KR101404170B1 - Ｇｐｓ 기반의 항공기 구조 강건성 평가시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 항공기에 GPS를 기반으로 하는 정밀 변위측정 시스템을 도입하여 기존의 비행하중개관시험(Load Survey Flight Test)에 적용함으로써 구조물의 변형에 기반한 분석을 수행할 수 있도록 하여, 실시간 혹은 비행 후 데이터 분석을 통해 항공기의 실시간 안전성 및 내구수명 등의 구조 강건성을 평가할 수 있는 GPS 기반의 항공기 구조 강건성 평가시스템에 관한 것이다.

Description

ＧＰＳ 기반의 항공기 구조 강건성 평가시스템 {GPS based aircraft structural integrity evaluation system}
본 발명은 항공기에 GPS를 기반으로 하는 정밀 변위측정 시스템을 도입하여 기존의 비행하중개관시험(Load Survey Flight Test)에 적용함으로써 구조물의 변형에 기반한 분석을 수행할 수 있도록 하여, 실시간 혹은 비행 후 데이터 분석을 통해 항공기의 실시간 안전성 및 내구수명 등의 구조 강건성을 평가할 수 있는 GPS 기반의 항공기 구조 강건성 평가시스템에 관한 것이다.
일반적으로 항공기의 구조 설계 및 개발 시에는 구조의 강건성 (Structural Integrity)을 보장하기 위해서 항공기의 운용 중에 예상되는 구조하중을 분석하여 이에 기반한 설계 및 해석을 수행하고, 구조시험과 비행하중개관시험(Load Survey Flight Test)을 통해 예상한 구조하중에 대해 구조적으로 안전하고 예상한 구조하중이 실제와 부합된다는 것을 입증하여야 한다.
이때, 구조시험은 스트레인게이지(strain gage) 또는 변위측정장치(displacement transducer) 등을 사용하여 구조물에 작용되는 응력과 변형을 평가하며 수행된다.
그런데 항공기의 비행하중개관시험은 직접 비행 중에 데이터를 획득하여야 하므로 변위측정장치의 장착이 불가능하며, 도 1과 같이 항공기(10)의 주날개에 직접 스트레인게이지(20)들을 설치하여 비행 중에 주날개에 작용하는 하중(P)에 따른 변형에 의존한 데이터를 획득하여 분석하며 수행해야 하므로 비행 중의 변형에 따른 변위를 정확하게 측정할 수 없는 단점이 있다.
그러므로 항공기의 비행하중개관시험에 적용할 수 있으며, 비행 중인 항공기에 설치하여 실시간으로 구조 강건성 및 내구 수명을 평가를 위한 자료를 확보할 수 있는 기술이 필요하다.
이와 관련된 종래 기술로는 한국등록특허(KR 10-1050424)인 "항공기 비행시험용 계측 포드 시스템"이 개시되어 있다.
KR 10-1050424 B1 (2011.07.13.)
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 항공기에 GPS를 기반으로 하는 정밀 변위측정 시스템을 도입하여 기존의 비행하중개관시험(Load Survey Flight Test)에 적용함으로써 구조물의 변형에 기반한 분석을 수행할 수 있도록 하여, 실시간 혹은 비행 후 데이터 분석을 통해 항공기의 실시간 안전성 및 내구수명 등의 구조 강건성을 평가할 수 있는 GPS 기반의 항공기 구조 강건성 평가시스템을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 GPS 기반의 항공기 구조 강건성 평가시스템은, 항공기(100)에 설치되어 GPS 위성으로부터 신호를 수신하는 기준 GPS 수신기(200) 및 측정 GPS 수신기(300); 및 상기 기준 GPS 수신기(200) 및 측정 GPS 수신기(300)로부터 데이터를 입력받아 상기 기준 GPS 수신기(200) 위치를 기준으로 상기 측정 GPS 수신기(300) 위치의 상대 변위를 측정하는 변위측정장치(400); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기준 GPS 수신기(200)는 항공기(100)의 동체(210)에 설치되고, 상기 측정 GPS 수신기(300)는 항공기(100)의 동체(110), 주날개(120) 또는 꼬리날개(130)에 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 항공기(100)의 주날개(120) 또는 꼬리날개(130)에 설치되는 측정 GPS 수신기(300)는, 상기 주날개(120) 또는 꼬리날개(130)의 단부에 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 변위측정장치(400)는 DGPS(Differential Global Positioning System), CDGPS(Carrier-phase Differential Global Positioning System), GBAS(Ground Based Augment System) 또는 SBAS(Satellite Based Augment System)를 이용하여 상기 기준 GPS 수신기(200) 및 측정 GPS 수신기(300)의 위치 데이터를 입력받아, 기준 GPS 수신기(200) 위치를 기준으로 상기 측정 GPS 수신기(300) 위치의 상대 변위를 측정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 변위측정장치(400)는 항공기의 비행기록장치에 저장되는 데이터를 입력받아 상기 데이터와 동일한 상태에서의 설계하중, 해석결과 또는 구조시험결과와 측정된 기준 GPS 수신기(200) 위치를 기준으로 한 상기 측정 GPS 수신기(300) 위치의 상대 변위를 비교하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 GPS 기반의 항공기 구조 강건성 평가시스템은, 비행 중인 항공기에 설치하여 비행하중개관시험에 적용할 수 있으며, 실시간으로 비행 중의 변형에 따른 변위를 정확하게 측정할 수 있어 구조 강건성 및 내구 수명을 평가할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래의 항공기의 변위측정을 위해 스트레인게이지를 설치한 상태를 나타낸 개략도.
도 2는 본 발명의 GPS 기반의 항공기 구조 강건성 평가시스템에서 항공기에 GPS 수신기가 설치되는 일례를 나타낸 사시도.
이하, 상기한 바와 같은 본 발명의 GPS 기반의 항공기 구조 강건성 평가시스템을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 GPS 기반의 항공기 구조 강건성 평가시스템에서 항공기에 GPS 수신기가 설치되는 일례를 나타낸 사시도이다.
도시된 바와 같이 본 발명의 GPS 기반의 항공기 구조 강건성 평가시스템은, 항공기(100)에 설치되어 GPS 위성으로부터 신호를 수신하는 기준 GPS 수신기(200) 및 측정 GPS 수신기(300); 및 상기 기준 GPS 수신기(200) 및 측정 GPS 수신기(300)로부터 데이터를 입력받아 상기 기준 GPS 수신기(200) 위치를 기준으로 상기 측정 GPS 수신기(300) 위치의 상대 변위를 측정하는 변위측정장치(400); 를 포함하여 이루어진다.
우선, 도 2와 같이 항공기(100)에 구조적인 변형(변위)을 측정할 수 있도록 기준 GPS 수신기(300)와 측정 GPS 수신기(300)가 설치된다. 여기에서 상기 기준 GPS 수신기(200)는 측정의 기준이 되는 위치에 설치되며, 상기 측정 GPS 수신기(300)는 상기 기준 GPS 수신기(200)가 설치되는 위치에서 항공기(100)의 변형에 의한 상대적인 변위를 측정하고자 하는 위치에 설치된다. 그리하여 상기 기준 GPS 수신기(200) 및 측정 GPS 수신기(300)는 각각 GPS 위성으로부터 신호를 수신하여 각각의 GPS 수신기가 설치된 위치 정보를 획득할 수 있다.
그리고 상기 변위측정장치(400)는 기준 GPS 수신기(200) 및 측정 GPS 수신기(300)로부터 위치 데이터를 입력받아, 상기 기준 GPS 수신기 위치(200)를 기준으로 상기 측정 GPS 수신기(300) 위치의 상대 변위를 측정한다. 이때, 상기 변위측정장치(400)는 항공기(100) 내부에 설치되어 각각의 GPS 수신기들(200,300)과 유선 또는 무선으로 연결될 수 있다.
이와 같이 본 발명의 GPS 기반의 항공기 구조 강건성 평가시스템은, 항공기(100)의 변형을 측정하기 위해 측정의 기준이 되는 기준 GPS 수신기(200)와 측정하고자 하는 위치에 설치되는 측정 GPS 수신기(300) 및 상기 기준 GPS 수신기(200)와 측정 GPS 수신기(300)의 상대적인 변위를 측정할 수 있는 변위측정장치(400)를 포함하여 이루어져, 비행 중인 항공기에 설치하여 비행하중개관시험에 적용할 수 있으며, 실시간으로 비행 중의 변형에 따른 변위를 정확하게 측정할 수 있어 구조 강건성 및 내구 수명을 평가할 수 있는 장점이 있다.
또한, 상기 기준 GPS 수신기(200)는 항공기(100)의 동체(110)에 설치되고, 상기 측정 GPS 수신기(300)는 항공기(100)의 동체(110), 주날개(120) 또는 꼬리날개(130)에 설치될 수 있다.
즉, 도시된 바와 같이 기준 GPS 수신기(200)는 항공기(100)의 동체(110) 일측에 설치되고, 측정 GPS 수신기(300)는 상기 기준 GPS 수신기(200)와 일정거리 이격된 동체(110)의 타측, 주날개(120) 또는 꼬리날개(130)에 설치될 수 있다. 이때, 기준 GPS 수신기(200)는 구조적인 강성이 크고 변형이 적은 동체(110)의 일측에 설치될 수 있으며, 상기 측정 GPS 수신기(300)는 항공기(100)의 변형이 발생될 수 있는 위치에 다수개가 설치될 수 있다.
그리하여 기준 GPS 수신기(200)가 설치된 위치에서 측정 GPS 수신기(300)가 설치된 위치의 상대적인 변위를 더욱 정밀하게 측정할 수 있다.
또한, 상기 항공기(100)의 주날개(120) 또는 꼬리날개(130)에 설치되는 측정 GPS 수신기(300)는, 상기 주날개(120) 또는 꼬리날개(130)의 단부에 설치될 수 있다.
즉, 항공기(100)는 주날개(120) 또는 꼬리날개(130)가 변형되었을 때, 그 단부에서의 변위가 가장 크게 측정될 수 있으므로, 동체(110)에 설치되는 기준 GPS 수신기(200)의 위치를 기준으로 주날개(120) 또는 꼬리날개(130)의 단부에 측정 GPS 수신기(300)를 설치하여 상대적인 최대 변위를 측정할 수 있다.
또한, 상기 변위측정장치(400)는 DGPS(Differential Global Positioning System), CDGPS(Carrier-phase Differential Global Positioning System), GBAS(Ground Based Augment System) 또는 SBAS(Satellite Based Augment System)를 이용하여 상기 기준 GPS 수신기(200) 및 측정 GPS 수신기(300)의 위치 데이터를 입력받아, 기준 GPS 수신기 위치(200)를 기준으로 상기 측정 GPS 수신기(300) 위치의 상대 변위를 측정도록 구성될 수 있다.
즉, 일반적인 민간용 GPS는 측정할 수 있는 정밀도가 30m 이하 수준이므로, 항공기의 변형에 따른 변위를 측정하기 어렵다. 그런데 상기 DGPS(Differential Global Positioning System, 보정 위성항법시스템)를 이용하면 움직이는 상태에서 수 미터(m) 이내, 정지한 상태에서는 1m 이내의 위치 측정이 가능하며, CDGPS(Carrier-phase Differential Global Positioning System, 반송파 보정 위성항법시스템)를 이용하면 센티미터(cm) 단위로 위치 측정이 가능하다. 그러므로 DGPS를 이용하면 항공기의 변형에 따른 상대적인 변위를 정밀하게 측정할 수 있으며, CDGPS를 이용하면 매우 정밀하게 변위를 측정할 수 있는 장점이 있다.
또한, GBAS 또는 SBAS를 이용하여 항공기의 변형에 따른 상대적인 변위를 정밀하게 측정할 수도 있다.
여기에서 GPS 위성으로부터 지상의 GPS 수신기로 송신되는 정보는 오차를 가지게 마련인데, 서로 가까운 거리에 위치한 두 수신기가 있을 경우에는 두 수신기는 비슷한 오차를 갖게 된다. 이때, DGPS는 두 수신기가 가지는 공통의 오차를 서로 상쇄시킴으로써 보다 정밀한 데이터를 얻기 위한 기술이다. 일반적으로 정밀측량에 의해 정확한 위치를 파악하고 있는 고정국에서 오차의 범위를 이동국에 전송한 후 보정하여 사용하는 방식을 사용한다.
그리고 CDGPS는 GPS 위성에서 송신하는 반송파 위상(Carrier-phase)이 코드 위상(Code-phase)보다 정밀도가 높은 점, 즉 반송파의 파장이 코드의 파장보다 약 1,000배 정도 짧은 것을 이용하여 센티미터(cm) 단위로 위치를 측정할 수 있는 기술이다.
또한, GBAS(Ground Based Augment System, 지상기반 오차보정시스템, 지상기반보강시스템)는 GPS를 이용하여 항공기가 활주로에 자동 이륙 및 착륙 할 수 있는 정밀한 위치정보와 GPS 위성의 고장상태를 항공기에 제공하는 시스템으로, 공항 주변에 접근하는 항공기에게 위치정보제공위성의 보정정보를 제공하도록 구성된다.
또한, SBAS(Satellite Based Augment System, 위성기반 오차보정시스템, 위성기반보강시스템)는 추가적인 위성방송메시지를 사용해서 광범위한 지역 또는 지역적인 보강을 지원하는 시스템이다. 이런 시스템은 보통 정확하게 측량된 지점에 위치한 여러개의 지상관측소로 구성된다. 지상관측소는 한개 또는 그 이상의 GNSS(Global Navigation Satellite System, 위성측위시스템) 위성, 위성신호, 또는 사용자들에 의해 수신된 신호에 영향을 줄 수도 있는 다른 환경적인 인자를 측정한다. 이런 측정값을 사용해서 정보메시지가 생성되고 최종 사용자를 위한 한개 또는 그 이상의 방송위성에 보내지도록 구성된다.
이와 같이 DGPS, CDGPS, GBAS 또는 SBAS를 이용하면 항공기의 변형에 따른 변위를 보다 정밀하게 측정할 수 있으며, 또한 항공기 정밀항법의 정밀도 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
그리고 상기 변위측정장치(400)는 항공기(100)의 비행기록장치에 저장되는 데이터를 입력받아 상기 데이터와 동일한 상태에서의 설계하중, 해석결과 또는 구조시험결과와 측정된 기준 GPS 수신기 위치(200)를 기준으로 한 상기 측정 GPS 수신기(300) 위치의 상대 변위를 비교하도록 구성될 수 있다.
즉, 항공기의 비행기록장치에 저장되는 속도, 가속도, 조종면 작동, 외부 풍향 및 풍속 등의 정보를 활용하여, 이와 동일한 상태에서의 항공기의 설계하중, 해석결과 또는 구조시험결과와 변위측정장치에서 측정되는 기준 GPS 수신기 위치를 기준으로 한 상기 측정 GPS 수신기 위치의 상대 변위를 비교하여 비행하중개관시험에 이용할 수 있다.
또한, 항공기의 운항 중에 지속적으로 측정된 상대 변위 데이터를 축적하여, 항공기의 기체구조 수명관리 및 강건성 평가에 활용할 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
100 : 항공기
110 : 동체 120 : 주날개
130 : 꼬리날개
200 : 기준 GPS 수신기
300 : 측정 GPS 수신기
400 : 변위측정장치

Claims (5)

  1. 항공기(100)에 설치되어 GPS 위성으로부터 신호를 수신하는 기준 GPS 수신기(200) 및 측정 GPS 수신기(300); 및
    상기 기준 GPS 수신기(200) 및 측정 GPS 수신기(300)로부터 데이터를 입력받아 상기 기준 GPS 수신기(200) 위치를 기준으로 상기 측정 GPS 수신기(300) 위치의 상대 변위를 측정하는 변위측정장치(400); 를 포함하여 이루어지며,
    상기 변위측정장치(400)는 항공기의 비행기록장치에 저장되는 데이터인 속도, 가속도, 조종면 작동, 외부 풍향 및 풍속을 입력받아 상기 데이터와 동일한 상태에서의 설계하중, 해석결과 또는 구조시험결과와 측정된 기준 GPS 수신기(200) 위치를 기준으로 한 상기 측정 GPS 수신기(300) 위치의 상대 변위를 비교하는 것을 특징으로 하는 GPS 기반의 항공기 구조 강건성 평가시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기준 GPS 수신기(200)는 항공기(100)의 동체(210)에 설치되고, 상기 측정 GPS 수신기(300)는 항공기(100)의 동체(110), 주날개(120) 또는 꼬리날개(130)에 설치되는 것을 특징으로 하는 GPS 기반의 항공기 구조 강건성 평가시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 항공기(100)의 주날개(120) 또는 꼬리날개(130)에 설치되는 측정 GPS 수신기(300)는, 상기 주날개(120) 또는 꼬리날개(130)의 단부에 설치되는 것을 특징으로 하는 GPS 기반의 항공기 구조 강건성 평가시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 변위측정장치(400)는 DGPS(Differential Global Positioning System), CDGPS(Carrier-phase Differential Global Positioning System), GBAS(Ground Based Augment System) 또는 SBAS(Satellite Based Augment System)를 이용하여 상기 기준 GPS 수신기(200) 및 측정 GPS 수신기(300)의 위치 데이터를 입력받아, 기준 GPS 수신기(200) 위치를 기준으로 상기 측정 GPS 수신기(300) 위치의 상대 변위를 측정하는 것을 특징으로 하는 GPS 기반의 항공기 구조 강건성 평가시스템.
  5. 삭제
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