5. 무선 항해 시스템

망망한 바다를 향해하는 선박은 지금은 각종 계기를 이용하여 항해하지만 예전에는 목적지를 찾기 위하여 별자리를 기준으로 자신들의 선박 위치를 확인하며 항해한다 는 것은 일반적으로 많이 알려져 있다. 하늘을 날며 비행하는 항공기의 경우 지상에 목표물이 많은 경우에는 그다지 문제가 없지만, 지상의 목표물을 식별 할 수가 없는 경우에는 어느 한 지점에서 다른 한 지점으로 이동하기 위하여 비행기의 현재 위치, 이동 방위, 시각 등을 알기 위한 항법 장치(avigation System)가 요구된다. 항공기에 서 이용 되고 있는 항법에는 표 5.1에서처럼 지상기준 항법(Ground Reference Navigation), 천측 항법(Celestial Navigation), 무선 항법(Radio Navigation), 자립 항법 (Self Contained Navigation), 위성 항법( Satellite Navigation) 등이 있다. 항공기에는 이 러한 항법 장치 이외에도 통신장치(Communication system), 착륙 및 유도 보조 장치, 자동 비행조정 장치, 자동 착륙 장치 등 아주 여러 형태의 전자 장치들을 탑재하고 있으며, 이러한 모든 계기들을 이용하여 안전하게 항행 할 수 있게 된다. 통신장치에 도 항공기와 비행운항을 지원하는 관제 기관과의 통신인 항공 교통 관제를 위한 통 신, 소속 항공 회사와 운항 관리를 위한 통신, 긴급한 상황 또는 조난 시 이용하는 조난 통신, 긴급 통신 등이 있다. 좀 더 전문적인 내용에 이해하고자 하는 경우에는 전문 서적을 참조하도록 하고 지면의 제약으로 인하여 본 장에서는 장파 (Long Frequency), 단파(High Frequency), 초단파(Very Figh Frequency), 마이크로파 등의 무 선 장치들을 이용한 무선항법 시스템들에 대하여서 중점적으로 다루기로 한다.

항공기에서 주로 사용하고 있는 무선 항법에는 크게 항공기의 위치를 결정하기 위한 무선항법 장치와 속도와 고도 및 항공기의 방향을 지시하여 주는 장치로 아래 와 같이 분류된다.

• 항공기 위치 확인 무선항법 장치 : TACAN, Loran, Omega, VOR, DME 등
• 비행속도 측정 장치 : Doppler 레이더
• 고도 측정 장치 : 레이더 고도계(Radar altimeter) Barometric altimeter
Laser altimeter
• 위성 무선항법 장치 : GPS(Global Positioning System)

 

무선항법 항법 장치 이외에도 항공기에는 항법과 항공기의 이착륙 및 통신에 이 용되는 다양한 무선 기술들이 적용되고 있지만 본 교재에서는 그 범위를 항공기의

항법에 이용되는 무선 장치에 대해서만 다루고자 한다.

 

 

Omega는 전 세계적으로 이용할 수 있는 전천후 무선 항법 장치로써 10.2, 11.05, 11.33, 13.6 KHZ의 초장파(Very-Low-Frequency, VLF)를 이용하며, 한 쌍의 Omega 무 선국 간에 전파 동위상 선으로 구성되는 전파 쌍곡선을 이용하여 항공기의 위치를

 

 

확인하는 항법 시스템이다. 표 5.2에서처럼 미국을 위시하여 전 세계적으로 8개국의 Omega 지상국이 있으며 각 지상국에서는 0.2초 간격으로 0.9초에서 1.2초의 송신 간격을 갖는 신호를 8 펄스에 걸쳐 발신한다. 이러한 신호의 한 주기는 10초 동안이 며 이 신호는 계속 순차적으로 반복하여 발신된다. 각 지상국에서 이 주기의 처음은 정확히 0시에 일치하도록 설정되어 있고, 각 지구국에서 발신하는 펄스는 서로 다른 주기를 갖는 펄스를 발신되도록 규정이 되어 있어 항공기에서는 수신되는 신호로부 터 각 기지국을 식별할 수 있도록 하였으며, 지구상 어느 곳에 위치하여도 최소한 3 개의 지상국으로부터 신호를 수신할 수 있도록 구성하였다. 각 지상국에는 발신하 는 펄스 신호의 혼선을 피하고 발신 신호의 시각 동기를 위하여 정확한 시간 정보 를 주는 1012 sec 정도의 안정도를 갖는 원자시계를 사용하고 있다. 이러한 항법의 유효 거리는 8,000 NM에 달하며 항공기뿐만 아니라 선박, 잠수함 등의 항법에도 이 용되고 있다.

 

 

 

Omega에 이용되는 VLF는 매우 파장이 길어 전파 특성상 전리층(ionosphere)을 투 과하지 못하고 그림 5.1처럼 지구 지표면과 전리층 사이를 도파관에서의 전파 이동 경로처럼 전파 된다. 또한 주파수가 매우 낮아 대기 전달 중 전파 감쇠가 1,000 NM 당 약 2~3 dB로 매우 적어 아주 먼 거리까지 전파가 도달되어 전 세계적인 항법 장 치에 아주 유용하게 이용된다. 그러나 전리층의 특성상 낮에는 고도가 약 60 Km 정 도 이지만 밤에는 약 80 Km로 상승하여 낮과 밤에 따라 전리층이 변하고 또한 지표

 

면이 바다인 경우와 산악 지대인 경우 전파의 이동 거리의 변화에 의하여 전달속도 가 다르기 때문에 낮과 밤, 지역에 따라 측정에 상당한 차이를 보여주고 있다. 낮 시 간에는 1.85 Km~ 3.7 Km, 밤에는 3.7 km ~ 7.4 km 정도의 오차를 나타내고 있다. 또 한 계절에 따라서도 변동하기 때문에 Omega 수신기는 이러한 오차를 보정하는 기능 이 포함되어있다.

 

 

그림 5.2에 도시한 Omega 국에서 일정한 주파수를 갖는 전파를 발신하면 이 전파의 한 파장에 해당하는 거리에 등위상선이 형성되며, 이 등위상선은 매 주기마다 계속 해서 반복하여 발생한다. 그림 5.2에서 Omega 국의 위치에서 측정한 수신기 출력 (“0 신호')과 Omega 수신기에서 측정한 수신기 출력("R 신호)과의 위상차는 0,가 된다. 예로 Omega 국에서 1/4파장 떨어진 지점에서의 거리를 측정 하려면 아래의 관 계식을 이용할 수 있다.

 

항공기의 이동 거리가 한 파장이 되면 위상차는 0으로 돌아가게 되며 이 지점이 1

파장에 해당하는 거리를 이동한 것으로 카운트 한다. 그렇게 하여 카운트 한 수를 n 정수배라고 하면 전체 이동 거리는

이동거리 = nX 파장×(40 - 00)1360°

(5.3)

된다. 이동거리는 Omega 국과 항공기간의 거리 측정에도 같이 적용되므로 이러한 위 측정 방법으로 Omega 발신국과 수신기 사이의 거리를 측정할 수 있게 된다. 항공 기 Omega 수신국도 아주 안정된 주파수 신호원을 가져야 하므로, 수신 장치의 발진 기도 10-8 sec 정도의 고안정 주파수 발진기를 내장하고 있다.

 

 

지금부터는 그림 5.3에서처럼 2개의 Omega 국을 이용한 위치 측정에 대하여 고찰 해 보기로 한다. Omega A 발신국, Omega B 발신국과 항공기 간의 거리 TA , rB 는 위에서 설명한 것과 같은 방법으로 위상 차이를 측정하면 알 수 있다. 이때 항공 기의 위치 P점을 측정할 수가 있는데, P점과 Q점에서는 Omega 발신국으로부터 동일 한 거리에 있으므로 항공기의 위치 확인에 어려움이 있게 된다. 이러한 문제점을 해 결하기 위해서는 최소 3개 이상의 Omega 발신국을 이용하여 항공기의 위치를 측정 하여야 한다. 다른 방법으로는 항공기가 P점에서 Omega국과의 거리 A, B 를 측 정하여 항공기 위치를 초기화 하고 얼마간의 비행 후, A', rB' 를 측정하여 항공 기 위치 P'를 측정하여 항공기 이동 경로를 확인하는 방법이 있다. 이러한 항법은 거 리를 측정하여 항공기의 위치를 확인하는 방법이어서 Pp 방식에 의한 0mega 항법 또는 Ciroular Mode Omega 항법이라고 한다. 오메가 수신기에 안정된 발진기를 사용하지 않고 그림 5.4와 같이 2개의 오메가 국으로부터 거리 차이로 정해지는 한 쌍의 쌍곡선 곡선을 이용하여 항공기 위치를 구하는 방식도 있는데, 이러한 방식을 쌍곡 선 항법(Hyperbolic Navigation)이라 한다.

 

그림 5.3 p-p 방식 (Circular Mode)에 의한 Omega 항법

한 쌍의 Omega A국과 B국이 발신하는 전파의 위상차이가 같아지는 점을 연결한 선을 등위상선 또는 레인(lane)이라 하며, 레인 간의 간격은 두 오메가 국을 연결하는 직선상에서 1/2 파장에 해당하는 거리이다. 그림 5.4에서처럼 등위상선에서의 위상과 항공기가 위치한 지점에서의 위상 차이를 측정하면 현재 항공기가 등위상 선상에서 얼마나 떨어진 위치인지를 측정할 수 있는 위치선 (Line Of Position, LOP)을 구할 수 있다.