[연재] CNS/ATM의 현재와 미래 - Navigation 부분

*이 글을 읽기 전 CNS ATM이 무엇인지 알고 싶으신 분은 아래 링크를 클릭해 주세요!

http://aviation-team.tistory.com/198

 

이번에는 CNS/ATM의 현재와 미래, 그 중 두번쨰 시간, Navigation 부분 입니다. 즉, 항법 시스템이지요. 여러분들은 항법 하면 무엇이 떠오르시나요? 나침반? 복잡한 CDU? VOR? 다 맞는 이야기 입니다. 우리가 출발지에서 목적지 까지 안전하게 길을 찾아갈 수 있게 해주는 모든 것이 항법이라고 할 수 있습니다. 지난번과 마찬가지로 과거와 현재의 진행 상황에 대해 알아본 후 최신기술과 미래 기술에 대해 알아보도록 할게요.

 

비행기에서 가장 먼저 쓰인 항법 장치라 할 수 있는 것은 중국의 4대 발명품 중 하나인 나침반입니다. 인류가 우주에 무언갈 쏘아올리기 전에, 컴퓨터가 발명되기도 전에 발명된 비행기이니 초창기 비행기에서 GPS니 뭐니 하는 것은 상상도 못했지요.

 

 

하지만 나침반에는 한계가 있다는 것, 잘 아실겁니다. 극지방에서 사용하기 어렵고(사실 이건 비슷하면서도 조금 다른 원리로 GPS에서도 해당되는 이야기 입니다) 단순히 방위외에는 아무런 정보도 제공할 수도 없고...그래도 이걸로 대서양 넘나들었던 분들 생각하면 참 대단한것 같습니다 ㅎㅎ 그런 얘기 들으면 VOR 크로스 컨트리로 김포-양양 뛰는데 Wind Correction 귀찮다고 짜증내던 저를 돌아보게 합니다 ^^;;

 

나침반만 사용하던 비행기, 슬픈 이야기이지만 다른 여러 제품들과 마찬가지로 1,2차 대전을 겪으면서  급격한 속도로 발전하게 됩니다. 사실 전쟁때 이러한 과학기술(특히 의약기술은 이때 놀라온 속도로 발전합니다)이 발전할 수 이유가 있는데요, 평시에는 어떤 제품이 새로 나오거나 개선되거나 하면 여러가지 시험과 시범운용을 거치지만 급박한 전시상황에서는 그러한 절차가 굉장히 간소화 되거나 생략됩니다. 특히 의학기술의 경우 '어짜피 죽을' 전사자들을 향해 많이 시험이 이루어졌고 그게 많이 발전할 수 있었던 이유가 됐지요. 하지만 어쩄든, 전쟁은 없어야할 인류의 비극입니다.

 

아, 쓰다보니까 잡소리가 길어졌어요...다른 얘기 하기도 바쁜데ㅠㅠ

 

2차 대전, 그리고 한국전쟁과 베트남 전쟁을 거치면서 VOR, INS, NDB 등 여러분들이 익숙한 항법 장치가 등장하고 GPS도 등장하게 됩니다. 갑자기 시간이 훌쩍 지난 느낌이지요?^^;; 최신 기술과 미래 기술에 대해 얘기하는데 과거 이야기를 너무 많이 하면 조금 그렇잖아요~

 

기본적으로 지금까지 가장 유용하게 쓰여왔던 항법 장치는 VOR  이라고 할 수 있어요. 착륙 보조 장치로는 ILS와 PAR(PAR 레이더가 있는 공항에서 ILS등을 설치하기 어려울경우 PAR 관제사가 IAF 부터 Minimum 고도까지 일일히 고도와 헤딩을 불러주며 Guidance 를 주는 방식, CAT1 등급의 정밀 접근 방식으로 분류되며 자매품으로 TLS 가 있습니다)가 많이 쓰이고 있고요. 그외 NDB가 있는데 설치하기 간편하지만 오차도 많고 이래저래 불편한점도 많거든요. 그래도 군사용으로 TACAN과 함께 많이 쓰이고 있답니다. 아직도 수많은 경비행기에서 VOR이 사용되고 있어요.

 

 

또 여러분들이 많이 알고 계시는 GPS, 굳이 설명이 필요 없겠죠?ㅎㅎ 플심 디폴트기에서의 친구이지요. 미국 및 일부 국가에서는 공식적인 IFR 계기로서 GPS를 사용할 수 있습니다. 즉, VOR 을 사용하지 않고 GPS 만 쓰겠다~ 하고도 플라이트 플랜에 쓸 수 있습니다만 아직 국내에서는 그렇지 않은 걸로 알고 있어요. 

 

 

(위는 많은 General Aviation을 운용하는 개인 및 기관에 의해 사랑을 받고 있는 가민 GPS 1000의 사진입니다)

 

자, 그럼 (개인적으로) 항공기의 꽃일라고 할 수 있는 중형/대형 여객기에서는 지금 어떤 항법 장치를 쓰고 있을 까요?

위에서 잠깐 언급한 관성 항법 장치인 INS를 개선시킨 IRS와 GPS를 사용하고 있습니다. 관정항법장치인 INS와 IRS는 낮은 정밀도를 가지고 있고 계속 오차가 누적되고(KAL007 사고에 대해 공부해시면 자세히 아실 수 있습니다.) GPS는 외부 전파에 의해 방해를 받기 쉽기 떄문에 서로 보완해 나가는 것이지요.

 

 

잠깐, 여기서 앞에서 언급한 항법 장치를 GPS와 INS, IRS와 VOR, ILS, NDB, PAR 이렇게 두 부류로 분리할 수 있는데요, 어떻게 분류했을까요? 바로 항법 시스템을 어디에 의존하냐 입니다. 전자는 항공기에 장착된 장비로 운용하고 후자는 지상장비에 의존하는 부분이 크지요. 전자와 같이 항공기에 장착된 장비가 주가되어 운용하는것을 성능기반항법(Performance Based Navigation, PBN)이라고 합니다. 여러분들이 플심에서 세스나와 같은 경비행기 및 기타 소형항공기를 운영하시지 않는 이상 거의다 PBN 방식으로 운항한다고 해도 무방할 겁니다. PBN을 운영하면 많은 장점이 있어요. 먼저 비행기에 장착된 시스템을 기반으로 운영하기 때문에 지상 설치물에 의존하는 시스템과 달리 굉장히 유연하게 운항을 할 수 있습니다. 가령 VOR에 의존한다면 off-set 절차 사용은 꿈도 못꿀것입니다. B576 복선화가 되기 전에 off-set 절차를 사용했는데 그게 안됐다면...아마 제주도 가는데 제주도로 비행하는 시간보다 지상에서 대기하는 시간이 더 길어지는 것은 일상일것입니다. 또 관제사가 특정 FIX 까지 갈것을 지시하면 과거에는 VOR과 DME에 의존하며 CRS 맞추며 힘들게 갔지만 지금은 CDU에 키패드 만 몇번 눌러주면 되지요. 또 아래 사진을 보시면 아시겠지만 기름도 아낄 수 있어요. 굉장한 발전 입니다 ㅎㅎ 이러한 여러가지 장점 때문에 ICAO 회원국들은 2007년에 PBN을 적극 이용하기로 결의 합니다.

 

지금까지 나온 Performance Based Navigation 은 OPMA, 즉 비행기가 항로를 벗어났는지 벗어나지 않았는지 알 수 있는 장치의 유무에 따라/정밀도에 따라 구분할 수 있습니다. 사실 OPMA는 항공기가 지정된 루트에서 벗어났을시 경고를 해주는 장치이지만 더 넓게 보면 위와 같이 때문에 그렇게 해두었습니다. OPMA가 없으면 RNAV, OPMA가 있으면 RNP 라고 할 수 있지요.

 

아래는 RNP와 RNAV, 그리고 구식 항법 시스템을 비교한 것입니다.

 

 

사실 RNP와 RNAV를 구분하는것은 글로 풀어서 쓰는 것은 어렵고 이렇게 그림으로 보면 이해가 쉬운데 이해가 가시나요?

요즘 대다수 중형 여객기 이상은 모두 RNP를 지원한다고 보시면 됩니다.

또 정밀도에 따라 RNAV(혹은 RNP) 뒤에 숫자가 붙는데요, RNP1 이면 RNP 좌우 최대 1마일에 오차를 가진것으로 확인된 RNP 시스템을 이용한다는 것입니다.

 

또한 PBN 을 이용할 경우 별도로 항로 개설시 별도로 고고도 VOR을 설치하지 않아도 되는 이점을 가지고 있기 때문에 PBN 전용 항로, 가령 Y711/Y722 등과 같은 것도 만들어 지게 됩니다. 아래에는 RNP와 RNAV 시스템을 기반으로 앞으로 어떻게 공역이용이 바뀌게 될지 지표가 될 국토교통부 항법 시스템 로드맵 입니다.

 

 

우외~하고 탄성을 지르시다가 지금까지 플심으로 접할 수 없던 여러가지 단어들을 보고 당황하신 분들도 계실 겁니다. 자, 지금까지 이글에서 우리는 ILS와 PAR을 제외하고는 착륙을 보조하는 항법 장치에 대한 그 어떠한 언급도 들을 수 없었어요. 그런데, 사실 정밀한 최첨단의 항법 장치는 착륙때 필요하다고 느껴 보신적 없나요? 

인루트(En-Route) 상에서 수 십 미터의 오차는 큰 영향이 없지만 착륙할때 수십 미터의 오차는 굉장히 큰 오차 인것, 다들 아실 겁니다. 비행의 꽃이라고 할 수 있는 만큼 가장 정교한 시스템이 필요한 순간이죠.

 

사실 지금까지 GPS는 인루트에서 쓰기 더할나위 없이 훌륭했지만 착륙을 위해서 쓰기에는 많이 부족한 감이 없지 않아 있었습니다. 그래서 ILS를 쓰기는 하지만 곡선으로 된 Guidance 를 형성할 수 없고 또 지형지물의 영향을 많이 받기 때문에 이를 대체할 수단이 필요하지요. 잠깐 그에 맞추어 MLS 라는 것이 나왔지만 이후 여러가지 어려움으로 인해 사장되고 현재 사용되고 잇는 그 대안 중 하나가 RNAV AR/RNP AR 절차 입니다. 전자는 비정밀 접근, 후자는 정밀 접근에 해당되는데 대표적인 예로 카트만두 공항이 있습니다. 카트만두 국제공항에 접근하는 비행기의 콕핏 영상을 보시면 ILS 특유의 모스신호가 안들리고 LNAV와 VNAV가 Engage 된채 미니멈 고도까지 접근하는 모습을 보실 수 있습니다. 일정 수준 이상의 훈련을 갖춘 조종사와 일정 수준 이상을 갖춘  때마침, 새로운 개념이 등장합니다. 바로 DGPS(Differential  GPS) 입니다. 지상에 기지국을 세우고 일반적으로 쓰이는 위성의 갯수보다 더 많은 위성을 사용하여 전리층 등으로 인해 생기는 오차를 보정해주어서 수십, 수 센티미터 수준으로 오차를 줄여주는 것이지요. 지상에서 별도의 기지국을 세워야 한다는 단점이 있지만 더욱 더 정밀한 위치기반 시스템의 필요성 증가로 인해 활발하게 개발되고 있습니다. 더 높은 정밀도를 얻기 위해 벌써부터 유럽은 EGNOS, 일본은 MSAS, 미국은 WAAS 라는 GPS 보정 시스템을 구축하여 활용하고 있습니다. DGPS는 인루트에서도 유용하게 쓰이지만 착륙에서의 활용도가 높기 떄문에 착륙파트에 집어 넣었습니다. 아래는 기본적인 DGPS의 개념을 그림으로 설명한 것입니다.

 

 

DGPS의 원리를 위에서 간단히 설명했습니다만은 실은 꽤 복잡합니다. 관심있으신 분들은 찾아보시면 자료를 쉽게 얻으실 수 있을거에요.

 

현재까지 DGPS를 기반으로 하는 항법 시스템은 여러가지가 있습니다.

 

먼저 항공기에 탑재된 장비를  이용해 최종으로 보정 하는 ABAS(Aircraft Based Augmention Sytem)과 DGPS 이용을 목적으로 발사된 위성과 지상 기지국을 이용하는 SBAS(Satelite Based Augmention System)이 있는데 여기서 크게 중요하지 않으니 넘어가도록 할게요.

 

이제부터 본격적으로 착륙을 보조하는 최신, 미래의 항법 장치는 어떤게 있을지 써볼게요.

먼저 APV 인데요, APV는 DGPS를 기반으로 하여 수평정보와 수직정보를 제공하는 것으로서 비정밀 접근에 포함되는 분야입니다. 미국의 WAAS (Wide Area Augmention System)을 기반으로 하는 Localizer Performace (LP) 라는 것이 여기에 해당되어 집니다. 

 

그 다음으로는 Localizer Performance With Vertical Guidance 가 있습니다. 위에서 언급한 LP에 수직정보 역시 제공함으로서 정밀접근이 가능하게 만든것이죠. WAAS 위성에서 보낸 위치 보정 정보를 바탕으로 항공기에 Guidance 를 제공하는 방식입니다. 정밀도는 CAT1 을 받았지요. 정밀도는 아래에서 언급할 GBAS에 비해 다소 떨어지지만 값이 싸고 하나의 장비 설치로 4~5개 공항에 운영이 가능하다는 장점이 있습니다.

 

 

그 다음으로는 제가 가장 관심을 가지고 있는 것 중 하나인 측지위성과 지상기지국을 이용해 보정신호를 형성, 항공기에 활주로까지의 접근 정보를 제공하는 GBAS(Ground Based Augmention System) 입니다. 흔히 LAAS(Local Area Augmention Sytem) 라고도 하는데 GBAS가 더 올바른 표현이라고 하네요.GBAS를 이용한 착륙 보조시스템을 GLS 라고도 합니다.

 

아래 사진은 GBAS(LAAS)의 개념도 인데 한번 참고해 보시면 좋을 듯 합니다.

 

 

 항공기와 지상 기지사이에 Datalink 시스템을 이용해 정보를 주고 받는다는 점과 측지위성을 활용합니다. LPV에 비해 굉장히 비싸고 여러공항을 묶어 사용할 수 없습니다. 보통 한 공항 내에서 4~5개의 활주로에 접근하는 항공기한테 Guidance를 제공할 수 있지요. 그렇지만 LPV 에 비해 굉장히 높은 정밀도를 제공할 수 있습니다. 현재까지 독일과 미국에서 CAT-1 등급을 받아 시범운영을 하고 있습니다만 이론상 ILS와 근접한 수준인 CAT3 등급의 정밀도 를 제공할 수 있습니다.

 

위에서 언급한 항법 장치들은 ILS를 대체할 수단으로 많이 거론되고 있으며 특히 GLS(GBAS Lading System)는 곡선으로 된 경로(김해탁 서클링을 계기만 보면서 하는 겁니다!)를 제공할 수 있다는 점에서 각광 받고 있습니다. 그렇게 되면 더 많은 항공기를 신속히 처리할 수 있게되겠지요. 앞길이 창창한 분야 입니다.

 

 

착륙을 보조하는 최신,미래 항법 장치를 끝으로 Navigation 파트를 마치겠습니다.

다음에는 감시 부분에 대해 알아보도록 하겠습니다.