R&D최종보고서
| 과제고유번호 | 201717CTAP-C114908-02 | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 연구사업명 | 국토교통기술촉진연구사업 | |||||
| 연구과제명 | 위성항법 이용 불능에 대비한 한국형 DME/DME 대체 항법시스템 네트워크 기초연구 | |||||
| 총 연구기간 | 2016-06-22 ~ 2018-06-21 | |||||
| 연구책임자 | 조환기 | |||||
| 당해년도 참여 연구원수 |
9명 | 총 연구기간 참여 연구원수 |
15명 | |||
| 당해년도 연구비 |
정부 : 53,000,000 원 기업 : 0 원 계 : 53,000,000 원 |
총연구비 | 정부 : 110,000,000 원 기업 : 0 원 계 : 110,000,000 원 |
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| 연구기관명 | (학교)청주대학교산학협력단 | |||||
| 등록 발간번호 | - | |||||
| ISBN | - | |||||
| 주요 내용 |
GPS를 포함한 위성항법 시스템은(Global Navigation Satellite Systems, GNSS) 현재 군사 및 민간 산업 모든 분야에서 가장 널리 쓰이는 위치측정 센서이다. 일반 차량의 내비게이션에서부터 초정밀 정확도와 높은 안정성을 요구하는 항공기 착륙에 이르기까지 GNSS의 사용은 전 산업에 걸쳐 점점 증가하는 추세이다. 하지만 GNSS의 의도적 전파 교란(jamming)도 점차 지능적이고 강력해지고 있다. 불행히도 한국은 전 세계에서 GNSS 전파교란에 가장 노출된 나라중의 하나이다. 북한의 GNSS 전파교란 능력은 이미 잘 알려졌고 2010년 이후부터 한국은 북한의 GNSS 전파교란 공격 때문에 항공기와 선박 통제에 큰 혼란을 격은 바 있다. 이러한 GNSS 전파교란의 위험에도 불고하고 미래 항공통제에 있어서 GNSS의 의존도는 더 높아질 전망이다. 한 예로 미국의 Next Generation Air Transportation System (NextGen)은 미래 항공기 운항의 원활한 통제를 위해서 GNSS를 현재보다 더 적극 사용할 방침이다. 한국도 앞으로 늘어날 항공기 운항의 효율적 통제를 위해 초정밀 위성항법(Korean Space-based Augmentation System, SBAS)을 개발 중에 있다. 이러한 경향은 미국과 한국뿐만 아니라 세계 각국 민간 항공관리국(civil aviation administration)의 계획과도 일치한다. 전 세계 항공운항에서의 GNSS 사용은 단순한 RNAV(Area Navigation)에만 그치지 않고 SBAS와 Ground-based Augmentation System(GBAS)를 이용한 non-precision approach, precision approach 및 자동 착륙에 까지 이르고 있다. 이처럼 항공기 운항이나 추적에 있어서 GNSS 역할의 중요성은 이루 말할 수 없기에 FAA는 대규모 GPS 전파교란 공격에 대비한 대체 위치 및 시간 측정(Alternative Position, Navigation, and Timing Service 또는 APNT) 시스템을 2010년부터 연구하고 있다. 현재 FAA APNT의 기본 방향은 GPS 이용불능 시 기존의 지상기반 항법시스템(Terrestrial-based navigation aids)을 이용하여 항공기를 근처 공항으로 안내하는 것이다. FAA의 APNT 위치측정 정확도는 최소 92.6m(수평 정확도, 95%)로 규정될 예정이며 이는 GNSS 이용불능 시에도 레이다와 유사한 위치측정 정확도를 얻어 항공기 위치추적과 통제를 원활하게하기 위함이다. FAA가 현재 APNT로 고려중인 지상기반 항법시스템은 크게 다음과 같은 두 가지로 - Passive Wide-Area Multilateration (WAM) 또는 - 거리측정 장치(Distance Measuring Equipment, DME)네트워크 이다. DME 네트워크를 이용한 항법(DME/DME)은 현재 미국 FAA가 고려하는 가장 유력한 APNT 시스템이고 한국에도 항공기에 가장 적합한 APNT라 할 수 있다. 그 첫 번째 이유는 대부분의 대형 항공기들이 이미 DME 항공 전자 장비를(avionics) 갖추고 있다는 것이다. 새로운 장비의 구입과 장착에 걸리는 시간은 항공운항 회사(airliners)들에겐 큰 부담이 되기에 항공운항 회사들은 DME/DME를 APNT로 지지하고 있다. 두 번째 이유는 위치측정의 보안성이다. 또 다른 APNT 방식인 Multilateration은 지상에서 항공기의 위치를 계산하고 그 위치 정보를 다시 항공기에 전달해 주는 방식인데 이러한 방식은 보안에 철저해야 하는 부담이 있다. 반면 DME/DME는 비행기에서 직접 자신의 위치를 계산하는 방식이므로 이러한 보안 문제가 일어나지 않는다. 북한의 전파교란과 보안침투 능력을 감안할 때 DME/DME처럼 항공기에서 직접 위치측정을 하는 방식이 한국 상황에 더 적합한 APNT 시스템이라 할 수 있다. 한국은 2010년부터 북한의 강력한 GPS 교란 공격을 경험하였기에 그 후로 한국정부는 대체 위치측정 시스템 방식을 찾았고 2013년에 enhanced-Long Range Network (e-Loran) 연구개발 프로그램을 발표하였다. e-Loran은 항공기 보단 선박항해에 주로 쓰일 예정이고 한국에서도 해양수산부를 중심으로 e-Loran 연구개발이 이루어지고 있다. 따라서 한국에도 항공기에 적합한 대체 항법시스템 연구가 시급하다. 한국의 현 상황에 비추어 볼 때 미국과 마찬가지로 DME/DME가 항공기 대체 항법시스템으로 적합할 것이다. DME/DME를 대체 항법시스템으로 운영하기 위해선 기존의 지상 DME 장비의 거리측정 정확도가 향상되어야 하며 최적의 지상 DME 장비의 네트워크가 수반되어야한다. 이 연구는 우선 DME 거리측정 정확도를 향상시키는 새로운 DME 펄스 파형을 개발하며 이 파형은 국제 특허 출원과 DME 장비의 국제 표준이 될 것을 목표로 한다. 따라서 이 새로운 펄스 파형의 특허와 표준 채택은 한국 항행 장비 수출 증가에 크게 기여할 수 있을 것이다. 최적의 지상 DME 장비 네트워크의 연구는 필요한 DME 지상 장비의 개수와 부지 위치를 알려줌으로 DME/DME 인프라 구축의 경제성 또는 타당성(feasibility study)에 관련 [최종목표] 전파교란이나 간섭(jamming or interference)으로 위성항법 시스템이 이용불능일 때 미국 연방항공청이 기준으로 고려하는 대체 항법시스템 성능(수평 위치 정확도 92.6 미터)을 제공해주며 한국 상황에 최적화된 DME 네트워크를 개발한다. 이를 위하여 기존 DME 장비에 널리 쓰이는 가우시안 펄스와 최근 개발된 SELEX사의 SCP 펄스보다 거리측정 정확도가 높은 GA 파형을 유전자 알고리듬을 이용하여 개발한다. 또한 DME 지상 장비 네트워크 최적화 알고리듬 코드를 구축하여 기존 공항에 설치된 DME를 최대한 이용하며 새롭게 필요한 추가적인 DME 부지의 개수를 최대한 줄이는 효율적인 대체 항법용 DME 네트워크를 개발한다. [연구내용 및 범위] 첫째 연구내용은 기존 DME 장비에 널리 쓰이는 가우시안 펄스와 최근 개발된 SELEX사의 SCP 펄스보다 거리측정 정확도가 높은 새로운 펄스 (GA 펄스) 파형을 유전자 알고리듬을 이용하여 개발한다. GA 펄스개발이 필요한 것은 기존의 가우시안 펄스는 대체 항법시스템으로 사용되기에 그 성능이 부족하다. 또한 SELEX사의 SCP펄스 보다 우수한 펄스를 개발하여 DME 관련 기술의 국제 표준을 획득하고 DME 장비 시장의 선도자가 되기 위함이다. 이 새로운 펄스(GA 펄스)는 현재 ICAO나 FAA의 DME 펄스 파형 조건(requirement)들을 만족시키어 기존 DME 장비들과의 호환성이 보장될 것이다. GA 펄스의 성능은 잡음과 다중반사파(multipath)의 영향을 최소화하여 가우시안 펄스보다 30%~40% 우수한 거리측정 정확도를 가질 것을 목표로 한다. 또한 SCP 펄스보다 다중반사파의 영향을 최소 5%~10% 더 억제시킬 것을 목표로 한다. GA 펄스의 우수성이 입증되면 International Civil Aviation Organization(ICAO)나 미국 FAA의 DME 장비의 표준 펄스 파형으로 채택될 수 있을 것이다. 이를 위하여 DME 국제 표준과 관련 논문 선행조사를 바탕으로 DME 시물레이터를 Matlab 소프트웨어를 사용하여 구축할 것이다. 상용 Matlab 소프트웨어에서 지원하는 유전자 알고리듬과 개발된 DME 시물레이터를 연동하여 GA 펄스를 개발할 것이다. 둘째 연구내용은 한국 지형에 최적화된 지상 DME 네트워크 형태(geometry) 개발이다. 향상된 DME 거리측정 정확도와 지상 DME 장비 네트워크의 최적화 (optimization) 알고리듬을 이용하여 한국 지형에 미국 FAA에서 규정한 92.6m 가량의 수평위치측정 성능을 제공하는 가장 효율적인(저비용) 네트워크 형태를 개발 할 것이다. 이 효율적인 네트워크 형태는 현재 한국 공항에 설치된 DME를 최대한 이용하며 새로운 DME 설치 장소가 필요할 시 이를 최소화 한다. 이러한 최적화 알고리듬의 접근 방법은 DME/DME APNT를 구축하는데 필요한 인프라 구축비용을 최소화 할 것이다. 이를 위하여 위해서 센서 네트워크 최적화 알고리듬의 선행 연구를 토대로 DME 지상 장비 네트워크 최적화 알고리듬을 Matlab 소프트웨어를 이용하여 구축한다. 디지탈 한국 지형 지도, 공항 부지 및 DME 설치 가능 지역, 92.6 m 위치정확도, 항공기 고도 등이 이 알고리듬의 최적화 조건으로 사용될 것이다. 이 두 연구 목표는 DME/DME APNT를 한국에 구축하는데 필요한 기초 타당성 연구(feasibility study)로 적합할 것이다. 이 연구 결과와 검증을 토대로 한국 상황에 적합한 DME/DME APNT의 가능성과 실제 인프라 구축을 위한 계획을 세울 수 있다. |
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| 영문 | distance measuring equipment | aircraft navigation | alternative positioning | satellite navigation | ||
| 최종보고서 | 최종보고서_10_19_2018.pdf | |||||