2003學年度 碩士學位 論文

위성 항행시스템(CNS/ATM)의 구축 방안에

관한 연구( A Study on The Plan of Constructing CNS/ATM

Systems)

- 항공 항법분야(GNSS) -

指導敎授 李 鎭 九

東國大學校 産業技術環境大學院

情報通信工學 專攻

金 棊 珍

2003學年度 碩士學位 論文

위성 항행시스템(CNS/ATM)의 구축 방안에

관한 연구(A Study on The Plan of Constructing CNS/ATM

Systems)

- 항공 항법분야(GNSS) -

金 棊 珍

指導敎授 李 鎭 九

이 論文을 碩士學位 論文으로 提出함

2004年 7月 日

金棊珍의 工學 碩士學位 論文을 承認함

2004年 7月 日

委員長 (印)

委 員 (印)

委 員 (印)

東國大學校 産業技術環境大學院

- 3 -

요 약

위성 항행시스템(CNS/ATM)의 구축 방안에 관한 연구

A Study on The Plan of Constructing CNS/ATM Systems

- 항공 항법분야(GNSS) -

김 기 진

동국대학교 산업기술환경대학원

gi - jin kim

graduate school of industrial technology and

environment, dongguk-university

최근 항공 교통수단의 급속히 증가하면서 항공분야의 발전에 따라 전 세

계가 일일 생활권으로 도약하게 되었다. 이런 항공분야의 발전으로 항공기

의 안전성이 대두되면서 현재의 항행 시설(ILS, RADAR, VOR)로서는 갈수

록 발전하는 항공교통 수요를 처리하기에 정밀도, 안전성 등 이 기준치를

만족 할 수 없는 것이 현실이다.

현재 사용하고 있는 이․착륙시설 은 1950～1960년대 민간항공분야에 도

입되기 시작하여 기술적으로 발전 하였으나 전파의 기본원리인 직진성으로

인한 통달거리의 제한 으로 대양상, 산악지형, 장애물 지역이 많은곳에서는

전파의 수신상태가 제한적 요소가 있으며, 항공수요가 증가함에 따라 주파

수 포화현상(항공용주파수 부족)등 제한적요소가 급속도로 나타나고 있으며,

- 4 -

공항별 설치 및 운영에 따른 운영, 관리에 대한 막대한 비용이 소요된다.

따라서 국제민간항공기구(ICAO)에서는 1983년 새로운 운용개념 과 기술

을 연구하는 FANS 특별위원회를 발촉하여 항공 항행분야에 기존 항행 시

스템 대신 GPS 위성을 이용하는 것을 의무적으로 한 위성 항행 시스템

(CNS/ATM)을 차세대 항행 안전시설로 채택하게 되었다.

1991년 제10차 항공항행회의에서 ICAO 조약 국가들은 FANS(CNS/ATM)개

념을 21세기 표준항행 시스템으로 채택 하기로 결의하고 본격적인 연구 개발이 진

행되기 시작하여 현재 빠른 속도로 연구개발 및 실용단계에 이르고 있는 것이 현

실이다.

본 논문에서는 GPS 시스템에 대한 이론적 내용과 현재 개발중인 위성

항행 시스템(CNS/ATM)에 대한 개발 현황 등을 살펴보고 또한 각 국의 추

진동향, 국제 기준 및 전략 등을 여러 문헌과 연구자료를 통하여 고찰 해

보았으며 국내 설치현황과 이용현황을 토대로한 구축현황을소개 하고 국내

구축방안에 대하여 연구 하였다.

또한, 위성 항행 시스템(CNS/ATM)의 본격적인 적용 시기인 2010년까지

우리의 구축방안을 항법시스템(GNSS) 위주로 제시하였다.

위성 항행 시스템(CNS/ATM)조기 구축을 위해서는 국내․외 항공사에

대한 적극적인 홍보와 기술지원이 필요한 실정이며, 또한 지상의 항공교통

관제(ATC) 시스템과 항공기 간에 자동적으로 위성통신을 이용한 통신을 주

고 받을 수 있는 조종사/관제사 DATA LINK 통신시스템과 위성항행 시스

템 운영에 따른 위성항행 관제절차 또한 연구가 이루어져야 하며 그에 따르

- 5 -

는 교육프로그램 역시 개발되어야 할것이다.

본격적인 위성항법 시스템 적용시 국내 실정에 적합한 시스템 도입과 지

속적인 연구개발을 통한 독자적인 위성항법시스템(GNSS) 구축등 많은 노

력과 투자가 필요하며 이 시스템을 운영하기위한 관리요원의 양성또한 필요

할것이다.

- 1 -

목 차

제1장 서 론 ·······················································································1

제2장 GPS 시스템의 개요 ·································································4

제1절 GPS 시스템(전세계 측위 시스템)의 기본 개념 ··········4

1. 위성부분(Space Segment) ··················································5

2. 지상관제(Cotrol Segment) ··················································5

3. 사용자부분(User Segment) ················································6

제2절 GPS 동작원리 ·····································································7

제3절 GPS 정확도 ·········································································9

1. 민간용 GPS 신호 ··································································9

2. 군사용 GPS 신호 ································································10

3. 위치 계산을 위해 사용되는 측정치 ································11

1) 전리층 오차 ·····································································13

2) 대류층 오차 ·····································································14

3) 위성궤도 오차 및 시계오차 ·········································14

4) 다중경로 오차 ·································································15

제4절 GPS 활용분야 ···································································15

1. GLONASS ············································································16

2. GALLEO ···············································································17

3. SBAS ·····················································································17

4. GBAS ····················································································18

5. GRAS ····················································································20

제3장 위성 항행 시스템(CNS/ATM)이론적 고찰 ······················22

제1절 위성 항행 시스템(CNS/ATM) ······································22

제2절 위성 항행 시스템 분야별 세부내용 ·····························23

- 2 -

1. 항공통신분야 ········································································23

1) 기본개념 ···········································································23

2) VHF DATA 통신시스템 ··············································25

3) 항공 이동위성 통신서비스 ···········································26

4) 항공종합 통신 ·································································26

2. 항법분야 ················································································29

1) 기본개념 ···········································································29

2) 기존항법 시설 ·································································30

3) CNS/ATM 항법시스템 ·················································32

3. 감시분야 ················································································37

1) 기본개념 ···········································································37

2) 기존 감시시스템 ·····························································37

3) 레이더 ···············································································38

4) CNS/ATM 감시시스템 ·················································41

제4장 위성 항행 시스템의 동향 ·······················································46

제1절 각국의 추진동향 ·······························································46

1. 미국의 GNSS 현황 ·····························································47

2. 유럽의 GNSS 개발현황 ·····················································51

3. 아시아 테평양 지역의 GNSS 개발현황 ·························59

4. 호주의 GNSS 현황 ·····························································62

5. 러시아의 GNSS 현황 ·························································66

6. 일본의 GNSS 현황 ·····························································69

7. 항공사 동향 ··········································································73

제2절 국제기준 재정 및 각국의 전략 ·····································73

제5장 국내구축 방안에 관한 연구 ···················································79

제1절 국내 구축현황 ···································································79

1. D-ATIS ················································································80

- 3 -

1) 개요 ···················································································80

2) 기존 아날로그 ATIS ·····················································80

3) 디지털 ATIS ···································································81

4) 국내공항 D-ATIS 설치현황 ········································83

2. PDC ······················································································85

1) 개요 ···················································································85

2) PDC 운영시설 ·································································86

3) 국내공항 PDC 설치현황 ···············································88

3. 항법장치(GBAS ) 구축 ···················································91

1) 개요 ···················································································91

2) 추진경위 ···········································································92

3) GBAS 시스템 ··································································94

4) GPS 안테나 및 수신기 ·················································96

5) VHF 데이터 링크 송신기 ·············································97

6) 비행시험과 향후추진계획 ·············································98

제2절 향후 구축방안 ·······························································100

제6장 결 론 ···················································································105

참고문헌 ·······························································································107

ABSTRACT ·······················································································109

부 록 ·····························································································112

- 4 -

표 목 차

〈표 2․1〉항법 체계별 정확보 비교 ································································4

〈표 2․2〉GPS 부분별 주요기능 ······································································7

〈표 2․3〉SPS의 예상되는 정밀도 ································································10

〈표 2․4〉GPS의 향상된 정밀도 비교 ··························································10

〈표 2․5〉PPS를 사용할 경우 예상 정밀도 ················································11

〈표 2․6〉GPS 활용분야 ··················································································16

〈표 3․1〉항공관제 통신분야 발전단계 ························································24

〈표 3․2〉기존시설과의 비교 ··········································································24

〈표 3․3〉위성항행 시스템 도입효과 ····························································29

〈표 3․4〉항법의 종류 ······················································································30

〈표 3․5〉기존시설과 위성항법 시설과의 비교 ··········································31

〈표 3․6〉WGS-84 좌표체계 ··········································································36

〈표 3․7〉ICAO 항공통신 업무 ······································································38

〈표 3․8〉TCAS 종류 및 개요 ······································································44

〈표 3․9〉도입효과 ····························································································45

〈표 4․1〉ICAO의 통신분야 기술기준 진행사항 ········································46

〈표 4․2〉항공데이터 통신서비스 제공회사 현황 ······································47

〈표 4․3〉LAAS 개발단계 ··············································································50

〈표 4․4〉GNSS의 공간신호 성능요건 ·························································75

〈표 5․1〉D-ATIS STANDARD 전문 ························································85

〈표 5․2〉국적 항공사의 ACSRS 장착현황 ················································87

〈표 5․3〉D-ATIS 및 PDC 서비스 제공내 용 ··········································87

〈표 5․4〉PDC STANDARD 전문 ································································90

〈표 5․5〉지상 시스템의 기능과 하드웨어구성 ··········································96

〈표 5․6〉HARRIS VDR-2135 및 PARKAIR T6X 사양 ························97

- 5 -

그 림 목 차

〈그림 2․1〉GPS 시스템의 구성 ······································································6

〈그림 2․2〉GPS 신호의 구성 ··········································································9

〈그림 2․3〉Satellite Based Augmentation System Architecture ·········18

〈그림 2․4〉Ground Based Augmentation System Architecture ··········19

〈그림 2․5〉Type A GRAS Network ··························································20

〈그림 2․6〉Type B GRAS Network ··························································21

〈그림 3․1〉항공 데이터 통신망의 구성도 ··················································28

〈그림 3․2〉기존 항법시설과 위성항행시설 ················································31

〈그림 3․3〉항공기 수신장치 및 위성 이착륙 표시장치 ··························32

〈그림 3․4〉김포공항 WGS84 좌표계 체계도 ············································36

〈그림 4․1〉WADGPS SYSTEM 구성현황 ················································50

〈그림 4․2〉호주의 GRAS 운용개념도 ························································65

〈그림 4․3〉일본의 MTSAT 구성도 ····························································71

〈그림 4․4〉일본의 ATM 센터 운용개년도 ················································72

〈그림 5․1〉D-ATIS 시스템 구성도 ····························································82

〈그림 5․2〉국내구축망도 ················································································84

〈그림 5․3〉네트워크 구성도 ··········································································84

〈그림 5․4〉PDC 시스템 구성도 ····································································88

〈그림 5․5〉비행계획 정보수신계통 ······························································89

〈그림 5․6〉PDC 요청에 의한 센터의 역할 구성도 ··································89

〈그림 5․7〉PDC 요청시 서버의 자동발송메세지 ······································90

〈그림 5․8〉Approach Corerage Volume ····················································98

〈그림 5․9〉VHF Data Broadcast Volume ·················································99

〈그림 5․10〉비행점검 시나리오(울산공항) ···············································100

- 1 -

제1장 서 론

최근 항공산업이 급속히 발전하면서 전 세계가 일일 생활권으로 도약하게

되고 항공기 이착륙 횟수 증가 등으로 항공분야의 안전성이 대두되어 현재

의 항행 안전시설(ILS, RADAR, VOR)1)로는 갈수록 발전하는 항공교통수요

를 처리하기엔 정밀도, 안전성 등이 기준치를 만족할 수 없는 현실이다.

항공분야는 육상, 해상과는 달리 정확성 및 안전성이 특히 많이 요구되며

이러한 요구사항을 만족 시길 수 있는 방안이 바로 GPS(Global osition

System)를 이용한 위성 항법시스템(GNSS; Global Navigation Satellite

System)이다.

GPS를 이용한 항공용 항법시스템에서는 아주 작은 오차 또는 조그만 한

실수 하나가 예측할 수 없는 대형사고를 발생할 수 있기 때문에 수많은 테

스트와 비행 실험을 통한 안전성 및 신뢰성을 갖추어야만 한다.

현재 기본적인 항공 항행 시스템은 개발된 단계이며 더 정밀하고 안전한

시스템으로 발전하기 위한 수 많은 테스트 및 보완을 하고 있는 단계이다.

우리나라에서는 1998년 건설교통부에서 ꡒ한국형 위성 항행 시스템ꡓ개발

1) ILS(계기착륙장치): Instrument Landing System ;항공기 정밀진입을 위한 표준

착륙시설로유도,거리,위치,진입각정보,

VOR(전방향표지시설):Very-higt-frequency Omni-directional Range;국제표준항

행원조시설로서 방위거리정보제공,

RADAR(레이더): Radio Detection and Ranging; 항공교통관제 및 항공기 정밀접

근을 위한 보조시설

- 2 -

을 위한 기반조사 및 한국형 GNSS 기본설계를 완료했으며 1999년 건설교

통부와 "한국공항공사"의 주관하에 국내 항공연구기관 및 대학연구소들과

공동으로 위성 항행 시스템 개발사업을 5차에 걸처 용역수행을 실시하는 한

편 계속적인 사업을 추진하고 있다.

위성 항법 시스템(GNSS; Global Navigation Satellite System)은 운항하

는 항공기에게 정밀한 운항 정보를 제공하는 시스템으로서 기존의 항행 안

전시설과 비교하여 정밀한 정보제공이 가능하며 다양한 이착륙 각도를 제공

하는 신 개념의 차세대의 항법 시스템이라 할 수 있다

즉 항공기와 지상시스템은 지상 2만 Km 상공에 있는 각기 다른 3개 이상

의 측지 위성으로부터 위치 정보를 수신하며, 지상시스템은 측지 위성의 전

리층지연, 대류층지연, 시계오차, 다중 경로 등 오차정보를 소프트웨어에 의

하여 연산하며 그 오차 정보를 항공기에 제공하게된다. 그결과 운항하는 항

공기는 오차정보를 포함하지 않은 정밀한 위치 정보를 운항(이․착륙)시

사용할수 있게 된다.

국제민간항공기구(ICAO)2)에서는 항공 및 해양 항법분야에 기존의 항법

시스템 대신 GPS 위성을 이용하는 것을 의무적으로 사용하도록 추진하고

있다.

GNSS를 이용한 항법 시스템은 높은 정확도와 신뢰도를 바탕으로 비용절

감, 시간, 공간의 제약이 없어진다는 장점을 가지고 있으며, 조종사가 더 이

2) 국제민간항공기구(ICAO;International Civil Orgarmization):1947년 10월UN의 경제사

회이사회 산하기구로 출발,조직은 총회,이사회,사무총회로 구성,우리나라는 1952년 12

월1일 제6차총회에서 회원국으로 가입

- 3 -

상 지상 기준 항법 장치에 의해 제한 받지 않아도 되기 때문에 항공기가 목

적지까지 직행으로 갈수 있고 이는 바로 연료비와 시간의 절감을 가져올 수

있다.

전 세계적으로 GNSS에 대한 연구와 개발이 이루어 지고있고 전 세계의

위성 항법시스템의 수요예측 보고서에 따르면 GNSS 관련 시장 규모가

2005년경에 육상 항법분야 39억$, 항공항법분야 19억$, 해양 항법분야13억

$등 총310억$ 정도까지 성장할 것으로 내다보고 있다. 유럽(EU)에서도 약

418억$ 정도의 시장이 형성될 것으로 예측하고있다.

본 논문에서는 GPS를 이용한 위성항행시스템(CNS/ATM)에 대한 개발현

황과 외국의 사례등 개략적인 내용을 알아보고 현재 개발중인 위성 항법

시스템(GNSS)에 대한 구축방안을 제시하며 향후 발전 방향에 대한 의견을

제시하고자 한다.

- 4 -

제2장 GPS 시스템의 개요

제1절 GPS 시스템(전 세계 측위 시스템)의 기본 개념

GPS(Global Positioning System)에 대한 연구는 미 국방성에서 1960년대

군사목적으로 개발된 인공위성을 이용하여 처음으로 시작되었다. GPS 의

정식명칭은 NAVSTAR/GPS 인데 이것은 NAVigation System with Time

And Rnging/Global Positioning System의〔5〕머리글자를 딴 것이다.

GPS 는 인공위성을 이용하여 시간, 장소, 기후에 영향을 받지 않고 사용

자의 3차원 정보(위치, 속도, 시간)를 계산하는 시스템으로 1993년 민간항공

분야에 시험 운용되어 1995년 정상 운영중이며, 참고로 지금까지 사용해왔

던 여러항법 체계의 정확도를 비교 해보면 표2․1와 같다.

표 2․1 항법체계별 정확도 비교

체계명 측위(m) 속도(m/s) 시간(sec) 운용범위 비고

OMEGA 2,200 - - 지구의90% 위도,경도다중통로의 영향에 취약

INS 1,500(1시간후)0.8

(2시간후) -전세계 전천후 24시간운용극지방에서는 성능저하

TACAN 400 - - 가시거리 방위오차 3°

TRANSIT 200 - - 전세계 위도,경도,극지방성능저하위치산출90분소요

LORAN-C 180 - - 지구의10% 위도,경도공간과 간섭으로 운용제한

NAVSTAR/GPS 16 0.1 10

-7 전세계 위도,경도,고도전천후24시간 운용

ILS/MLS 5-10 - - 가시거리 비행장 인접상공

- 5 -

또한 GPS 시스템의 구성은크게 위성(Space), 지상관제(Control), 사용자

(User)부분으로 나눌 수 있다. 각 부분을 그림 2․1에 나타내었다.

1. 위성부분(Space Segment)

24개의 위성 군으로 구성되어 있으며 각각의 위성은 셰슘 및 루비륨 원자

시계가 각각 2개씩 장착되어 정밀한 시간동기를 유지하고 각 위성마다

PRN(Pseudo Random Noise)코드라 불리는 고유한 코드가 있어 각각의 위

성을 구별할 수 있다, 위성은 지상고도 약 20,183Km에서 원에 가까운 타원

궤도를 돌고 있으며 궤도 경사각은 55도이다. 그리고 적도면에 일정 간격으

로 분포된 6개의 궤도면에 각각 4개씩 할당되어 있어 사용자가 최소한 5개

위성으로부터 신호를 수신할 수 있도록 배열되어 있다. GPS 위성이 지구를

한바퀴 도는 공전 주기는 정확하게 11시간58분으로 하루에 두 번씩 지구를

공전한다.

2. 지상관제(Control Segment)

전세계에 위치하고 있는 관제국 및 송신국으로 구성되어 있다 지상관제

부분은 크게 3가지로 구성되어 있는데 여기에는 주 관제국(MCS; Master

Control Station)과 무인으로 운영되는 부관제국(MS; Monitoring Station)및

지상 송신국(GA; Up-Link Ground Antenna)이 있다 주 관제국은 GPS 시

스템을 관리하고 통제하는 중심이며 미국의 콜로라도 스프링스(Colorado

Springs)에 있는 펠콘 공군기지에 위치해 있다. 주 관제국은 부 관제국으로

부터 자료를 받아 위성이 자신의 궤도를 유지하는데 필요한 위성궤도를 포

함 항법 메시지를 만들어 낸다. 주 관제국과 부 관제국, 지상 송신국 사이의

통신은 GPS가 아닌 다른 통신위성을 이용한다. 부 관제국은 세계적으로 고

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루 분포된 5개의 GPS 감시 국으로 구성되어 있으며 상공을 지나는 모든

GPS위성을 추적하여 위성까지의 거리와 거리 변화율을 동시에 측정한다.

지상 송신국은 3개로서 이의 임무는 위성과 통신하여 (S-band: Up-Link

1,783.7㎒, Down-Link 2,227.5㎒)위성상태에 관한 자료를 수신하고 위성을

제어하는 신호와 주 관제국으로부터 받은 새로운 항법 메시지를 위성으로

전송한다.

3. 사용자 부분(User Segment)

GPS수신기와 안테나 그리고 자료처리 소프트웨어로 구성되어 있으며

GPS위성으로부터 신호를 수신하여 안테나의 위치(Position), 속도(Velocity),

시간(Time)을 계산한다. 2개 이상의 수신기로 동시에 관측 할 경우에 두 안

테나 사이의 상대거리와 기선의 방위각 및 고도 각은 물론 거리차이의 3차

원 성분까지도 정밀하게 측정할 수 있다. 표 2․2 에에서 GPS 의 부분별

주요기능을 나타내었다.

그림 2․1 GPS 시스템의 구성

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표 2․2 GPS 부분별 주요기능

구 분 주 요 기 능

위성부분

(우주부분)

•지구중심으로부터 26656.7Km 상공, 55도의 기울기각(Inclination Angle)

을 가진 6개의 원형 궤도면(Circular Orbit)위에 각각 4개씩 배치되어

있는 24개의 GPS 위성들로 구성

•GPS 위성은 약 12시간의 주기를 가지고 지구주위를 돌며, 아주 정확한

원자시계의 시각정보를 가지고 있음

①궤도고도:20,200Km,②궤도개수:6개③위성개수:24개④동작위성:21개⑤예비

위성:3개⑥공전주`기:12시간(11시간58분)

사용자부분

•GPS 위성신호를 수신하는 안테나와 항법 데이터를 뽑아내고 위치시간을

계산하는 GPS수신기, 그리고 이를 응용해 각각의 특정한 목적을 이루기

위해 개발된 다양한 장치(Equipment)로 구성

관제부분

GPS 위성 관제국은 5개의 감시 기지국(Monitor Station), 4개의 지상 안테

나 송신국(Ground Antenna Upload Station) 그리고 운영관제국

(Operational Control Segment)으로 구성

제2절 GPS 동작원리

GPS가 어떤 원리로 동작하는가를 이해하는 것은 개념적으로 매우 간단

하다.

삼각 측량법은 2차원 상에서 위치를 알고 있는 두점을 각각 A와 B라 하

고 미지의 한 점은 X라고 했을 때 A, B의 위치와 이 두점과 X 사이의 거

리를 이용해 미지의 점 X의 위치를 구하는 방법이다.

- 8 -

3차원 상에서는 위치를 알고 있는 3개의 점이 필요할 것이고 이에 해당하

는 것이 GPS위성이며 우리가 알고자 하는 위치가 미지의 한 점이 되며 위

성과 미지의 점 사이의 거리 정보를 제공하는 것이 GPS 동작기술이다. 근

본적으로 GPS는 삼각측량의 원리를 사용하는데 두각의 크기와 그사이 변의

길이를 측정함으로 결정되는데 반해 GPS에서는 알고 싶은 점을 사이에 두

고 있는 두 변의 길이를 측정함으로 미지의 점의 위치를 결정한다는 것이

고전적인 삼각측량과의 차이라 할 수 있다 인공 위성으로부터 수신기까지의

거리는 각 위성에서 발생시키는 코드 신호의 발생시점과 수신시점의 시간차

이를 측정한 다음 여기에 빛의 속도를 곱하여 계산한다.

거리(인공위성-수신기)= 빛의 속도(전파속도) ＊ 경과 시간 (소요시간)

실제로 위성의 위치를 기준으로 수신기의 위치를 결정하기 위해서는 거리

자료 외에도 위성의 정확한 위치를 알아야 하는데 이 위성의 위치를 계산하

는 데는 GPS 위성으로부터 전송되는 궤도력을 사용한다. 그림2․2는 GPS

신호의 구성을 나타내며 각 위성은 두 가지의 다른 주파수의 신호를 동시에

발생시키는 데 L1 반송파라고 알려진 1.57542㎓ 주파수와 L2 반송파라 불리

는 1.2276㎓ 주파수의 신호로 구성되어 있다. 이러한 반송파에 중첩되는 정

보 PRN(Pseudo-Random Noise)코드와 항법 메세지(Navigation Message)

로 이루어진다.

PRN 코드는 각 위성마다 유일하도록 서로 다르며 이진부호로 구성되는

데 매우 길고 복잡하기 때문에 신호자체만 보았을 때는 의미를 파악 할 수

없다. 사실상 PRN 코드는 어떠한 정보를 담고 있는 것이 아니라 이름에서

알 수 있듯이 어떠한 규칙에 의해 만들어지는 불규칙한 이진 수열로써 위성

- 9 -

자료를 거리를 측정하는데 사용되기 위한 것이다. 이 PRN 코드는 다시 두

종류의 코드로 나누어지는데 Coasrse Acquisition 이라고 불리는 C/A 코드

는 민간 신호라고도 하며 특별히 허락 받지 않은 개인이나 단체도 이용 할

수 있으나 P부호(Precise CODE)는 군용 신호로서 신호의 암호화가 이루어

지므로 민간에서 이용하기 위해서는 허가가 필요하다.

그림 2․2 GPS 신호의 구성

제3절 GPS의 정확도

1. 민간용 GPS 신호

민간 이용자들은 SPS(Standard Positioning System)를 무료로 제한 없이

수신 받을 있다. 대부분의 수신기는 SPS 신호를 받을 수 있도록 되어 있으

며 SPS의 정밀도는 미국 방송의 정책에 의해 고의 잡음 (SA: Selective

Availability) 신호의 혼합으로 그 정밀도가 약간 떨어진다. 표 2․3 은 SPS

의 예상되는 정밀도를 표로 나타내었다.

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표 2․3 SPS 의 예상되는 정밀도

수평오차 수직오차 시간오차

100m 이내 150m 이내 167 * 10 -9초

※ 이 수치들은 95% 정밀도 내의 오차를 말하는 것임

그러나 2000년 5월 1일 미 국방성에서 고의 잡음 신호인 SA(Selective

Availability)를 중단함으로 GPS 신호의 정밀도가 크게 향상되어 100m 정도의 수

평오차를 갖던 GPS 정밀도가 현재는 10m 안팍의 정밀도를 제공할 수 있게

되었다〔2〕. 표 2․4에서 GPS의 향상된 정밀도의 비교를 표로 나타내었다

표 2․4 GPS의 향상된 정밀도 비교

수평오차 수평오차 수직오차

고의잡음(SA)수신 61.10m 101.17m

고의잡음(SA)제거후 8.35m 18.15m

C/A (Clear Aquisition) PN 코드

- 민간용(civlian)코드 : Standard Positioning Service (SPS)

- 짧은 코드 : lms long sequence of ± 1 steps at f 0/10

- C/A 코드의 산출방식은 공개

- 수신기에서 신호의 포착이 용이〔5〕

2. 군사용 GPS 신호

군사용 GPS인 PPS(Precise Positioning System)는 암호 해독장치를 갖춘

허가된 사용자만이 특별히 고안된 수신기를 이용하여 수신할 수 있다. 미군

과 연합군 일부 미국정부 기관과 기타 미 정부로부터 선택된 민간 사용자들

- 11 -

이 대상이 되며 표 2․5와 같이 PPS를 사용할 경우 더욱 향상된 정밀도를

유지 할 수 있다는 것을 볼 수 있다.

표 2․5 PPS를 사용할 경우 예상정밀도

수평오차 수직오차 시간오차

17.8M 27.7M 100 * 10 -9 초

P(Precision)PN 코드

- 군용(military)코드:Pricise Positioning Service(PPS)

- 기본주파수 : 10.23㎒

- 긴코드 :267 day(38week) long sepuence of ± step at f 0

. 1주 segment 는 사용안함

. 5주 segment 는 pseudolite 라 불리며 지상국에서 사용하기 위하

여 예약

. 32 주 의 내용이 위성마다 다르게 지정되어 있음.

- P 코드의 산출방식은 공개

- 수신기에서 신호의 포착이 어려움〔5〕

3. 위치 계산을 위해 사용되는 측정치

위성항법시스템에서 위치계산을 위해 사용되는 측정치는 코드에 의한 의

사거리와 반송파에 의한 반송파 위상이다. 의사 거리는 위성으로부터 전송

되는 코드가 GPS 수신기에 도달하는데 걸린시간을 측정하여 계산되며 반송

파 위상은 위성으로부터 전송된 반송파와 수신기에서 생성된 반송파 사이의

맥놀이 신호로부터 계산된다〔18〕.

- 12 -

GPS 위성으로부터 전송된 코드 신호에 의한 거리측정치는 식(1)과 같다.

ρ= (R- R μ )․e+ i+ t- B s+B+δR+ u β+δ+ E β --------- (1)

e=R- R μ|R- R μ |

------------------------- (2)

여기서

ρ: 수신기로부터 GPS 위성까지의거리

R : 지구중심에 대한 GPS 위성의 위치벡터

R μ : 지구중심에 대한 수신기의위치

e : 수신기로부터 위성까지의 단위벡터(unit vector)

i : 수신기로부터 위성까지의 전리층 지연(ionospheric delay)

t : 수신기로부터 위성까지의 대류층 지연(tropospheric delay)

B s: 위성시계오차

B : 수신기 시계오차

δ R : 위성궤도오차(ephemeris error)

u β : 코드의 다중경로 오차(multi - path error)

δ : 고의 잡음에 의한 오차(Selective Availability)

E β : 코드잡음

일반적으로 C/A 코드의 정밀도는 약 0.3m 이고 P 코드의 정밀도는 약

3cm 이므로 코드 잡음을 제외한 나머지 오차 항이 제거되면 수 m , 혹은

수십 cm 수준의 위치 정확도를 얻을 수 있다.

GPS 위성으로부터 전송된 반송파에 의한 반송파 위상 측정치는 식(3)과

같다.

- 13 -

Φ= (R- R μ )․e- i+ t- B s+B+δR+ μ Φ+ E Φ+λ․N --- (3)

Φ : 반송파 위상측정치

u Φ: 반송파 위상의 다중경로 오차

E Φ: 반송파 잡음

λ : 반송파 잡음

N : 미지 정수

일반적인 반송파위상 측정치의 잡음 수준은 약 3mm 이므로 나머지 오차

항을 제거하면 cm 수준의 위치 정확도를 얻을 수 있다. 그러나 높은 위치

정확도를 얻기 위해 미지 정수를 정확히 계산해야 하며 일반적으로 하나의

GPS 수신기의 측정치만으로는 미지 정수를 구하는 것이 불가능하므로 적절

한 차분기법을 적용하여 차분된 미지 정수를 계산하여야 한다. 차분 기법에

의해서도 소거되지 않는 오차항이 존재하므로 올바른 미지 정수 추정을 위

해 이러한 오차의 영향이 최소화 되어야 한다〔18〕. 위성항법 시스템의 오

차요인으로는

1) 전리층오차

전리층 오차는 약 250km 고도상에 집중적으로 분포되어 있는 자유전자

(free electron)와 GPS 위성신호와의 간섭(interference)현상에 의해 발생한

다. 전리층 오차는 고의잡음 제거 이후 가장 큰 오차요인으로 작용하고 있

다. 전리층 오차는 코드 측정치에서는 지연(delay), 반송파 위상 측정치에서

는 앞섬(advance)형태로 발생한다. 전리층 오차는 약 7m 내외로 오후 2시경

에 최대값을 지니며 밤에는 전리층 활동량이 적으므로 최소값을 지닌다. 전

- 14 -

리층 오차는 전리층을 통과하는 신호의 주파수에 의해 결정되므로 이중 주

파수에 대한 측정치를 이용하면 전리층 오차를 계산할 수 있다. 일반적으로

전리층 지연을 보정하는데 쓰이는 전리층 모형식(model)으로서 Klobuchar

모형식이 있으며 이것을 사용하면 약 50% 정도까지의 오차 보정 효과가 나

타난다.

2) 대류층 오차

대류층 오차는 고도 50km 까지의 대류층에 의한 GPS 위성신호 굴절

(refraction)현상으로 인해 발생하며 코드 측정치 및 반송파 위상측정치 모

두에서 지연 형태로 나타난다. 대류층 오차의 크기는 약 3m ～ 20m로서 기

저선의 길이가 짧고 기준국과 사용자 사이의 고도(altitude) 차이가 작을 경

우, 오차 상관관계(correlation)가 크므로 차분 기법에 의해 상쇄된다.

3) 위성궤도 오차 및 시계오차

위성궤도 오차는 위성위치를 구하는 데 필요한 위성궤도 정보의 부정확성

으로 인해 발생한다. 위성궤도 오차의 크기는 1m 내외이다. 위성시계오차는

GPS 위성에 내장되어 있는 시계의 부 정확성으로 인해 발생한다. 일반적으

로 위성에 내장된 시계는 매우 정확하므로 시계 오차를 충분한 정확도로 예

측할 수 있다. 위성시계 오차의 크기는 1～2m 정도이다. 이와 같은 결과는

고의잡음이 제거된 이후 2001년 10월 미 국방성 발표내용을 기준으로 한 것

으로 고의잡음이 포함되었을 경우에는 이 부분의 오차 항이 전체 측정치에

가장 큰 영향을 미치게 된다. 위성궤도 오차 및 시계오차는 기저선 길이가

짧을 경우 역시 상관 관계가 크므로 수신기 차분 기법에 의해 상쇄된다.

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4) 다중 경로오차

다중경로 오차는 GPS 위성으로부터 직접 수신된 전파 이외에 부가적으로

주위의 지형 지물에 의해 반사된(reflected) 전파로 인해 발생하는 오차이다.

다중 경로 오차는 코드에 의한 의사거리 측정치에서는 20m 이내, 반송파

위성측정치에서는 5cm 이내의 크기를 지니는 것으로 알려져 있다. 다중 경

로 오차는 전파의 반사요인에 의해 성질이 결정되므로 차분 기법에 의해 상

쇄되지 않는다. 그러므로 다중 경로 오차의 영향을 최소화하기 위해 반사된

전파의 영향이 없거나 이를 차단할 수 있도록 GPS 안테나를 설치해야 한

다.

끝으로 사이클 슬립은 GPS 반송파 위상추적 회로 (Phase Lock Loop :

PLL)에서 반송파 위상치의 값을 순간적으로 획득에 실패함으로 인해 발생

하는 오차이다. 사이클 슬립은 주로 GPS 안테나 주위의 지형 지물에 의한

신호 단절, 높은 신호잡음 및 낯은 신호강도(signal strength)로 인해 발생한

다. 이러한 사이클 슬립은 반송파 위상 데이터를 사용하는 정밀 위치측정

분야에 서는 매우 큰 영향을 미칠 수 있으므로 사이클 슬립의 검출은 매우

중요하다.

제4절 GPS의 활용분야

앞에서 언급한 바와같이 GPS는 표 2․6 과 같이 우리 실 생활에 이미 깊

숙이 자리잡고 있다. 가장 가까운 곳에서 찾는다면 휴대폰이 대표적이며 기

지국은 상호간의 동기를 GPS 시계를 사용하고 있다. GPS 활용분야는 여러

분야에서 폭넓게 사용되고 있다.

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〈 표 2-6 〉 GPS 활용분야

분야 응용분야

육상분야

(ITS/차량항법)차량관제,응급상황대응,차량통제및제어,고속도로항법및유도등

항공분야 대양항해,지상경계,비정밀접근/착륙,CATⅠ,Ⅱ,Ⅲ,접근 및 착륙

해양분야 대양항해,연안항해,선박통제관리,어군탐지,

군사분야 군사훈련,무기유도

측량 및 과학 원격탐사,지도제작,측량,GIS,항공지구물리

우주분야 위성체 자세제어결정,위성체 궤도결정

기타부문 육/해/공군의 실시간항법 및 위치결정,군작전시스템유사일유도등

운송분야에서도 해상운송에서는 오래전부터 GPS를 이용한 항해 기술이

보편화 되어 있으며 육상교통에서도 요즘 카 네비게이션 시스템의 등장으로

GPS 활용도가 한층 높아졌다. 하지만 항공분야는 3차원 좌표를 사용하고

여타의 운송 수단보다 고속의 운송수단으로 그 안전성 및 신뢰성이 높아야

한다.

따라서 국제민간항공기구(ICAO) 및 미국의 FAA3)에서는 80년대부터

GPS를 이용한 항공용 항법시스템을 연구 개발하였으며, 현재는 정밀접근용

항법장치로서 거의 실용단계에 있다. 위성 항법 시스템의 구성요소로는

GPS, GLONASS, GALILEO, SBAS, GBAS, GRAS 등이 있다〔16〕.

1. GLONASS

GLONASS 는 러시아에서 개발한 위성 항법 시스템으로 GPS 와 매우유

사한 구성을 가지고 있다. 본래는 24개의 위성을 운용하였으나 러시아의 경

제 사정이 악화됨으로서 현재는 6개의 위성만이 제한없이 운용중이다. 따라

3) FAA: Federal Aviation Administration(미국연방항공청)

- 1962년 항공법에 의거 상무부 산하에 Aeronautics Branch 설립하여 1958년

Faderal Aviation Agency로 개칭설비하고 1967년 교통부로 이관됨

- 17 -

서 현재는 GLONASS를 GPS 와 통합하여 사용하려는 연구들이 활발하게

진행되고 있다. 러시아에서는 2005년까지 GLONASS-M을 포함해서 18-20

개의 위성을 운용할 예정이고 이외도 GLONASS-K를 운용하기 위한 계획

을 세우고 있다〔16〕.

2. GALLEO

갈릴레오는 유럽에서 미국의 GPS 를 견제하기 위해 계획중인 제3의

GNSS시스템이다. 이 시스템은 2002 ～ 2005년 사이에 개발 및 평가가 이

루어질 계획이고 2006년경부터 설치에 들어가 2008년부터 운용단계 서비스

계획을 가지고 있다.

3. SBAS(Satellite Based Augmentation System)

SBAS 는 위성을 이용한 보정항법 시스템으로 그림 2․3은 SBAS의 구

성을 나타낸다. GNSS 는 위성으로부터의 신호만을 사용했을때는 여러 가지

오차 요인들 때문에 큰 위치 오차가 발생할 수 있다. 또한 항공기의 안전을

위해 반드시 만족해야 할 무결성 요구조건들을 만족시키기가 어렵다. 따라

서 이를 보정하기 위한 여러 가지 보정 항법 알고리즘들이 개발되었는데 그

중 하나가 SBAS 이다. SBAS 는 WADGPS 의 보정 알고리즘을 사용하여

보정정보를 정지궤도 위성에서 전송해 주기 때문에 GBAS 에 비해 넓은 지

역에 대해 보정 서비스를 해줄 수 있다는 장점이 있다. 이 알고리즘을 사용

하여 미국에서는 WAAS, 유럽에서는 EGNOS, 일본에서는 MSAS 등의 시

스템을 개발중이고 2003년 - 2005년 중에 운용을 계획하고 있다〔16〕〔22〕.

SBAS 는 상대적으로 적은 수의 지상 기반시설을 이용한다는 점과

CAT-I 수준의 정밀접근 서비스를 광역에 걸처 제공할 수 있다는 점에서

- 18 -

매력적이지만, 시스템의 복잡성과 그러한 시스템을 구축하기 위한 비용측면

에서 여러 국가나 지역에서 이 시스템을 채택하는 것은 비 현실적이다.

그림 2․3 Satellite Based Augmentation System Architecture

4. GBAS(Ground Based Augmentation System)

그림 2․4 는 GBAS 의 구성을 나타낸 것으로 GBAS 는 DGPS 알고리즘

을 사용하고 보정정보를 지상의 기준국에서 VHF를 통해 항공기측으로 방

송해 준다. 따라서 SBAS 에 비해 좁은 지역에 서비스를 할수 있지만

SBAS 의 사용이 불 가능한 지역이나 보다높은 정확도를 요하는 지역에서

사용될 수 있다. 미국과 유럽에서 인증된 CAT-Ⅰ급4) GBAS 지상 기준국은

2002～2003년에 운용될 예정이다〔16〕.

GBAS 는 공항또는 그 주변에의 비교적 좁은 지역에 내에 3～4개의 기준

수신기들로 이루어진 몇 개의 수신기 집합들로 구성된다. 이 기준수신기들

은 항법위성의 신호를 모니터하며 의사거리 측정값들을 중앙처리기관으로

4) 활주로운영등급(CAT-1,II,III)

- CAT-I (Category-I): 운고60m 시정800m 이상의 기상상태에서 항공기가 ILS

나 GCA를 이용하여 이착륙

- CAT-II(Category-II) : 운공30m 시정 400m 이상의 기상상태

- CAT-III(Category-III): 운고의 제한없이 항공기가 ILS 나 GCA를 이용 이착륙

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보낸다. 이 정보를 이용하여 중앙처리 기관에서는 각 위성 신호에 대한 의

사거리 보정값을 계산하게 된다. 사용자들은 중앙처리기관에서 계산된 파라

미터값을 이용하여 주어진 위성의 조합에서의 신호에 대한 이용성을 결정하

게 된다.

보정값과 무결성 정보는 VDB(VHF Data Broadcast)를 이용하여 108.0～

117.975㎒로 이용자에게 전송된다〔14〕.

그림 2․4 Ground Based Augmentation System

GBAS는 ILS와 같은 100㎑ 대를 사용하고 있지만 ILS가 하나의 활주로

에 하나의 접근만을 유도할 수 있는 반면 GBAS 는 한 할주로에 대해 이론

상으로 192 개 의 접근을 유도할 수 있다. GBAS는 현존하는 ILS 운용에

상당한 유연성을 제공할 수 있다.

5. GRAS(Ground-Based Regional Augmentation System)

GRAS는 호주의 주도로 개발된 시스템으로 넓은 지역에 GBAS를 네트워

크화한 형태로 VHF 등을 사용하여 보정 정보를 방송해준다. 이 시스템은

넓은 지역에 서비스를 제공할 수 있으나 구현에 필요한 노력이나 비용은

- 20 -

SBAS 에 비해 매우 작다. 호주에서는 2000년에 운영개념을 정립하고 현재

SARPS를 개발하여 2003년 3월 회의에 협의 사항으로 채택 하였으며, 현재

Air services 는 AEROTHAI 와 협정을 체결하고 2003년을 목표로 태국에

서 GRAS TEST BED를 개발중이고 이 프로젝트에는 사우디아라비아도 관

심을 표명하고 있다. 호주에서의 시험 결과를 보면 이 시스템은 비 정밀 접

근 EN-ROUTE 에서는 충분히 사용가능하고 APV 에도 가능성을 나타냈지

만 무결성, 연속성에 대한 사항에 대한 시험이 더 필요하다〔16〕.

현재 두가지 형태의 GRAS 구성이 가시화되고 있는데 향후 실제 GRAS

는 두 형태를 결합한 구조가 될 것으로 본다.

1) TYPE A GRAS 구조

그림 2․5 는 A Type 의 Network과 같이 A 타입의 GRAS 네트워크는

비교적 작은 범위를 커버하기 위한 시스템의 형태로 비용이 저렴하고 구현

이 용이하다. 서로 독립된 GRAS 지상국을 모아 구성하며 스펙트럼 플랜과

주파수, 타임슬롯 등을 고려하여 자동중계장치를 배치하게 된다〔14〕.

그림 2․5 Type A GRAS Network

- 21 -

2) Type B GRAS 구조

B 타입의 GRAS는 그림 2․6은 B Type 의 Network 의 구성을 나타낸

것으로 통신망으로 서로 묶여있는 기준국들의 집합으로 이루어진다. 각 기

지국으로 부터의 측정값은 SBAS 에서와 같은 방법을 통해 단일 기준국 위

치에 대한 보정값과 무결성 데이터가 생성되게 된다. 이 데이터는 VDB 신

호를 통해 사용자에게 전달된다. 광역 네트워크를 통해 수집된 정보는 보정

값이 가장 정확한 기준점을 나타내는 가상 GBAS 기준점을 잡는데 사용된

다. 이곳에 VDB 자동중계장치를 설치하게 된다〔14〕.

그림 2․6 Type B GRAS Network

- 22 -

제3장 위성 항행 시스템(CNS/ATM) 이론적 고찰

제1절 위성 항행 시스템(CNS/ATM)

현재 전 세계 항공분야는 급증하는 항공수요로 인하여 공항 (Airport), 공역

(Airspace), 항공교통관제용량(Air Traffic Control Capacity)등이 부족한

상태이며 이것은 항공운송의 최대 목표인 안전성 과 정시 성을 위협하고 있

다. 이에 1980년 초 국제민간항공기구(ICAO)는 현 시스템의 한계를 극복하고

꾸준히 증가하는 21세기 항공교통 수요를 충족시키기 위하여 새로운 운용개념과 기

술을 연구하는 FANS(Future Air Navigation System)특별위원회를 발족시켰

다 FANS 특별위원회는 현 시스템의 한계는 시스템 성능개량으로 개선할

수 없는 시스템 자체의 내재 적인 문제라고 결론 짓고 이와 같은 근본적인

문제를 해결할 수 있는 새로운 개념의 통신(Communication), 항법

(Navigation), 감시(Surveillance)시스템을 제안하였다 1991년 9월 국제민간

항공기구(ICAO)는 제10차 항공 항행 회의 (ANC)를 개최하여 FANS 특별

위원회가 제안한 새로운 개념의 시스템을 위성 항행 시스템(CNS/ATM

System)이라 명명하고 1992년 11월 총회에서는 위성 항행 시스템

(CNS/ATM)을 민간항공분야의 차세대 시스템으로 승인하고 결의안5)을 채

택하기에 이른다〔2〕〔7〕〔8〕〔23〕.

위성 항행 시스템 ( CNS / ATM )이란 항공통신(Communication), 항법

(Navigation)감시(Surveillance)와 항공교통관리(ATM: Air Traffic Management)

라 한다〔2〕.

5) 결의안: 위성항행 시스템은 전 세계적인 민간항공의 이해와 관심속에 운용되어야

하고, 시스템적용에 있어서도 모든 체약국은 동등한 권리를 가진다.

- 23 -

항공교통관리는 종합적인 분야별로 구성된 지상시설을 이용한 항공교통

의 흐름를 의미한다. 즉 위성항행시스템(CNS/ATM)은 항공기를 비행계획에

따라 정시에 이륙시키고 비행중에도 안전을 유지 시키면서 최종적으로 원하

는 목적지까지 최적의 운항경로(최단거리)로 정해진 시간내에 무사히 착륙

시키는 것이 목적이다. 현재의 시스템으로는 운항관리시스템, 항공관제절차,

지상시스템의 상태로는 증가하는 항공수요에 신속하게 대처하기가 매우 힘

든 상태이다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 개발된 시스템이 위성항행

(CNS/ATM) 시스템이다.

제2절 위성 항행 시스템 분야별 세부내용

1. 항공통신(Communication)분야

1) 기본개념

항공통신(Communication)이란 항공기(조종사)와 지상시설(관제사 등)사이

지상시설과 지상시설간 필요한 항공정보의 전달과 교환을 의미한다. 즉 항

공기가 비행을 위한 준비단계에서 목적지에 도착할 때까지 항공기를 안전하

고 보다 경제적이고, 효율적으로 운항하기 위해 각종 다양한 항공정보를 지

원하며, 높은 신뢰성과 안전성, 신속성이 요구되는 필수 불가결한 시설이라

고 할 수 있다.

1920년대 미국의 비행장에서 손깃발, 햇불 등에 의하여 조종사에게 지상

의 상황을 알려주던 일이 항공관제통신의 시초라 할 수 있으며 표 3․1에서

보는바와 같이 항공통신은 큰 변화 단계를 거쳐 발전 하여왔다〔2〕.

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표 3 ․1 항공관제통신분야 발전단계

단 계 통 신 내 용 비 고

제1단계

(1935～1945)

제2차 세계대전중 초단파(VHF)통신 등장

ㅇ 초단파(VHF)통신으로 조종사 와 관제사 간 무선교신ㅇ 수동식 관제비행

제2단계

(1940～1950)

군용으로 개발된 레이다를 전후 민간 항공관제 이용

ㅇ 레이다는 항공기의 위치를 한눈에 파악가능ㅇ 비행안전거리 보장으로 공역이 용율 향상

제3단계

(1960 초)항공관제 컴퓨터

도입

ㅇ 미국과 네덜란드항공관제 컴퓨터 도입 (컴퓨터 활용관제 시대 개막)ㅇ 비행계획정보처리,레이다 정보처리

제4단계

(1991～현재)위성항행시스템 (CNS/ATM)등장

ㅇ 인공위성 컴퓨터기술,디지털 데이터통신등 복합기술을 매체로한 CNS/ATM 등장ㅇ 4차원 항공정보 전천후 이착륙 가능ㅇ 전세계 권영통신망 운용ㅇ 항공기 운항의 안전성, 경제성, 효율성, 공 역활용 극대화

표 3․2는 현행시스템과 위성항행시스템를 비교한 것으로 현재의 경우 아

날로그 통신방식에서 디지털 통신방식으로 전환단계에 이르게 되어 항공기

의 안전운항에 크게 공헌할 것이다. 즉 음성에 의한 개별 교신에서 고속데

이터(문자)통합통신을 사용하므로 정확성을 확보하는 한편 교신거리의 제한

에서 전 세계 권역으로(Global)통신이 가능하게 되었다.

표 3․2 기존시설과의 비교

구분 현행시스템 위성항행시스템

•공항계류중 •초단파(VHF)음성•VHF 데이터/음성 (비상용)

•유선데이터(게이트 통신)

•단거리 육지상공

비행•초단파(VHF)음성

•VHF 데이터/음성 (비상용)

•SSR 모드 S 데이터

•장거리 대양

(대륙)상공비행•단파(HF)음성

•인공위성데이터/음성

•HF 데이터/음성(비상용)

•항공관련정보의

처리

•항공고정통신망

(AFTN)

-저속,개별통신망

•항공종합통신망(ATN)

-고속,통합통신망

- 패킷 교환망

- 25 -

2) VHF DATA 통신시스템

항공통신 시스템에서 VHF 데이터 통신시스템으로 표현되는 대표적인 시

스템인 Aircraft Communction Addressing and Reporting System(ACARS)

시스템은 항공기와 지상간의 메시지를 자동으로 상호 전송하는 데이터 링크

통신시스템으로 지금까지의 음성통신을 데이터통신으로 송수신함으로써 무

선통신 체널수를 대폭 감소시킬 수 있다〔8〕.

이시스템은 VHF RF 링크와 항공기 시스템을 인터페이스 하는 항공통신

장비 RF 링크, 지상을 인터페이스 하는 지구국 네트워크를 포함한다.

ACARS 메시지는 항공기로부터 VHF 통신용 송수신기와 지상통신망을 통

해 항공사나 항공관제부서등 지상의 관련 부서로 보내지며 반대로 지상에서

항공기로도 보내어지는 양방향 통신이다. 반면에 항공기로부터 지상으로 보

내지는 메시지를 공대지 혹은 다운 링크(Downlink)메시지라 한다. 공대지

메시지는 수동으로 조종사가 조종석에서 조작하는 제어판을 통해 혹은

ACARS 자신에 의해 자동으로 혹은 항공기에 탑재된 하부시스템에 의해

지상을 전송한다〔2〕〔8〕.

전송되는 메시지는 지금까지 음성통신에서 사용되던 연료와 정비에 관한

모든 정보에서부터 항공기가 보유하고 있는 모든 관련 정보를 포함하고 있

으며, 항공사 혹은 관제기관의 목적에 의해 정보의 범위가 변화 할 수 있다.

이들 정보에는 항공기가 계류장을 떠나는 시각, 이륙시각, 착륙시각 및 계류

장 도착 시각을 나타내는 정보도 포함된다. 메시지는 최고 220자로 제한되

며 이보다 메시지는 여러 개의 메시지로 나누어 전송하는 데 이를 복수 블

록 메시지라 한다. 메시지는 압축되어 1초 동안에 전송되고 모두 자동으로

이루어진다. 조종사에 의한 주파수 전환 횟수도 감소하여 정보데이터로 주

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고 받기 때문에 음성에 의한 통신 횟수도 자연감소하게 된다. 조종사가 정

상적으로 음성통신을 통해 보내던 것을 비행중 데이터 통신으로 형식화 전

송함으로 조종사의 통신업무가 상당히 경감된다.

3) 항공 이동위성 통신서비스

(AMSS : Aeronautical Mobile Satellite Service)

항공이동 위성통신서비스(AMSS) 시스템은 항공기의 하부 시스템과 지상

의 하부 시스템간을 궤도상의 인공위성과 지상국을 이용하여 직접 연결하는

세계적인 통신 시스템이다. 이 시스템은 항공기에 탑재한 최종 이용자와 지

상에 본부를 둔 최종 이용자 사이를 데이터 및 음성통신으로 지원하는 시스

템이다〔8〕. 항공기의 최종 이용하는 항공기에 탑승한 승객은 물론이고 항공

기의 탑재시스템이 포함되며 지상의 최종 이용자의 대표적인 예는 항로관제

소, 항공기를 운용하는 항공사 및 기타 공중통신망 가입자 등이 있다.

AMSS 기능에 의해 서비스될수 있는 통신은 크게 4가지로 나눈다. 이들

은 항공교통서비스(ATS), 항공운항관리(AOC), 항공업무통신(AAC) 및 항공

여객통신(APC)등이다.

4) 항공종합 통신(ATN)

CNS/ATM 개념에서의 항공통신(C)은 관제사와 조종사간의 무선교신(데

이터+음성)은 물론이고 항공항행(N)과 항공감시(S)를 위한 관련기관, 사용

자간 데이터의 교환과 전송에 필수적으로 소요되는 핵심 기반시설로 고도의

신뢰성, 정확성, 신속성이 요구되기 때문에 시스템의 2중화, 우회 및 최적경

로 구성, 각 국가간 시스템의 상호 호환성 유지가 필요하며, 이를 위해서는

국제표준화기구(ISO)의 개방형 시스템(OSI)기준에 의한 항공종합통신망

(ATN)으로의 통합의 필연적이다.

- 27 -

현재는 주로 공대지 음성통신으로 항공교통관리(ATM)를 수행하고 있다.

이러한 통신방법은 통달거리가 짧고 조종사와 관제사간 언어장벽에 대한 문

제는 물론 컴퓨터 데이타 베이스를 이용하지 못하는 결점이 있다.

앞으로는 공지통신에 사용하고 있는 음성통신은 데이터통신으로 대처될

것이며 특별한 경우나 비상시만 사용될 것이다. 항공기 탑재장비와 지상장

비의 성능은 가능한 한 직선 항로를 제공하고 공역이용을 극대화시킬수 있

도록 구성되어야 한다. 즉 항공기에 탑재되어 있는 운항관리시스템(FMS:

Flight Management System)에서 생성되는 정보들을 항공교통관제에 활용

해야 될 필요성이 증대되었다〔8〕. 하지만 항공기 운항감시 및 식별부호등을

제공하는 이차 감시레이다가 항공교통 관제분야에 간단한 공지데이터통신의

역할을 수행하고 있으나 정보량은 극히 제한적인 문제점이있다. 따라서 이

러한 문제점들은 공중과 지상간의 모든 통신을 국제적으로 표준화된 통신망

으로 구축함으로서 해결될 수 있다.

항공종합통신망은 항공이동 위성서비스(AMSS)를 비롯한 위성항행시스템

의 대부분의 구축이 이루어지는 시점에서 전체적인 통신망이 완성되기 때문

에 대단히 방대하고 장기적인 사업이 될 것이다. 그러나 지상에서의 업무용

데이터 이용시에는 컴퓨터 통신망을 통한 전송이 이루어지고 있으므로 점차

확장시켜 나가는 형태로 발전될 것이다〔8〕.

위성항행시스템의 대부분이 구축되는 시점에서 전체 통신망이 완성되지만

국제민간항공기구(ICAO)에서 권장하고 있는 프로토콜의 방식이 부분적이라

도 각각의 단말에는 지장을 초래하지 않으면서 통신망이 이루어지기 때문에

지상에서의 업무용 데이터 이동에는 이미 적용되기 시작되었다〔8〕.

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컴퓨터 통신망의 개발은 항공통신망이 아니더라도 초기 접속과정과 프로

토콜의 표준이 완성되면 일의 절반을 수행한 것이나 다름이 없기 때문에 현

재 항공통신망 프로토콜로 추천되고 있는 개방형 상호접속 프로토콜이 점점

구체적인 부분까지 확장되고 있다. 그림 3․1 은 현재 국내공항간 항공데이

터 통신망의 구성도을 나타낸 것이다.

Firewall

항공종합통신망

DB서버 1

인터페이스통합서버(통신서버 1)

DiskArray

DB서버 2

NMS

프린터

마스터콘솔운영단말

김해-RKPK 제주-RKPC 대구-RKTN 광주-RKJJ 울산-RKPU

V-ATIS V-ATIS V-ATIS V-ATIS V-ATISPDC PDC

V-ATIS PDC

김포-RKSS

인터페이스통합서버(통신서버 2)

SITAX.25X.25

PDC/D-ATIS in KOREA Only 1 Physical X.25 Line

(PDC 3 AP, DATIS 6 AP)

FP G/W

FDPFDP

ACC

그림 3․1 항공 데이터통신망의 구성도

위성항행 시스템(CNS/ATM) 통신분야(C)의 최종구현 목표는 항공통신(C), 항행

(N), 감시(S)를 지원하는 지대지(Ground to Ground), 지대공(Grund to Air)각 데

이터링크 망을 통합하여 전세계 어느국가 또는 지역에 있는 항공기 지상 시스템과

전천후 데이터 교환할 수 있는 항공종합통신망(ATN)을 구축하는 것이다〔2〕. 따라

서 이러한 시스템의 개발, 도입설치 운용을 위한 인적요소는 매우 중요하다. 98년

ICAO 전세계 실행회의에서도 각 국가간 기술협력 추진조직 인적 구성요소 체계

적인 조기 적응훈련이 강조 되었으며 이를 위해서는 정부관련 부처간 협조와 국가

적 차원이 정책적인 뒷받침이 필요하다. 표 3․3은 위성항행 시스템의 도입효과를

나타낸 것이다.

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표 3․3 위성 항행 시스템 도입효과

안전성 향상

⇨

운항.관제능력향상

⇨

경제성향상

•조종사의 업무부하 감소

•관제사 업무부하 감소

•통신의질,속도향상

•혼잡한 음성주파수 사용

감소

•실시간 원격엔진 감 시

제공

•신속한 보고의 수신

•신속한통신의 수신

•정확한 보고시간

•데이터의 정확성

(언어소통문제해소)

•최적 통신경로 설정

이 용이

•절차의 단순화로 지상

지연감소

•수동조작절차 감소

•2명의 승무원조정 가

능성 향상

•여객서비스 향상

2. 항법(NAVIGATION)분야

1) 기본개념

항공기가 대양지역을 운항할 때 해안 지역이나 섬 지역에 설치된 단거리

용 항행 시설들을 이용할 수 있지만 이 시설들의 유효 통달거리는 전파의

특성상 제한되어 있다. 그러므로 대서양 둥을 횡단하는 항공기들은 관성 항

법장치에 의존하여 비행할 수 밖에 없는 실정이다.

인간의 생활이 복잡해지고 교통량이 나날이 증가함에 따라 항법의 필요성

과 중요성이 대두되고 있으며, 그 정밀도와 신뢰도에 대한 요구가 증가하면

서 인공위성을 이용하는 항법시스템의 개념이 도입되고 있는 현실이다. 항

공기의 이 착륙을 지원해주는 여러 가지 시설들이 있으나 그 우선 순위로

볼 때 에도 가장 필수적인 시설이 항법시설인 것이다.

항법시설의 종류로는 표3․4와 같이 지문, 천문, 추측, 관성, 전파항법 등이

있다.

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표 3․4 항법의 종류

종 류 내 용

지문항법(Piloting) 지형지물의 위치를 파악하여 자신의 위치를 짐작하는방법

천문항법(Celestal Navication)

하늘에 있는 별을 관측하여 고도,방위 등의 정보를 짐작하는

방법

추측항법(Dead Reckoning)

자신이 지나온 방향과 거리를 평면에 도표 형식으로 표시하

여 현재의 위치를 추측하는 방법

관성항법(Inertial Navication

System)

자이로스코프와 기속도계를 이용하여 자신의 위치를 파악하

는 방법

전파항법(Radio Navication System)

지상에서 송신하는 전파를 수신하여 방위 및 거리정보를 얻

는 방법

2) 기존 항법시설

기존의 항법 시설은 대표적으로 ILS(계기착륙장치),VOR, VORTAC,

DME 등을 들수 있다.

ILS(Instrument Landing System) : 계기 착륙시설이라 하며 LOCALIZER(활주

로의 중심선 정보 제공), GLIDE SLOPE(착륙각도 제공), MARKER(활주로 말단

으로부터 일정 지점에서의 위치정보제공)〔1〕 장비로 구성된다

VOR (VHF Omni-directional Range):전 방향 무선표지시설이라고 하며

공항에 설치된 것은 TVOR 이라 하며, 항로를 표시하기 위하여 산악 지방

등에 설치된 것을 VORTAC이라고 한다〔1〕. 지상에서 360도 전 방향으로

방위정보를 일방적으로 송출하여 항공기는 이 정보를 수신하여 자신이

VOR로 부 터 위치한 방위 정보를 알 수 있다.

- 31 -

DME (Distance Measuring Equipment) : 거리측정시설이라고도 하며

VOR 또는 LOCALIZER와 병행 설치된다〔1〕. 항공기의 질문신호와 DME의

응답신호를 이용하여 항공기에게 공항으로부터의 거리정보를 제공한다. 표

3․5 와 그림 3․2 , 그림 3․3은 기존항법시설과 위성항법시설의 비교결과

를 나타낸 것이다.

표 3․5 기존 시설과 위성항법 시설과의 비교

기존시설 위성항법시설

․지상표지시설(VOR/DME)등을 이용 하여 내륙로 항행․오메가,로란-C 및 관성항법장치(INS/IRS)을 이용하여 대양지역 항행․계기착륙시설(ILS)은 단일착륙절차 에 의존 제한적인 처리용량 및 오차 발생 우려․개별 항행시스템 운영 - VOR/DME : 내륙항로 - 오메가,로란-C, INS/IRS : 대양항로 - ILS : 착륙절차

․위성항법시스템(GNSS)를이용한오차 보정시스템 (WAAS,LAAS)구축․오차보정시스템 구축 - 광역오차보정시스템 (WAAS) - 근거리 오차보정시스템 ※ 정확한 항로, 비행으로 공역 활용 성 증대 ※ 직선항로 설정등 항로 단축으로 경제성제공 ※ 우회접근으로 소음지역 회피

위성이착륙 시스템(다양한 착륙경로)

주택가, 산악지대회피착륙 가능

현행 항법시설(한 개의 착륙경로)

주택가, 산악지대회피착륙 불가능

그림 3․2 기존항법 시설과 위성항행 시설

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위성 이착륙 시스템

항공기내 표시장치

기존 항공기내

수신장치위성 이착륙 시스템

항공기내 표시장치

기존 항공기내

수신장치

그림 3․3 항공기 수신장치 및 위성이착륙 표시장치

기존 항법시설의 문제점

- 증가하는 항공교통량을 처리하기에는 정밀도의 결여

- 정밀호의 결여로 인한 항공기 분리기준 강화 및 운항 항로의 비

효율성

- 전파의 유효통달거리의 제한으로 인한 관제불능 지역 발생

(원거리)

- 지형지물(산악 지방 등)의 영향을 많이 받는다.

- 공항별 또는 지역별로 구성되어야 한다.

3) CNS/ATM 항법시스템

가. GNSS(Global Navigation Satellite System : 광역위성항법시스템)

ICAO에서 정의된 위성항법 시스템으로서 미국의 GPS 와 러시아의 GLONASS

위성을 이용하여 항공기가 위치한 정확한 위치를 알 수 있는 시스템이다.

- 33 -

미국의 GPS 는 미 공군에서 군사목적으로 1978년부터 위성배치를 시작하였으나

1983년 GPS 위성을 민간용으로 개방할 것 임을 발표 하였다. GPS 의 완벽한 이

용은 위성 24기가 배치될 때 가능하며 현재는 24기가 배치되었다.

그러나 실용적인 차원에서 GPS 의 제한적인 이용은 위성이 10여기가 배

치된 1988년부터 가능하였다. 러시아의 GLONASS 도 미국의 GPS 와 마찬

가지로 24기의 위성배치를 목표로 하고 있으며, 현재는 14기가 배치되었고

1988년부터 서방 세계의 민간에게 개방되고 있다. GNSS 는 정지 궤도상에

있는 4개이상의 위성으로부터 전파를 수신하여 각 위성의 위치를 파악하고

위성신호를 수신하는데 걸리는 시간을 이용하여 삼각측량법을 이용한 정확

한 위치정보을 계산하는 것이다. GNSS는 위성신호를 이용하기 때문에 전파

의 수신 불능지역이 있을 수 없으며 산악지방 대양지역등에서도 항공기에게

위치정보를 제공하는 것이다.

나. DGPS (Differential Global Positioning System: 오차정보시스템)

미국의 GPS는 정확도가 높고 비용이 저렴하다는 큰 장점이 있다. 보통의

동작조건하에서 GPS는 15-25m의 거리오차의 정확도를 갖는다. 그러나 미

국방성에서 국가보안상의 목적으로 신호를 고의적으로 조작하여 민간 사용

자들에 대한 위치 정확도를 떨어뜨리고 있는데 이를 고의잡음(SA:

Selective Availability)이라 한다. 이러한 이유로 일반 GPS 사용자는 100미

터 또는 그 이상의 오차를 갖게 되며 항공기의 정밀착륙을 위해서는 100미

터 이상의 오차는 허용될 수 없다. 따라서 이 오차를 줄이기 위한 방법으로

보정 위성항법(DGPS)가 고안된 것이다.

- 34 -

DGPS 란 지상에 기준국(Referance Station 일명 의사위성)을 설치하여

항공기 또는 수신기 오차가 보정된 의사위성의 신호와 GPS 위성이 신호를

계산하여 정확한 자신의 위치를 결정하는 시스템이다.

다. WAAS(Wide Area Augmentation System : 광역 보정위성항법시스템)

일반적으로 DGPS의 단점은 기준국과 사용자의 거리가 약100km 가넘으

면 기준국에서 보내온 의사거리 보정값에서 사용자의 위치오차를 효과적으

로 보정할 수 없는 것이다. 이런 DGPS 의 문제점을 개선하기 위한 것이

WAAS이다. WAAS의 개념은 1990년 PARKINSON 과 KEE에 의하여 미

국에서 처음 발표되었고〔2〕, 현재 미국에서는 항로비행과 비 정밀접근을 위

하여 실용화 단계에 있으며 미 연방 항공국(FAA)에서는 WAAS의 정밀접

근 사용을 위하여 시스템 성능향상을 위한 연구중에 있다. WAAS는 광역

기지국, 광역주 기지국, 기지국간의 지상 통신망, 통신위성으로 구성되며 그

기본개념은 주위의 몇 개의 공항을 하나의 광역으로 또는 몇 개의 비행정보

구역(FIR)을 하나의 광역으로 간주하고, 그 영역내에 몇 개의 모니터 사이

트를 설치하여 그들이 제공하는 정보를 광역 통신범위로 하는 정지궤도 통

신위성을 중계매체로 항공기로 전송하면 항공기는 이 정보를 이용하여 자신

의 위치를 보정(교정)하여 더욱 더 정확한 현재의 위치를 알 수 있도록 하

는 시스템이라 할 수있다.

라. LAAS(Local Area Augmentation System : 지역보정위성 항법시스템)

LAAS 시스템은 주로 터미널 영역에서의 이 착륙 보조기능을 목적으로

활주로를 기준으로 20-30 마일 범위내의 항공기에 대하여 정밀 GPS 위치

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정보서비스(현 ILS 와 유사한 기능이 주요기능임)를 제공하는 시스템으로

광역서비스 시스템인 WAAS 에 비해 시스템 구조가 간단하며 지리적인 조

건에 대한 모델링이나 분석등이 용이 하며 WAAS에 비해 정밀도가 우수하

고 가격도 저렴하다. FAA의 예상으로는 대당 ＄250,000 하는 LAAS 시스

템을 미국전역의 150-160 개에 달하는 공항에 설치할 경우 WAAS 에 비해

약 ＄70,000,000의 비용이 절감될것으로 예상하고 있다〔2〕. 우리나라에서는

항공우주연구소에서 건설교통부의 용역으로 국내 LAAS 구축에 대한 연구

를 통하여 제주, 청주, 울산공항의 좌표를 측정함으로서 기준국설정을 위한

준비를 하였으며 향후 제주공항과 울산공항에서 실제 항공기를 대상으로 정

밀접근 시험을 하여 LAAS 시스템의 구축방안을 결정할 것이다. 항법시스

템은 항공기 이착륙을 지원하는 시설로서 안전운항에 바로 직결되는 시스템

이다. 현재의 항행안전시설은 국지적인 시스템이라고 할 수 있으며 인공위

성을 사용하는 위성항법 시스템은 전 세계적인 통합 시스템이라고 할 수 있

다. 우리나라는 현재 울산공항에서 비행시험을 꾸준히 하여 운영단계에 이

르고 있으며 김포공항에서 비행점검을 통한 안전성등에 대한 시험운영중이

다.

나날이 증가하는 항공교통량과 안전운항을 위하여 국내의 위성항법시스템

구축이 시급한 상황에서 국내에는 ICAO에서 채택된 WAAS의 개념을 정립

한 전문가도 있으며 여러분야에서 많은 연구와 개발이 이루어 지고 있기에

그 전망은 밝다고 할 수 있다.

마. WGS-84 좌표체계로의 전환

GBAS System 은 GNSS를 기반으로 하기 때문에 기본적으로 GNSS 시

스템의 기준 좌표계인 WGS-84좌표계를 따른다. 표 3․6은 WGS-84 좌표

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체계를 나타내며, 그림 3․4는 김포공항 WGS-84 좌표계를 나타낸것이다.

우리가 일반적으로 사용하는 좌표는 동경원점을 기준으로 하는 베셀좌표

체계이다. 이 베셀 좌표체계는 수백 미터의 오차를 가지고 있으며 2차원 정

보만을 제공한다. 위성항법을 사용하기 위하여 GPS 위성을 사용하는데 이

위성은 WGS-84 좌표체계를 사용하며 ICAO 에서도 ‘98년 1월1일부터

WGS-84 좌표체계의 전환을 권고하였다. 우리도 빠른 시일내에 WGS-84

좌표체계의 인식과 전환이 시급하다 고 할수 있다〔14〕.

표 3․6 WGS-84 좌표 체계

구분 BESSEL 좌표 WGS-84 좌표

기준점 동경원점을 기준 지국중심을 기준

제공정보 위도,경도의 2차원정보 위도,경도,고도의 3차원정보

오차한계 위도 160-210도경도 710-730도 전세계가 1미터이내의오차

기타 ICAO ANNEX 14 권고사항 98년 1월1일부터 적용

그림 3․4 김포공항 WGS 84좌표계 체계도〔16〕

- 37 -

3. 감시분야(SURVEILLANCE)

1) 기본개념

감시(Surveillance)란 시각적인 측면으로 어떤 물체에 대한 위치 파악이며,

계속적인 관심과 주시로서 항공분야에서는 가장 민감한 분야이다.

감시분야에서는 전파 특성상 레이더 시설의 탐지범위가 문제가 된다.

VHF 대와 같이 가시 거리권내에서만 이용할 수 있는 제약조건 때문에 대

양지역을 횡단하는 항공기를 감시하기가 곤란하여 30～40분 간격으로 조종

사에 의한 위치보고로 운항상태를 감시하고 있는 실정이다. 따라서 이러한

문제점들로 인하여 대양 지역 등에서는 항공기간의 분리기준을 줄이지 못하

고 있는 실정이며 항공교통 관제업무의 효율을 떨어뜨리는 저해 요인이 되

고 있다.

항공기의 안전운항을 위하여 많은 시설들이 있지만 가장 민감하고 사고와

직결될 수 있는 분야가 감시분야이며 나날이 증가하는 항공교통량을 처리하

기 위해서는 단지 화면에 의하여 시각적으로 항공기의 위치를 표현해 주는

기능만으로는 부족하므로 인공위성을 이용하여 데이터 통신 기법을 도입한

새로운 개념(CNS / ATM)의 감시(Surveillance)장비들이 개발되고 있다.

2) 기존 감시시스템

기존 감시시스템으로는 음성위치보고(HF) 장거리통신망과 레이다를 사용

하고 있다.

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가. 장거리 항공이동통신시설

장거리 항공이동 통신시설은 장거리(VHF가 통달되지 않은 EN-ROUTE

상)를 운항하는 항공기에 ATC (항공 교통관제) 및 AOC(항공통제통신)를

위하여 제공되는 음성통신 시설로서 운영은 통신소에서 하고 있으며, ATC

업무가 주가 되며 기타 항공사에게 부가적으로 서비스를 제공하고 있다. 항

공통신 업무의 ICAO 규정에도 명시되어 있으며 표 3․7 과 같이 명시되어

있다.

표 3․7 ICAO 항공통신업무

안전통신항공교통서비스(ATS)-비행중인 항공기에 관제, 기상, 엔진, 운항정

보등의 필수정보 제공

비안전통신항공 통제통신(AOC), 항공사 운항관리통신(AAC), 항공탑승자 서비