고흥항공센터 ADS-B 구축 및 운용시험
유창선*, 송복섭**, 조암***, 성기정****, 구삼옥*****
Implementation and Operational Test of ADS-B System in Goheung Aeronautical Center
Chang-Sun Yoo*, Bok-Sub Song**, Am Cho***, Ki-Jung Sung****, Sam-Ok Koo*****
Abstract
Goheung aeronautical center is located in the area of Goheung of which land is reclaimed from sea and has a runway of length 700m, width 25m with test facility which has been used for flight test of UAV and small aircraft. To support the enhancement of aircraft safety, 1090ES ADS-B ground system as the ground surveillance system has been implemented. ADS-B system based on GPS and digital data link provides the function of enhancing the aircraft safety through flight information among aircrafts. This paper gives the result that the implementation of ADS-B ground system and the flight test with onboard ADS-B transmitter has been conducted.
초 록
고흥항공센터는 전남 고흥 간척지에 위치하며 길이 700m, 폭 25m의 활주로를 통해 국 내에서 개발된 무인기의 비행시험장으로 활용되고 있으며 비행체 조립 및 점검을 위한 시 험동을 갖추고 있다. 항공센터에서 이루어지는 개발 항공기들의 항공안전을 위하여 비행시 험 지원설비를 구축하고 있으며 현재 지상감시시설로서 1090ES ADS-B를 구축하였다.
ADS-B는 차세대 항행감시 장비로서 위성항법과 데이터 통신을 기반으로 항행정보를 실시 간으로 공유할 수 있으며 구축된 ADS-B 지상국과 ADS-B 송신기간 지상 및 비행시험을 통하여 ADS-B 지상국의 정상적인 운용과 비행시험 활용 가능성을 확인하였다.
키워드 : 고흥항공센터 (Goheung Aeronautical Center), 자동종속감시시스템 (Automatic Dependant Surveillance - Broadcast), 무인항공기 (Unmanned Aerial Vehicle), 지상기준국 (ground reference system), 비행시험 (flight test)
접수일(2014년 5월 7일), 수정일(1차 : 6월 23일), 게재 확정일(2014년 7월 1일)
* 선행연구팀/[email protected] ** 선행연구팀 /[email protected] *** 비행시험팀/[email protected]
**** 항공제어전자팀 /[email protected] ***** 선행연구팀/[email protected]
1. 서 론
고흥항공센터는 전남 고흥 간척지내 위치에
길이 700m, 폭 25m의 활주로를 갖고 있으며 국 내 산학연에서 개발 중인 무인기들의 비행시험장 으로 활용되고 있다. 2002년부터 시험시설 구축
운영되고 있으며 앞으로 활주로 확장과 항공기 비행시험 기반 확충이 예정되어 있다. 일차적인 비행시험 기반 확충으로 2013년 ADS-B 시스템이 구축되었다. ADS-B는 기존의 음성통신과 레이더 를 이용하던 것을 데이터 통신과 위성항법을 이 용함으로써 보다 높은 정밀도와 데이터 갱신율을 통해 항공안전을 높일 수 있어서 국제민간항공기 구(ICAO)로부터 설치 운용이 권장되고 있다. 현 재 제안된 ADS-B용 데이터 링크로는 상용항공기 에서 이용 중인 1090Mhz의 트랜스폰더의 확장된 영역(Extended Squitter)을 이용하는 1090ES와 일 반항공기용으로 미국에서 제안한 UAT(Universal Access Transmitter)와 북유럽에서 제안한 VDL Mode 4가 있다[1][2]. 한편 무인기가 기술 발전 을 통해 국가 공역을 비행하고자 하지만 비행안 전을 고려할 때 법과 제도가 마련되어야 하고 무 인기의 충돌회피 능력이 검증되어야 하는 장벽이 있지만 공역진입 허가에 대한 필요성도 높아지고 있어 미국에서는 2015년 9월말까지 무인기가 유 인기와 함께 공역을 비행할 수 있는 법안 마련을 추진 중에 있다[3]. 무인기의 충돌감지 및 회피 방법의 하나로 상용항공기의 항공감시시스템으로 운용 중이고 무인기용으로 100g이하의 소형 ADS-B 송신기가 제품으로 판매되고 있어서 ADS-B 시스템의 활용이 관심의 대상이 되고 있 다. 고흥항공센터에서 이루어지는 유무인기 비행 시험에서 항공기 비행궤적을 모니터링하고 충돌 감지 및 회피기술 연구에 활용하기 위한 1090ES 방식의 ADS-B 지상국을 설치하였다[4]. 본 연구 에서는 고흥항공센터에 설치된 ADS-B 시스템에 대한 소개와 이를 이용한 지상 및 비행시험을 수 행한 결과와 시험결과를 통한 ADS-B 시스템의 활용 방안을 제시하였다.
2. ADS-B 구축 현황
3.1 ADS-B 시스템
ADS-B는 그림 1과 같이 데이터 통신과 위성 항법을 기반으로 항공기의 위치를 자동적으로 방 송하는 시스템이다 . 기존의 음성통신과 레이더
그림 1. ADS-B 시스템 구성도
레이더 감시 ADS-B
의존형태 지상관제,음성통신 항공기,데이터통신
설치운용 지역적 제한 어디든 설치 가능
데이터 갱신율 12초 1초
설치/운용비 고가 저가
표 1. 항공감시 수단 비교
감시로는 미래 항공교통 이동인구 증가를 감당하 기 어려울 것으로 예측되어 국제민간항공기구 (ICAO)를 중심으로 효율적으로 항공감시를 수행 하기 위한 대체 방안으로 시작되었다. 표 1과 같 이 레이더 시스템이 지상에 있는 관제사의 음성 통신에 의존하고 있는 반면에 항공기끼리 직접 항공기 식별번호와 위치를 방송함으로써 위치 정 확도와 정보 갱신율이 향상되고 감시 가능한 영 역의 확대와 설치 운용 비용이 감소될 수 있다.
ADS-B 시스템을 통해 항공교통정보(TIS-B)와 항 공비행정보(FIS-B)를 방송함으로써 레이더 감시에 의존하는 항공기에 대한 정보도 공유할 수 있다.
데이터 링크 방식에 따라 1090ES, UAT, VDL Mode 4가 있다. 1090ES는 기존의 1090Mhz를 사 용하는 이차감시 레이더와 충돌경보시스템의 데 이터 링크에 56비트의 데이터를 추가함으로써 새 로운 통신장비를 구축할 필요 없는 장점에 비해 데이터 대여폭의 제한으로 항공비행정보 전송을 지원하지 않는다. UAT는 978Mhz의 ADS-B 데이 터 링크로 설계되어 대여폭이 커서 항공교통정보
분야 기존항행시스템 차세대 항행시스템
통신 음성,
항공고정통신망(AFTN) 데이터, 위성통신, 항공종합통신망(ATN) 항행 계기착륙시설(ILS),
VOR/DME 위성항행시스템(GNSS) 감시 주감시/보조감시레이더(PSR/SSR), 음성(HF) SSR 모드-S, 자동항행
감시시스템(ADS-B)
관제 지역 관제시스템 글로벌
항공교통관리시스템 표 2. 항행시스템 변화
와 항공비행정보를 전송할 수 있으며 양방향 통 신이 가능하다. VDL Mode 4는 항공주파수 대역 118~ 136.975Mhz를 사용하며 자체편성시분할접 속(STDMA)에 의한 교통량이 많은 지역에서 부 가적인 채널을 사용하도록 설계되었다[1][2][5].
국제민간항공기구에서는 기존에 사용 중인 1090Mhz의 트랜스폰더를 확장시킨 1090ES 방식 을 전세계 운용 시스템으로 채택하고 지역적으로 UAT와 Mode 4가 권장되고 있다.
3.2 해외현황
국제민간항공기구는 대폭 증가하고 있는 2020 년 이후 항공교통량에 따른 항공안전을 위하여 데이터 링크와 위성항법 기반의 전세계 항행시스 템 전환계획을 2002년에 제시하고 현재 2025년까 지 전환을 목표로 현행 시설을 차세대 항행시스 템으로 전환, 운용을 권고하고 있으며 이에 따라 각국에서 차세대 항행시스템을 구축하고 있다 (표 2, 그림 2). 항공감시의 경우 항공기에서 ADS-B 신호 수신 기능은 의무화 대상이 아니지 만 ADS-B 신호 송출은 각국 마다 차이가 있으나 운용의 의무화 일정이 진행되고 있다. 미국은 ADS-B를 차세대항공운송시스템 NextGen(Next Generation Air Transportation System)의 핵심기 술로 삼고 2013년까지 미국 전역에 ADS-B 지상 국을 구축하고 2020년 1월까지 미국 영공내 모든 비행기에 대하여 ADS-B 시스템 사용을 의무화하 고 특히 1090ES의 ADS-B를 기본으로 하되 고도 18,000ft이하에서는 UAT 방식의 ADS-B 사용도 권장하고 있다. 캐나다는 허드슨만 유역의 고도 35,000~40,000ft 상공을 비행하는 항공기는 2009 년 1월부터 ADS-B 장착을 의무화하고 있다. 유 럽은 2020년까지 항공통신 및 교통량 처리를 하 나로 통합시키는 것을 목표로 SESAR(Single European Sky ATM Research) 프로그램을 통해 ADS-B/WAM 구축을 진행 중에 있으며 최대이 륙중량 5,700Kg 또는 최대순항속도 250kts 이상 의 항공기의 경우 신규 항공기는 2015년 1월, 기존 항공기는 2017년 12월까지 의무적으로 Mode-S 트랜스폰더와 함께 ADS-B를 탑재할 것
을 요구하고 있다[6][8]. 호주는 2009년부터 33개 의 ADS-B 기지국을 설치하고 호주 전역에 ADS-B 서비스를 시행하고 있으며 2013년 12월 부터 고도 29,000ft 이상의 자국 상공을 비행하는 항공기는 ADS-B를 장착할 것으로 요구하고 있다 [7]. 일본은 차세대 항공교통 인프라 종합 구축계 획인 CARATS(Collaborative Actions for Renovation of Air Traffic System)을 통해 항공 안전과 항공교통량 처리 향상을 목표로 차세대 항행시스템을 2025년까지 구축하는 계획을 수립 하고 전파항법연구소를 중심으로 SSR Mode-S를 운용하면서 ADS-B로 전환을 추진하고 있다[8].
그림 2. 차세대 항행시스템 운용개념 (지능형교통체계 항공분야 계획 2020)
3.3 국내현황
국내에서는 1998년 항공감시로서 인천 항공교 통센터에 ADS-B 시스템을 도입, 시험 운용을 시
작으로 2005년 차세대 항행 안전시설 종합발전계 획과 2007년 차세대 항행안전시설 구축 기본계획 을 각각 수립하였다. 이에 따라 ADS-B, Mode-S 등이 적용되는 ‘항공 선진화 사업’을 통해 2014 년 개발된 1090ES ADS-B 기준국 시스템을 김포 공항에 설치하고 시범운용 중에 있다(그림 3)[9].
(a) 국내 개발 ADS-B 시스템
(b) 김포공항 ADS-B 설치
그림 3. 국내 ADS-B 시스템 개발 및 시험운용(AP우주항공)
3. 고흥항공센터의 ADS-B 시스템
3.1 고흥항공센터
고흥항공센터는 그림 4에 보는 바와 같이 전 남 고흥읍 고소리 고흥만 간척지에 위치하고 있 으며 약 3만평의 부지에 700m 활주로와 비행선, 소형기 및 무인기, 훨 타워 시험동 건물로 구성 되어 있다. 그림 5와 같이 항공우주연구원에서는 2003년부터 50m급 비행선 비행시험을 시작으로
스마트무인기 40%, 60% 축소기와 실물기, 32m 에어로 스탯, 전기동력 무인기의 비행시험과 인 력항공기 비행과 산학연에서 개발된 무인기들의 비행시험이 이루어졌다. 현재 국내에서 개발되는 항공기들의 비행시험이 사천과 해미의 군공항에 서 이루어졌으나 비행시간에 제한을 받고 있어서 무인기의 경우 항공센터를 찾고 있으며 항공센터 방문 인력은 그림 6에서 보는 바와 같이 기하급 수적으로 증가하고 있다. 현재의 무인기 및 소형 항공기 비행시험 전용 공간으로서 비행시험 항공 기들의 항공안전을 지원하기 위한 관련설비로서 일차적으로 1090ES ASD-B 지상시스템을 설치하 고 이를 기반으로 시험항공기 궤적을 추적할 수 있는 상황실을 구축하였다. 금년에는 UAT 방식 의 ADS-B 시스템 구축이 예정되어 있으며 현재 의 활주로를 길이 1200m와 폭 45m로 확충하는 방안도 검토되고 있다[10].
그림 4. 항공항공센터 전경
그림 5. 비행시험 항공기 - 에어로 스탯, 스마트무인기, 50m급 무인비행선, 인력항공기 (시계방향)
(a) ADS-B 및 GPS 안테나
(b) ADS-B 지상시스템 그림 7. ADS-B 시스템
(a) 고흥항공센터 ADS-B 시스템 구성
항 목 제 원
입력전압 18～30VDC, 120～240VAC 수신거리 > 250Nm
최대식별항공기 500 대 지연시간 < 500msec 데이터 출력 ASTRIX CAT 21 최소운용성능규격 DO-260A & B
표 3. RU6 제원 그림 6 항공항공센터 방문인력
3.2 ADS-B 시스템 구축
고흥항공센터에 설치된 ADS-B 시스템은 현재 상용항공기에 장착 운용되고 있고 무인기 탑재용 으로 소형 경량의 탑재 송신기가 상용화되고 있 어서 유무인항공기의 통합 운용시험에 적합한 1090ES 방식이 고려되었다. ADS-B 시스템은 안 테나, 지상시스템, 서버컴퓨터, 디스플레이 컴퓨 터로 구성되며 안테나는 ADS-B RF와 GPS 안테 나로 이루어지며 그림 7(a)와 같이 비행선 시험 동 관제탑 옥상에 설치하고 지상시스템은 SAAB /SENSIS사의 RU6 모델로서 그림 7(b)와 같이 관제탑 내부에 설치하였다. RU6는 표 3과 같이 460km의 수신거리와 500대 항공기의 ADS-B 정 보를 동시에 수신할 수 있으며 ADS-B 최소운용 성능요건 RTCA DO-260을 충족하고 있다. RU6 로부터 처리된 ADS-B 데이터를 받아서 모니터링 컴퓨터와 원격 컴퓨터에 전송해주는 서버 컴퓨터
는 그림 8과 같이 무인기 시험동의 비행시험 상 황실에 설치하여 ADS-B 데이터를 볼 수 있도록 하였다. 장비간 인터페이스는 UDP통신을 통해 이루어지도록 하였으며 상황실에서 관제탑에 있 는 RU6시스템을 원격으로 전원을 끄고 켤 수 있 도록 하였다[4].
(b) 비행시험 상황실
그림 8 고흥항공센터 ADS-B 및 상황실
3.3 데이터 인터페이스
RU6는 그림 9와 같이 ADS-B 데이터 송수신 과 GPS 데이터 수신 기능과 이들 데이터를 처리 하는 처리부로 이루어져 있으며 처리된 데이터는 외부장비와 인터페이스 된다[11]. ADS-B 데이터 는 메시지 데이터, 보고 데이터, 상태정보 데이터 들로 이루어지며 메시지 데이터는 Mode S 업링
그림 9. RU6 기능 구성도
그림 10. CAT21 데이터 프로토콜
FRN 데이터 정보 byte
1 Data source identification 2 2 Target report descriptor 1+
3 Track number 2
4 Service identification 1
5 TOA for position 3
6 Position in WGS-84 6 7 Position in WGS-84, high res. 8
8 TOA for velocity 3
9 Air speed 2
10 True airspeed 2
11 True address 3
12 Target Address 3
13 Time of Message reception 4 14 Time of Message reception, high 5 15 Message reception time of Velocity 4 16 Message reception time of Velocity, high 2 17 Geometric height 1+
18 Quality indicators 1
19 MOPS version 2
20 Mode 3/A code 2
21 Roll angle 2
22 Flight level 2
23 Magnetic heading 1
24 Target status 2
25 Barometric vertical rate 2 26 Geometric vertical rate 4 27 Track angle rate 2 28 Time of report transmission 3
표 4. ADS-B 데이터 정보
크 정보이며 보고 데이터는 수신된 ADS-B 항공 기 정보이며 상태 메시지는 ADS-B 데이터 송수 신 상태에 대한 모니터링 정보이다. ADS-B 데이 터를 디스플레이 또는 원격 컴퓨터와 인터페이스 를 하려면 이들 지상시스템 RU6와 외부장비간 데이터 인터페이스 프로토콜을 알아야 한다.
RU6와 외부장비간 인터페이스 프로토콜은 ASTERIX (All Purpose Structured Eurocontrol Surveillance Information Exchange) CAT 21과 23규약을 따르며 CAT 21은 ADS-B 메시지와 보 고 데이터 포맷을 정의하며 CAT 23은 ADS-B 상태 정보 데이터 포맷을 정의하고 있다. 그림 10과 같이 CAT 21의 데이터 블럭은 8비트의 데 이터 식별자, 16비트의 데이터 길이 다음에 데이 터 길이 만큼 필드정의와 데이터들이 반복되어 진다. 데이터는 표 4와 같이 필드 참조번호(Field Reference Number)에 따라 정의된 항공기 정보
들이며 데이터 전송시 필드 정의는 1로 설정이 된다[12].
4. 시험평가
4.1 지상시험
지상시험은 1090ES ADS-B 송신장비를 차량에 탑재한 후 항공센터 활주로와 주변을 이동하면서 ADS-B 데이터 수신 상태를 차량 이동궤적을 통 해 확인하였다. ADS-B 송신장비는 그림 11(a)에 서 보는 바와 같이 ADS-B 송신기와 GPS 수신기 로 이루어져 있으면 전원은 DC 12~32 V에 동작 을 하여 차량에서 공급되는 DC 12 V를 사용하 였다.
(a) 지상차량 이동시험
(b) 활주로 차량궤적 그림 11. 1090ES ADS-B 지상시험
시험결과 그림 11(b)에서 보는 바와 같이 항공센 터 주변을 이동한 시험차량의 궤적을 실시간으로 감시할 수 있었으며 시간지연은 1초를 넘지 않 았다.
4.2 비행시험
비행시험은 설치된 ADS-B 장비에 대한 RTCA DO-260의 비행시험 절차로서 8~36km 거리 내, 고도 1km 이하 항공교통이 혼잡하지 고흥항공센 터에서 20km 주변 지역 상공을 비행함으로써 ADS-B 탑재 항공기와 지상장비간 ADS-B 송수신 데이터 확인시험을 수행하였다[13]. 비행시험은 OPV (Optionally Piloted Vehicle) 항공기인 CFT 항공기를 이용하였다. 비행체는 항공탑재장비들의 비행시험 플랫폼으로 사용하고자 표 5의 제원의 독 일의 Flight Design사의 2인승 프로펠라 항공기를 무인항공기로 운용할 수 있도록 개조한 비행체로서 이번 1090ES ADS-B 비행시험을 위하여 조종사가 탑승하여 항공기를 조종하였다.
항 목 제 원
최대이륙중량 600 kg
엔진 Rotax 912 ULS (100 HP)
순항속도 222 kph
최대순항거리 1,540 km
날개 스팬길이 8.6 m
표 5. CFT 항공기 제원
Fig. 12와 같이 이륙하여 50분 동안 항공센터 를 중심으로 1km, 3km 선회비행을 각각 하면서 고도 300 m까지 상승한 후 고흥만 서쪽 20 km 지점까지 고도 700 m로 비행을 하였다. 목표지 점에서 다시 고도 2,700 m까지 선회 상승 후 역 방향으로 고도를 700 m로 하강하면서 항공센터 로 귀환하였다. 시험항공기가 비행하는 동안 비 행궤적을 실시간으로 연속적으로 관측할 수 있었 으며 ADS-B 데이터를 통해 항공기의 식별값, 항 공기 위치 및 고도, 속도, 방위각, 상승 및 하강 률 정보를 확인할 수 있었다.
(a) CFT 항공기 비행시험
(b) CFT 항공기 비행궤적
126.95 127127.05 127.1 127.15
127.2 127.25 34.3 34.4
34.5 34.6
34.7 0
500 1000 1500 2000 2500 3000
Longitude(deg) Latitude (deg)
Altitude (m)
(c) 비행시험 궤적 그림 12. 1090ES ADS-B 비행시험
그림 13. 1090ES ADS-B 항공기 모니터링
또한 그림 13과 같이 항공센터에서 반경 200 km내 위치한 목포, 광주, 여수, 김해, 제 주, 울산, 청주공항 주변의 항공기들과 남해 공해상으로 비행하는 ADS-B 장착 항공기들로 부터 ADS-B 정보를 수신할 수 있었으며 각 항공기들의 비행정보를 실시간으로 확인할 수 있었다.
4. 결 론
ADS-B 시스템은 국제항공기구를 중심으로 기 존의 음성통신과 레이더 이용한 감시로부터 데이 터 통신과 위성항법을 이용한 새로운 항공감시 수단으로서 채택되고 각국에서 설치 운영을 하고 있다. 우리나라에서도 인천, 김포 공항에 설치 시 범 운영되고 있으며 이를 장착한 상업용 항공기 들도 현재 60%이상이 되고 있다. 또한 무인기 기술의 발달로 무인항공기가 유인항공기의 공역 을 비행하는 일이 증가하고 있어서 오늘날 무인 항공기의 유인항공기 공역진입에 대한 국제적으 로 연구 개발과 관련 법안 마련이 진행되고 있 다. 고흥 항공센터는 무인항공기와 소형항공기의 비행시험을 위한 지상지원 설비들이 구축 중에 있으며 이번에 1090ES ADS-B 시스템을 설치하 고 이에 대한 운영시험을 수행하였다. 지상시험 을 통한 차량 이동 시험과 CFT 항공기를 이용한 비행시험을 수행한 결과 ADS-B 송신기를 탑재한 차량과 항공기로부터 항공기 식별번호, 항공기 위치, 고도, 속도, 방위각, 상승 및 하강률 등의
항공기 정보들이 실시간으로 수신할 수 있었으며 시간지연은 1초를 넘지 않았고 항공센터 중심으 로 20 km거리, 고도 300 ~ 2,700 m의 비행궤적 을 중단없이 얻을 수 있었다. 특히 항공센터에서 반경 400 km 거리의 1090ES ADS-B 장착 항공 기들을 모니터링 할 수 있었다. ADS-B 송신기로 서 소형무인기에 탑재 가능한 100g 미만의 제품 들도 출시되고 있어서 앞으로 이러한 ADS-B 시 스템을 이용한 충돌회피 연구와 무인 항공기의 유인 항공기 공역진입 연구에 활용할 수 있다.
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