된다.

성능/효과

본 연구는 항공난류가 발생한 운항 사례의 기상자료와 실제 비행 편에서 추출한 QAR 데이터를 비교 분석한 결과이다. 본 연구에서 수행된 한 편의 비행 분석 내용으로 모든 비행에 일반화 하여 적용하기에는 무리가 있으나, 결과적으로 일부 파라미터에서 항공난류 진입 전 조종사가 비행계기를 통한 조기 인지가 가능할 정도의 변화가 확인되었으며 시간적으로 사전에 충분한 판단과 결정을 취할 수 있는 여지도 일부항목에서 긍정적으로 분석되었다. 특히 항공기의 Pitch와 Roll, SAT 및 풍향/풍속 등 조종사가 항상 모니터하고 용이하게 식별할 수 있는 지시치의 변화가 대부분으로, 본 연구에 분석된 사례에서 조종사가 사전 경각심을 갖고 보다 적극적으로 보수적인 판단을 하였다면 사례와 같은 결과를 초래하지 않았을 수도 있었을 것이다.
분석에 의하면, 강하 중 14,419ft에서 SeatBelt Sign-ON(약 18초 전) 후, 14,098ft 부근에서심한 항공난류에 조우하기까지 항공기 Pitch와Roll 자세의 변화와 함께 지시계기속도(IAS),SAT 및 Wind Speed / Direction의 현저한 변화가 있었다. Vertical G는 Table 2에 제시된 바와 같이 14,098ft에서 0.
항공난류 데이터의 주요 파라미터 별 분석 결과(Fig 3, 4, 5, 6, 7, 8), 전반적인 파라미터의 변화는 인지가능하고 의미가 있었으며, 특히Vertical G가 최대치인 시점을 기준으로 기압고도, 항공기 Pitch & Roll, SAT 및 풍향/풍속 등6개의 주요 파라미터들은 최대치 진입 최대 약2분 30초(항공기 Pitch), 최소 약 10초(풍향) 전 유의미한 변화가 시작되어 임무 중 조종사가 사전에 해당 파라미터들을 유의하여 모니터할 경우 항공난류 발생의 사전 인지가 가능했을 것으로 분석된다.
이러한 점을 감안하여 본 연구는 FDR과 함께 발췌되는 비행정보 중 하나인 QAR¹⁾ 데이터를 적용하여 분석하였다. 항공난류에 조우한 특정 비행의 운항정보와 기상자료를 바탕으로 운항 중 주로 영향을 주거나 특이하게 표출되는 조종계기 상 지시치를 각각의 QAR 데이터 파라미터(Parameters)와 비교하여 기상 현상 간의 연관성을 파악한 후 그 의미를 분석한 결과, 일부 계기지시에 상응하는 QAR 파라미터의 유의미한 변화를 확인하였다.

후속연구

그러나 일부 파라미터의 변화가 있다고 해서 모든 비행이 심각한 항공요란에 진입하는 것은 아니므로 한두 가지의 변화에 경도(傾倒)⁴⁾되어 매 비행마다 고도와 항로의 변경을 수시로 요구하기는 현실적으로 쉽지 않은 일이다. 그러므로 장기간에 걸쳐 항공요란이 발생한 비행 편의 데이터를 분석하고 다양한 운항조건에서도 일관된 표지인자들을 추출함으로써 신뢰도를 지속적으로 높일 필요가 있으며, 분석 결과에 따라 검증된 참조점들을 추가로 제공하여 조종사가 최종 판단을 함에 있어 주요 파라미터의 변화를 보다 분명한 전조 증상(Precursor)으로 인식하고 본격적인 항공요란 진입 전 선제적인 조치를 취함으로써 보다 안전한 운항에 도움이 가능할 것이다.
본 연구에서 적용된 파라미터의 분석 결과는 저고도, 강하 중이라는 비행 단계의 특성과 운항 상의 제한으로 인하여 검증의 한계가 있음을 보여준다. 따라서 지속적인 연구를 위해서는 다양한 비행단계, 특히 국지적 예측이 상대적으로 어려운 고고도 순항 단계에서 항공난류에 조우한 사례의 추가적인 분석과 연구로 데이터의 신뢰도를 높여야 할 필요성이 있다.
조종사에게 제공되는 기상정보는 점차 높은 정확도와 신뢰할 만한 수준의 예측 확률을 보이고 있음에도 실시간 정보 업데이트의 한계로 인하여 유용한 기상정보를 사전 취득하는 것이 무엇보다 중요하다. 만일 다양한 경로와 기술적발전으로 비행 중 지속적인 정보를 획득함으로써 항공난류 진입 가능성을 사전에 예측할 수 있다면 현재보다 더욱 안전한 비행이 가능할 것이다. 현재 여러 분야에서 운항 중 항공난류의 조기 인지 가능성에 관한 연구가 다각도로 이루어지고 있으나, 아직 결정적인 분석과 명확한지침을 제공할 수 있는 단계에는 도달하지 못하고 있는 상황이다.
본 연구에서 적용된 파라미터의 분석 결과는 저고도, 강하 중이라는 비행 단계의 특성과 운항 상의 제한으로 인하여 검증의 한계가 있음을 보여준다. 따라서 지속적인 연구를 위해서는 다양한 비행단계, 특히 국지적 예측이 상대적으로 어려운 고고도 순항 단계에서 항공난류에 조우한 사례의 추가적인 분석과 연구로 데이터의 신뢰도를 높여야 할 필요성이 있다.
본 연구에서 수행된 한 편의 비행 분석 내용으로 모든 비행에 일반화 하여 적용하기에는 무리가 있으나, 결과적으로 일부 파라미터에서 항공난류 진입 전 조종사가 비행계기를 통한 조기 인지가 가능할 정도의 변화가 확인되었으며 시간적으로 사전에 충분한 판단과 결정을 취할 수 있는 여지도 일부항목에서 긍정적으로 분석되었다. 특히 항공기의 Pitch와 Roll, SAT 및 풍향/풍속 등 조종사가 항상 모니터하고 용이하게 식별할 수 있는 지시치의 변화가 대부분으로, 본 연구에 분석된 사례에서 조종사가 사전 경각심을 갖고 보다 적극적으로 보수적인 판단을 하였다면 사례와 같은 결과를 초래하지 않았을 수도 있었을 것이다. 그러나 일부 파라미터의 변화가 있다고 해서 모든 비행이 심각한 항공요란에 진입하는 것은 아니므로 한두 가지의 변화에 경도(傾倒)⁴⁾되어 매 비행마다 고도와 항로의 변경을 수시로 요구하기는 현실적으로 쉽지 않은 일이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	태평양 연안의 특징은?	태평양 연안은 전 세계적으로도 가장 강한 제트기류가 존재하는 지역이며, 동아시아 지역은 운항 시 항공난류의 조우 가능성이 매우 높은 구역 중의 하나로 이 지역을 자주 입 출항하는 국제선 운항 조종사로서 지역적 기상특성을 이해하는 것은 매우 중요하다. 아울러 범세계적인 운항을 하는 국제선 임무 조종사들의 입장에서는 특정 지역의 항공기상 정보와 함께 보편적이고도 객관적인 악기상 회피 지침이 또한 요구되는 바이다.
	항공난류로 인한 피해를 해결하기 위해 개발된 기술 및 연구들은 어떠한 게 있는가?	현재 항공난류에 의한 피해를 방지하거나 감소시키기 위하여 다양한 연구가 진행되고 있으나, 기상청과 기상연구기관 등에서 제공되는 정보의 예측성향상을 위하여 기상학적 분석능력의 개선과 기상현상 발생의 메커니즘 확인을 위한 연구가 주류를 이루고 있다. 최근에는 기술적 발달에 따른 예측시스템 개발과 병행하여 조종사기상보고(PIREP) (Jung-Hoon Kim,2011) 및 다양한 관측정보를 접목한 통합 연구가 활발히 진행되고 있으며(Jung-Hoon Kim, 2012), 운항 중인 항공기로부터 Automatic Dependant SurveillanceBroadcast(ADS-B) 데이터를 전송받아 지상에서 이를 분석하는 항공난류 감지 방법도 연구되고 있다(Jimmy Krozel and Robert Sharman, 2015).
	범세계적인 운항을 하는 국제선 임무 조종사에게 요구되는 바는?	태평양 연안은 전 세계적으로도 가장 강한 제트기류가 존재하는 지역이며, 동아시아 지역은 운항 시 항공난류의 조우 가능성이 매우 높은 구역 중의 하나로 이 지역을 자주 입 출항하는 국제선 운항 조종사로서 지역적 기상특성을 이해하는 것은 매우 중요하다. 아울러 범세계적인 운항을 하는 국제선 임무 조종사들의 입장에서는 특정 지역의 항공기상 정보와 함께 보편적이고도 객관적인 악기상 회피 지침이 또한 요구되는 바이다. 대다수의 항공관계자들이 우려하고 조종사들이 회피하고자 하는 대표적 기상현상인 ‘항공난류’에 대한 연구는 소중한 고객의 인적손상을 막고 재산상의 피해를 최소화하기 위하여 반드시 필요하며, 정확한 발생원인 파악과 대책마련은 매우 중요한 과제라 하겠다.

참고문헌 (5)

Jung-Hoon Kim and Hye-Yeong Chun, 2011, A Study on Aviation Turbulence over Korea and East Asia
Jung-Hoon Kim and Hye-Yeong Chun, 2012, Development of the Korean Aviation Turbulence Guidance(KTG) System using the Operational Unified Model(UM) of the Korea Meteorological Administration(KMA) and Pilot Report(PIREPs), KSAA
Jimmy Krozel and Robert Sharman, 2015, Remote Detection of Turbulence via ADS-B, AIAA Guidance, Navigation, and Control Conf.
ICAO Annex 6, Operation of Aircraft, Part 1, 6.3 Flight recorders, 9th Edition July 2010
ICAO Annex 13, Aircraft Accident and Incident Investigation, Attachment E, Legal Guidance for the Protection of Information from Safety Data Collection and Processing System, 10th Edition July 2010

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