4차원 궤적기반운영 항공교통관제 시뮬레이션을 위한 항공기 궤적 모델 연구 :A Study on the Aircraft Trajectory Model for Air Traffic Control Simulation with 4D Trajectory Based Operation

정현태

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자료유형: 학위논문

저자정보: 정현태 (한국항공대학교, 한국항공대학교 대학원)

지도교수: 이금진

발행연도: 2017

저작권: 한국항공대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (3)

2017

4차원 궤적기반운영 항공교통관제 시뮬레이션을 위한 항공기 궤적 모델 연구

정현태 항공교통물류학과 2017.01 학위논문

항공교통관제 시뮬레이션을 위한 항공기 4D 궤적모델 개발

정현태 , 이금진 한국항행학회논문지 2017.01 학술저널

2016

항공교통관제 시뮬레이션을 위한 항공기 궤적모형 개발

정현태 , 이금진 한국항공우주학회 학술발표회 초록집 2016.11 학술대회자료

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매년 가파르게 증가하는 항공교통량을 수용하고, 공역과 공항의 효용성을 극대화하기 위하여 다양한 항공교통관리(Air Traffic Management) 기법이 연구되었다. 이러한 최신 항공교통관리 기법을 실제 운항 환경에 적용하기 전, 해당 개념의 안전성, 효율성과 신뢰성 검증이 필요하며, 이 과정에서 항공교통관제 시뮬레이션이 널리 이용된다. 특히 최근 기존 항공교통시스템에 대혁신을 불러일으킬 것으로 기대되는 4차원 궤적기반운영(4D TBO: Trajectory Based Operation)이 일부 국가에서는 시범 운영되고 있으며, 2030년 이전까지 TBO 체계로의 완전한 전환이 예고되었다. 따라서 미래 항공교통 환경을 구현하기 위한 시뮬레이터는 기존 운항체계 뿐만 아니라 TBO를 지원하여야 한다.
본 논문에서는 이러한 TBO를 지원하는 4차원 궤적 모형을 제시하고, 입력된 비행계획을 바탕으로 참조 궤적을 생성하고 이 궤적정보를 기반으로 항공기 운동을 나타내는 시뮬레이션 모델을 제안한다. 4차원 궤적은 BADA에서 제공하는 항공기 성능 계수와 Gamma-Command Model 및 3차 베지에 스플라인을 활용하여 모델링하였으며, 이 궤적을 기반으로 CTA(Controlled Time of Arrival) 및 속도를 이용하는 항공기 유도(Guidance) 및 제어 과정을 제안한다. 그리고 인천-제주 노선을 운항하는 항공기에 대해 참조 궤적과 정적 및 동적 유도 방식을 적용한 시뮬레이션 결과를 비교 및 분석하였다. 그 후, 실제 운항 경로와 시뮬레이션 결과 궤적 간 차이를 최소화하는 시뮬레이션 검증 및 보정에 대한 아이디어를 제시하였다.
본 연구에서 개발한 4차원 궤적 모형 및 시뮬레이션은 TBO와 비TBO 운항을 모두 지원하며, 비행계획과 레이더 히스토리를 이용하여 참조 궤적을 생성할 수 있으며, 다양한 항공기 기동을 모사할 수 있는 장점을 갖는다. 향후 연구로써 검증 및 보정 과정을 거친 시뮬레이터 모델은 다양한 항공교통관리 분야 연구에서 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

To accommodate growing air traffic demand and maximize utilization of airspace and airport, various next generation ATM(Air Traffic Management) concepts are being introduced. In prior to integrate such concepts into the real operational environment, its effectiveness, efficiency and reliability must be validated. Simulation is one of methods for assessing and analyzing such technologies in simulated but realistic air traffic environment. Especially, the concept of 4D TBO (Trajectory Based Operation), expected to revolutionize air traffic control system, is under test operation in several countries and planned to be fully deployed before 2030. Thus to embody future air traffic environment, the simulation should be compatible with not only conventional operation but also trajectory based operation.
The 4-dimension trajectory model and air traffic control simulation suitable to emulate 4D trajectory environment is introduced in this paper. Based on aircraft performance parameter based on Eurocontrol BADA(Base of Aircraft Data), the 4D trajectory is defined as the C1 continuous cubic Bezier spline. Each curve consisting the spline is generated from waypoints with constraints such as altitude, airspeed and climb/descent rate corresponding to each waypoint. The generated 4D trajectory is validated to be feasible with aircraft performance parameters provided by BADA, and defined as reference trajectory.
Then, the Gamma-Command Model is used as the aircraft dynamics model in the simulation. Although, there are some other models that simulate the microscopic movement of an aircraft, but the proposed model is considered as more suitable for air traffic control simulator because of its low complexity. Each aircraft is being controlled to follow defined 4D trajectory with proportional control, and three different aircraft guidance and control modes are introduced: dynamic, static and manual mode. In dynamic mode, aircraft is controlled to follow the trajectory with given CTA(Controlled Time of Arrival), while in static mode, aircrafts follows airspeed defined within the reference trajectory. These guidance options show differences in speed or thrust when the intervention on trajectory by various external factors such as wind or ATC vector occurs. The comparison and detailed analysis between generated 4D reference trajectory from Incheon airport to Jeju airport and the result of simulation with dynamic and static guidance mode is presented.
Finally, the ideas about validation and calibration process of simulation to minimize the difference between the flight trajectory generated from simulation and real radar track history are proposed. The calibration process is consisted of two different sub-modules: optimization in reference trajectory generation process, bezier curve fitting from radar track history, With this work, the simulation is expected to be flexible so that both TBO and non TBO flight are compatible, and realistic to be used in various of ATM researches.

#항공교통관제 #시뮬레이션 #궤적모델링 #궤적기반운영 #Air Traffic Control Simulation #4D Trajectory Based Operation

제1장 서론 1
1.1 연구 배경 및 목적 1
1.2 문헌 고찰 2
제2장 4차원 궤적 모형(4D Trajectory) 4
2.1 4차원 궤적기반운영(4D TBO) 개요 4
2.2 4차원 궤적 정의 5
2.3 Eurocontrol BADA(Base of Aircraft Data) 7
2.3.1 운항 성능 모델(OPM) 7
2.3.2 항공사 절차 모델(APM) 11
2.4 4차원 참조궤적 모델링 15
2.4.1 베지에 곡선 및 스플라인 15
2.4.2 베지에 곡선을 이용한 세그먼트 모델 17
2.4.3 4차원 참조궤적 모델링 예시 21
2.5 항공기 운동 모델(Aircraft Dynamic) 25
제3장 항공교통관제 시뮬레이터 28
3.1 시뮬레이터 개요 28
3.2 참조 궤적 생성 과정 32
3.2.1 제한 조건(Constraint) 배정 및 프로파일 적용 단계 32
3.2.2 4차원 궤적 생성 단계 36
3.2.3 4차원 궤적 검증 단계 37
3.3 항공기 유도 및 제어 과정 41
3.3.1 정적 유도 방식(Static Guidance Mode) 43
3.3.2 동적 유도 방식(Dynamic Guidance Mode) 44
3.3.3 수동 유도 방식(Manual Guidance Mode) 46
3.3.4 항공기 제어 47
3.4 사용자 인터페이스(Graphic User Interface) 48
제4장 시뮬레이션 결과 53
4.1 대상 항공기 및 공역 53
4.2 결과 및 분석 53
제5장 항공기 궤적 최적화 58
5.1 시뮬레이션 최적화 개요 58
5.2 참조 궤적 최적화 59
5.3 궤적 파라미터화 및 Curve Fitting 60
제6장 결론 및 향후연구 63
참고문헌 65
SUMMARY 70

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