Coverage Analysis of VHF Aviation Communication Network for Initial UAM Operations Considering Real Terrain Environments

실제 지형 환경을 고려한 초기 UAM 운용을 위한 VHF 항공통신 커버리지 분석

Abstract

In the initial stages of urban air mobility (UAM) operations, compliance with existing visual flight rules and instrument flight regulations for conventional human-crewed aircraft is crucial. Additionally, voice communication between the on board pilot and relevant UAM stakeholders, including vertiports, is essential. Consequently, very high frequency (VHF) aviation voice communication must be consistently provided throughout all phases of UAM operations. This paper presents the results of the VHF communication coverage analysis for the initial UAM demonstration areas, encompassing the Hangang River and Incheon Ara-Canal corridors, as well as potential vertiport candidate locations. By considering the influence of terrain and buildings through the utilization of a digital surface model (DSM), communication quality prediction results are obtained for the analysis areas. The three-dimensional coverage analysis results indicate that stable coverage can be achieved within altitude corridors ranging from 300 m to 600 m. However, there are shaded areas in the low-altitude vertiport regions due to the impact of high-rise buildings. Therefore, additional research to ensure stable coverage around vertiports in the lower altitude areas is required.

초기 도심항공 모빌리티 (UAM ; urban air mobility) 운용 과정에서는 기존 유인항공기를 위한 시계 및 계기 비행 규정을 필수적으로 준수해야하고, 기체에 탑승한 조종자와 버티포트 등 UAM 이해당사자 간 통신에서도 음성 통신이 활용되어야 하므로, UAM 운항 전 구간에서 필수적으로 VHF (very high frequency) 항공이동통신이 안정적으로 제공되어야 한다. 본 논문에서는 초기 UAM 실증 구간으로 고려 중인 한강과 인천 아라뱃길 회랑 영역과 주요 버티포트 후보지에 대한 VHF 통신 커버리지 분석 결과를 모의실험을 통해 도출하였다. 해당 영역에 대한 정밀 수치표면모델 (digital surface model) 기반의 지형 및 건물 데이터를 구축하였고, 이의 영향을 고려한 통신 품질 예측 모의실험을 실시하였다. 분석 영역에 대한 3차원 커버리지 분석 결과 300 m ~ 600 m 구간의 회랑 구간의 경우 안정적인 커버리지 확보가 가능하지만, 버티포트 주변 영역의 경우 건물 등의 영향으로 저고도 영역에서 음영지역이 일부 있어 버티포트 주변의 안정적 커버리지 확보 대책이 필요함을 확인하였다.

Ⅰ. 서론

공중 영역을 운항하는 유인 항공기가 안전을 확보하며 운항하기 위하여 오랜 시간 동안에 걸쳐 표준화된 비행 절차, 항공교통관제 (ATC; air traffic control) 절차가 확립되었다. 이를 위한 항법, 감시, 통신 시설을 포함한 다양한 항행 안전시설이 설치되어 운용되고 있고, 항공기 기체에도 장비들이 탑재되어 있다. 기본적으로 유인 항공기는 운항 전 과정에 걸쳐 각 관제 구역을 담당하는 관제사의 교통관제에 따라 운항한다.

최근 무인기 (UAV; unmanned air vehicle) 와 도심항공모빌리티 (UAM; urban air mobility) 등 공중 영역을 활용한 새로운 이동체를 유인 항공기의 공역에서 안전을 보장하면서 운항하기 위한 교통관리시스템의 개발 필요성이 대두되어 활발한 연구 개발 활동이 진행 중이다. 150 m 이하의 저고도 영역에서의 무인기에 대한 자동 교통관리 서비스를 위한 무인비행장치 교통관리 (UTM; unmanned aircraft system traffic management) 시스템이 개발 중이다 [1]. UTM에서는 각 UAV의 실시간 위치를 파악하여 유인 항공기의 운항에 위험이 있을 수 있는 공역은 모두 비행 금지구역으로 정하여 무인기가 해당 영역에 접근하지 못하도록 하므로 원칙적으로 ATC 관제탑과 통신이 필요하지 않다.

최근 UAM에 대해 세계의 다양한 기업, 연구기관과 정부에서 관련 연구와 실증 활동이 이루어지고 있다. 미국 FAA, 유럽, 우리나라의 운용개념(ConOps) 문서 [2]-[4] 에서는 공통적으로 UAM 초기 운용과정에서는 조종사가 기체에 탑승하여 기존 유인항공기의 시계비행, 계기비행 절차에 준하여 운용하는 것을 고려하고 있다. 이를 위해서는 UAM의 이륙-순항-착륙의 운항전 구간에서 비상 관제를 위한 ATC 타워와의 항공음성통신 링크가 확보되어야 하고, UAM 운항자, 교통관리서비스제공자, 버트포트와도 양방향 무선통신 수단이 확보되어야 한다.

UAM이 운항하는 고도 300 m ~ 600 m 회랑 영역과 버티포트 진출입 영역, 버티포트 주변 영역은 기존 유인항공기에 대한 직접적인 교통 관제업무가 제공되는 공항 주위의 B 등급, C 등급 공역과 시계비행 항공기에 대해서는 비행정보만 제공되는 E등급, G등급 공역이 혼재하는 상황이다. 따라서 기존 유인 항공기가 빈번하게 운항되는 기존 항로와 달리 초단파 (VHF ; very high frequency) 항공음성통신 커버리지가 안정적으로 확보될 수 있는지 불분명하고, 저고도 영역에서의 건물/산 등의 영향으로 인한 음영지역 발생 가능성을 확인할 필요가 있다.

본 논문에서는 수도권 초기 UAM 실증 구간으로 고려중인 한강 주변 및 인천 아라뱃길 영역과 주요 버티포트 후보지에 대한 VHF 통신 커버리지 분석 결과를 모의실험을 통해 도출하였다. 정밀 수치표면모델 (DSM ; digital surface model)을 기반으로 지형정보 및 건물 등의 영향을 고려한 모의실험을 실시하였다. 김포공항과 서울공항 VHF 타워를 기준으로 실증영역에 대한 3차원 커버리지 예측 결과를 도출한 결과 회랑 구간에서는 안정적인 통신 커버리지 확보가 가능함을 확인하였다. 하지만 일부 버티포트 후보지에 대해서는 저고도 영역에서 건물 등의 영향에 의한 음영지역이 일부 있어 버티포트 주변의 안정적 커버리지 확보를 위한 대책이 필요함을 확인하였다.

Ⅱ. 초기 UAM 운용 상황을 고려한 VHF 항공 음성통신 커버리지 분석 시나리오

2-1 배경

표 1은 K-UAM 단계별 발전에 따른 주요 지표이다 [4]. UAM 초기 운용 단계에서는 UAM 운항을 위한 법․제도가 확립되지 않은 상황으로, 주변 건물 등과의 안전 확보, 소음 등의 사회 수용성 확보 등 여러 이유로 UAM은 엄격한 비행경로 관리가 필요하다. 따라서 초기에는 기존 헬리콥터를 위한 시계 비행로 등을 활용한 고정형 회랑 형태로 운항 구간을 제한하고, 조종사가 탑승하여 기존 유인 항공기를 위한 비행규칙을 준수하며 운항할 것으로 예상된다.

표 1. K-UAM 발전 단계별 주요 특징 [4]

Table 1. Key Indicators of K-UAM evolution [4].

그림1은 국토교통부에서 2025년까지 계획중인 수도권 UAM 실증노선과 버티포트 후보지이다 [5]. 해당 영역 주변에는 B등급 공역에 해당하는 김포공항과 D 등급 공역에 해당하는 서울공항이 있다. 김포공항 주변 영역의 경우 그림에 원으로 표시한 것과 같이 1000 ft 아래는 5 NM, 5000 ft 아래는 10 NM 영역이 공항 ATC 타워의 항공교통관제를 받아야 하는 영역이고, 잠실과 수서 주변 영역도 서울공항의 관제권 내에 있다. 따라서 UAM기체에 탑승한 조종사와 ATC 타워 간 수시로 항공음성통신을 이용한 소통이 필요하고, 관제권역이 아닌 영역에서도 비상 통신을 위한 VHF 통신 링크가 전체 운항 구간에서 안정적으로 확보되어야 한다. 표1에 따르면 통신 수단으로 4G, 5G 등의 상용 이동통신망도 고려하고 있으나, 운항과정에서 버티포트, UAM 운항자, UAM 교통관리서비스제공자와 조종사 사이에서도 항공음성통신을 이용한 통신이 필요할 것으로 예상된다.

그림 1. UAM 수도권 실증노선 [5]

Fig. 1. UAM Metropolitan Area Demonstration Routes [5].

2-2 VHF 항공음성통신 커버리지 분석 시나리오

항공음성통신에 사용될 항공정보통신시설은 단거리이동통신시설 (VHF/UHF Radio)로, 관제탑에는 45 km (25 NM) 거리 내의 항공기와 양방향 통신을 할 수 있도록 공지통신시설을 구비해야한다[6]. 이를 참고하여, 본 논문에서는 서울공항 관제공역 내에 있는 잠실-수서역 구간은 서울공항의 VHF 타워로 설정하고, 나머지 영역은 UAM 회랑에서의 45 km의 거리 내에 있는 김포공항의 안테나를 송수신 안테나로 설정하여 모의 실험하였다. 각 공항의 VHF 안테나의 위치는 활주로 근처로 설정하고, 각 공항에 할당된 VHF 주파수를 이용하여 모의실험을 진행한다. UAM 기체와 버티포트 등 이해관계자와의 통신을 위한 VHF 통신도 공항의 VHF 타워를 이용하는 것으로 가정하였고, VHF 주파수는 기존 유인 항공기 관제용 주파수를 제외한 추가 할당이 필요하나, 아직 정해지지 않았으므로 각 공항별로 할당된 VHF 주파수와 동일한 주파수를 기준으로 하였다.

통신 커버리지 모의실험을 위한 UAM 회랑 영역은 그림1의 실증노선 중 한강 영역과 아라뱃길 영역 중 일부로 그림2와 같이 각 체크포인트를 연결하는 직선들의 연결선으로 설정하였다. 그림의 각 체크포인트는 표 2와 3에 명시하였다. 회랑의 폭은 헬리콥터 회랑에서 비행로 중심 좌우 500 m까지는 시계비행로 상의 비행으로 간주하는 규정 [7]을 참고하여 체크포인트 좌우로 500 m씩 총 1 km로 가정하고, 고도는 300 m ~ 600 m 사이로 설정하였다.

그림 2. (A) 한강 회랑 모의실험 영역, (B) 아라뱃길 회랑 모의실험 영역

Fig. 2. (A) Simulation area of Hangang corridor, (B) Simulation area of Ara-Canal corridor.

표 2. 한강 회랑의 체크포인트 지점

Table 2. Check points of Hangang corridor

표 3. 아라뱃길 회랑의 체크포인트 지점

Table 3. Check points of Ara-Canal corridor.

UAM 운항 고도의 회랑 영역에서의 항공음성통신망 커버리지 분석에 더하여 이착륙과정에서 통과 가능한 영역에 대한 커버리지 분석도 필요하다. 그림 1의 실증 노선에 해당하는 김포 공항을 제외한 6개의 버티포트에 대해 분석하였다. [8]의 시계 비행 버티포트의 접근 및 출발 도면을 참조하여0 m ~ 300 m 고도, 버티포트 중심에서 1.2 km 반경에서 항공음성통신망 커버리지 성능을 분석하였다.

Ⅲ. 항공음성통신 커버리지 분석 모의실험 방법

3-1 실제 지형환경을 고려한 전파감쇠 예측 방법

실제 지형 및 고도 등을 수치화하여 데이터로 나타낸 모델은 DEM (digital elevation model)과 DSM 으로 나누어진다. DEM은 지형데이터에서 건물을 제외한 지형의 고저 정보를 포함하지만, DSM은 지면뿐만 아니라 건물 등 인공 구조물을 포함한 고도 정보까지 반영한다. 정확한 고정밀 DSM 정보는 항공 라이다 촬영 등을 활용하여 생성 가능하지만 일반 대중에게 공개된 정보를 얻기 어려우므로, 본 논문에서는 OSM (open street map) [9]의 건물 정보를 이용하여 DEM에 건물 고도를 더하는 방식으로 직접 DSM 데이터를 생성하여 모의실험에 활용하였다. OSM 홈페이지는 사용자들이 기여하는 오픈 소스 지도 데이터베이스로, 길, 건물, 지형, 장소 등의 지리적 정보를 포함한다. 그림 3은 이와 같은 방법으로 직접 생성한 한강 회랑 주변 10 m 해상도의 DSM 예이다. 주요 건물들이 지형의 고저와 함께 반영되어 있음을 확인할 수 있다.

그림 3. OSM[13] 지형데이터와 DEM을 결합하여 생성한 한강 회랑 주변 DSM 생성 예

Fig. 3. DSM example of Hangang corridor area generated by combining DEM and geographical information obtained at OSM website [9].

위 지형정보를 고려하여 항공음성통신 커버리지 분석을 시행하는 영역은 그림 4와 같이 회랑 구간에 속하는 영역에서 가로 세로 10 m 간격으로 300 m ~ 600 m 사이에서 고도 100 m 간격으로 격자 형태로 정하였다. VHF 항공음성통신의 경우 DSB-AM 변조 무선신호 (A3E 전파)로 오디오 신호를 제공한다. 항공음성통신의 성능평가 방식은 [10]과 같이 MOS (mean opinion score)를 이용하여 대상자들의 주관적인 평가를 반영하여 통신 품질을 평가하지만, 본 논문에서는 수신 신호대 잡음비 (SNR ; signal to noise ratio) 값을 기준으로 통신 커버리지 확보 여부를 평가한다. 구체적인 SNR 값의 문턱치(threshold) 설정 방법은 3-2에서 구체적으로 설명한다.

그림 4. 한강 회랑에 해당하는 모의실험 격자점들

Fig. 4 Simulation grid points corresponding to Hangang corridor.

지형환경을 고려한 경로 감쇠 (pathloss) 추정은 송수신기 사이의 지형 단면 형태를 바탕으로 적절한 전파 감쇠 모형을 적용하여 경로 감쇠 값을 추정하는 TIREM (terrain integrated rough earth model) 모델 [11]을 이용하였다. 구체적으로 송신기와 각 격자점 사이의 단면 고도를 지구 곡면을 고려한 보간법을 통해 추출하고, 장애물 여부에 따른 적절한 전파 감쇠 추정 모형을 적용하여 경로 감쇠 값을 추정한다. 이를 바탕으로 전체 모의실험 격자점에 대한 SNR 값을 산출한다.

3-2 모의실험 파라미터의 결정

표4는 주요 모의실험 파라미터이다. VHF 주파수는 각 공항의 타워 관제 주파수로, 대역폭은 15 kHz로 설정하였다. 지상시설 송신 전력은 [12]를 참고하여 50 W로 설정하였다. VHF 수신기 요구되는 최소 수신 요구 성능은 국토교통부 항공정보통신시설의 설치 및 기술기준 [6]에서 항공기 탑재시설을 기준으로 수신기의 감도를 15 dB이상의 희망/불요 비를 요구한 것을 기준으로 음성통신 성능 확보를 위한 SNR 값은 최소 15 dB의 SNR 값으로 정하였다. 구현 마진, 운항 과정에서 기체 방향에 따라 발생하는 쉐도잉 등의 모든 성능저하 요소에 따른 마진을 15 dB 추가로 고려하여 최종적으로 SNR 값이 30 dB 이하인 분석 영역을 VHF 통신 성능 저하 가능성이 있는 영역으로 판단하였다.

표 4. 모의실험 파라미터

Table 4. Simulation parameters.

Ⅳ. 실제 지형환경을 고려한 항공음성통신 커버리지 모의실험 분석 결과

4-1 회랑에서의 UAM 항공음성통신 성능 분석

표4의 모의 실험 파라미터를 사용하여 그림 4의 한강 회랑 내의 모든 격자점에 대해 300 m ~ 600 m에서 100 m 간격으로 고도별 SNR 분포를 모의실험하였다. 그림 5는 DSM을 고려한 실제 지형 위에 한강 회랑의 고도별 SNR 분포를 나타낸 그림이고, 그림 6은 각 고도별 SNR 값의 누적 확률분포 함수 (CDF; cumulative distribution function) 그림이다. 저고도인 300m에서는 왼쪽 부분에서 건물의 영향으로 추가적인 경로감쇠가 일어나 SNR 성능 저하가 관찰 되지만, 고도가 올라감에 따라 지형의 영향을 받지않아 주변과 동일한 SNR 분포를 갖는 것을 볼 수 있다. 전체 고도에서 최소 SNR 문턱치인 30 dB 이하인 확률은 0%로 나타났다.

그림 5. 한강 회랑에서의 고도별 SNR 분포

Fig. 5. SNR distribution for Hangang corridor.

그림 6. 한강 회랑의 고도별 SNR CDF 분포

Fig. 6. SNR CDF of distrubution of Hangang Riv’s corridor by Altitude.

아라뱃길 회랑 내의 모든 격자점에 대해서도 SNR을 고도별로 분석하였다. 그림 7의 첫 번째 그림은 아라뱃길의 회랑에 대해 90 m 해상도를 가진 DEM을 활용한 SNR 분포를 나타내고. 두 번째는 10 m 해상도를 가진 DSM에 대한 SNR 분포를 나타낸 그림이다. 한강 회랑과 비교하여 분석한 결과, 한강 회랑과 안테나 간의 최대 거리가 약 12.4 km이고 아라뱃길 회랑은 20.55 km로 경로 감쇠의 영향으로 인해 한강 회랑보다 낮은 SNR 분포를 가진다. DSM과 DEM에 대한 SNR 분포를 비교했을 때, 안테나와 아라뱃길 회랑 사이에 위치한 고층 건물들의 영향으로 DSM을 활용한 분석 결과에서 왼쪽 하단 부 지역에 SNR 분포가 낮은 영역이 더욱 뚜렷하게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 그림 8은 아라뱃길 회랑의 고도별 SNR CDF 분포를 나타낸 그림이다. 건물과 지형의 영향으로 SNR 분포가 낮은 부분이 존재하고, 고도가 올라감에 따라 그 영향이 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 아라뱃길 회랑도 전체 분석 영역에서 모두 최소 SNR 문턱치 30 dB 이상의 CDF 값을 갖는 것을 확인할 수 있었다.

그림 7. 아라뱃길 회랑의 SNR 분포 (300 m)

Fig. 7. SNR distribution for Ara-Canal corridor at 300 m.

그림 8. 아라뱃길 회랑의 고도별 SNR CDF 분포

Fig. 8. SNR CDF distribution of Ara Canal’s corridor by Alititude.

4-2 버티포트에서의 UAM 항공음성통신 성능 분석

버티포트 분석은 그림 1의 실증노선을 참고하여 김포 공항 안테나에 대해 4개의 버티포트(김포공항 제외)와 서울 공항 안테나에 대한 2개의 버티포트 주변 커버리지를 분석하였다. 그림 9는 6개의 버티포트 후보지 영역에 대해 절대고도 50 m ~ 300 m 사이의 영역을 50 m 간격으로 분석한 SNR CDF 분포 분석 결과이다. 회랑 영역과 달리 지형과 건물의 영향으로 고도 50 m 저고도 영역에서는 SNR 값이 30 dB 문턱치를 넘지 못하는 영역이 상당 비율 존재함을 확인할 수 있었다. 특히 드론 센터(V1)의 경우 김포공항과의 사이에 있는 계양산과 청라신도시의 영향으로 고도 50 m에서 최소 SNR 문턱치인 30 dB이하인 음영지역이 상당 비율 발생함을 볼 수 있고, 여의도 공원 (V4), 잠실 헬기장 (V6)의 경우 근처 높은 건물의 영향으로 150 m 이상 까지도 음영 지역이 발생함을 확인 할 수 있었다. 표 5는 각 버티포트 지역에서의 고도별 음영지역 비율을 정리한 것이다. 여의도 공원 (V4) 영역이 음영지역 비율이 가장 높은 것을 관찰할 수 있다. 그림 10은 여의도 공원(V4) 버티포트 주변 지역의 DSM 및 100 m에서의 SNR 분포를 나타낸 그림이다. 김포공항 안테나와 버티포트 사이에서 높은 건물의 영향이 반영되어 건물 뒤쪽 영역에서 SNR 성능 저하가 나타남을 확인할 수 있다. 이를 통해 판단해보면 버티포트 주변에서 VHF 통신을 하기 위해서는 버티포트별로 별도 VHF 채널을 할당 받아 운용하거나, 지상과 가까운 영역의 경우에는 4G, 5G 이동통신 커버리지 이내이므로 상용 이동통신과의 이중화 등의 대책 연구가 필요할 것으로 보인다.

그림 9. 버티포트 영역의 고도별 SNR CDF 분포

Fig. 9. SNR CDF distributions of vertiport areas by altitudes.

표 5. 버티포트 주변 지역의 고도별 음영지역 비율

Table 5. SNR Outage ratio for vertiport areas by Altitudes.

그림 10. 버티포트 (V4) DSM 및 SNR 분포 (100 m)

Fig. 10. DSM of vertiport (V4) area and SNR distribution (100 m)

Ⅳ. 결론

본 논문에서는 수도권 UAM 실증 구간으로 유력한 한강과 아라뱃길 영역과 주요 버티포트 후보지에 대해 실제 지형환경을 고려하여 VHF 항공음성통신 커버리지를 분석하였다. 모의 실험 결과, 회랑 영역에서는 항공음성통신 성능은 문제가 없으나, 버티포트 주변 저고도 영역에서는 음영지역이 상당 부분 존재할 수 있음을 확인하였다. UAM 실증 전에 넓은 영역에 대한 실제 측정 없이도 모의 실험을 통해 실제 지형 환경을 반영한 VHF 통신 커버리지 분석을 최초로 하였다는 점에서 의미가 있다고 판단된다. 버티포트 주변의 저 고도 영역에서도 ATC 타워와의 비상통신, 버티포트 관리자와 UAM 기체 조종사 간의 긴급 통신 등을 위해 음성 통신 커버리지 확보가 필수적으로 필요하므로, 이의 보완을 위한 추가 연구가 필요하다고 판단된다.