Establishing Operational Management and Control Procedures for UAM Fleet Operators

UAM Fleet Operator 운항 관리 및 통제 절차개념 수립 연구

Abstract

Global discussions are actively underway regarding the introduction of urban air mobility (UAM) to revolutionize the paradigm in the innovative mobility industry. While research related to airspace, vertiports, navigation, and communication pertinent to Korean UAM is actively pursued by relevant research institutions, there is a significant dearth in studies focusing on establishing concepts for operational management by UAM operators and formulating control procedures. The commercialization of UAM necessitates the establishment of standardized operational management concepts, pivotal as benchmarks for the individual system development among multiple UAM operators. This paper analyzes UAM exceptional law, operational readiness, existing regulations pertaining to commercial and rotary-wing aircraft, and proposes suitable approaches to formulate domestic low-density operational management and control procedures. By presenting strategies for conceptualizing operational management and control procedures in the initial low-density environment for UAM, this paper aspires to contribute to future trail operations and the wider adoption of UAM.

최근 보다 혁신적인 모빌리티 산업의 패러다임을 변화시키기 위해 도심항공교통 (UAM; urban air mobility) 도입에 관한 논의가 전 세계적으로 활발히 진행되고 있다. 한국형 UAM의 성공을 위해 공역, 버티포트, 항법, 통신 등과 관련된 연구는 관련 연구기관 주도하에 활발히 이루어지고 있으나, UAM 운항사의 운항 관리 개념 정립, 통제절차 개념 수립 등에 대한 연구는 거의 이루어지지 않고 있다. UAM의 상용화를 위해서는 복수의 UAM 운항자의 개별 시스템 개발의 기준이 될 수 있는 표준화된 운항 관리 개념 정립이 필요한 시점이다. 이에 본 논문에서는 UAM 특별법 미적용 사항을 살펴본 후 이로부터 운항사가 준비해야 할 사항과 기존 민항기 및 회전익 항공기의 관련 규정에 대해서 분석하고, 국내 저밀도 운항 관리 및 통제절차 개념 수립을 위한 적합한 방안을 제시하였다. 본 논문에서 제시한 초기 저밀도 환경에서의 UAM 운항 관리 및 통제절차 개념 수립 방안을 착안하여 추후 시범 운영 및 UAM 대중화에 기여할 수 있을 것으로 기대한다.

Ⅰ. 서론

UN의 ‘World Urbanization Prospects’ 보고서에 따르면 전 세계적으로 도시화가 빠르게 진행되고 있다. 2018년 현재 기준 전 세계 인구의 약 55%가 도시지역에 거주하고 있으며, 2050년 전 세계 도시화율은 68%에 이를 것으로 예측된다 [1]. 이러한 도시집중화 현상은 교통, 소음, 공해, 인프라 부족 등 다양한 도시 문제를 유발하고 있으며, 특히 뉴욕, 런던, 도쿄, 서울 등과 같은 대도시 권역에서는 극심한 교통 체증으로 인해 막대한 사회, 경제적 손실이 발생하는 등 주요한 사회 문제로 대두되고 있다 [2]. 최근에는 모빌리티 산업의 패러다임을 변화시키기 위한 혁신적인 시도들이 대두되고 있으며, 기존 2차원에 국한되어 있던 도심 모빌리티를 3차원 공간으로 변화시키기 위한 도심항공교통 (UAM; urban air mobility) 도입에 관한 논의가 전 세계적으로 활발히 진행되고 있다.

UAM을 현실로 만들기 위해 전 세계의 여러 벤처 기업, 항공 제조사, 자동차 회사들이 UAM 항공기 개발에 열을 올리고 있으며, 많은 eVTOL 기체들이 시험 비행에 성공하고 상용화 단계에 진입했다 [3]-[8]. 또한 각 나라 정부는 UAM 관련 규정 및 정책과 관련 시스템을 개발하며 UAM의 상용화를 준비하고 있다. FAA는 2020년 'ConOps v1.0'에 이어 2022년 ‘ConOps v2.0’을 발표하여 UAM 운영을 위한 초기의 기초적 컨셉들을 제시하였다 [9]. 이 개념을 실현하기 위해 NASA는 2020년 3월 많은 전문가들과 생태계 구축을 위한 AAM (advanced air mobility) 워킹 그룹을 구성하고 기체, 공역 등 세부 추진 사항을 논의하고 있으며 [10], 기존의 항공 교통 체계와 UAM 교통 관리 체계를 통합하기 위한 ATM-X 프로젝트의 1단계를 진행 중에 있다 [11]. 최근에는 'Vertiport Design' 가이드라인을 포함한 'EB No. 105'를 발표하여 UAM 인프라 구축을 위한 기준 수립을 준비 중이며, 관련 법률은 2024년까지 제정 예정이다[12]. 유럽 또한 UAM 운용을 위한 포괄적인 규제인 'NPA 2022-06'을 발표하는 등 관련 제도의 수립 및 실증 프로그램을 진행하며 UAM의 시행을 준비 중이다 [13].

UAM의 성공적인 시행을 위해서는 eVTOL 기체 개발 및 제도 수립, 인프라 구축도 중요하지만 초기 운영을 위한 UAM 운항사의 역할 수립 역시 중요하다. 국내에서도 대한항공, SKT, 현대자동차 등이 K-UAM 그랜드 챌린지에 UAM 운항사로 참여하고 있다. 특히 SKT는 UAM 운항서비스를 제공하는 것을 메인 비즈니스모델로 공식 발표하였으며 [14], 카카오모빌리티는 배차 및 운행 계획 생성, 운항 경로 관리, 기체 모니터링 등 UAM Fleet 관제 기능 구현을 위한 시스템을 개발 중이다 [15].

그러나 UAM 운용을 위한 공역 체계, 버티포트 설계, 항법, 통신 등과 관련된 연구는 관련 연구기관 주도하에 활발히 이루어지고 있으나 [16], UAM 운항사의 운항 관리 개념 정립, 통제절차 개념 수립 등에 대한 연구는 거의 이루어지고 있지 않은 것이 현실이다. 특히나 기존 민항기 운항에 대한 대부분의 지침과 노하우가 대형 항공사를 중심으로 관리되어 왔기 때문에 이에 대한 검토 자료나 연구에 참고할 만한 자료가 부족한 것이 사실이다. UAM 운항사 자체 시스템의 개발도 중요하지만 UAM의 2025년 상용화를 위해서는 복수의 UAM 운항자의 개별 시스템 개발의 기준이 될 수 있는 표준화된 운항 관리 개념 정립이 필요한 시점이다.

이에 본 논문에서는 기존 민항기 및 회전익 항공기의 관련 규정에 대해서 분석하고, 국내 저밀도 운항 관리 및 통제절차 개념 수립을 위한 적합한 방안을 제시하고자 한다.

Ⅱ. 국내 규정 및 문헌 검토

2장에서는 UAM 통제 절차 개념 수립을 위해 참고해야 하는 법률 및 기존 문헌 등에 대한 분석 및 시사점을 기술하였다.

2-1 UAM 특별법

도심항공교통의 도입ㆍ확산과 도심형 항공기의 안전하고 효율적인 항행을 위한 운항 기반 조성 및 지원 등에 필요한 사항을 규정하는 UAM 특별법(도심항공교통 활용 촉진 및 지원에 관한 법률)이 2023년 10월 국회 본회의를 통과하여 공포되었으며, 2024년 4월 25일 시행 예정이다. 이는 UAM 참여 기업들이 기존의 항공 관련 법안인 항공안전법, 항공보안법, 항공사업법, 공항시설법 등 ‘항공 4법’ 규제에 얽매이지 않고 UAM 관련 신기술과 서비스를 개발·검증할 수 있는 법적 근거를 마련한 규제 특례 입법이다. UAM 실증 사업 및 시범 운용 사업 참여자들은 본 규제 특례를 통해 UAM 관련 신기술과 서비스를 신속하고 자유롭게 개발 및 검증할 수 있다.

하지만 실증 사업 및 시범 운용 단계에서 규제특례에 해당하지 않는 조항들이 여전히 많이 있으며, UAM 운항사로 실증 및 시범 사업을 진행하기 위해서는 규제특례 예외 조항들에 대한 준비가 필요할 것이다. 이를 위하여 특례 적용을 받지 못하는 내용과 이를 위해 운항사가 준비해야 하는 사항들을 아래 표로 제시하였다. 실증사업 단계에서는 항공사업법, 공항시설법, 항공보안법 전체 조항을 적용받지 않게 되고, 항공안전법의 항공기 등록, 형식증명, 감항증명, 항공안전 보고 등 일부 사항에 대해 최소한으로 적용받게 된다. 반면 시범운용 단계에서는 이보다 더 많은 조항들이 규제특례에 해당하지 않는다.

특히 운항사 관점에서는 항공안전법 내 항공종사자 자격증명에 관한 사항을 준수해야 하기 때문에 UAM 운항을 위해서는 조종사, 정비사, 운항관리사 등 관련 종사자의 자격증명이 필요하다. 또한 항공안전법 제90조에 따라 운항 시작 전까지 안전운항체계에 대한 검사를 받아 운항증명을 취득해야 한다. UAM 운항을 위해서는 소형항공운송사업 운항증명을 획득해야 한다.

표 1. UAM 특례법 미적용 사항 및 운항사 준비사항

Table 1. Not applicables of UAM exception law and operational readiness

또한 항공안전법 제53조 항공기 연료와 관련된 내용도 적용받게 되며 현재의 기준을 초기 시계 비행 단계의 UAM에 적용할 경우, 최초 착륙예정 비행장까지 비행에 필요한 배터리와 추가로 순항속도로 45분간 더 비행할 수 있는 정도의 배터리 용량이 필요하다. 이렇듯 UAM 특별법으로 규제가 완화되었지만, 여전히 기존 항공 관련 법규에 따라 준수해야 하는 사항들이 상당수 존재하며 이를 위한 준비가 필요하다.

2-2 운항기술기준

항공기 운항기술기준은 현재 운항되고 있는 고정익 항공기와 회전익 항공기에 맞추어 설정되었다. 하지만 UAM은 엔진을 사용하는 현재의 항공기와 달리 전동화 파워트레인을 사용하며, 수직으로 이착륙하는 등 새로운 개념의 비행체이다. 따라서 현행 운항기술기준을 UAM에 그대로 적용시키기 다소 어려움이 있다.

항공안전법 제53조와 운항기술기준(연료, 오일탑재 계획 및 불확실 요인의 보정)에서 항공기 운항 시 탑재하여야 하는 연료 기준을 제시하고 있다. 이는 앞에서 기술한 바와 같이 시범 사업 단계에서 적용하지 않는 규제특례에 제외되었다. 하지만 대부분의 UAM은 배터리를 탑재하는데, 배터리 특성상 외기 기온과 같은 외부요인에 따른 비행가능거리의 영향에 대한 고려가 필요하며, UAM에 사용되는 eVTOL 기체의 특성을 반영한 적정 배터리 산정에 대한 기준 수립이 필요하다.

교체비행장은 항공안전법 시행규칙 제186조와 회전익항공기의 운항기술기준에서 엔진의 종류에 따른 이륙교체비행장까지의 거리를 기준으로 선정하고 있다. 하지만 대부분의 UAM은 엔진이 아닌 배터리와 전기모터가 적용되어 단거리 운항에 최적화된 것으로 현재의 교체비행장 선정 기준을 UAM에 적용하는 것은 적합하지 않다. 아울러, Payload에 따른 비행가능시간의 영향이 현재의 항공기보다 크며, 버티포트의 혼잡 등 다양한 요인들에 대한 고려와 민첩한 대응이 필요하기 때문에 UAM에 최적화된 목적지 교체공항 지정 기준이 필요하다.

표 2. 연료탑재 관련사항

Table 2. Fuel loading matters

현재 항공안전법 제25조와 동법 시행규칙 제113조에 따르면 국내 운항 항공기는 소음기준적합증명을 받아야 하며, 운항 시 소음기준적합증명서를 탑재하여야 한다. 그러나 소음기준적합증명 대상 항공기에 대하여 터빈발동기를 장착한 항공기와 국제선을 운항하는 항공기로 정의하고 있는데, 대부분 전기모터를 사용하며 도심 운항을 대상으로 하는 UAM의 경우 이에 대한 규정이 현재는 존재하지 않는다. 도심 내 저고도에서 운항하기 때문에 소음에 대한 이슈는 중요한 사항으로 이에 대한 기준 수립이 필요한 부분이다.

표 3. 교체비행장 현행 기준 및 시사점

Table 3. Current standards and implications for alternate airports

표 4. 소음기준적합증명 현행 기준 및 시사점

Table 4. Current standard and implications for compliance certification for noise levels

표 5. 운항감시시스템 현행 기준 및 시사점

Table 5. Current standards and implications for flight surveillance system

항공기 운항감시시스템의 경우 현행 규정상 5,700 kg 미만의 고정익 항공기와 회전익 항공기에 대해 비행 계획서가 제출되면 운항추적시스템이 필요하지 않으며, 최대이륙중량 27,000 kg 및 승객좌석 19석을 초과하는 고정익 항공기에 대하여만 매 15분 간격으로 위치 보고 의무를 지정하고 있다. 그러나 향후 UAM의 비행편이 증가하게 되고 성숙단계에 접어들어 자율비행까지 활성화된다면 분 단위의 정밀한 운항추적은 필수적일 것이다. 아울러 현재 항공기의 자동 위치 추적 불능시 사용하는 음성통신(SATCOM, VHF, HF)에 대해서도 향후 UAM의 완전 자율비행에 대비하여 음성통신 시스템을 대체할 수 있는 시스템의 개발 및 관련 규정 수립이 필요하다.

Ⅲ. 항공기 운항 관리 및 통제절차

3-1 민항기

일반적인 항공운송사업에서 운항 관리란 비행의 실시(개시, 계속, 변경 및 종료)에 관한 권한의 행사를 말하며, 본 권한의 행사는 기장 (PIC; pilot in command)과 운항관리사 간의 협의를 통해 이루어진다. 운항 관리에 대해 기장과 운항관리사가 공동 책임을 지며 그 비행이 운항사 내부의 지침과 항공 안전법에 부합되도록 계획(변경 시 새로 발부되지 않는 수준에서 이뤄져야함) 되었는지 확인하고 안전하게 수행될 수 있는가에 대해 상호 동의하여야 한다. 항공기의 출발이 임박한 시점에 출발공항, 항로 및 도착공항의 기상이 악화되거나 예기치 않은 운항 제한사항이 발생할 경우, 스케줄대로 운항하지 못할 수 있으며 이러한 상황에 적절하게 대응하지 않을 경우, 안전운항 저해는 물론 탑승객의 불편 및 항공사 비용 부담 증가 등의 손실이 발생하게 된다. 또한 최적의 운항 항로와 고도를 설정하여 적정 연료를 탑재해야만 경제성을 확보할 수 있으며 항공기 운항의 가장 기본인 비행안전을 달성할 수 있다.

표 6. 민항기 운항관리 주요 업무

Table 6. Key duties of civil aviation flight dispatch

위의 민항기 운항관리 및 통제절차를 UAM에 적용하기 위해서는 여러 가지 고려가 필요하다. 고정 회랑 운영 및 단거리 도심 운항 등 초기 UAM 운항 환경을 감안하여 UAM 운항관리 서류 및 비행계획 상호 합의 절차는 간소화가 필요하며, eVTOL 기체 특성을 반영한 교체 버티포트 선정 기준 마련이 필요하다. 또한 도심 내 초단거리 운항 및 비행 안전성 확보를 위한 실시간 항공기 위치 추적과 연료 탑재량 산정 기준을 바탕으로 UAM 특성을 반영한 적정 배터리 용량 산정 등이 필요하다.

표 7. 민항기 통제절차 (이륙 전)

Table 7. Civil aviation control procedures (pre-takeoff)

3-2 회전익항공기

일반적으로 헬기 운송을 의미하는 소형항공운송사업의 비행 실시에 관한 운항관리 및 통제절차는 민항기 통제 절차를 기반으로 일부 간소화해서 진행되며 권한과 책임에 대한 주요 내용은 민항기와 거의 동일하며, 주요 업무와 통제 절차는 아래 표와 같다.

표 8. 회전익항공기 운항관리 주요 업무

Table 8. Key duties of rotary-wing aircraft flight dispatch

표 9. 회전익항공기 통제절차

Table 9. Rotary-wing aircraft control procedures

초기 UAM의 운항은 저밀도 시계비행이 주를 이룰 것으로 예상되며 UAM의 운항 거리 및 속도, 비행환경 등이 지금의 회전익항공기와 유사할 것으로 예상된다. 따라서 장거리 노선의 국제선을 주로 운영하는 민항기의 운항관리 개념 및 통제절차보다는 비교적으로 비슷한 헬기의 운항관리 주요 사항을 초기 저밀도 UAM 운항관리 및 통제 절차에 반영하는 것이 바람직할 것으로 보인다. 회전익항공기가 통제센터의 관리를 거의 받지 않는다는 것과 비행 감시 측면에서 다소 민항기 대비 시스템 및 절차 등이 간소화되어 있기 때문에 이런 부분은 민항기의 운항관리 개념 등과의 접목이 필요할 것으로 보인다.

Ⅳ. UAM 운항 관리

4-1 UAM 통제 업무 절차

초기 저밀도 운항환경에서 UAM 운항 통제의 가장 중요한 부분은 바로 운항의 안전성 확보이다. 이를 위해서는 첫 번째, 주요 이해관계자들의 안정적이고 효율적인 운항통제 업무체계를 구축하여야 할 것이며 두 번째, 기존의 항공기와는 다른 UAM만의 특성을 운항 통제 업무절차에 적극 반영하여 운항의 안전성을 확보하여야 할 것이다.

초기 UAM 운항 단계에서는 각 이해관계자들이 담당하는 업무의 상호 연계성이 높기 때문에 각 이해관계자들의 업무 범위가 명확하지 않을 수도 있다. 하지만 향후 고밀도 운항 환경에서는 고도화된 기체 간 전략적 분리와 운항 모니터링 시스템 등 업무의 다양화와 고도화가 이루어지는 만큼, 초기 저밀도 운항환경에서 다수의 운항을 거치며 주요 이해관계자들 간의 피드백과 운항 데이터 등의 분석을 바탕으로 명확한 업무체계를 구축하여야 할 것이다. 초기 UAM 운항 단계에서 이루어져야 할 UAM 통제 업무절차를 아래의 그림과 같이 제시하였다.

그림 1. UAM 비행계획 단계

Fig. 1. Planning phase of UAM flight

그림 2. UAM 비행 전 단계

Fig. 2. Pre-flight phase of UAM

그림 3. UAM 비행 중 단계

Fig. 3. En-route phase of UAM flight

그림 4. UAM 비행 후 단계

Fig. 4. Post-flight phase of UAM

4-2 UAM 비행감시

비행감시 업무란 항공기가 출발하여 목적공항에 도착할 때까지의 비행 전 과정에 대하여 비행 계획 대비 안전하게 운항하는지 실제 진행 상황을 감시함은 물론 안전하게 목적지에 도착하도록 필요한 조치를 취하고, 비정상 상황이 예상되거나 발생할 경우 신속하게 최적의 대응 방안을 검토하여 그 영향을 최소화하는 업무이다.

UAM의 비행감시 주요 요소로는 운항상태 모니터링, 항공기 및 기내상태 모니터링, 위험상황 및 정보수집 모니터링이 있으며, 가장 중요한 부분은 감시의 실시간성이다. 도심 내 저고도 영역에서 단거리 운항을 위주로 이루어지는 만큼 UAM의 위치 정보, 항공기 세부 데이터(배터리 소모량, 통신상태, 기체/장비 결함 여부 등), 공중 장애물 및 기상상황, 그리고 비상 상황 등 다양한 요소들에 대해 실시간 감시와 대응이 이루어져야 할 것이다.

특히 UAM의 충돌 방지 및 정밀한 비행 감시를 위해서는 수집된 데이터의 실시간 일치 여부 모니터링이 매우 중요할 것으로 보인다. 특히나 자율비행 시대와 복합 상대 항법이 적용되는 고밀도 운항환경에서는 UAM 및 운항사가 수집한 Data의 실시간 일치 여부를 판단하고 Data 지연이 식별될 경우의 대응 절차 등이 포함되어야 할 것으로 보인다. 이는 현재의 민항기 및 회전익 항공기의 비행감시 체계와 가장 큰 차이점이 될 수 있을 것이다.

그림 5. UAM 비행감시 주요 요소

Fig. 5. Key elements of UAM flight watch

Ⅴ. 결론

본 논문에서는 회전익 항공기와 민항기 관련 규정들에 대한 분석을 통해 UAM의 운항에 앞서 연료탑재와 교체비행장 선정, 소음기준적합증명, 그리고 운항감시시스템 규정에서 선제적 개편의 필요성을 파악했으며, 이를 반영한 초기 저밀도 환경에서 UAM의 운항 관리 및 통제절차를 제시하였다.

현재 UAM의 실증사업이 이루어지고 있고 상용화까지 수년이 남아있기 때문에 기존 관련 법과 UAM 특별법 그리고 항공업계에서 활용 중인 시스템 및 업무규정을 토대로 제시하였으나, 향후 실제 운항 데이터가 확보된다면 보다 최적화된 운항 관리 절차를 제시할 수 있을 것으로 판단된다.

본 논문에서 제시한 초기 저밀도 환경에서의 UAM 운항 관리 및 통제절차 개념 수립 방안을 착안하여 추후 시범 운영 및 UAM 대중화에 기여할 수 있을 것으로 기대한다.

UAM 실증사업 및 시범 운용이 이루어지고 나서의 후속 연구에서는 본 논문 내용을 토대로 UAM 회랑, 배터리 탑재 관련 사항 및 이와 연계한 교체비행장 그리고 정밀 항법 기술을 활용한 비행방식 등의 키워드를 주제로 발전시킬 수 있을 것으로 기대한다.