KUTAM News

저고도 회랑에서의 한국형 SBAS 이용

2023. 4. 28.

KUTAM News

2023.04.28

저고도 회랑에서의 한국형 SBAS 이용

NAVIGATION의 추측항법인 GNSS는 전리층을 통과할 때 왜곡이 발생하여 통신이 약하다는 단점을 가지고 있다. 따라서 SBAS를 이용해 GNSS의 위치오차를 3m 이내로 정밀하게 보정하고 그 신뢰도를 확인하는 데 필요한 정보를 정지궤도 위성을 통해 국토 전역으로 제공하는 시스템이다. 특히 오류 발생 확률이 500만분의 1 이하로 신뢰성이 매우 높은 정보이므로 국제민간항공기구(ICAO)는 비행공역 활용도를 높여 지속적으로 증가하는 항공교통량을 안전하게 늘리기 위하여 위성항법 정확성과 신뢰성을 높일 수 있는 위성기반 SBAS를 국제표준으로 정하고, 많은 국가에서 운영하고 서비스를 활용할 것을 권고하고 있다.

(사진 출처: 문보경, "한국형 정밀 GPS 위치보정시스템(KASS) 구축 탄력", 전자신문, 2019.06.03)

<한국형 SBAS 활용방안 연구>

회랑은 특수한 여건에 의해 항공기가 다니는 길로 특정 고도만 비행이 가능한 구역을 말한다. 이는 UAM 전용 항공로이다. 회랑의 설정은 서비스 제공 목표 뿐 아니라 주변 공역 구성에 따라 추후 결정되며, 현재 예상되는 회랑의 범위는 수직 방향의 경우 Above Ground Level (AGL) 450 m를 중심으로 ±150 m 정도이며, 수평 방향의 경우 최소 구간이 ±100 m 정도로 추정된다. 이는 DME, VOR 등 재래식 항법시설로는 요구 항법 성능을 지원하기 불가능한 작은 범위이다. UAM 산업 이해관계자들은 자연스럽게 UAM 회랑에서의 주항법시설 후보로서 SBAS를 최우선 고려하고 있으며, 2025년부터 초기운영을 계획하는 UAM 생태계와 2024년부터 항공용 서비스 제공 예정인 KASS는 상호간에 적절한 시점이라 볼 수 있다.

한국형 위성항법보강시스템 (KASS)은 기준국, 통합운영국, 중앙처리국, 위성통신국, 정지궤도위성 등을 활용하여 기존 GPS 오차 17~37 m 대비 주요 항법의 성능이 매우 향상되며 이를 높은 신뢰도로 보장한다. KASS는 2025년까지 GEO 2기를 확보하여 Full Operational Capability를 제공할 예정이다.

향후 UAM 회랑에 활용할 수 있는 장비 및 시설을 알아보기 위해서는 UAM 회랑이 요구하는 항법 성능에 대한 고찰이 필요하다. UAM 회랑의 수평 방향 최소 범위가 약 ±100 m로 예상되므로, 이에 따른 요구 항법 성능은 대략적으로 RNP0.03 수준이 요구된다.

RNP 0.03에서 중요한 첫번째 요구사항은 정확도이며, 95% 수준에서 ±55.56 m 이내의 위치오차를 요구한다. ATM 환경에서 많이 활용하고 있는 DME, VOR 등 재래식 항법시설의 경우 위치오차가 항공기와 지상항법시설 안테나 간 물리적인 거리에 따라 변동된기는 하지만 일반적으로 수백 미터 수준의오차를 가지고 있으므로 해당 요구 항법 성능을 만족하지 못하는 수치이다. 또한 도시 내부에서는 건물과 같은 장애물에 의해 신호가 방해 받을 수 있다. 따라서 재래식 항법시설은 추후 UAM 회랑에서 활용하기에는 성능이 불충분할 것으로 예상된다. 하지만 GNSS의 경우, 표준 운영상태에서 17~37m (95%) 수준의 정확도를 가지므로 RNP0.03의 요구사항을 만족한다.
RNP0.03에서 중요한 두번째 요구사항은 Onboard Performance Monitoring and Alerting (OPMA)로서, 항공기의 항행 정확도를 지속적으로 감시하고 허용치를 초과하게 되면 조종사에게 자동으로 경고하여 대응할 수 있는 장비이며, 항공기의 위치 보증 범위가 정확도 요구사항 수치의 2배 이상이 될 경우 경보를 발생해야 한다.
아래 그림과 같이 같이 항법시설로 계산된 항공기의 위치가 경로를 일부 벗어나도 항공기의 위치를 보장하는 범위가 정확도 요구사항의 2배인 111 m를 벗어나지 않으면 경보가 발생되지 않는 반면, 계산된 항공기의 위치가 경로 상에 정확히 위치하더라도 항공기 위치 보증 범위가 정확도 요구사항의 2배인 111 m를 초과하면 항법해의 신뢰성을 상실하므로 경보가 발생한다.

(사진 출처 : 배동환, 최윤정, "UAM 회랑에서 한국형 SBAS 활용 방안 연구")

<적용의 한계점>

RNP 정확도 요구사항 즉, Total System Error(TSE)는 Path Definition Error (PDE), Navigation System Error (NSE), Flight Technical Error (FTE)의 제곱의 합의 루트로 구성된다. 현재 PDE는 계획한 대로 설정되지 않는 오차를 말한다. 이는 발전된 항법 데이터 표준과 운항절차로 인해 무시 가능하다. 재래식 항법시설이나 GPS의 장비 자체의 정확도는 NSE에 해당한다. FTE는 정의된 경로 대비 오차이며 조종사 오류로 인해 발생한다. ICAO PBN manual에서는 RNP 0.3미만의 항법규격에 대해서는 FTE 기준을 제시하지 않으므로 RNP 0.03에 적용가능한 FTE 기준은 현재 명확하지 않은 상황이다. RNP 규격에서 정확도 요구사항이 높아지면 UAM과 같은 좁은 회랑에서는 NSE 대비 FTE가 차지하는 비중이 높아지며, RNP0.3의 경우 전체 정확도의 83%에 해당하는 0.25NM이 FTE에 할당된다. UAM의 경우, 회랑 크기와 항공기 속도를 감안하면 조종사 오류만으로도 수 초만에 회랑 범위를 벗어날 수 있으므로 RNP0.03에서의 FTE는 기존 ICAO PBN manual에서 다루던 방식과 다른 새로운 접근법이 필요하다. 따라서 K-UAM을 구축하기 위해서는 UAM 회랑에서 운용되는 비행체에 적용할 최적화된 요구 항법 성능 관련 선행 연구가 반드시 필요한 상황이다.

(사진 출처 : 배동환, 최윤정, "UAM 회랑에서 한국형 SBAS 활용 방안 연구")

<해외 연구 사례>

이와 관련하여 미국 및 유럽 등 항공 선진국에서는 UAM에 최적화된 요구 항법 성능 기준에 대한 선행 연구를 진행하고 있다. 일례로, European Union (EU) 집행위원회의 Single European Sky Air traffic management Research joint undertaking (SESAR) 프로그램은 유럽 전 공역에 UTM 운영을 체계화하는 U-space 계획을 추진 중이다. 이는 기존 ATM RNP와 유사한 개념을 적용하고 있으나, U-space에 최적화된 성능 수치가 필요하므로 이에 대한 세부 연구를 진행하고 있으며, 관련하여 2019년 발행한 U-space 운용 개념 (Concept of Operation) 문서에서는 U-space 내 운용되는 저고도 항공기에게 요구되는 정확도, 무결성, 가용성, 연속성, 기능 등 U-space 요구 항법 성능 (RUNP, Required U-space Navigation Performance)에 대한 파라미터 구성을 아래 그림과 같이 제시하고 있다.

(사진 출처 : 배동환, 최윤정, "UAM 회랑에서 한국형 SBAS 활용 방안 연구")

한국형 인공위성 KASS를 UAM에 도입할 경우 항행 안전을 보장하기 위해서는 크게 두 가지 측면에서 추가적인 연구가 필요하다.

첫번째로는 UAM에 알맞는 요구 항법 성능 기준 개발이다. ATM에 주로 활용되던 RNP 항법규격은 앞서 말했듯이 FTE에 대한 기준이 없어 바로 적용하기에는 무리가 있다. 따라서 국내 UAM에 요구되는 항법 성능을 정확히 평가하고 정의하는 연구가 필요하다. 또한 ATM보다 좁고 속도가 느리기 때문에 조종사의 과실에 의해 회랑을 벗어나기 쉽기 때문에 기존의 ATM과는 다른 OPMA의 경보시간의 설정이 필요하다.

두 번째로 UAM 운영기관들은 실제 UAM 회랑 내 항공기 운항 개념과 세부적인 상황 등 운영적인 측면을 고려해 안전 위협 시나리오 별로 대응조치를 수립해야 한다. 예를 들면 OPMA 기능을 통한 경보가 발생하거나 연속성 위협으로 인해 항법 서비스가 불시 중단되는 등 UAM 회랑 내 안전 위협 상황 시, GPS RAIM 기반 항법으로 전환하거나, B등급 공역에서 ATC와 협력하여 관제사의 지시에 따라 안전하게 착륙하던가, 날씨에 따라 조종사의 시계비행을 활용하는 등 이용자의 안전성을 확보하기 위한 조치를 세부적으로 마련해야 한다