머리글

  본 논문은 UAM이 FAA가 승인한 헬리콥터 루트와 고도 한도를 따라 운영될 경우, Dallas/Forth Worth (DFW) 터미널 영공에서 UAM이 일반 항공기에게 TCAS resolution advisories(RA)을 발생시키는 정도를 평가한다. 결론적으로 UAM 운영 조건 하에서는 RA가 발생하지 않음을 관찰하였다. UAM 순항 고도를 평균 해수면(MSL) 기준으로 990 피트 이상 또는 이하로 제한할 경우, 하루 내내 최대 30 피트의 고도 오차가 존재하더라도 RA를 발생시킬 확률이 5% 미만으로 줄어든 것을 관찰할 수 있었다.

TCAS : Traffic Alert and Collision Avoidance System

  TCAS는 조종사를 제외한 항공기 간 공중충돌을 방지하기 위한 마지막 보호 수단이다. 이때 적용된 TCAS의 논리 설계는 항공기 간 필요한 안전 분리를 제공하는 것과 불필요한 조언을 방지하는 것의 균형을 맞추는 것이다. 이 시스템은 수평 및 수직 분리 정도를 모니터링하고, 그 변화율을 사용하여 주변 항공기 간의 가장 가까운 접근 지점을 예측한다. TA 또는 RA는 침입 항공기가 TCAS을 장착한 항공기 주위의 보호된 공간에 진입하는 추정 시간(τmod) 및 동일 고도까지의 시간(τvert)에 대한 임계값을 기반으로 발행된다.

표 1. RA에 대한 TCAS II 버전 7.1의 민감도 수준 및 임계값

  필요한 보호와 불필요한 조언 사이의 균형을 맞추기 위해 TCAS는 고도 기반 민감도 수준(SL, sensitivity level)을 사용한다. 이는 TA 및 RA 발행을 위한 tau(시간) 임계값을 제어하면서 각 TCAS 장착 항공기 주위의 보호 공간 크기를 결정한다(표 1). DMOD와 ZTHR은 TCAS II 매뉴얼에 따른 보호 공간의 기울어진 거리 및 수직 분리 임계값이다. SL이 높을수록 보호 공간이 더 크고 경고 임계값이 길어진다. 항공기가 지상에 근접한 상태에서 TCAS 경보 및 회피 매개 변수의 SL은 항공기 고도(AGL, Above Ground Level)에 따라 달라진다. 이 때, TCAS는 1000ft AGL(SL=2) 미만에서는 RA를 제공하지 않고, 1000-2350 ft AGL 사이(SL=3)에서는 τmod와 τvert의 임계값이 15초 이하이거나, τmod가 15초 미만이고 고도 분리가 600 피트 미만인 경우에만 RA를 발행한다.

연구 방법

  본 연구에서는 텍사스 주 프리스코(이하 Frisco) 시와 DFW 공항 간을 운항하는 UAM 항공편의 두 가지 경로를 분석하였다. Frisco는 해당 지역의 잠재적 UAM 운영자들로부터 교통 연구를 통해 제안된 것을 기반으로 선택되었다. UAM과 기존 항공기 상호 작용은 TCAS 관점에서 평가되었고 UAM-UAM 상호 작용은 이 연구의 범위를 벗어나기 때문에 다루지 않았다.

  연구에 적용되는 시나리오는 4가지로 분류하였다.

시나리오 1. Frisco에서 DFW 공항으로 북쪽에서 진입

시나리오 3. DFW에서 Frisco로 북쪽으로 이탈

  예시로, 그림 3에서 관련된 교차 상황이 보여지고 있다. 만약 τmod가 임계값보다 작고, τvert가 임계값보다 작거나 현재 수직 분리가 임계값보다 작으면 TCAS RA가 발행됩니다. TCAS τmod(Sim)은 UAS-NAS 프로젝트에서 사용된 대로 0.66 nm의 DMOD를 사용하여 평가된다. 이 예시에서는 1초로 계산되어 모든 τmod 임계값 아래에 있다. 따라서 τmod와 τvert가 모두 15초 임계값 아래에 있기 때문에 RA를 발행한다.

그림 3. 샘플 시나리오 (CPA는 가장 가까운 접근 지점)

  TCAS τmod(SL)은 SL별 DMOD를 기반으로 유도된다. SL 3의 경우, DMOD는 0.2 nm이고 시간이 모두 15초 임계값 아래에 있기 RA가 발행된다. 하지만 DMOD가 더 작기 때문에 경사 범위가 DMOD 아래로 내려가는데 예상되는 시간이 더 길다. 마지막으로 실제 시나리오(SL 2)에서는 항공기가 1000ft AGL 미만이므로 RA가 발행되지 않는다.

연구 결과

  DFW 표면에서부터 2500 MSL B등급 공역 외부에서는 항공기가 RNAV 경로를 준수한다는 가정하에 UAM 항공기의 1000ft MSL 운고/순항 고도보다 높게 위치하고 있으므로 고도적으로 잘 분리되어 있다 (> 1000 ft). 따라서 여기서의 분석은 DFW 근처의 상호 작용에만 초점을 맞추고 있다. 그림 4에는 민감한 지역과 함께 관심 지역이 나와있다. 두꺼운 파란색 선은 도착 중인 일반 항공기가 1000ft AGL 아래에 있는 수직 평면을 나타낸다. 이들은 각 활주로의 접지 구역으로부터 3.16nm 떨어져 있다.

  TCAS는 항공기가 1607ft MSL 아래에 있을 때 (즉, < 1000ft MSL) RA를 발행하지 않고 1607-2957ft MSL 사이에 있을 때, TCAS는 SL=3에서 작동한다. 하지만 연구에서 시뮬레이션된 UAM 차량은 전 구간 동안 1607ft MSL 아래에 있다 (DFW 공항의 고도는 607ft MSL이다). 따라서 최악의 경우 SL=3에서만 RA가 발행될 수 있다. 또, 항공기가 2957ft MSL(SL=4) 이상인 경우, TCAS RA는 UAM으로 트리거되지 않는다. 2957ft MSL에 위치한 항공기가 1607ft MSL의 UAM과 20초의 τvert 임계값 내에서 동일한 고도가 되기 위해서는, 항공기가 4000ft/min보다 더 빨리 하강해야 한다. 이는 항공기가 3° 최종 접근 활공 경사면에서 사용할 수 있는 일반적인 하강 속도인 800ft/min보다 훨씬 빠르다. 항공기가 최종 활공 경사면을 요격하기도 전에 훨씬 낮은 최종 하강 속도로 하강할 것이다. 따라서 본 연구의 모델링 가정은 기존 항공기가 DFW 인근에서 2957ft MSL 이상일 경우 시간 및 고도 분리 임계값이 위반되는 것을 방지한다.

그림 4.

관심 영역, UAM 비행 경로는 녹색(북쪽 접근/출발 ‒ 형광 녹색, 남쪽 접근/출발 ‒ 진한 녹색),

기존 항공기 경로는 주황색과 빨간색, UAM 버티포트의 북쪽 및 남쪽은 보라색 상자로 표시.

남쪽과 북쪽의 파랑색 줄 사이에서의 항공기는 1000 ft AGL 이하이다.

맺음말

  이 연구에서는 UAM 성능의 기본 모델을 사용하여 그림 2와 같이 기존 헬리콥터 경로를 활용하여 Frisco에서 DFW까지 작동하도록 시뮬레이션된 UAM 차량이 기존 항공기에서 RA를 유발하지 않는다는 사실을 발견했다. 이러한 결과는 결정론적인 UAM 차량 궤적, 즉 UAM 차량의 관측 위치와 실제 위치에 오류가 없다는 가정 하에 얻은 것이다. 따라서 높은 UAM 궤적으로 작업이 활성화되는 경우 UAM에 대한 매우 높은 탐색 성능 요구 한다는 점을 시사한다.