Air navigation_공중항법(1)

안녕하세요

항공쟁이입니다 ㅎㅎ

 

오늘은 '공중항법'에 관해 블로깅을 하려 합니다. 학교 다닐 때 배웠던 과목 중에 가장 흥미롭게 들었던 과목이었고 현업에서도 이 이론이 바탕으로 이해되는 부분이 많이 있었던 거 같습니다.

 

1. 그럼 '공중항법'이란 무엇인가?

정의부터 알아보자면, 항로상의 정확한 자기 위치 식별을 바탕으로 신속 정확하게 지표면의 한 지점에서 다른 지점으로 비행해 가는 기술. 그 위치를 알아내는 방법에 따라 지문 항법, 천문 항법, 무선 항법, 추측 항법 따위로 구분.

이라고 할 수 있는데요. 역시 정의는 항상 어려운 법이지요...

쉽게 말해 그냥 비행기가 비행하는 방법!이라고 이해하면 될 것 같아요. 그중에는 여러 가지 방법이 존재하고요!

 

이런 항법은 의도된 비행을 수행하기 위해 필요한 방향, 위치, 거리, 시간을 결정해야해서 이를 항법의 4대 요소라고도 칭합니다.

 

2. 그럼 공중항법의 특성에 대해 알아볼까요?

공중 항법은 특정한 위치 또는 지점에서 자신의 위치를 결정할 수 있는 능력을 가지고 항공기를 신속하고 정확하게 다른 지점으로 이끌어 가는 기술이고, 비행 전 모든 단계를 계획하고 준비, 비행을 하면서 수정하며 안전하게 목적지에 착륙하는 단계를 의미합니다.

 

따라서 아래와 같은 특성이 있는데요 차차 하나씩 풀어가 보도록 할게요!

가. 지속적인 이동의 필요성

나. 제한된 항속 시간

다. 고속 이동

라. 기상의 영향

 

3. 그럼 항법에 여러가지 원리와 종류가 있다고 했는데 이름 정도는 소개해주고 갈게요.

가. Dead Reckoning (추측 항법)

나. Celestial Navigation (천체 항법)

다. Radar Navigation (레이더 항법)

라. Pressure Pattern Navigation (기압차 항법)

마. Doppler Navigation (도플러 항법)

바. Grid Navigation (그리드 항법)

사. Inertial Navigation (관성 항법)

 

4. 위와 같이 다양한 종류의 항법을 구분하면 아래와 같이 정리가 됩니다.

1. Pilotage Navigation (지문 항법)지문항법)

지상목표 확인, 육상 또는 해안에서 시계비행 상태일 때 가능한 항법

육안으로 확인되는 지상목표를 이용하여 항법에 활용

 

2. Dead Reckoning Navigation (추측항법)

해상, 운상, 야간 또는 비행 시정 불량 시 사용되는 항법

기본 계기 : 속도계(IAS), 고도계, 나침반, 시계

예상되는 경로를 비행하는 방법 (지상 참조 물이 없는 지방에서 적용)

(모든 항법의 기초, 시간 경과에 따른 오차 누적)

 

* Plootting Symbol

- Course Line (항로선, CL) : 방향과 거리를 가지며 항공기가 비행하고자 하는 수평 요소

- DR Position (추측 위치) : 마지막으로 확인된 위치로부터 시간, G/S, TR을 정확히 산출하기 위해 설정한

위치

- Air Position (공중 위치 AP) : 대기와 관련되어 있는 항공기의 위치. TH, TAS는 APAP 설정을 위해 사용되는

Vector 요소

- Fix : 추측항법의 보조로서 결정된 확실한 위치

 

3. Electronic Navigation (전자 항법)

가. Radio Navigation (무선 항법)

- 150 ~ 200NM 이용 가능

- 무선국으로부터 송신된 전파를 수신하여 항공기 위치를 확인하고 경로를 이용하는 항법

- ADF, VOR, DME, TACAN, VORTAC 이용

 

나. LORAN (Long Range Navigation)

- 주간 700NM, 야간 1,400NM 이용 가능

- Station의의 Pulse 전파 도달 시간차 측정에 의한 위치성 조합

 

다. Radar Navigation (레이더 항법)

- 150NM [지문 항법의 전자화]

- 야간, 설상 등 시계 불량 시 Radar로 지형 판단

- 지문 항법의 분야를 전파이용으로 시정장애 극복

 

라. Doppler Radar Navigation (도플러 레이더 항법)

- 추측 항법의 전자화

- 설상, 해상 장거리 비행 시 측풍 편류 측정, 대지속도(G/S) 정보 획득

- 추측항법 시 정확도 증진

 

마. Celestial Navigation (천문 항법)

- 천체 관측으로 항공기 위칙 파악, 경로를 선정하는 항법

- 장거리 해상 비행 시 유용

 

바. 최신 항법

- Grid Navigation

= 극지방 같이 자기 나침반을 사용하지 못하는 대권 항로 비행에 유리

= ATC 입장에서 다수의 항공기를 동일 항로로 비행 위해 대권 항로 지정하는 경우

= 자오선 대신 GRID(인공자오선) 사용, 자기 나침반 대신 GYRO 사용

 

- Inertial Navigation (관성 항법)

= GYRO의 강직성을 이용 컴퓨터를 통해 G/S, DA 산출

 

- Global Positioning System Navigation (GPS 항법)

 

- Pressure Pattern Flight (기압 배치 비행)

= 장거리 비행 시 예상 상층 천기도 이용, 편류 산출.

= 배풍 최대 이용을 위한 항로 및 고도 선택, 비행시간 단축.

 

* 최단거리 대권 항로가 반드시 경제적인 항로는 아님

* 항법 기본 계기 : 고도계, 속도계, H/D Ind', 온도계, 시계

항법 보조 장비 : ADF, VOR, DME, LORAN

 

사실 여기까지 이렇게 다양한 항법 종류에 대해 소개해준 것은 저 GPS 항법을 설명하고 싶던 저의 밑그림이었습니다!

위에 이러저러한 다양한 항법이 있다.. 정도로만 알아도 충분하실 거 같아요:)

 

사실 비행방법이 여러 가지가 있지만, 요즘 같이 컴퓨터가 많이 발달되고 스마트폰이나 자동차 내비게이션도 다 GPS 신호로 자기 자신의 위치를 파악하면서 목적지까지 이동하곤 하니까, 비행기 역시 저 GPS를 이용한 항법이 있기에 설명해드리고 싶었어요!

 

그럼 다시 시작!

■ GPS란? 

정의는 다음과 같아요. "우리가 널리 알고 있는GPS(Global Positioning System, 위성 위치 측정 시스템)는 미국에서 1970년대 초 특정 대상체의 위치를 정확하게 측정하기 위해 만든 군사 목적의 시스템입니다. 현재는 미국을 비롯해 각국에서 운영 중이며 군사 목적뿐만 아니라 민간에게도 개방돼 유용하게 널리 쓰이고 있고요."."

여기에 부가적인 설명을 붙이면, 각국의 위성측위시스템들을 통칭해 GNSS (Global Navigation Satellite System, 위성측위시스템)라고 하며 미국의 GPS, 러시아의 GLONASS가 대표적인 예시입니다.

즉, 우리가 아는 GPS는 GNSS 시스템이고 미국 것이 대표적이라 GPS라고 알고 있는 겁니다 깨알 상식이죠?ㅎㅎ

 

그렇다면 이제는 GNSS(GPS)에 대해, 원리 같은 것을 설명해드릴게요.

우선 GNSS의 구성은 아래 그림과 같아요.

GNSS(Global Navigation Satellite System)

크게 위성, 지상의 제어국, 사용자로 구성되어 있고요. 지상 제어국의 수신 장치에서 고도 약 20,000km 중궤도에 위치해 있는 인공위성에서 신호를 받아 100m 이내의 위치정보를 알아낼 수 있는 것이 GNSS의 기본 원리입니다.

 

또한 위성의 위치와 위성 시계, 전리층모델전리층 모델, 위성궤도변수, 위성상태 등의 정보가 있다면 현재 사용자의 위치를 파악할 수 있죠. 즉 위성에서 보내는 신호가 수신기에 도달하기까지 걸리는 시간을 측정해서 위성과 수신기 사이의 거리를 구하고, 사용자의 현재 위치를 계산할 수 있는 겁니다.

 

하지만, 이런 위성항법에는 여러 오차들도 존재하는데요.

 

■ 위성항법시스템의 오차 원인

 

가. 전리층 오차

전리층 오차는 약 350km 고도상에 집중적으로 분포되어 있는 자유 전자(free electron)와 GPS 위성 신호와의 간섭(interference) 현상에 의해 발생. 전리층 오차는 고의 잡음 제거 이후 가장 큰 오차 요인으로 작용하고 있습니다. 전리층 오차는 코드 측정치에서는 지연(delay), 반송파 위상 측정치에서는 앞섬(advance) 형태로 발생하고요. 전리층 오차의 크기는 약 7m 내외로서 오후 2시경에 최댓값을 지니며 밤에는 전리층 활동량이 적으므로 최솟값을 지닙니다. 전리층 오차는 전리층을 통과하는 신호의 주파수에 의해 결정되므로 이중 주파수에 대한 측정치를 이용하면 전리층 오차를 계산할 수 있습니다. 일반적으로 전리층 지연을 보정하는 데 쓰이는 전리층 모형식(model)으로서 Klobuchar 모형 식이 있으며 이것을 사용하면 약 50% 정도까지의 오차 보정 효과가 나타난다고 합니다.

 

나. 대류층 오차

대류층 오차는 고도 50km까지의 대류층에 의한 GPS 위성 신호 굴절(refraction) 현상으로 인해 발생하며 코드 측정치 및 반송파 위상 측정치 모두에서 지연 형태로 나타난다. 대류층 오차의 크기는 약 3m~20m로서 기저선의 길이가 짧고 기준국과 사용자 사이의 고도(altitude) 차이가 작을 경우, 오차 상관관계(correlation)가 크므로 차분 기법에 의해 상쇄된다고 합니다.

 

다. 위성 궤도 오차 및 시계 오차

위성 궤도 오차는 위성 위치를 구하는 데 필요한 위성 궤도 정보의 부정확성으로 인해 발생한다. 위성 궤도 오차의 크기는 1m 내외입니다. 위성 시계 오차는 GPS 위성에 내장되어 있는 시계의 부정확성으로 인해 발생합니다. 일반적으로 위성에 내장된 시계는 매우 정확하므로 시계 오차를 충분한 정확도로 예측할 수 있습니다. 위성 시계 오차의 크기는 1~2m정도입니다. 이와 같은 결과는 고의 잡음이 제거된 이후 2001년 10월의 미 국방성 발표 내용을 기준으로 한 것으로, 고의 잡음이 포함되었을 경우에는 이 부분의 오 차 항이 전체 측정치에 가장 큰 영향을 미치게 됩니다. 위성 궤도 오차 및 시계 오차는 기저선 길이가 짧을 경우 역시 상관관계가 크므로 수신기 차분 기법에 의해 상쇄됩니다.

 

라. 다중 경로 오차

다중 경로 오차는 GPS 위성으로부터 직접 수신된 전파 이외에 부가적으로 주위의 지형지물에 의해 반사된(reflected) 전파로 인해 발생하는 오차입니다. 다중 경로 오차는 코드에 의한 의사 거리 측정치에서는 20m이내, 반송파 위성 측정치에서는 5cm 이내의 크기를 지니는 것으로 알려져 있습니다. 다중 경로 오차는 전파의 반사 요인에 의해 성질이 결정되므로 차분 기법에 의해 상쇄되지 않습니다 다.. 그러므로, 다중 경로 오차의 영향을 최소화하기 위해 반사된 전파의 영향이 없거나 이를 차단할 수 있도록 GPS 안테나를 설치해야 합니다.

 

마. 사이클 슬립

사이클 슬립은 GPS 반송파 위상 추적 회로(Phase Lock Loop : PLL)에서 반송파 위 상치의 값을 순간적으로 놓침으로 인해 발생하는 오차입니다. 사이클 슬립은 주로 GPS 안테나 주위의 지형지물에 의한 신호 단절,, 높은 신호 잡음 및 낮은 신호 강도(signal strength)로 인해 발생합니다. 이러한 사이클 슬립은 반송파 위상 데이터를 사용하는 정밀 위치 측정 분야에서는 매우 큰 영향을 미칠 수 있으므로 사이클 슬립의 검출은 매우 중요합니다.

 

이렇게 정확하다고 하는 GPS도 이런 5가지의 큰 이유로 오차가 발생할 수 있는데, 항공에서는 약간의 오차가 정말 큰 결괏값을 나올 수도 있고, 하늘에 비행기가 떠있는 것 자체가 위험을 관리하는 것으로 이를 더 완벽하게 오차를 보정하는 것은 필수였습니다.

 

다음 포스팅은 그럼 항공에서는 이 GPS 기능을 보정하여 어떻게 활용하는지 포스팅하겠습니다. (GBAS & SBAS)

 

끝!