KR101091805B1 - 자동 항행 감시 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자동 항행 감시 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 이 시스템은 항공기의 3차원 위치 정보를 생성하는 GPS 수신기, 3차원 위치 정보를 포함하는 자동 항행 감시 메시지를 방송하거나 수신하는 방송 송수신기, 그리고 3차원 위치 정보를 이용하여 자동 항행 감시 메시지를 생성하고 항공기가 항법 성능 요구 조건을 충족하는지 판단하는 위치 적합성을 연산하며 항공기가 어느 정도 기준 방향으로 항행하고 있는지 판단하는 방향 적합성을 연산하는 데이터 처리부를 포함한다.
자동 항행 감시 시스템, 방송 송수신기, 안테나, GPS 수신기

Description

자동 항행 감시 시스템 및 방법{AUTOMATIC DEPENDENT SURVEILLANCE BROADCAST SYSTEM AND METHOD}
본 발명은 자동 항행 감시 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 좀 더 상세하게는 위성 항법과 디지털 통신을 기반으로 하는 자동 항행 감시 시스템 및 방법에 관한 것이다.
항공 감시는 관제사로 하여금 항공기의 위치를 파악하여 안전하고 신속한 방법으로 항공기 간의 분리 간격을 유지하게 함으로써 안전하고 효율적인 운항을 추구하기 위한 것이다. 기존의 대표적인 항공 감시 시스템으로서 레이더(Radar)를 들 수 있다. 레이더 시스템은 회전하는 안테나가 항공기에게 질의(interrogate)하면, 해당 항공기가 트랜스폰더(Transponder)를 사용하여 응답하는 방식으로 운영된다. 시스템 특성상 접근 관제 영역에서는 4~5초 간격, 항로 관제 영역에서는 12초 간격으로 항공기의 위치를 확보할 수 있다.
레이더 시스템에 반해 위성 항법(Global Navigation Satellite System, GNSS)과 디지털 통신을 기반으로 하는 자동 항행 감시 시스템 (Automatic Dependent Surveillance-Broadcast, ADS-B)에서는 인공위성을 사용하여 위치 정보 를 계산하므로 전 세계적으로 균일한 좌표계를 기반으로 하는 3차원 위치를 획득할 수 있다. 항공기 조종사는 3차원 위치 정보를 확인하여 비행기의 경로를 수정할 수 있으며, 자동 항행 시스템은 3차원 위치 정보를 이용하여 항공기를 자동으로 운행할 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 항공기가 올바른 위치나 방향으로 항행하고 있는지 파악할 수 있는 정보를 제공하며 항공기가 올바른 위치나 방향으로 항행하도록 유도할 수 있는 자동 항행 감시 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
이러한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 한 태양에 따른 자동 항행 감시 시스템은, 항공기의 3차원 위치 정보를 생성하는 GPS 수신기, 상기 3차원 위치 정보를 포함하는 자동 항행 감시 메시지를 방송하거나 수신하는 방송 송수신기, 그리고 상기 3차원 위치 정보를 이용하여 상기 자동 항행 감시 메시지를 생성하고 상기 항공기가 항법 성능 요구 조건을 충족하는지 판단하는 위치 적합성을 연산하며 상기 항공기가 어느 정도 기준 방향으로 항행하고 있는지 판단하는 방향 적합성을 연산하는 데이터 처리부를 포함한다.
상기 위치 적합성은 상기 항공기가 상기 항법 성능 요구 조건의 두 점 사이를 연결하는 직선으로부터 미리 정해져 있는 거리 내에 있는지 판단하여 결정될 수 있다.
상기 방향 적합성은 상기 항공기의 수평/수직 진행 방향에 대한 단위 벡터와 수평/수직 기준 방향에 대한 단위 벡터의 내적으로 산출될 수 있다.
상기 항공기의 진행 방향이 기준 방향을 향하도록 상기 산출된 내적 값에 연동하여 미리 정해져 있는 상기 항공기의 좌/우 회전 각속도 및 상승률/강하율 지령을 내보낼 수 있다.
상기 항공기의 위치가 상기 항법 성능 요구 조건을 충족하지 않으면 상기 항공기를 기준 위치로 유도할 수 있도록 미리 정해져 있는 상기 항공기의 좌/우 회전 각속도 및 상승률/강하율 지령을 내보낼 수 있다.
본 발명의 다른 태양에 따른 자동 항행 감시 방법은, 항공기의 3차원 위치 정보를 생성하는 단계, 상기 3차원 위치 정보를 포함하는 자동 항행 감시 메시지를 방송하거나 수신하는 단계, 그리고 상기 3차원 위치 정보를 이용하여 상기 자동 항행 감시 메시지를 생성하고 상기 항공기가 항법 성능 요구 조건을 충족하는지 판단하는 위치 적합성을 연산하며 상기 항공기가 어느 정도 기준 방향으로 항행하고 있는지 판단하는 방향 적합성을 연산하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 자동 항행 감시 시스템 및 방법에 의하면, 항공기의 3차원 위치 정보를 이용하여 항공기가 올바른 위치나 방향으로 항행하고 있는지 파악할 수 있으며, 항공기가 올바른 위치나 방향으로 항행하도록 유도할 수 있다.
이하의 상세한 설명에서 본원의 일부를 구성하는 첨부의 도면이 참조된다. 문맥에서 다르게 지시하지 않는 한, 도면에서 유사한 부호는 일반적으로 유사한 구성요소를 나타낸다. 상세한 설명, 도면 및 청구범위에 기재된 예시적인 실시예들은 한정하고자 하는 의도가 아니다. 여기에서 제시된 사상 또는 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서, 다른 실시예들이 이용될 수 있고 다른 변경들이 이루어질 수 있을 것이다. 본원의 구성요소들은, 여기에서 일반적으로 설명되고 도면에서 도시된 바와 같이, 상이한 구성들의 폭넓은 다양성 내에서의 상이한 구성들로 배열되고, 치환되고, 결합되고, 설계될 수 있으며, 이 모두가 분명히 고려되었고 본원의 일부를 이루는 것임이 용이하게 이해될 수 있을 것이다.
그러면 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 따른 자동 항행 감시 시스템 및 방법에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 자동 항행 감시 시스템의 블록도이고, 도 2는 항공기의 항법 성능 요구 조건을 도시한 개략도이며, 도 3은 항공기의 비행경로와 관련된 수평 및 수직 방향의 방향 벡터를 도시한 개략도이다.
도 1에 도시한 것처럼, 본 발명의 실시예에 따른 자동 항행 감시 시스템(100)은 데이터 처리부(110), 방송 송수신기(120), 방송 안테나(130), GPS 수신기(140), 그리고 GPS 안테나(150)를 포함한다.
방송 송수신기(120)는 데이터 처리부(110) 및 항공기 외부에 구비되는 방송 안테나(130)에 연결되어 있으며, 방송 안테나(130)를 통하여 항공기의 위치 정보가 포함된 자동 항행 감시 메시지(이하, '자동 항행 감시 메시지'를 'ADS-B 메시지'라 한다)를 다른 항공기나 지상관제 시스템으로 방송하고, 다른 항공기나 지상관제 시 스템에서 방송하는 각각의 ADS-B 메시지를 수신한다. 여기서 방송 송수신기(120)는 주기적으로 ADS-B 메시지를 자동으로 방송할 수 있으며, ADS-B 메시지는 항공기의 위치, 속도, 운항 관련 데이터 및 식별 부호를 포함할 수 있다.
GPS 안테나(150)는 항공기의 3차원 위치 측정 시 기준점이 되며, 인공위성으로부터 송신된 전파를 수신한다. GPS 수신기(140)는 데이터 처리부(110) 및 GPS 안테나(150)에 연결되어 있으며, GPS 안테나(150)로부터 수신된 인공위성 전파를 이용하여 항공기의 3차원 위치를 계산하고 항공기의 3차원 위치 정보를 데이터 처리부(110)에 실시간으로 제공한다.
데이터 처리부(110)는 GPS 수신기(140)로부터의 3차원 위치 정보를 이용하여 ADS-B 메시지를 생성하고, 방송 송수신기(120)에서 수신한 ADS-B 메시지를 해석한다. 또한 데이터 처리부(110)는 항공기의 3차원 위치 정보를 이용하여 항공기가 올바른 위치나 방향으로 항행하고 있는지 항행 감시 정보를 제공할 수 있으며, 항행 감시 정보에 따라 항공기가 올바른 위치나 방향으로 항행하도록 유도할 수 있다.
도 2를 참고하면, A라는 공간상의 점에서의 3차원 좌표를 WPA라 표시하고, B라는 공간상의 점에서의 3차원 좌표를 WPB라 표시하고, 항공기(200)가 A에서 B로 이동한다고 가정하면 항법 성능 요구 조건(Required Navigation Performance, RNP)을 도 2와 같이 도식적으로 표시할 수 있다. 항공기(200)의 비행 계획에는 출발 공항을 이륙하여 도착 공항에 착륙할 때까지의 비행경로와 항법 절차에 대한 기준이 제시되어 있는데 이를 항법 성능 요구 조건이라 한다.
만약 A에서 B까지의 항법 성능 요구 조건을 'RNP-1'라고 한다면, 수평 및 수직 방향의 요구 조건은 A와 B를 연결한 직선을 지나는 수평면과 수직면에서의 항공기(200)까지의 거리가 1 해리(nautical mile) 이내가 되어야 한다는 것이다. 이와 달리 A에서 B까지의 항법 성능 요구 조건을 A와 B를 연결한 직선으로부터의 거리가 1 해리 이내가 되어야 하는 것으로 정의할 수도 있다.
제시된 항법 성능 요구 조건을 'RNP-n'이라 할 때, 수평 및 수직 방향에서의 위치 좌표가 n 해리를 벗어나지 않는 경우에는 항공기(200)는 요구 조건을 충족하여 정상적으로 비행하고 있는 것이 된다. 이와 달리 항공기(200)가 영역을 벗어나서 비행하고 있는 경우는 요구 조건을 충족하지 못한 것이 된다. 따라서 본 발명의 실시예에 따른 자동 항행 감시 시스템(100)은 항공기(200)의 3차원 위치 정보를 이용하여 항공기(200)가 제시된 요구 조건의 영역에 포함되는지 여부를 판단함으로써 항공기(200)가 올바른 위치에서 항행하고 있는지, 즉, 위치 적합성 또는 기하학적인 적합성(Geometric Conformance)을 파악할 수 있다.
예를 들면, 't' 시점에의 항공기가 수평 및 수직 방향의 항법 성능 요구 조건(RNP)을 충족하는지 나타내는지를 이진 함수의 형태로 정의할 수 있다. 즉, 't' 시점에의 항공기(200)가 수평 및 수직 방향의 항법 성능 요구조건(RNP)을 충족한다면, '1'의 값을 갖고, 충족하지 못한다면 '0'의 값을 갖는다.
본 발명의 실시예에 따른 자동 항행 감시 시스템(100)의 데이터 처리부(110)는 3차원 위치 정보를 이용하여 항공기가 현재 시점에서 실제 진행하고 있는 방향을 연산하고 이를 벡터로 처리할 수 있으며, 도 3에 도시한 것처럼, 항공기의 수평 진행 방향에 대한 벡터를 ΨH, 수직 진행 방향에 대한 벡터를 ΨV라고 표현할 수 있다. 또한 데이터 처리부(110)는 항공기의 항법 절차상에 제시된 비행경로 가운데 A 점에서의 기준점 WPA와 B 점에서의 기준점 WPB를 잇는 기준 방향 벡터를 연산할 수 있으며, 수평 기준 방향에 대한 벡터를 ΦH, 수직 기준 방향에 대한 벡터를 ΦV라고 표현할 수 있다.
그러면 수평 방향에 대한 항공기의 방향 적합성을 수평 진행 방향에 대한 단위 벡터 ΨH／|ΨH|와 수평 기준 방향에 대한 단위 벡터 ΦH／|ΦH|의 내적(dot product)으로 정량화할 수 있다. 마찬가지로, 수직 방향에 대한 항공기의 방향 적합성을 수직 진행 방향에 대한 단위 벡터 ΨV／|ΨV|와 수직 기준 방향에 대한 단위 벡터 ΦV／|ΦV|의 내적으로 정량화할 수 있다. 즉, 단위 벡터의 내적 연산을 하게 되면 결과 값은 (-1 ~ +1) 범위가 되어 기준 방향에 대한 현재 항공기의 진행 방향의 일치 정도를 수치(이를 '항공기 의도 수치'라 한다)로 표현할 수 있게 된다. 예를 들어 항공기의 진행 방향이 기준 방향과 정확히 일치하면 (+1)의 값을 갖고, 항공기의 진행 방향이 기준 방향과 반대 방향이라면 (-1)의 값을 갖는다.
이와 같은 연산을 통하여, 본 발명의 실시예에 따른 자동 항행 감시 시스템(100)은 항공기의 위치뿐만 아니라 방향 성분을 고려하여 항공기가 운항하고자 하는 의도에 대한 적합성(Intent Conformance) 또는 방향 적합성을 파악할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 자동 항행 감시 시스템(100)에 의하여 연산된 항공기 위치 및 방향 적합성 정보에 의하면, 항공기가 올바르지 않는 위치 및 방향에 있는지 파악할 수 있으므로 따라서 올바르지 않는 위치 및 방향에 있을 때 올바른 위치 및 방향으로 진행할 수 있도록 다음과 같이 유도 규칙을 제공할 수 있다.
먼저, 항공기의 위치가 항법 성능 요구 조건을 충족하지 않으면, 즉 항공기의 위치가 RNP 내에 존재하지 않으면, 기준 위치로 진입하도록 미리 정해져 있는 항공기의 좌/우 회전 각속도 및 상승률/강하율 지령을 내보낸다. 항공기의 위치가 RNP 내에 존재하면, 현재 위치를 유지하거나 현재 고도를 유지한다. 다만 수평/수직 방향의 항공기 의도 수치에 따라 항공기의 좌/우 회전 각속도 및 상승률/강하율 지령을 내보낼 수 있다. 예를 들면 항공기 의도 수치를 몇 개의 구간으로 나누고 각 구간별로 항공기의 좌/우 회전 각속도 및 상승률/강하율 값을 정하고 해당 항공기 의도 수치에 대응하는 항공기의 좌/우 회전 각속도 및 상승률/강하율 지령을 내보낼 수 있다. 또한 항공기 의도 수치를 가중치로 두고 항공기의 좌/우 회전 각속도 및 상승률/강하율 값을 정할 수도 있다. 이러한 지령에 따라 항공기 조종사 또는 자동 항법 시스템은 항공기 위치 및 방향을 기준 위치 및 기준 방향으로 신속히 조종할 수 있게 된다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 자동 항행 감시 시스템(100)에 의하면, 항공기의 3차원 위치 정보를 이용하여 항공기가 올바른 위치나 방향으로 항행하고 있는지 파악할 수 있으며, 항공기가 올바른 위치나 방향으로 항행하도록 유도할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 자동 항행 감시 시스템의 블록도이다.
도 2는 항공기의 항법 성능 요구 조건을 도시한 개략도이다.
도 3은 항공기의 비행경로와 관련된 수평 및 수직 방향의 방향 벡터를 도시한 개략도이다.
<도면 부호의 설명>
100: 자동 항행 감시 시스템, 110: 데이터 처리부,
120: 방송 송수신기, 130: 방송 안테나,
140: GPS 수신기, 150: GPS 안테나

Claims (8)

  1. 항공기의 3차원 위치 정보를 생성하는 GPS 수신기,
    상기 3차원 위치 정보를 포함하는 자동 항행 감시 메시지를 방송하거나 수신하는 방송 송수신기, 그리고
    상기 3차원 위치 정보를 이용하여 상기 자동 항행 감시 메시지를 생성하고 상기 항공기가 항법 성능 요구 조건을 충족하는지 판단하는 위치 적합성을 연산하며 상기 항공기가 어느 정도 기준 방향으로 항행하고 있는지 판단하는 방향 적합성을 연산하는 데이터 처리부
    를 포함하며,
    상기 위치 적합성은 상기 항공기가 상기 항법 성능 요구 조건의 두 점 사이를 연결하는 직선으로부터 미리 정해져 있는 거리 내에 있는지 판단하여 결정되고,
    상기 방향 적합성은 상기 항공기의 수평/수직 진행 방향에 대한 단위 벡터와 수평/수직 기준 방향에 대한 단위 벡터의 내적으로 산출되는
    자동 항행 감시 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에서,
    상기 데이터 처리부는 상기 항공기의 진행 방향이 기준 방향을 향하도록 상기 산출된 내적 값에 연동하여 미리 정해져 있는 상기 항공기의 좌/우 회전 각속도 및 상승률/강하율 지령을 항공기 조종사 또는 자동 항법 시스템으로 내보내는 자동 항행 감시 시스템.
  5. 제1항에서,
    상기 데이터 처리부는 상기 항공기의 위치가 상기 항법 성능 요구 조건을 충족하지 않으면 상기 항공기를 기준 위치로 유도할 수 있도록 미리 정해져 있는 상기 항공기의 좌/우 회전 각속도 및 상승률/강하율 지령을 항공기 조종사 또는 자동 항법 시스템으로 내보내는 자동 항행 감시 시스템.
  6. 자동 항행 감시 시스템의 자동 항행 감시 방법으로서,
    상기 자동 항행 감시 시스템이 항공기의 3차원 위치 정보를 생성하는 단계,
    상기 자동 항행 감시 시스템이 상기 3차원 위치 정보를 포함하는 자동 항행 감시 메시지를 방송하거나 수신하는 단계, 그리고
    상기 자동 항행 감시 시스템이 상기 3차원 위치 정보를 이용하여 상기 자동 항행 감시 메시지를 생성하고 상기 항공기가 항법 성능 요구 조건을 충족하는지 판단하는 위치 적합성을 연산하며 상기 항공기가 어느 정도 기준 방향으로 항행하고 있는지 판단하는 방향 적합성을 연산하는 단계
    를 포함하며,
    상기 위치 적합성은 상기 항공기가 상기 항법 성능 요구 조건의 두 점 사이를 연결하는 직선으로부터 미리 정해져 있는 거리 내에 있는지 판단하여 결정되고,
    상기 방향 적합성은 상기 항공기의 수평/수직 진행 방향에 대한 단위 벡터와 수평/수직 기준 방향에 대한 단위 벡터의 내적으로 산출되는
    자동 항행 감시 방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
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