[논문]도심항공교통(UAM) 운영을 위한 횡적 회랑 규격 실증 연구

김도현; 이경한; 장효석; 이승준

doi:10.12673/jant.2024.28.1.21

도심항공교통(UAM) 운영을 위한 횡적 회랑 규격 실증 연구
An Empirical Study on Establishing the Cross-track Corridor Dimension for UAM Operations

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.28 no.1, 2024년, pp.21 - 26

김도현 (한서대학교 항공교통물류학과) , 이경한 (한서대학교 대학원 항공운항관리학과) , 장효석 (한서대학교 항공교통물류학과) , 이승준 (한서대학교 항공교통물류학과)

초록
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도심항공교통(UAM; urban air mobility)은 교통 혼잡이 증가하는 도시 지역에서 교통수단의 대안으로 주목받고 있다. 사람 중심의 서비스인 기존 항공교통업무 방법으로는 복잡한 UAM 운용환경을 관리하기는 어려울 것으로 판단된다. 따라서 UAM 항공교통관리 (UATM; UAM traffic management)를 위한 첨단 정보처리 기반 교통관리시스템이 필요하다. 체계적인 UATM 환경 구축을 위해서는 공역관리가 필수적이다. 특히 UAM 항공기가 안전하게 운항할 수 있는 배타적 회랑을 구축하면 최저비행고도 규정을 위반하지 않고도 UAM 항공기를 운항할 수 있는 기회를 제공할 수 있다. 본 연구에서는 UAM 운용을 위한 회랑의 횡단규격을 설정하기 위해 UAM과 유사한 규모의 헬리콥터를 이용하여 실증분석을 수행하였다. 연구 결과는 UAM 회랑 설계 시 지침으로 활용되기를 기대한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Urban air mobility (UAM) is being considered as an alternative to transportation in urban areas where traffic congestion is increasing. It is judged that it will be difficult to manage the complex UAM operation environment with the existing Air Traffic Service, which is a person-centered service. Therefore, an advanced information processing-based traffic management system for UAM (UATM) is needed. Airspace management is essential to establish a systematic UAM traffic management (UATM) environment. In particular, the establishment of exclusive corridors where UAM aircraft can operate safely can provide opportunities to operate UAM aircraft without violating the minimum flight altitude regulations. This study conducted an empirical analysis using a helicopter of similar size to UAM to establish the cross-track dimension of the corridor for UAM operation. The research results can be used as a guideline when designing UAM corridors.

주제어

표/그림 (15)

그림 그림 1. FAA UAM ConOps v1.0 회랑 개념도[8] Fig. 1. Corridor concept of FAA UAM ConOps v1.0[8].
그림 그림 2. FAA UAM ConOps v2.0 수평 통과지역 개념도[1] Fig. 2. Lateral passing zone of FAA UAM ConOps v2.0[1].
그림 그림 3. EU 고성능 UAM 회랑 개념도[9] Fig. 3. Corridor concept of EU high performance UAM[9].
그림 그림 4. K-UAM ConOps UATM 개념도 [2] Fig. 4. K-UAM ConOps UATM concept diagram [2]
그림 그림 5. EASA 버티포트 입출항 경로 규격(표준 적용) [10] Fig. 5. EASA vertiport approach/departure route specifications(standard application) [10].
그림 그림 6. 실증 참여 헬리콥터(R22) 및 ForeFlight 앱 Fig. 6. Demonstration participation helicopter(R22) and ForeFlight application.
표 표 1. EASA 버티포트 입출항 경로 매개변수 예시 [10] Table 1. EASA Vertiport approach/departure route parameter reference values [10]
그림 그림 7. 연구자료의 변환 및 분석 Fig. 7. Conversion and analysis of research data.
그림 그림 8. 직선 구간에서의 항적분포도 Fig. 8. Track distribution in a straight section.
표 표 2. 비행시험 직선 구간별 항적 이격범위 (단위: 미터) Table 2. Track deviation range for each straight segment of flight test (unit: meters)
표 표 3. 직선 구간에서 확률에 따른 이격거리 (단위: 미터) Table 3. Deviation distance by probabilities on straight segments (unit: meters)
그림 그림 9. Fly-Over와 Fly-By 비행구간의 항적 Fig. 9. Tracks for fly-over and fly-by flight sections.
그림 그림 10. UATM 회랑 구축 제안도 Fig. 10. UATM corridor construction proposal.
표 표 4. Fly-Over 비행에서의 이격거리 (단위: 미터) Table 4. Separation distance in Fly-Over flight (unit: meters)
표 표 5. Fly-By 비행에서의 이격거리 (단위: 미터) Table 5. Separation distance in Fly-By flight (unit: meters)

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 UAM 운용을 위한 회랑의 횡적 규격을 설정하기 위해 UAM 대용으로 헬리콥터를 이용하여 실증분석을 수행하였다. 연구 결과는 UAM 회랑 구축시 지침으로 활용되기를 기대한다.
왜냐하면, 기상에 따라 구간별 비행할 수 없는 경우의 수가 크게 증가할 수 있고 회랑 중심선에서의 이격 정도를 확인하기 어렵기 때문이다. 본 연구의 비행시험 분석결과에 따라 일정 성능기준(경로 이탈 경고기능을 갖춘)에 충족하는 항행용 네비게이션 탑재를 의무화하는 것을 제안한다.

제안 방법

본 연구에서는 기 계획된 지점에서의 통과 선회(이하, fly-over라 함)와 지점 전 선회(이하, fly-by라 함) 방식으로 나누어 실증하였다. Fly-over 방식의 선회는 정지 후 (20 km/h 포함) 선회와 속도 유지 상태 (70 km/h)에서의 선회로 나누어 비행시험을 수행하였다.
북쪽으로의 항적 자료를 바탕으로, 비행방향인 354°에서 5° 이상 차이가 나지 않은 항적들의 중심점을 ② FIX 점으로 하고 동측 방향과 남측 방향의 항적 자료를 이용한 1차원 선형회귀모델의 1차 방정식의 교차점을 ③ FIX 점으로 하였다. 그리고 2850m 거리의 ② FIX 점과 ③ FIX 점의 연장선을 회랑의 중심선으로 간주하여 항적 자료와의 이격거리를 분석하였다.
따라서 직선비행구간의 밀집된 항적을 이용하여 대표선을 선형법으로 생성하고, 대표선의 연장선이 교차하는 지점을 비행중 이용한 waypoints로 보정을 하여 연구자료로 활용하였다.
본 연구에서는 기 계획된 지점에서의 통과 선회(이하, fly-over라 함)와 지점 전 선회(이하, fly-by라 함) 방식으로 나누어 실증하였다. Fly-over 방식의 선회는 정지 후 (20 km/h 포함) 선회와 속도 유지 상태 (70 km/h)에서의 선회로 나누어 비행시험을 수행하였다.
요구되는 안전도에 따라 확보해야 되는 회랑의 횡적 규격을 설정하기 위하여 회랑의 중심에서 좌우 이격에 따른 항적의 분포를 분석하였다. 직선 구간에서의 항적은 정규분포 형태를 보이고 있어 이를 표준정규분포로 수치화하여 항행 장비에서 추구하는 7σ의 안전율 (표 3 참조)에 해당하는 이격정도로 환산하면, 약 60 m로 나타났다 (그림 8 참조).
경로에 따른 비행을 위해 ForeFlight 애플리케이션을 사용하였다. 이 애플리케이션에 사전 계획한 지점을 입력하여 fly-over 방식과 fly-by 방식으로 12회 반시계방향 선회비행을 한 항적 자료를 태안비행장 및 태안 UV랜드의 ADS-B 수신기를 통하여 실시간 수집하였다 (그림 6 참조).
지점 전 선회 (fly-by) 방식의 실증은 지시대기속도 70 km/h를 유지하고, ③ FIX로 진행하다가 좌측 경로로 선회하는 구간에서의 항적 자료를 바탕으로 해당 FIX 점을 교차하는 회랑의 사이각인 140.45° 방향의 연장선에 근접한 항적을 분석하였다

대상 데이터

실증 자료 확보를 위해 본 연구에서는 UAM에 이용할 기체의 비행특성과 유사한 R22 헬리콥터를 비행시험에 활용하였다. 경로에 따른 비행을 위해 ForeFlight 애플리케이션을 사용하였다.

이론/모형

실증 자료 확보를 위해 본 연구에서는 UAM에 이용할 기체의 비행특성과 유사한 R22 헬리콥터를 비행시험에 활용하였다. 경로에 따른 비행을 위해 ForeFlight 애플리케이션을 사용하였다. 이 애플리케이션에 사전 계획한 지점을 입력하여 fly-over 방식과 fly-by 방식으로 12회 반시계방향 선회비행을 한 항적 자료를 태안비행장 및 태안 UV랜드의 ADS-B 수신기를 통하여 실시간 수집하였다 (그림 6 참조).

성능/효과

ForeFlight 앱을 참조하여 조종사의 판단으로 비행한 항적의 분포를 1차원 선형회귀모델로 판단한 회랑의 중심선을 기준으로 이격거리를 판단하면, 직선 구간에서는 구간에 따라 일부 차이는 있으나, 회랑 중심선에서 최대 42 m에서 10 m 미만의 편차를 보였다 (표 2 참조).
계획된 지점에서 정지후 선회하는 경우와 일정 속도를 유지하면서 선회하는 경우의 회랑 수용성(containment)은 정지 후 선회하는 경우가 이격거리 기준으로 최대 1/6 수준을 보이고 있어 도심에서는 정지 후 선회 방식이 유리해 보인다. 다만, 비행시험 결과, 엔진의 Mainfold Pressure(MAP)값이 정지 후 선회시는 약 20.0 MAP, 속도 유지상태에는 약 22.2 MAP를 나타내어 정지 후 선회시 약 10% 이상 엔진 출력을 추가해야 하는 것으로 분석되었다.
회랑의 횡적 규격의 경우, 직선구간에서 회랑 수용성(containment) 7σ 고려시, 회랑 반폭은 약 62 m이며, 정지후 선회시 반폭은 최대 약 51m, 지점전 선회 (fly-by)시 반폭은 최대 183 m이었다. 추가적인 실증시험이 요구되지만, 본 실증 결과만을 기준으로 볼 때, UAM 회랑의 반폭은 UAM team Korea에서 초기 설정한 600 m보다 축소된 200m 설정도 가능할 것으로 분석되었고, 항행용 네비게이션 장착시 더욱 축소가 가능할 것으로 판단된다. 또한 회랑 사이에 passing zone을 회랑 중심선에서 600 m, 회랑 가장자리에서 200 m 이격하여 설치하면, 항공기의 흐름을 보다 원활히 할 수 있을 것으로 기대한다.
회랑의 횡적 규격의 경우, 직선구간에서 회랑 수용성(containment) 7σ 고려시, 회랑 반폭은 약 62 m이며, 정지후 선회시 반폭은 최대 약 51m, 지점전 선회 (fly-by)시 반폭은 최대 183 m이었다

후속연구

RNP 정확도 요구사항은 PDE (path definition error), NSE (navigation system error), FTE (flight technical error)의 합으로 구성되는데, 현재 PDE는 발전된 항법 데이터 표준과 운항절차로 인해 무시 가능하며, 재래식 항법시설이나 GPS 정확도는 NSE에 해당한다[7]. FTE는 정의된 경로 대비 조종기술로 인해 발생하는 오차로 RNP 0.3미만의 항법규격에 대해 기준이 제시되어 있지 않아 추가 연구가 필요하다.
추가적인 실증시험이 요구되지만, 본 실증 결과만을 기준으로 볼 때, UAM 회랑의 반폭은 UAM team Korea에서 초기 설정한 600 m보다 축소된 200m 설정도 가능할 것으로 분석되었고, 항행용 네비게이션 장착시 더욱 축소가 가능할 것으로 판단된다. 또한 회랑 사이에 passing zone을 회랑 중심선에서 600 m, 회랑 가장자리에서 200 m 이격하여 설치하면, 항공기의 흐름을 보다 원활히 할 수 있을 것으로 기대한다.
실 UAM 항공기를 활용한 실증사업이 이루어진다면, 본 연구에 더하여 UAM에 대한 항적 자료 확보, 상황별 이동 경로 분석, 유무인 타 비행체와의 동시 운용, 도심/비도심 내(또는 지점간) 운항 자료를 다양한 운용환경에서 확보가 가능해지고 이를 통해 안전하고 효율적인 UATM 운영 방안 도출이 가능할 것으로 기대된다.
본 연구에서는 UAM 운용을 위한 회랑의 횡적 규격을 설정하기 위해 UAM 대용으로 헬리콥터를 이용하여 실증분석을 수행하였다. 연구 결과는 UAM 회랑 구축시 지침으로 활용되기를 기대한다.
그림 10은 본 실증시험을 바탕으로 UATM으로 적용할 수 있는 가장 현실적인 제안을 보여주고 있다. 추후 수직적 항적 자료 분석이 이루어진다면, FAA UAM ConOps v2.0에 제시된 통과구간 (passing zone)이 포함된 수직적 회랑 배치 검토가 가능할 것으로 판단된다.

참고문헌 (10)

Federal Aviation Administration, Concept of operations v2.0 - Urban air mobility (UAM), Federal Aviation？Administration (FAA), Washington, DC, USA, 2023.
MOLIT, K-UAM concept of operations 1.0, UAM Team？Korea, Sejong, Korea, September 2021.
D. -H. Kim and D. -J. Lee, "A study on the establishment of？minimum safe altitude and UAS operating limitations,"？Journal of the Korean Society for Aviation and Aeronautics, Vol. 29, No. 2, pp. 94-95, 2021.
Korean Law Information Center, Urban Air Mobility Act？Airticle 2(Definitions), 2023, [Internet]. Available:？https://www.law.go.kr/LSW/sSc.do?dt20201211&subMenuId15&menuId1&query%EB%8F%84%EC%8B%AC%ED%95%AD%EA%B3%B5%EA%B5%90%ED%86%B5#undefined.
International Civil Aviation Organization, Annex 11-Air？Traffic Services, pp. ATT A-1, 2020.
Michael S. Nolan, Fundamentals of Air Traffic Control, 5th？ed. New York, NY: Delmar, 2011.
D.-H. Bae and Y.-J. Choi, "A study on the use of Korean？SBAS in the UAM corridor," in The Institute Positioning？Navigation and Timing Conference 2021, Gangneung:？Korea, p.316, 2021.
S. Bradford, Concept of operations v1.0 - Urban air？mobility (UAM), Federal Aviation Administration (FAA),？Washington, DC, USA, 2020.
SESAR Joint Undertaking, D2.2.010 high level？ConOps-initial, AMU-LED Consortium, March 2021.
EU Aviation Safety Agency, Prototype technical？specifications for the design of VFR vertiports for operation？with manned VTOL-capable aircraft certified in the？enhanced category, Federal Aviation Administration (FAA),？EASA, Cologne, Germany, 2022.

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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