(2) Basic Radio Principles

Basic Radio Principles

 

전파는 주파수 특성을 가진 전자파이다. 전파는 공간(대기권 안팎)을 통해 많은 힘을 잃지 않고도 먼 거리를 이동한다. 안테나는 전류를 전파로 변환하며 이 덕분에 전파는 공간을 통해 수신 안테나까지 이동할 수 있다. 수신 안테나는 전파를 다시 전류로 변환해서 수신기가 사용할 수 있게 만든다.

 

How Radio Waves Propagate

 

전파에 대한 전도성이나 저항력은 물질마다 다르다. 지구는 전파에 대한 가장 큰 저항 장치 역할을 한다. 지면 근처를 이동하는 전파 에너지는 지면에 전압을 유도하면서 에너지를 잃는다. 때문에 안테나로부터의 거리가 멀어질수록 전파의 강도가 줄어든다. 나무, 건물, 그리고 광물은 다양한 수준으로 전파의 강도에 영향을 미친다. 대기 상층부의 전파도 공기, 물, 그리고 먼지 분자에 의해 흡수되어서 영향을 받는다. 전파의 특성은 신호 주파수에 따라, 그리고 장비의 설계∙용도∙한계에 따라 달라진다.

 

Ground Wave

 

ground wave는 지구의 표면을 가로질러 이동한다. 지구 표면과 전리층(이는 ground wave가 우주로 나가는 것을 막음)으로 둘러싸인 터널을 ground wave가 지나간다고 상상하면 가장 좋다. 일반적으로 주파수가 낮을수록 신호가 더 멀리 이동한다.

 

ground wave는 항법에 사용될 수 있다. 왜냐하면 ground wave는 항상 같은 경로를 따라 안정적이고 예측 가능하게 움직이며 많은 외부 요인들의 영향을 받지 않기 때문이다. ground wave의 주파수 범위는 보통 100Hz ~ 1,000kHz(1MHz)이다. 이 범위를 초과하는 주파수에도 ground wave 성분이 존재하기는 하지만(최대 30MHz까지) 이렇게 높은 주파수에서는 ground wave가 매우 짧은 거리만에 에너지를 잃는다.

 

Sky Wave

 

1~30MHz의 sky wave는 장거리 송신에 유용하다. 왜냐하면 이러한 주파수는 전리층에 의해 굴절되는데 그 덕분에 신호가 높은 하늘에서 다시 지구로 향하며 결국 먼 거리에서 수신되기 때문이다. [그림 9-1] 항공기의 HF(high frequency) 라디오는 50~100와트의 전력만으로 바다를 건너서 메시지를 전송할 수 있다. sky wave를 생성하는 주파수는 항법에 사용되지 않는다. 왜냐하면 송신기에서 수신기로 향하는 신호 경로가 매우 가변적이기 때문이다. 전파는 전리층에서 굴절되는데 이 전리층은 항상 변화한다. 왜냐하면 전리층에 도달하는 태양 복사의 양이 달라지기 때문이다(밤/낮 및 계절의 변화, 흑점 활동, 등등). 따라서 sky wave는 항법 목적으로는 신뢰할 수 없다.

항공 교신 목적에 있어 sky wave(HF)의 신뢰도는 약 80 ~ 90%에 달한다. 위성 통신은 더 높은 신뢰도를 가지고 있으며 이는 점점 HF를 대체하고 있다.

 

Space Wave

 

전리층을 통과할 수 있는 15MHz 이상의 전파는 space wave로 간주된다. 대부분의 항법 시스템은 space wave로 전파되는 신호에서 작동한다. 100MHz를 초과하는 주파수에는 ground wave나 sky wave가 거의 없다. 이 주파수 범위는 space wave이지만 항법 신호는 전리층에 도달하기 전에 사용되므로(단, GPS 제외) 전리층에 인한 전파 오류의 영향은 미미하다. 전리층 통과로 인한 GPS 오류는 상당하며 이러한 오류는 GPS 수신기 시스템에 의해 수정된다.

 

space wave는 단단한 물체에 반사되는 특징이 있으며 만약 송신기와 수신기 사이에 물체가 있다면 전파가 차단될 수 있다. 위치 오차, 지형 오차, 그리고 propeller/rotor modulation error는 space wave의 이러한 특징에 의해 발생한다. ILS course distortion 또한 이러한 특징의 결과이며 이 때문에 ILS critical areas가 필요하게 되었다.

 

※ Propeller/rotor modulation error - 특정 propeller rpm setting이나 helicopter rotor speed는 VOR course deviation indicator(CDI)가 ±6°만큼 변동하게 만들 수 있다. 보통 rpm setting을 약간만 바꿔주면 이러한 변동이 완화된다(출처: FAA PHAK).

 

※ ILS course distortion에 대한 내용은 아래 링크 참조.

 

1-1-9. Instrument Landing System(ILS)

일반적으로 space waves는 “가시선”으로 수신 가능하지만 낮은 주파수의 space wave는 수평선 너머에서 약간 “굴절”된다. 108 ~ 118MHz의 VOR 신호는 962 ~ 1213MHz의 DME(distance measuring equipment)보다 낮은 주파수이다. 따라서 항공기가 VOR/DME station에서 “수평선 너머”로 비행하게 되면 보통 DME가 먼저 작동을 멈춘다.

 

Disturbances to Radio Wave Reception

 

정전기는 전파를 왜곡시켜서 교신 및 항법 신호의 정상적인 수신에 간섭한다. 저주파 공중 장비(예를 들어 ADF[automatic direction finder]와 LORAN [LOng RAnge Navigation])는 특히나 정전기 간섭에 취약하다. VHF(very high frequency)와 UHF(ultra-high frequency)를 사용하면 방전으로 인한 잡음의 영향을 많이 피할 수 있다. 항법 주파수나 교신 주파수에서 잡음이 들린다는 것은 항법 계기 화면에 간섭이 존재할 수 있다는 것을 암시한다. 강수 공전(P-static)으로 인해 발생하는 문제들 중 일부는 다음과 같다:

 

• VHF 교신이 완전히 끊김.

• 잘못된 나침반 지시.

• autopilot 문제.

• 오디오에서 높은 톤의 끼익 하는 소리가 들림.

• 오디오에서 모터보트 소리가 들림.

• 모든 avionics의 상실.

• VLF(very-low frequency) 항법 시스템이 작동하지 않음.

• 불규칙한 계기 지시.

• 라디오 송수신 불량.

• 코로나 방전.