초록 ▼

■ 주요 연구 결과
1. 성층권 장기체공기 탑재용 기상탑재체 상세설계
성층권 장기체공 무인비행체 체계의 운용개념을 구축하였다. 이륙 준비로부터 착륙 후 점검까지 임무수행에 필요한 모든 과정을 정의하여 각각 필요한 요구사항들을 결정하였다. 기상탑재체 체계의 운용개념 역시 체계종합의 운용개념을 기본으로 기상탑재체의 운용을 정의하였다. 운용개념은 기상탑재체의 기상관측 목적과 함께 기상탑재체 체계의 설계요구명세서를 작성하는 기초 자료가 된다. 기상탑재체체계의 설계요구명세서는 SRR에서 공유되어 비행체 설계를 담당하는 항공우주연구

■ 주요 연구 결과
1. 성층권 장기체공기 탑재용 기상탑재체 상세설계
성층권 장기체공 무인비행체 체계의 운용개념을 구축하였다. 이륙 준비로부터 착륙 후 점검까지 임무수행에 필요한 모든 과정을 정의하여 각각 필요한 요구사항들을 결정하였다. 기상탑재체 체계의 운용개념 역시 체계종합의 운용개념을 기본으로 기상탑재체의 운용을 정의하였다. 운용개념은 기상탑재체의 기상관측 목적과 함께 기상탑재체 체계의 설계요구명세서를 작성하는 기초 자료가 된다. 기상탑재체체계의 설계요구명세서는 SRR에서 공유되어 비행체 설계를 담당하는 항공우주연구원과 비행체 시제업체와 함께 기상관측을 위한 관측범위 확보와 공기저항을 줄이는 기상탑재체 설계, 그리고 기상탑재체를 비행체에 장착하는 방법 등을 논의하고 반영하였다. 기상탑재체의 전력공급은 비행체의 시제업체와 논의되고, 기상탑재체의 신호전달체계는 데이터링크 관련 담당부서와 논의되었다.
기상탑재체 체계는 기상탑재체와 더불어 기상관측자료 및 기상탑재체 상태신호 송수신, 자료처리, 그리고 가시화를 담당하는 지상운용 목적의 기상관측 스테이션이 있다. 기상관측 스테이션은 비행체 조종장치와 송수신장비를 공유하게 되며,기상탑재체의 운용개념에 따라 고유의 운용개념이 정의되었다.기상탑재체의 운용환경은 지상과 우주환경과 비교하여 특이한 요소들을 고려해야 했다. 약 20 km고도의 성층권 환경은 지상에 비해 복사열과 오존이 더 많으며, 공기의 밀도는 지상의 약 1/20이고 기온은 -75℃까지 내려가는 환경이다. 희박한 공기 밀도이지만 우주환경에서 고려하지 않는 대기와의 열교환을 고려해야 한다. 실제로 열 해석 결과를 분석해 보면 비행체의 운항속도를 고려한 대류 열교환의 결과로 기상탑재체의 앞면은 후면에 비해 온도차이가 상당히 나는 것을 보인다.지상에서의 기온과 비교하면 지상에서 이륙해서 성층권에서 임무를 수행하는 것은 압력 변화와 더불어 기온이 100℃이상 차이가 나는 환경을 고려해야 한다. 또한 기상탑재체의 4 kg 미만의 중량과 소비전력 50 W이하의 운용조건은 상세설계 진행에 추가적인 제약이 된다. 그래서 초경량, 초절전 기술을 적용하는 부품의 선택과 설계를 하였다.
세 개의 마이크로웨이브 라디오미터 밴드가 대기 중 연직 수증기와 기온을 관측하는 목적으로 선택되었고 직접 설계와 제작이 필요한 반도체소자 개발계획을 통해 총 1.5 kg이하의 라디오미터 개발에 대한 상세설계를 수행하였다. 신호처리 기술과 안테나 시뮬레이션을 통해 기술적으로 가능함을 확인하였다.가시광선 및 열적외선 영상카메라의 도입은 라디오미터를 통해 산출되는 연직 수증기량과 더불어 구름의 분포와 상층구름의 온도 관측을 통해 구름의 높이를 산출하는 방법을 이용하여 대기의 수증기량과 구름 분포를 동시에 관측하는 기상탑재체를 설계하였다.
기상탑재체는 임무수행 중 일어날 수 있는 모든 경우의 운영조건을 가지고 각각의 상황에 맞는 기상탑재체의 대응 방안을 마련하여 임무의 성공 확률을 놓이는 작업을 하였다. 임무 중 전원 공급에 문제가 생겼을 경우, 자료전송이 불안정할경우의 비상상황에서 가능한 모든 기상탑재체를 작동하고 문제가 생겼을 경우 자체 해결할 수 있는 경우의 수를 모두 고려하였다.상세설계는 구조해석과 열해석을 통해 설계결과를 수치자료를 통해 시험하고 분석하는 과정을 거쳤다. 구조해석을 통해 현재 상세설계보다 더 경량화가 가능하다는 결과를 얻었고, 열해석을 통해 주야간 작동환경에 따라 기상탑재체 작동 시나리오 계획을 더욱 정밀하게 계획할 수 있는 기반을 만들었다.
그리고, 기상관측스테이션 설계 과제를 통해서 관측스테이션에 대한 하드웨어 설계와 소프트웨어에 대한 개발을 수행하였다. 기상관측스테이션은 기상관측 운용자 2인이 쉘터 내에서 기상관측소프트웨어를 이용하여 기상탑재체 센서를 운용하며 관측된 기상데이터 가시화 정보를 바탕으로 관측된 기상 정보와 기상탑재체 시뮬레이터 데이터와의 비교를 통해 기상청의 예측모델에 대한 분석을 수행하는 목적으로 운용된다. 이를 통하여 기상관측스테이션은 위험기상에 대한 전천후 추적, 감시 및 관심지역에 대한 집중 관측을 위한 기상센서 운영과 자료가시화 임무를 수행할 수 있게 된다.
2. 항행 안전을 위한 성층권 기상 분석체계 개발
대류권계면 고도의 시·공간적 변화를 이해하고 상세히 관찰하는 것은 기후학적 측면뿐만 아니라 예보적인 측면에서도 무엇보다 중요한 부분이다. 대류권계면은 열적, 역학적, 그리고 화학적(오존) 대류권계면으로 정의되고 있다. 본 연구에서는 통합모델(UM)과 ECMWF 재분석자료(ERA-Interim) 자료를 이용하여 열적 대류권계면 그리고 역학적 대류권계면을 산출하였다. 열적 대류권계면(thermal tropopause)은 연직 기온감율이 2 K km^-1가 되는 고도로 이 고도에서부터 2 ㎞ 이내에서 기온감율이 2 K km^-1 이하로 유지되어는 고도이다. 역학적 대류권계면(dynamical tropopause)은 특정 값의 위치소용돌이도(Potential Vorticity, PV)를 이용하여 결정된다. WMO (1986)에서는 1.6 PVU (Potential Vorticity Unit)를 대류권계면으로 정의하고 있다. 본 연구에서는 3.5 PVU를 대류권계면으로 정의하였다. 동아시아 영역(위도 15∼60 °N, 경도 90∼165 °E)에 대해 UM과 ERA-Interim에서 산출된 열적 대류권계면 고도와 역학적 대류권계면 고도는 공간적으로 동일한 분포를 보였다. 3.5 PVU로 값으로 정의된 역학적 대류권계면 또한 열적 대류권계면 고도와 동일한 분포를 보였다.
UM 기반의 대류권계면 접힘현상 탐지 알고리즘을 개발하였다. 또한 대류권계면 접힘현상과 관련된 위험기상을 선정하여 특징을 분석하였다. 여기서 선정된위험기상 사례는 2006년 10월 23일 영동지역 집중호우 사례로 23일 하루 동안 강릉에 304 ㎜의 폭우와 속초에서 63.7 ms^-1의 순간최대풍속을 기록하였다. 이러한 극한값은 두 지역에서 기상관측을 수행한 이후로 10월 극값을 갱신한 수치이다. 분석결과, 영동지역에 극한 위험기상을 유발시킨 저기압은 2006년 10월 23일 00 UTC 지상일기도에서 동해상에 위치해 있고 중심기압은 1006 hPa로 24시간 동안 약 6 hPa하강하였다. 강릉 지상관측에서 23일 11시와 12시의 시간 누적 강수량은 각각 약63 ㎜로 최고값을 기록하였다. 강릉 수직측풍장비에서는 23일 09시를 기준으로 풍향이 북동풍으로 급격하게 바뀌었고, 풍속 또한 약 35 ms^-1로 급격하게 증가하였다.역학적 대류권계면 하강 시 지상저기압의 급격한 발달이 나타났고, 500 hPa 중간대류권에서 약 7 K의 기온하강이 나타났다. 이러한 대류권계면 고도 하강 및 중간대류권의 기온하강이 일어난 시간대에 최대 강우량과 최대 풍속이 관측되었다. 이렇게 분석된 결과는 향후 성층권-대류권 상호작용 연구뿐만 아니라 위험기상 예보측면에서 활용될 것으로 기대된다.
이 연구에서는 장기체공무인기 운영지역에 적합한 기상환경 분석을 수행하였다. 지상 및 고도별 기상환경 분석을 위해 11년 동안 모슬포 AWS와 고산 라디오존데에서 관측된 바람(주풍, 풍속) 그리고 고도별로 기온·풍속의 특성을 분석하였다.활주로 주변 바람을 분석한 결과, 주풍은 북풍과 북서풍이 44%의 빈도를 보였고, 남동풍과 동풍이 26%로 두 계열의 풍향이 전체 70%를 차지하였다. 계절별로 나타난 주풍은 기단의 영향을 받는 뚜렷한 계절적 특징을 보였다. 즉, 겨울철과 여름철에 각각 북풍계열과 남풍계열의 바람이 우세하였다. 북풍 그리고 남풍계열의 바람의 빈도가 유사한 5월 달의 바람의 일변화를 분석한 결과, 국지적으로 뚜렷한 해륙풍의 특징을 보였다. 결론적으로 장기체공무인기 이·착륙 시 6∼8월은 남동 방향을 선택하고, 10∼3월은 북서방향을 선택해야 할 것이다. 그 외 4∼5, 9월은 낮시간대에 이·착륙 시에는 남동방향을 선택하고, 그 외 시간대는 북서방향을 선택해야 할 것이다.
장기체공무인기의 설계 기준치를 제시하기 위해 라디오존데에서 관측된 온도, 풍속을 분석하였다. 기온의 평균 기온의 최소값은 100 hPa 고도에서 -67.7℃로 나타났고, 평균 풍속의 최대값은 200 hPa 고도에서 45.7 ms^-1로 나타났다. 기온과 풍속의 계절적 변동성은 기온의 경우, 겨울철에서 여름철로 갈수록 기온이 하강하여 평균 기온은 8월에 -72.1℃로 최소 기록하였다. 반면 풍속은 여름철에서 겨울철로 갈수록 풍속이 증가하여 2월에 70.5 ms^-1로 최대값을 보였다. 장기체공무인기의 설계 기준치를 제시하기 위해 5% 빈도값을 제시하였다. 기온과 풍속의 기준치는-75℃ 그리고 90 ms^-1로 이러한 조건을 고려하여 설계 및 운항되어야 할 것이다.이렇게 분석된 결과는 장기체공무인기의 안전한 운항을 위한 정보로 활용될 것으로 기대된다.

Abstract ▼

■ Research Contents and Results
1. Detailed design of HALE UAV payload
This meteorological instrument challenges very limited payload design requirements, i.e. 4 kg of weight and 50 W of power consumption. With such constraints, NIMR determines to develop passive microwave radiometers onboard

■ Research Contents and Results
1. Detailed design of HALE UAV payload
This meteorological instrument challenges very limited payload design requirements, i.e. 4 kg of weight and 50 W of power consumption. With such constraints, NIMR determines to develop passive microwave radiometers onboard in the interest of water vapor profiles, along with optical camera for cloud observation.There are number of technical challenges to achieve the goal, such as 1) mechanical and electronic design that works in -75°C and 60 hPa with weight and power constraints, and 2) miniaturization of conventional meteorological instruments with similar or better performance. Safety features and contingency plans, such as power management and maintaining operational temperatures, are also considered.Nature of this multi-disciplinary military-civilian joint project needs immense communications between stakeholders. Operational modes of meteorological payload is based on top level mission requirements for HALE UAV, such as flight altitude and path for defining sensor specifications and observation geometry. Electrical and mechanical interface with HALE UAV is also an important aspect that NIMR and ADD should agree.
The meteorological payload consists of three compartments; rotating, static and scan parts. The rotating components is one for sensors that needs scanning. Three independently operating microwave radiometers are mounted there for spatial observation. It is limited to less than 1.5 kg of weight due to minimal mechanical stress for scan motor. While scan (or motor) compartment contains scanning motor and slip-ring for data transfer, static (or fixed) compartment is for optical camera systems, payload control and power system, and in situ meteorological sensors.
Detailed design comes with thermal and stress analysis of the payload structure.Mechanical stress analysis resulted in potential weight loss by thinner structure than initial value, which still enable to sustain vibrations and force suggested by UAV design. Thermal analysis showed that the design will be able to maintain operational temperature(greater than -40℃) for electronic components once started. In other words, the payload does not need to use additional power for heaters for nominal operation and available power can be used for its operation rather than environmental control.Conceptual design of ground segment was conducted on the basis of operational modes of payload. The ground segment accommodates two people, one for operator and another for data processing. The ground segment has three objectives; 1) operations and control of the meteorological payload, 2) visualization of observation status, and processing of observation data received from the payload. In addition, real update of numerical weather prediction data from KMA, operator can determine region of interest for targeted observation.
2. UTLS analysis for HALE UAV operation

To understand and observe the spatio-temporal change of tropopause height is important in climate and weather perspectives. Tropopause is defined by thermal,dynamic, and chemical tropopause. In this study, thermal and dynamic tropopause height using UM and ERA-Interim were retrieved. The definition of thermal tropopause is defined as the lowest level at which the temperature lapse rate is less than 2 K km^-1 for a depth of at least 2 km (WMO, 1957). Dynamic tropopause is determined by using the value of potential vorticity unit (PVU). WMO (1986) defines the dynamic tropopause by the value 1.6 PVU. Dynamic tropopause in this study is defined by 3.5PVU. Thermal and Dynamic tropopause height from UM and ERA-Interim in East Asia region (latitude: 15∼60 °N, Longitude: 90∼165 °E) were consistent in space. Dynamic tropopause defined by the value of 3.5 PVU was consistent with thermal tropopause height. We developed the UM-based algorithm for the tropopause folding detection. We also analyzed the change of tropopause height and temperature in middle troposphere in the extreme heavy rain event (23 October, 2003) associated with tropopause folding.
Precipitation of 304 mm day^-1 and wind speed (gust) of 63.7 ms^-1 were observed at Gangneung and Sokcho, respectively. As a result, the distinct descent of tropopause height and temperature decrease of ∼7 K at 500 hPa altitude were observed at the hour that maximum precipitation and maximum wind speed occurred. It is expected that tropopause height will be made use of meteorological research area such as stratosphere-troposphere exchange (STE) and severe weather.

The characteristics of main wind direction, vertical temperature and wind speed profile near the Moseulpo airfield during the period of 11 year (2000~2010) for HALE UAV was investigated. The results are summarized as follows, main wind direction is governed by air mass according to season and local wind such as land-sea breeze. The directions of landing and take-off of HALE UAV will be selected as the south-east direction in June∼August, north-west direction in October∼March, and south-east direction at daytime in April∼May, September. Annual variation of temperature at 100 hPa showed that temperature in summer season is lower than winter season. On the other hands, wind speed at 250 hPa in winter season is higher than summer season.The threshold values of temperature and wind speed for HALE UAV flight are –75℃ and 90 ms^-1, which were determined by 5% frequency value (1.96 σ), respectively. We also constructed the display system for validation of UM. The temperature, U and V vector profile of UM was validated by comparison with the radiosonde data (00, 12 UTC) observed at Gosan weather station. It is expected that these results will be made use of the safety flight information for HALE UAV.

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구보고서 ... 2
• 목차 ... 3
• 표목차 ... 6
• 그림목차 ... 9
• 요약문 ... 14
• Summary ... 19
• 제1장 서론 ... 23
• 제2장 성층권 장기체공기 탑재용 기상탑재체 체계설계 ... 24
• 제1절 연구개발 배경 ... 24
• 1. 성층권 장기체공무인기의 설계기술개발사업 ... 24
• 2. 사업진행일정 ... 26
• 제2절 기상탑재체 체계 운용개념 ... 29
• 1. 성층권 무인비행체계(하이버드) 운용 개념 ... 29
• 2. 성층권 기상센서 운용개념 ... 35
• 제3절 기상탑재체 체계 구성 ... 38
• 1. 기상탑재체계 WBS ... 38
• 2. 기상탑재체계 PBS ... 40
• 제4절 요약 및 결론 ... 43
• 제3장 기상관측센서 탑재체 상세설계 ... 45
• 제1절 기상탑재체 체계 레벨 ... 45
• 1. 기상탑재체 체계 상세설계 요구사항 ... 46
• 제2절 기상탑재체 기상관측센터 상세설계 ... 57
• 1. 원격기상센서 ... 57
• 제3절 기상탑재체 부체계 상세설계 ... 75
• 1. 기상탑재체 조종장치 ... 75
• 2. 위치 및 자세 센서 상세설계 ... 82
• 3. 전원조절장치 상세설계 ... 87
• 4. 스캔구동 상세설계 ... 94
• 제4절 기상탑재체 상세설계 분석 ... 98
• 1. 기상탑재체 프레임 형상 ... 98
• 2. 기상탑재체 프레임 설계분석 ... 102
• 3. 기상탑재체 자료설계 분석 ... 109
• 제5절 요약 및 결론 ... 115
• 제4장 성층권 기상 감시 및 예측기술 개발 ... 117
• 제1절 성층권-대류권 상호작용 분석기법 개발 ... 117
• 1. 동아시아·한반도 대류권계면 고도 산출 알고리즘 개발 ... 117
• 2. 대류권계면 접힘현상과 관련된 위험기상 발생유형 분석 ... 126
• 3. 요약 및 결론 ... 133
• 제2절 무인기 설계 및 운항 시나리오 작성을 위한 기상자료 분석 ... 135
• 1. 연구 자료 및 방법 ... 137
• 2. 무인기 비행예정지역 활주로 주변 바람 분석 ... 139
• 3. 무인기 비행예정지역 상층기상관측자료 분석 ... 147
• 4. 요약 및 결론 ... 154
• 제3절 고해상도 성층권 예측체계 개발 ... 156
• 1. 고해상도 성층권 예측결과 산출 및 내부 모니터링 체계 구축 ... 158
• 2. 고해상도 성층권 예측결과 평가 ... 159
• 3. 요약 및 결론 ... 164
• 참고문헌 ... 165
• 끝페이지 ... 168