Advanced Technologies

 

Global Navigation Satellite System(GNSS)

 

GNSS는 시간 및 거리 정보를 포함한 고주파 신호를 제공하는 위성군이다. 수신기는 이러한 신호를 수신한다. [그림 9-26] 서로 다른 위성으로부터 여러 개의 신호를 수신하는 수신기는 이 위성들을 통해 그 위치를 삼각 측량할 수 있다.

 

오늘날 세 개의 GNSS가 존재한다: 미국의 시스템인 GPS, 러시아의 GLONASS, 그리고 유럽의 시스템인 Galileo.

 

1. GLONASS24개의 위성으로 구성된 네트워크이다. 모든 GLONASS 수신기는 이 위성들을 수신함으로써 자신의 위치를 정확하게 파악할 수 있다.

 

2. Galileo30개의 위성 네트워크가 될 계획이다. 이 위성들은 시간 및 거리 정보를 포함한 고주파 무선 신호를 지속적으로 전송한다. Galileo 수신기는 이러한 신호들을 수신할 수 있다.

 

3. GPS1992년에 24개의 위성으로 연결되었고 오늘날에는 30개의 위성을 사용한다.

 

Global Positioning System(GPS)

 

GPS는 위성 기반의 무선 항법 시스템이다. 이는 수신기가 사용하는 신호를 방송함으로써 세계 어느 곳에서나 정확한 위치를 결정한다. 수신기는 여러 위성을 추적한 다음 사용자 위치를 결정하는데 사용된 측정값을 결정한다. [그림 9-27]

 

미국 국방부(DOD)GPS를 우주 기반의 위치, 속도, 그리고 시간 시스템으로 개발 빛 배치하였다. 미국 국방부는 GPS 위성군의 운영을 담당하며 이들의 올바른 작동을 보장하기 위해 위성을 지속적으로 모니터링 한다. GPS 시스템은 지구 중심의 좌표를 결정할 수 있게 해주며 항공기의 위치를 제공한다. 위성 항법 시스템은 날씨의 영향을 받지 않는다. 이는 또한 oceanic airspace 및 특정한 지역에서 주요 항법 수단으로 사용하기 위한 civil requirement를 완전히 충족한다. 올바르게 증명된 GPS 장비는 국내 en route, terminal 운영, 그리고 특정 IAP를 위한 IFR 항법의 보조 수단으로 사용될 수 있다. 항법 값들(예를 들어 WP까지의 거리 및 방위, groundspeed)은 항공기의 현재 위치(위도 및 경도)WP의 위치로부터 계산된다. 경로 안내는 지정된 WP 사이의 대권 경로로부터 선형 편차로서 제공된다.

 

다른 국가에서는 IFR을 위해 GPS가 승인되지 않을 수 있다. 조종사는 GPS를 사용하기 전에 GPS가 해당 국가의 승인을 받았는지 확인해야 한다.

 

GPS Components

 

GPS는 세 가지 elements로 구성된다: space, control, user.

 

space element30개 이상의 Navstar 위성으로 구성되어 있다. 이 위성들의 무리를 constellation이라 부른다. space element6개의 궤도면에 있는 24개의 NAVSTAR(Navigation System using Timing and Ranging) 위성으로 구성되어 있다. 완벽한 범위를 위해 각 평면의 위성들은 60도의 간격을 두고 있다. 그리고 지구에서 약 11,000마일 떨어진 곳에 위치한다. 지구상의 비행기들은 언제든지 5개의 위성을 볼 수 있도록 배열되어 있다. 현재 궤도에는 최소 31개의 BLOCK II/IIA/IIR IIR-M 위성이 있으며 추가로 대체 위성과 예비 위성이 있다. GPS 위성군은 의사난수 코드 타이밍 신호와 데이터 메시지를 방송한다. 항공기 장비는 위성의 위치 및 상태 데이터를 얻기 위해 이 방송을 처리한다. 각 위성의 정확한 위치를 앎으로써, 그리고 위성의 원자시계와 정확하게 시간을 일치시킴으로써 항공기 수신기/처리 장치는 각 신호가 수신기에 도달하는데 걸리는 시간을 정확하게 측정한다. 이를 통해 항공기 위치를 결정할 수 있다.

 

control element는 지상 기반 GPS monitoring stationscontrol stations의 네트워크로 구성된다. 이는 위성의 위치와 시계의 정확성을 보장한다. 현재 이것은 다섯 개의 monitoring stations, 세 개의 지상 안테나, 그리고 master control station을 가지고 있다.

 

user element는 항공기에 탑재된 수신기/처리 장치로 구성된다. 이는 사용자에게 위치, 속도, 그리고 정확한 시간을 제공한다. IFR 하에 운영되는 동안 사용되는 GPS 장비는 TSO(Techinical Standard Order) C-129에 명시된 표준을 충족해야 하고, 감항 조건을 만족해야 하고, 해당 IFR운영에 대해 승인되어야 하며, 해당 POH/AFM이나 flight manual에 따라 작동되어야 한다.

 

IFR 하에 작동하는 경우 적절한 운영(예를 들어 en route, terminal, 그리고 instrument approach)을 지원하는 GPS 데이터베이스가 필요하다. 항공기의 GPS 항법 데이터베이스에는 IFR 운영에 대해 GPS 항법이 승인된 지역의 WP가 포함되어 있다. 조종사는 데이터베이스에서 원하는 WP를 선택한다. 또한 조종사는 비행을 위해 사용자 정의의 WP를 추가할 수 있다.

 

TSO C-115a, VFR(visual flight rules), 그리고 휴대용 GPS 시스템에 따라 승인된 장비는 TSO C-129의 조건을 충족하지 않는다. 또한 IFR 항법, 계기 접근, 혹은 주요 계기 비행 기준으로 승인되지 않는다. IFR 운영 도중 이러한 장치들(TSO C-115a)은 상황 인식에 대한 보조 장치로 간주될 수 있다.

 

GPS/WAAS IFR 운영 전에 조종사는 적절한 NOTAM 및 항공 정보를 검토해야 한다. 이러한 정보는 FSS(flight service station)에 요청하여 얻을 수 있다. FAA는 조종사에게 WAAS의 상태, 그리고 이용 가능한 서비스 수준에 대해 조언하는 NOTAM을 제공한다.

 

Function of GPS

 

GPS는 정확한 기준점 역할을 하는 위성 집단으로부터의 거리 및 삼각측량 개념에 기초한다. 수신기는 mask angle(위성을 사용할 수 있는 수평선 위의 가장 낮은 각도) 위에 있는 최소 4개의 위성 데이터를 사용한다.

 

항공기 GPS 수신기는 무선 신호의 이동 시간을 사용하여 위성으로부터의 거리를 측정한다. 각 위성은 course/acquisition(CA) code라 불리는 특정 코드를 전송한다. 여기에는 위성의 위치, GPS 시스템 시간, 전송된 데이터의 상태 및 정확성에 대한 정보를 포함한다. 신호가 이동하는 속도(대략 초당 186,000마일)와 정확한 방송 시간을 알면 도착 시간을 통해 신호가 이동한 거리를 계산할 수 있다. 이러한 방법에서 도출된 거리는 의사거리라 불린다. 왜냐하면 이는 거리를 직접 측정하는 것이 아니라 시간에 따라 측정한 것이기 때문이다. 수신기는 위성까지의 거리, 그리고 위성의 정확한 위치를 알아야 한다. 각 위성은 정확한 궤도상 위치 정보를 전송한다. GPS 수신기는 이 정보를 사용하여 위성의 정확한 위치를 설정한다.

 

GPS 수신기/처리 장치는 위성이 제공하는 의사거리 및 위치 정보를 통해 삼각측량을 하여 위치를 결정한다. GPS 수신기가 3차원 위치(위도, 경도, 그리고 고도)와 시간을 제공하기 위해선 최소 4개의 위성이 필요하다. GPS 수신기는 항공기의 위도/경도, 그리고 수신기에 내장된 데이터베이스를 참조하여 항법 수치(WP를 향한 거리 및 방위, groundspeed, 등등)를 계산한다.

 

GPS 수신기는 RAIM(receiver autonomous integrity monitoring)을 통해 GPS 위성군으로부터 수신 받은 신호의 무결성(사용성)을 확인한다. 이는 위성이 오류 정보를 제공하는지의 여부를 확인하기 위함이다. RAIM이 무결성을 감지하기 위해선 최소 5개의 위성, 혹은 4개의 위성과 barometric altimeter baro-aiding이 필요하다. RAIM이 오류 신호를 분리한 다음 이를 navigation solution에서 제거하기 위해선 6개의 위성(혹은 5개의 위성과 baro-aiding)이 필요하다.

 

일반적으로 RAIM 메시지에서는 두 가지 유형이 있다. 한 유형은 RAIM을 제공할 수 있는 위성이 충분하지 않음을 나타낸다. 다른 한 유형은 RAIM이 현재 비행 단계의 제한치를 초과하는 오류 가능성을 감지했음을 나타낸다. RAIM 기능이 없다면 조종사는 GPS 위치의 정확성에 대한 확신을 갖지 못한다.

 

IFR 하에서 국내 en route, terminal 운영, 그리고 특정 IAP를 위해 GPS 항법 장비를 사용하는 항공기는 대체 항법 수단을 장비해야 한다. 목적지 공항, 그리고 교체비행장으로 향하는 경로의 모든 지상 기반 시설을 사용하는데 필요한 항전 장비가 설치 및 작동되어야 한다. 이러한 경로에 필요한 지상 기반 시설 또한 모두 운영되어야 한다. GPS 수신기가 무결성 모니터링을 위해 RAIM을 사용하는 경우에는 대체 항법 장비의 모니터링이 필요하지 않다. GPS 장비의 RAIM 기능이 상실된 경우에는 대체 항법 수단을 적극적으로 모니터링 해야 한다. RAIM 기능의 상실이 발생할 것으로 예상될 경우 대체 장비에 의존하거나, 출항을 지연하거나, 혹은 비행을 취소해야 한다.

 

GPS Substitution

 

IFR En Route and Terminal Operations

 

IFR en route terminal 운영에 대해 증명된 GPS 시스템은 미국 NAS 내에서 다음과 같은 작업을 수행할 때 ADFDME 수신기를 대체하여 사용할 수 있다.

 

1. DME fix 상공에서의 항공기 위치를 결정할 경우. 여기에는 24,000ft MSL 이상에서의 en route 운영을 포함한다(, 항법을 위해 GPS를 사용하는 경우).

2. DME arc를 비행할 경우.

3. NDB/compass locator에서 TO/FROM 조종을 하는 경우.

4. NDB/compass locator 상공에서의 항공기 위치를 결정할 경우.

5. VOR/LOC course를 교차하는 NDB/compass locator 방위로 규정된 fix 상공에서의 항공기 위치를 결정할 경우.

6. NDB/compass locator에서 체공할 경우.

 

GPS Substitution for ADF or DME

 

ADF, 혹은 DME 대신 GPS를 사용하는 것은 다음과 같은 제한 사항이 적용된다:

 

1. 이 장비는 올바른 감항 조건에 따라 설치되어야 한다. 그리고 해당하는 POH/AFM의 규정에 따라 운영되어야 한다.

 

2. 이러한 작업에 필요한 무결성은 적어도 en route RAIM에 의해 제공되어야 한다.

 

3. 이러한 작업에 사용할 WP, fixes, intersections, 그리고 facility의 위치는 GPS 데이터베이스에서 검색해야 한다. 데이터베이스가 최신 상태여야 한다. 만약 데이터베이스를 통해 필요한 위치를 검색할 수 없다면 이 운영이 승인되지 않는다.

 

4. RAIM의 중단이 예상, 혹은 발생한 경우를 위한 절차가 수립되어야 한다. 이를 위해서는 비행이 다른 장비에 의존해야 하거나, 혹은 NDB /혹은 DME 수신기가 항공기가 장비되어야 함을 요구할 수 있다. 그렇지 않은 경우 비행경로를 변경하거나, 비행을 지연하거나, 비행을 취소하거나, 혹은 VFR 하에 수행되어야 한다.

 

5. terminal area에서 GPS course guidancetracking 하는 경우라면 CDIterminal sensitivity(1NM)로 설정해야 한다.

 

6. 교체비행장이 필요한 경우 그 공항에는 non-GPS 접근이 존재해야 한다. DME, 혹은 ADF를 필요로 하는 non-GPS 접근의 경우 항공기는 DME, 혹은 ADF 항전 장비를 장착해야 한다.

 

7. 차트에서 요구하는 ADF /혹은 DME 조건들은 GPS 시스템을 통해 충족될 수 있다(, 주요 계기 접근 항법 요소로 사용하는 경우엔 제외).

 

NOTE: 다음은 특정 항공기 GPS 시스템을 위한 지침을 제공하지는 않는다. 특정한 시스템 안내를 위해서는 POH/AFM을 참조한다.

 

To Determine Aircraft Position Over a DME Fix:

 

1. 항공기 GPS 시스템의 무결성 모니터링이 제대로 작동하고 있는지, 그리고 만족스러운 무결성을 표시하는지 확인한다.

 

2. 만약 fixGPS 데이터베이스에 포함된 5글자의 이름으로 식별될 경우 그 fixactive GPS WP로 설정하거나, 혹은 DME fix를 설정하는 시설을 active GPS WP로 설정한다. 시설을 active WP로 사용하는 경우 DME fix를 설정하는데 사용되는 DME 시설만이 이용 가능한 유일한 시설이다. 만약 이 시설이 데이터베이스에 없다면 그 사용이 승인되지 않는다.

 

3. fixGPS 데이터베이스에 포함되지 않는 5글자의 이름으로 식별될 경우, 혹은 fix가 명명되지 않는 경우에는 DME fix를 설정하는 시설을 active GPS WP로 설정하거나, 혹은 다른 명칭의 DME fixactive GPS WP로 설정한다.

 

4. 명명된 fixactive GPS WP로 선택할 경우 GPS 시스템이 active WP를 나타낼 때 그 fix의 상공이다.

 

5. DME를 제공하는 시설을 active GPS WP로 선택할 경우 active WP로부터의 GPS 거리가 차트의 DME 값과 동일할 때, 그리고 항공기가 적절한 bearing(혹은 course)establish 되었을 때 fix의 상공이다.

 

To Fly a DME Arc:

 

1. 항공기 GPS 시스템의 무결성 모니터링이 제대로 작동하고 있는지, 그리고 만족스러운 무결성을 표시하는지 확인한다.

 

2. 데이터베이스에서 DME arc를 제공하는 시설을 active GPS WP로 설정한다. arc의 기반이 되는 DME 시설만이 이용 가능한 유일한 시설이다. 만약 시설이 항공기 데이터베이스에 없다면 이 운영을 수행할 권한이 없다.

 

3. DME 값 대신 GPS 거리를 참조하여 arc의 위치를 유지한다.

 

To Navigate TO or FROM and NDB/compass Locator:

 

1. 항공기 GPS 시스템의 무결성 모니터링이 제대로 작동하고 있는지, 그리고 만족스러운 무결성을 표시하는지 확인한다.

 

2. 데이터베이스에서 NDB/compass locator 시설을 active WP로 선택한다. 만약 차트에 compass locator와 연어를 이루는 fix를 게재한 경우 compass locator 시설 대신 이 fixactive WP로 사용할 수 있다.

 

3. active WP로부터 TO/FROM 하는 course를 선택 및 조종한다.

 

To Determine Aircraft Position Over and NDB/Compass Locator:

 

1. 항공기 GPS 시스템의 무결성 모니터링이 제대로 작동하고 있는지, 그리고 만족스러운 무결성을 표시하는지 확인한다.

 

2. 데이터베이스에서 NDB/compass locator 시설을 선택한다. NDB/compass locator를 사용할 경우 시설이 차트에 나타나 있어야 하며 데이터베이스에 있어야 한다. 만약 시설이 데이터베이스에 없다면 조종사는 이 운영을 위해 시설을 WP로 사용할 권한이 없다.

 

3. GPS 시스템이 active WP에 도달하였음을 나타낼 때 조종사는 NDB/compass locator의 상공에 있다.

 

To Determine Aircraft Position Over a Fix Made up of an NDB/Compass Locator Bearing Crossing a VOR/LOC Course:

 

1. 항공기 GPS 시스템의 무결성 모니터링이 제대로 작동하고 있는지, 그리고 만족스러운 무결성을 표시하는지 확인한다.

 

2. NDB/compass locator 방위를 교차하는 fix는 다섯 글자의 명칭으로 식별된다. 조종사는 명명된 fix, 혹은 fix 설정을 위해 교차 방위를 제공하는 NDB/compass locator 시설 중 하나를 선택하여 active GPS WP로 설정할 수 있다. NDB/compass locator를 사용할 경우 그 시설은 차트에 기록되어 있어야하며 데이터베이스에 있어야 한다. 만약 시설이 데이터베이스에 없는 경우 조종사는 이 운영을 위해 그 시설을 WP로 사용할 권한이 없다.

 

3. 명명된 fixactive GPS WP로 선택할 경우 GPS 시스템이 조종사에게 WP에 도달하였다 지시할 때 조종사는 fix 상공에 있다.

 

4. NDB/compass locator 시설을 active GPS WP로 선택할 경우 non-GPS 항법 요소로 규정된 track을 비행할 때 active WP를 향한 GPS 방위가 차트의 NDB/compass locator 방위가 같아지면 조종사는 fix의 상공이다.

 

To Hold Over an NDB/Compass Locator:

 

1. 항공기 GPS 시스템의 무결성 모니터링이 제대로 작동하고 있는지, 그리고 만족스러운 무결성을 표시하는지 확인한다.

 

2. 데이터베이스에서 NDB/compass locator 시설을 active WP로 선택한다. 시설을 active WP로 사용할 경우 차트에 나타난 NDB/compass locator 시설만을 사용할 수 있다. 만약 시설이 데이터베이스에 없다면 그 사용이 승인되지 않는다.

 

3. POH/AFM에 따라 nonsequencing mode(: “HOLD” 혹은 “OBS”), 그리고 알맞은 course를 선택한다.

 

4. POH/AFM에 따라 GPS 시스템을 사용하여 체공을 한다.

 

IFR Flight Using GPS

 

비행 전 준비를 통해 GPS가 최신의 데이터베이스로 설치 및 증명되었는지를 확인해야 한다. GPS의 운영은 POH/AFM, 혹은 flight manual supplement에 따라 수행되어야 한다. 비행 승무원은 항공기에 설치된 특정 GPS 장비, 수신기 조작 매뉴얼, 그리고 POH/AFM(혹은 flight manual supplement)를 철저히 숙지해야 한다. ILS VOR과는 달리 그 기본 작동 방법, 수신기의 화면 표시, 그리고 장비의 일부 기능이 크게 다를 수 있다. 이러한 차이 때문에 특정 수신기 및 장치의 작동에 대한 철저한 연구 없이는 다른 브랜드(혹은 심지어 같은 브랜드라 하더라도)를 사용하지 않는다. IFR에서 작동을 시도하기 전에 VFR 조건에서 이를 사용한다면 더욱 익숙해질 수 있다.

 

GPS를 항법 보조 수단으로 사용할 경우 IFR 비행과 관련된 NOTAM을 확인해야 한다. GPS 위성 정지에 대한 GPS NOTAM이 국내에서, 그리고 국제적으로 발부된다. 조종사는 비행 전 브리핑 도중 FSSGPS 항공 정보를 요청함으로써 공항에 대한 GPS RAIM 가용성 정보를 얻을 수 있다. GPS RAIM 항공 정보는 세 가지 시간대로 얻을 수 있다: ETA(estimated time of arrival), ETA 시간 1시간 전에서 1시간 후, 혹은 특정 공항의 24시간. FAA briefersETA 1시간 전에서 1시간 후의 RAIM 정보를 제공한다(, 조종사가 특정 시간대를 요청한 경우 제외). GPS departure를 비행하는 경우 조종사는 출항 공항에 대한 RAIM 예측 또한 요청해야 한다. 일부 GPS 수신기는 RAIM의 가용성을 예측하는 기능이 있다. 조종사는 또한 비행경로, terminal 운영, 목적지에서의 계기 접근, 그리고 교체비행장에 필요한 지상 기반 항법 시설과 이와 연관된 항공기 장비가 ETA까지 작동하는지 확인해야 한다. 만약 지상 기반 항법 시설과 장비를 이용할 수 없는 경우 비행경로를 변경하거나, 일정을 변경하거나, 비행을 취소하거나, 혹은 VFR 하에 수행해야 한다.

 

비행을 계획하는 것은 종례의 NAVAID와 유사한 방식으로 수행된다(, GPS 수신기에서 정보를 프로그래밍하고 검색하는 것은 제외). 제조업체의 지침에 따라 departure WP, DP, route, STAR, desired approach, IAF, 그리고 목적지 공항이 GPS 수신기에 입력된다. 비행 전 점검 도중 추가 정보를 입력할 수 있다(예를 들어 ETA, 연료 계획, 상공 바람, 등등).

 

GPS 수신기가 켜지면 테스트 및 초기화 프로세스가 시작된다. 수신기가 초기화되면 사용자는 WP를 선택하여 경로를 만들어내고, 데이터를 검증하며, active flight plan을 선택한다. 이 절차는 제조업체에 따른 서로 다른 수신기들마다 크게 다르다. GPS는 수신기 모델간의 표준화를 거의 제공하지 않는 복잡한 시스템이다. 항공기에 탑재된 장비의 운영에 익숙해지는 것은 조종사의 책임이다.

 

GPS 수신기는 항법 수치들을 제공한다(예를 들어 track, bearing, groundspeed, 그리고 distance). 이는 항공기의 현재 위도/경도에서 다음 WP의 위치까지 계산된다. WP 사이마다 경로 안내가 제공된다. 조종사는 지상에 대한 항공기의 실제 track을 알 수 있다는 장점을 가진다. WP에 대한 trackbearing이 일치하는 한(이는 정확한 항공기 heading을 선택함으로써 이루어짐) 항공기는 WP를 곧장 향한다.

 

GPS Instrument Approaches

 

미국에는 GPS overlay approaches(접근 명칭에 “or GPS"가 있는 접근)GPS stand-alone approaches가 혼합되어 있다.

 

NOTE: 미국 이외 지역에서의 GPS 계기 접근은 해당 국가의 승인을 받아야 한다.

 

이러한 IAP를 수행하는 동안 지상 기반의 NAVAID가 운영되지 않아도 된다. 또한 이와 관련된 항전 장비가 설치, 작동, 모니터링 될 필요가 없다. 그러나 가능하다면 예비 항법 시스템을 항상 모니터링 하는 것이 권장된다.

 

조종사는 GPS approach 절차에 대한 기본적인 이해를 가지고 있어야 한다. 그리고 IMC(instrument meteorological conditions)에서 GPS IAP를 수행하기 전에 VMC(visual meteorological conditions)에서 이를 연습하여 완전히 숙달한다. [그림 9-28]

 

모든 IAP는 제조업체가 제공하는 최신의 GPS 데이터베이스, 혹은 FAA가 승인한 출처를 통해 검색될 수 있어야 한다. 접근 도중 point to point로 비행할 경우 게재된 접근 절차의 준수를 보장하지 않는다. 적절한 RAIM 감도를 이용할 수 없으며 CDI 감도가 0.3NM로 자동 변경되지 않는다. 일부 수신기에서는 CDI 감도를 수동으로 설정하여도 RAIM 감도가 자동으로 변경되지 않는다. 기존의 비정밀 접근 절차들 중 일부는 GPS와 함께 사용될 수 없어서 overlay로 사용될 수 없다.

 

GPS approachGPS 명칭(예를 들어 “GPS RWY 24” 혹은 “RNAV RWY 35”)을 통해 요청 및 승인된다. GPS 수신기 데이터베이스를 통해 원하는 접근, 그리고 적절한 IAF를 선택한다. 조종사는 IAWP(initial approach waypoint), 혹은 feeder fix로부터 full approach를 비행해야 한다(, 달리 승인받은 경우 제외). intermediate fix에서 무작위로 접근에 진입할 경우 지형 회피가 보장되지 않는다.

 

접근이 flight plan에 로딩 되면 GPS 수신기는 공항 기준점으로부터 30NM의 직선거리에서 “arm” annunciation을 제공한다. 30NM 거리 내에 있을 경우 approach mode“armed” 되어 있어야 한다. 이를 통해 수신기의 en route CDI(±5NM)RAIM(±2NM) sensitivityterminal(±1NM) sensitivity로 변경된다. IAWP30NM 이내인 경우 approach modearmed 되었을 때, 그리고 항공기가 30NM 이내에 있을 때 CDI 감도가 변화한다. IAWP30NM 바깥인 경우 항공기가 30NM 이내로 들어오기 전까지는 CDI 감도가 변화하지 않는다(설령 approach modearmed 되어있다 하더라도). feeder route의 장애물 회피는 GPS 수신기의 CDI RAIM이 공항 기준점으로부터 30NM 이내일 때 terminal CDI 감도인 상태임을 전제로 한다. 따라서 수신기는 30NM annunciation 이전에 armed 되어있어야 한다.

 

조종사는 체공을 수행할 경우, 그리고 overlay approaches에서 procedure turns를 수행할 경우 GPS 수신기의 정확한 운영에 특히 주의해야 한다. 이러한 절차들은 조종사의 개입을 필요로 할 수 있다. 조종사는 수신기의 WP sequencing을 중단한 다음 기동이 완료되었을 시 automatic GPS navigation sequencing을 재개한다. 동일한 WP가 한 번 이상 연속적으로 비행경로에 나타날 수 있다(예를 들어 IAWP, FAWP final approach waypoint, MAWP missed approach waypoint). 비행 중인 segment에 적합한 WP로 수신기가 정렬될 수 있도록 주의를 기울여야 한다(특히 하나 이상의 fly-over WP를 건너뛰는 경우. 예를 들어 procedure turn을 수행하지 않는 경우 IAWP가 아닌 FAWP). 조종사는 WP 순서의 올바른 위치에서 GPS automatic sequencing을 시작하기 위해 하나 이상의 동일한 fly-over WP를 차례로 지나야 할 수 있다.

 

vectors to final을 수신 받은 경우 대부분의 수신기 조작 설명서는 FAWP 이전에 nonsequencing mode를 설정한 다음 직접 course를 세팅하라 제안한다. 이는 항공기가 final approach course 너머로 vector 될 때 연장된 final approach course를 제공한다. 접근 방식의 게재된 구간에 establish 되기 전까지는 할당받은 고도를 유지해야 한다. FAWP 외부의 WP에서 요구되는 고도, 혹은 step-down fix에서 요구되는 고도를 고려해야 한다. 적절한 위치에서 하강을 시작하기 위해 FAWP까지의 거리를 계산해야 할 수 있다.

 

approach modearmed 된 상태에서 FAWP2NM 이내로 들어오면 approach mode가 활성화된다. 이는 RAIM CDI sensitivityapproach mode로 변경시킨다. FAWP에 도달하기 2NM 전부터 full scale CDI sensitivity±1NM에서 ±0.3NM로 점점 변화한다. 이로 인해 CDI가 중앙에서 멀어지고 설령 적절한 intercept heading임에도 불구하고 항공기가 의도된 경로에서 멀리 이동하고 있다는 느낌을 줄 수 있다. 만약 approach mode에서 cross-track error를 사용할 수 있는 경우 이는 조종사에게 도움이 될 수 있다. 2NM에서 감도 변화가 시작되기 전에 final approach course establish를 유지하고 있다면 CDI 화면을 해석하는데 문제가 발생하지 않는다. vectors를 요청하거나 승인할 경우 항공기는 FAWP 2NM 이내에서 final approach course로 교차되므로 이는 권장되지 않는다.

 

접근 도중 GPS 수신기의 잘못된 입력은 특히 중요하다. 경우에 따라 잘못된 입력으로 인해 수신기가 approach mode를 그만둘 수 있다. 접근 도중 자동으로 선택된 감도를 재지정하면 approach mode annunciation이 취소된다. FAWP에 도달하기 2NM 전에 approach modearmed 해두지 않으면 FAWP에 도달하기 2NM 전에 approach mode가 활성화 되지 않는다. 그리고 장비에 flag가 표시된다. 이러한 상황에서 RAIM CDI의 감도가 줄어들지 않으면 조종사는 MDA(minimum descent altitude)까지 하강하지 않는 대신 MAWP로 비행한 다음 실패 접근을 수행해야 한다. FAWP에 도달하기 전에 approach mode가 활성화 되었는지 확인하기 위하여 approach active annunciator /혹은 수신기를 점검해야 한다.

 

GPS missed approachMAWP를 지난 다음 실패 접근 구간으로 수신기를 sequence 하는 조종사 조치를 필요로 한다. 조종사는 항공기에 설치된 특정 GPS 수신기의 활성화 절차를 철저히 숙지해야 한다. 그리고 MAWP 이후 적절한 조치를 수행해야 한다. MAWP 이전에 실패 접근을 활성화하면 CDI 감도가 terminal(±1NM) 감도로 즉시 변경되고 수신기는 계속하여 MAWP로 향한다. 수신기는 MAWP를 지나 sequence가 되지 않는다. MAWP 이전에 선회를 시작해서는 안 된다. 만약 실패 접근이 활성화되지 않았다면 GPS 수신기는 연장된 inbound final approach course, 그리고 MAWP로부터의 ATD(along track distance)를 나타낸다. 이는 MAWP를 통과한 후 직접 실패 접근을 sequence 하기 전까지 이루어진다.

 

실패 접근의 첫 번째 경로가 다음 WP로 향하는 것이 아니라 course를 비행하는 경우엔 조종사가 course 설정을 위해 추가 조치를 취해야 한다. 필요한 모든 정보를 숙지하는 것이 이 비행 단계에서 특히 중요하다.

 

Departures and Instrument Departure Procedures(DPs)

 

차트의 IFR departuresDP를 수행하려면 GPS 수신기가 terminal(±1NM) CDI sensitivity로 설정되어야 있어야 하며 데이터베이스에 포함된 항법 경로로 설정해야 한다. Terminal RAIM이 수신기에 의해 자동으로 제공되어야 한다. (WP가 첫 번째 목적지로 곧장 이동하는 경우에는 departure를 위한 Terminal RAIM을 이용하지 못할 수 있다) DP의 특정 부분에서는 조종사의 직접적 개입이 필요할 수 있다(특히 radar vector로 이동하는 경우, 혹은 WP를 향한 특정 course를 교차해야 할 경우). 데이터베이스에는 모든 활주로에 대한 transitions, 혹은 departures를 포함하지 않을 수 있다. 또한 일부 GPS 수신기는 데이터베이스에 DP를 포함하지 않는다. 헬기 절차를 사용할 경우에는 70노트 이하로 비행해야한다. 왜냐하면 헬리콥터의 departure proceduresmissed approaches20:1 OCS(obstacle clearance surface)를 사용하는데, 이는 고정익의 OCS보다 두 배이기 때문이다. 선회 영역 또한 이 속도를 기준으로 한다. 실패 접근의 첫 번째 경로가 다음 WP로 곧장 이동하는 것이 아니라 course를 비행하야 하는 경우 course 설정을 위한 조종사의 추가 조치가 필요하다. 필요한 모든 정보를 숙지하는 것은 이 비행 단계에서 특히 중요하다.

 

GPS Errors

 

일반적으로 30개의 위성이 작동 중이라면 GPS 위성군을 전 세계적으로, 그리고 지속적으로 이용할 수 있다. 24개 미만의 위성이 작동 중일 경우 특정한 지리적 위치에서 GPS 항법 기능을 사용하지 못할 수 있다. 높은 지형으로 둘러싸인 계곡에서, 그리고 항공기의 GPS 안테나가 항공기 구조에 의해 가려질 때마다(예를 들어 항공기 bank ) 신호 손실이 발생할 수 있다.

 

특정 수신기, 송수신기, 휴대용 라디오, 그리고 휴대용 수신기는 신호 간섭을 일으킬 수 있다. 일부 VHF 전송은 “harmonic interference”를 유발할 수 있다. 조종사는 수신기의 신호 품질 데이터 페이지를 모니터링 하는 동안 근처의 휴대용 수신기를 재배치하거나, 주파수를 변경하거나, 혹은 간섭을 일으키는 것으로 예상되는 원인을 끔으로서 harmonic interference를 분리시킬 수 있다.

 

GPS 위치 데이터는 장비 특성, 그리고 다양한 기하학적 요인의 영향을 받을 수 있다. 이로 인해 일반적으로 100ft 미만의 오류를 발생시킨다. 위성의 원자시계 부정확성, 수신기/처리 장치, 단단한 물체에서 반사된 신호(multi-path), ionospheric delay tropospheric delay, 그리고 위성 데이터 전송 오류는 미세한 위치 오류, 혹은 순간적인 GPS 신호 손실을 야기할 수 있다.

 

System Status

 

GPS 위성의 상태는 GPS 위성이 전송하는 데이터 메시지의 일부로 방송된다. GPS 상태에 대한 정보는 United States Coast Guard navigation information service: (703) 313-5907, 혹은 인터넷(www.navcen.uscg.gov.)를 통해서도 이용할 수 있다. 또한 위성의 상태는 NOTAM 시스템을 통해서도 확인할 수 있다.

 

GPS 수신기는 RAIM을 통해 GPS 위성군에서 수신한 신호의 무결성(유용성)을 확인한다. 이는 위성이 오류 정보를 제공하는지를 확인하기 위함이다. 수신기가 RAIM 기능을 수행하려면 항법에 필요한 위성 외에 최소 1개의 위성이 있어야 한다. 따라서 RAIM은 무결성 감지를 위해 최소 5개의 위성, 혹은 4개의 위성 및 barometric altimeter(baro-aiding)을 필요로 한다. RAIM이 오류 신호를 분리한 다음 이를 navigation solution에서 제거하기 위해선 6개의 위성(혹은 5개의 위성과 baro-aiding)이 필요하다.

 

RAIM 메시지는 수신기마다 다소 다르지만 일반적으로 두 가지 유형이 사용된다. 한 유형은 RAIM을 제공할 수 있는 위성이 충분하지 않음을 나타낸다. 다른 한 유형은 RAIM이 현재 비행 단계의 제한치를 초과하는 오류 가능성을 감지했음을 나타낸다. RAIM 기능이 없다면 조종사는 GPS 위치의 정확성에 대한 확신을 갖지 못한다.

 

Selective Availability. 이는 GPS의 정확도를 의도적으로 저하시키는 방법이다. 이 기능은 정확한 GPS 위치 정보의 적대적 사용을 거절하기 위해 설계되었다. selective availability200051일에 중단되었다. 허나 많은 GPS 수신기들은 selective availability가 여전히 활성화되어있다 가정하고 설계되었다. 새로운 수신기들은 ICAO Aneex 10의 성능 수치에 기초하여 중단된 selective availability를 이용할 수 있다. 따라서 새로운 수신기들은 그 성능 이외에서 작동하도록 설계될 필요가 없다.

 

GPS familiarization

 

조종사는 IMC에서 GPS approach를 수행하기 전에 VMC에서 이를 연습하여 장비의 모든 요소들(수신기 및 장비)을 완전히 숙달해야 한다. 조종사가 연습해야 할 과제들 중 일부는 다음과 같다:

 

1. RAIM prediction 기능 활용.

2. flight planDP 기입, terminal CDI sensitivity 설정, 그리고 departure를 위해 RAIM이 사용 가능한지 확인(일부 수신기는 DPSTAR를 지원하지 않음).

3. 목적지 공항 프로그래밍.

4. overlay approaches를 프로그래밍 및 비행(특히 procedure turnsarcs).

5. 접근을 선택한 이후 다른 접근으로 변경.

6. “direct” missed approaches를 프로그래밍 및 비행.

7. “routed” missed approaches를 프로그래밍 및 비행.

8. holding pattern에 진입, 비행, 그리고 이탈(특히 overlay approach에서 두 번째 WPholding pattern에 있는 경우).

9. holding pattern에서 “route”를 프로그래밍 및 비행.

10. radar vector를 이용하여 intermediate segment로 향하는 접근을 프로그래밍 및 비행.

11. FAWP 이전 및 이후에 RAIM 기능이 상실될 경우 필요한 조치 지시.

12. VOR로부터의 방위 및 거리를 프로그래밍(종종 departure instructions에서 사용됨).

 

Differential Global Positioning Systems(DGPS)

 

DGPSGNSS의 정확도를 향상시키기 위해 설계되었다. 이는 보정된 위성 위치를 제공하기 위해 변수들의 변화를 측정한다.

 

동일한 위성들을 수신하는 수신기들은 유사한 오차를 발생시킨다. 지상국의 reference receiver는 자신의 이론적 위치를 정확하게 계산한 다음 이를 항법 위성 신호의 측정값과 비교할 수 있다. 그 차이가 바로 오차이며 이는 reference signal correction을 통해 수정될 수 있다.

 

이로 인해 위성 시스템의 정확도를 1m로 높일 수 있다. WAAS(Wide Area Augmentation System) LAAS(Local Area Augmentation System)DGPS의 예이다.

 

Wide Area Augmentation System(WAAS)

 

WAASGPS 신호의 정확성, 무결성, 그리고 가용성을 향상시키기 위해 설계되었다. WAASGPS가 이륙부터 Category I 정밀 접근까지 항법 시스템으로 이용될 수 있도록 한다. ICAOSBAS(satellite based augmentation system)에 대한 기준을 정의하였다. 일본과 유럽은 WAAS와 상호 운영될 계획인 시스템들을 구축하고 있다: EGNOS, MSAS. 그 결과 GPS와 유사하지만 더 큰 정확성, 가용성, 그리고 무결성을 갖춘 전 세계적 항법 기능이 제공될 것이다.

 

WAASwide-area ground reference stationsWAAS 네트워크에 연결되어 종례의 지상 기반 항법 보조 장비보다 더 넓은 서비스 영역을 다룰 것이다. GPS 위성으로부터의 신호는 이러한 기지국에 의해 모니터링 된다. 이는 위성 시계, 그리고 천문력 보정을 결정하기 위해서이다. 네트워크 내의 각 기지국은 wide-area master station(여기서 보정 정보가 계산됨)으로 데이터를 전달한다. 보정 메시지는 ground uplink를 통해 GEO(geostationary satellite)에 업링크된 다음 GPS와 동일한 주파수를 통해 방송 범위 내의 WAAS 수신기에 방송된다. [그림 9-29]

 

WAAS는 또한 항공기 수신기에 추가적인 측정값을 제공하여 GPS의 가용성을 향상시킨다. 이는 추가 GPS 위성을 사용함으로써 이루어진다. 실시간 모니터링을 통해 GPS의 무결성이 향상된다. 또한 오차를 줄이기 위해 differential correction을 제공하여 정확도를 향상시킨다. [그림 9-30] 그 결과 GPS/WAAS glidepath를 이용한 접근 절차가 가능할 정도로 성능 개선이 이루어졌다. 현재 FAA25개의 wide area ground reference systems, 2개의 master stations, 그리고 4개의 ground uplink stations를 완료하였다.

 

General Requirements

 

WAAS 항전 장비는 반드시 TSO-C145A(혹은 stand-alone system의 경우에는 TSO-146A)에 따라 증명되어야 한다. GPS/WAAS 운영은 AFM flight manual supplements에 따라 수행되어야 한다. flight manual supplements는 수신기가 지원하는 접근 절차의 수준을 명시해야 한다.

 

Instrument Approach Capabilities

 

WAAS 수신기는 모든 기본 GPS approach 기능을 지원한다. 또한 지상 장비나 barometric aiding과 무관하게 electronic glidepath를 생성하는 추가 기능을 제공한다. 이는 몇 가지 문제들(예를 들어 저온의 영향, 부정확한 altimeter setting, 혹은 local altimeter source가 없음)을 제거한다. 또한 각 공항에 지상국을 설치하는 비용 없이도 접근 절차를 구축할 수 있다. 정밀 접근의 vertical guidance 조건을 제공하기 위한 새로운 종류의 접근 절차들이 개발되었다. 이는 항공 분야에서의 위성 항법 사용을 지원하기 위함이다. APV(Approach with Vertical Guidance)라 불리는 새로운 절차들은 현재 barometric vertical navigation과 함께 비행되는 접근들이다(예를 들어 LNAV/VNAV 절차).

 

Local Area Augmentation System(LAAS)

 

LAAS는 운영 중인 공항, 혹은 그 공항의 근처에 위치한 GPS-reference facility를 사용하는 ground-based augmentation system이다. 이 시설에는 reference receiver가 있는데, 이는 GPS 위성의 의사거리와 시간을 측정한 다음 신호를 재전송한다. LAAS를 장비한 공항에 착륙하는 항공기는 Category I 이상의 접근을 수행할 수 있다(, 항공기가 적절히 장비한 경우). [그림 9-31, 32]

 

 

Inertial Navigation System(INS)

 

INS는 항공기 외부로부터의 입력 없이도 정확하게 항행하는 시스템이다. 이는 완전한 독립형 시스템이다. INS는 조종사에 의해 초기화되며 조종사는 비행 전에 지상에 있는 항공기의 정확한 위치를 시스템에 입력해야 한다. INS는 특정 비행경로를 따르는 WP들로도 프로그래밍 된다.

 

INS Components

 

INS는 독립형 항법 시스템으로 간주된다(특히 두 개 이상의 독립 장치가 탑재된 경우). 이 장치는 가속도계(가속도를 측정)와 자이로(방향을 측정)로 구성된다.

 

IRS(inertial reference system)라 불리는 INS의 후기 버전은 레이저 자이로와 더 효과적인 컴퓨터를 사용한다. 따라서 가속도계를 수평이 되도록, 그리고 진북과 정렬되도록 장착하지 않아도 된다. 컴퓨터는 중력 오차와 방향 오차를 수정하는데 필요한 계산을 처리할 수 있다. 따라서 이 새로운 시스템들은 종종 strap down system이라 불린다. 왜냐하면 가속도계와 자이로가 수평 및 진북을 기준으로 구조물에 장착되지 않는 대신 기체에 스트랩다운 되기 때문이다.

(출처: 네이버 지식백과)

INS Errors

 

INS와 관련된 주요 오차는 시간에 따라 위치 정보 품질이 저하한다는 것이다. INS는 정확한 위치 입력을 통해 위치를 계산하는데 이는 가속도계와 자이로의 속도 및 방향 입력에 따라 계속하여 변화한다. 가속도계와 자이로에서는 매우 작은 오차들이 발생하기 때문에 시간이 지남에 따라 이러한 오차들이 누적될 수 있다.

 

가장 좋은 INS/IRS display는 북대서양을 4 ~ 6시간 비행한 후 0.1 ~ 0.4NM의 오류를 나타낸다. 그러나 작고 저렴한 시스템은 시간 당 1 ~ 2NM의 오류를 나타낸다. 이 정도의 정확성은 GPS에 의해 업데이트 될 수 있는 항법 시스템에 적절하다. GPSINS/IRS 장치로 구성된 항법 시스템은 두 시스템의 오차와 약점을 해결한다. GPS는 항상 정확하긴 하지만 주기적으로, 그리고 순간적으로 사용하지 못할 수도 있다. 허나 INS는 지속적으로 업데이트되기 때문에 GPS 신호가 손실되는 순간에도 계속 정확하게 작동한다.


※ 다음은 대한항공 항법 교재를 발췌한 내용이다.

 

5. 관성항법 (Inertial Navigation)

 

지문항법, 추측항법, 그리고 무선항법이 갖고 있는 공통적인 문제점들 중의 하나가, 외부의 어떤 도움이 없이는 항공기가 자력으로 항로를 찾기 어렵다는 것입니다.  문제를 해결하기 위한 수단으로 개발된 항법이 바로 관성항법입니다. 관성항법이란 일종의 자립항법으로 Newton의 관성의 법칙을 그 기본으로 합니다. 초기 관성항법체계는 군사용 로켓을 위해 개발되었습니다. 초기 형태의 관성항법시스템은 2차 세계대전 당시 독일의 V2 로켓에 장착되어 사용되었고, 전쟁이 끝난 후 그 활용범위는 로켓에서 항공기와 우주선의 항법 시스템으로 확대되었습니다. 관성항법이란 항공기가 움직일 때 발생하는 가속도를 가속도계(Accelerometer)를 이용하여 측정하고, 그 측정된 가속도를 적분하여 속도와 이동거리를 구하고, 구해진 정보들을 토대로 항공기의 위치를 파악 비행하는 항법을 말합니다. 이러한 일련의 계산과정을 통해 임의의 한 점에서 다른 한 점으로의 위치이동을 자력으로 할 수 있는 것입니다. 관성항법의 장점은 항공기가 출발 시 출발위치를 정확히 입력해 놓으면 외부의 도움 없이 항법이 가능한데 있으나, 단점은 비행거리에 비례하여 오차가 누적되고, 타 항법 장비들에 비해 부피가 크고 무게가 무거우며, 가격이 비싸다는 것입니다.

 

Part 2. 관성항법시스템 General

 

1. 관성항법시스템의 원리

 

관성항법시스템은 컴퓨터, 가속도계를 탑재하고 있는 Platform, Gyro 등으로 구성됩니다. 관성항법시스템은 선가속도 (Linear Acceleration)와 각가속도 (Angular Acceleration)를 측정하여 아래 열거된 3가지 변화를 구합니다.


- 위치의 변화 (예: 동쪽으로 이동, 서쪽으로 이동)
- Velocity의 변화 (움직이는 속도와 방향)
- Orientation의 변화 (3축을 기준으로 한 Rotation)

 

2. 관성항법시스템 초기화 (Initialization)


관성항법시스템이 작동하기 위해서는 최초의 위치정보를 사람이 직접 입력하거나 GPS등으로부터 가져와야 합니다. 이 과정을 Align이라고 합니다. 정확한 Align은 항공기가 정지된 상태에서 이루어져야 하며, 지역에 따라 차이가 있으나 보통 수분이 소요됩니다. 시스템의 Align이 끝나면 그때부터 Motion Sensor들을 통해서 얻어지는 정보를 계산하여 항공기의 새로운 위치, 속도, 진행 방향을 구하게 됩니다. 관성항법시스템의 장점은 시스템이 한번 Align인 된 후 항공기의 위치, 속도, 진행 방향을 구하는데 어떠한 외부 도움도 필요 없다는데 있습니다. 그러나 시스템의 가격과 복잡성으로 인해 실질적으로는 제한적인 분야에서만 사용되고 있습니다.

 

3. Gyroscope과 가속도계의 기능

 

Gyroscope은 각속도 (Angular Velocity)를 측정합니다. 측정된 각속도를 적분하여 현재 항공기의 Orientation을 알 수 있습니다. 예를 하나 들어보겠습니다. 눈을 감고 차에 타고 있다고 상상 해보겠습니다. 눈을 감고 있어도 차가 왼쪽으로 도는지, 오른쪽으로 도는지 또는 언덕을 올라가는지 내려가는지 느낄 수 있습니다. Turn Left, Turn Right, Go up, Go down 느낌이 바로 각속도입니다.

 

가속도계는 선가속도 (Linear Acceleration)를 측정합니다. 가속도계는 시스템의 3축에 각각 장착되어 각 축 방향에서 발생하는 가속도를 측정합니다. 다시 눈을 감고 차에 타고 있다고 상상해 보겠습니다. 가속도를 측정한다는 것은 차가 좌우 위아래로 움직이고 있는 것을 느끼는 것이 아니라, 차가 가속을 하게 되면 몸이 뒤로 밀리면서 의자에 등이 밀착하게 되고, 속도를 줄이면 몸이 앞으로 기울게 됨을 느끼는 것입니다. 엘리베이터가 위로 올라가면 처음에는 몸이 무거워지면서 몸이 더 무거워짐을 느끼고, 엘리베이터가 아래로 내려가면 처음에는 몸이 가벼워지면서 위로 뜨는 느낌이 납니다. 이러한 느낌이 바로 가속도이며, 이런 가속도를 측정하는 것이 바로 가속도계입니다.

 

현재의 각속도와 현재의 선가속도를 Tracking하여 시스템의 선가속도를 구할 수 있으며, 구해진 선가속도를 적분하여 velocity를 구하고, Velocity를 다시 적분하여 위치를 구할 수 있습니다. 이는 눈을 감고 차에 있으면서, 차가 좌회전을 한 후 속도를 높이는 것을 느끼는 것과 같은 것입니다.

 

4. 관성항법시스템의 Error

 

시스템이 가속도와 각속도를 측정하는 과정에서 작은 오차가 발생하고, 이 작은 오차는 Velocity와 Position이 구해지는 과정에서 계속 축적됩니다. 새로운 위치는 기존의 위치로부터 구해지기 때문에 이 작은 오차는 최초로 항공기 위치가 압력 된 이후부터 시간에 비례하여 점점 커집니다. 축적되는 오차 때문에 관성항법장비의 위치는 타 항법장비로부터 구해진 정보를 이용하여 지속적으로 수정되어야 합니다. 현재 관성항법시스템은 더 높은 정확도를 제공하는 타 항법시스템의 보조 시스템 수준에서 사용되고 있습니다. 타 항법시스템의 가장 좋은 예가 GPS입니다. GPS와 같은 타 항법시스템들과 같이 사용됨으로써, 안정적인 위치 정보제공이 가능해졌으며, 타 항법시스템을 사용할 수 없을 경우 단기적 대체 항법수단으로 사용될 수 있습니다.


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