007 - 항법기술의 발달01(Visual, Dead Recorning, Radio, Inertia, Doppler Radar)

 초기의 항공기 조종사들은 지도와 지형지물을 참고하며 시각적 항법(Visual Navigation)에 의존하여 비행하였다.  
 이후 지상국이 송신하는 전파를 수신하여 항공기의 방향을 탐지할 수 있는 ADF(Automatic Direction Finder) 장비가 개발되면서 항법의 정확도와 효율성이 크게 향상되었다. 
 이후 조종사의 항법 능력을 보조하고 비행 안전성을 높이기 위해 VOR(VHF Omnidirectional Range), DME(Distance Measuring Equipment) 등 다양한 항법장비가 개발·탑재되었으며, 나아가 지상 전파시설의 의존 없이 항공기 자체적으로 위치를 산출할 수 있는 Doppler Radar와 관성항법장치(INS: Inertial Navigation System)가 등장하였다. 
 현재는 GNSS(Global Navigation Satellite System)의 보급으로 항법의 편의성과 정밀도가 획기적으로 향상되었지만, GPS Jamming이나 Signal Spoofing 등 위성 의존 항법의 취약점 또한 존재한다. 이에 따라 현대 항공기는 단일 항법수단에 의존하기보다는, 각 항법센서의 장단점을 상호 보완하여 위치 정확도와 신뢰성을 극대화하는 Integrated Navigation Solution(융합항법해) 방식으로 발전하였다. 
 여기에서는 항법(Navigation)의 개념과 정의를 살펴보고, 항공기 항법체계의 발전 과정을 단계별로 고찰한다. 또한 각 항법 방식의 위치결정 원리와 정확도, 그리고 장단점을 비교·분석함으로써, 현대 비행에서 운용되고 있는 융합항법(Integrated Navigation System)의 개념과 그 올바른 활용 방법에 대해 이해하고자 한다. 

 
 ◈ 1. 항법(Positioning)의 기본 개념 

   - 항법의 정의와 분류 
      • 항법(Navigation)의 세 가지 구성요소: Position, Velocity, Time(PVT) 
      • 항법의 목적: 위치 결정(Position fixing), 진로 유지, ETA 산출 
      • 항법의 분류: Dead Reckoning, Radio Navigation, Satellite Navigation 
   - 위치결정(Position Fix)의 기본 원리 
      • 교차방위법(Bearing intersection) 
      • 거리 측정 기반(Distance measuring) 
      • 속도 및 시간 기반(Position update by velocity and time) 
 
◈ 2. 시각적·추측 항법(Pre-Radio Era) 
   - Visual Navigation (지문항법) 
      • 지형, 해안선, 도시 등 지표 참조 항법 
      • 기상 의존성 및 오차 요인 
   - Dead Reckoning (추측항법, DR) 
      • 속도 × 시간 × 방위 = 이동 거리 
      • 풍향·풍속에 의한 오차 누적의 문제 
      • 초기 항공기용 자이로, 자기 나침반 사용 

 

◈ 3. 전파항법(Radio Navigation Era) 
   - NDB/ADF (Non-Directional Beacon) 
      • 지상국에서 송신되는 저주파 비콘 신호를 ADF로 탐지 
      • 방위(Bearing)만 제공 
      • 낮은 정확도, 전리층 영향 
   - VOR (VHF Omnidirectional Range) 
      • 위상차 원리를 이용한 360도 방위 정보 
      • Line-of-Sight 한계 존재 
      • 항로구성의 표준화 (Airways system 구축) 
   - DME (Distance Measuring Equipment) 
      • 펄스 왕복시간으로 거리 산출 
      • VOR과 조합하여 VOR/DME station 기반 위치결정 가능 

 

◈ 4. 관성항법(Inertial Navigation System) 
   - INS(관성항법장치)의 원리 
      • 가속도계·자이로를 이용하여 속도 및 위치 적분 
      • 외부 신호 불필요 (자체항법) 
      • 드리프트오차 누적 
   - 관성항법의 실전 운용 
      • 초기 군용(1960~70년대) → 민항기 도입(B747 Classic) 
      • IRS(관성 기준장치)로 발전 
 
◈ 5. 도플러 항법(Doppler Radar Navigation) 
   - 원리 
      • 지면 반사파의 주파수 변화량으로 속도 및 Drift 각 측정 
      • Dead Reckoning 보정용으로 활용 
      • 보정을 위한 방법 : Stored Update, Anticipated Update, Unanticipated Update 
   - 운용사례 
      • 해양/극지 비행 시 INS 보조 
      • 군용/해상 헬기에서의 저고도 항법 
 
◈ 6. 위성항법(Satellite Navigation) 
   - GPS(Global Positioning System) 
      • 24기 위성, 3차원 위치 및 시각정보 제공 
      • 정확도, 지속성, 보정시스템 (WAAS, EGNOS) 
      • RAIM(Receiver Autonomous Integrity Monitoring) 개념 
   - GNSS 통합 
      • GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou 통합 수신기 
      • 항공용 SBAS, GBAS의 개념 
 
◈ 7. 통합항법(Integrated Navigation) 
   - INS/GPS Hybrid System 
      • INS의 단기정확성과 GPS의 장기정확성을 결합 
      • Kalman Filter 기반 융합(Fusion) 알고리즘 

   - 현대 항공기 적용 
      • FMS(Fight Management System) 내부 통합항법 
      • RNAV / RNP 절차 지원 
      • FAA AC 90-105A (RNP Operations) 
      • Airbus/Boeing FMS Architecture Guide 
 
◈ 8. 미래 항법 기술 (Future of Positioning) 
   - 비위성항법 대안 
      • Vision-Based Navigation(*획득되는 영상을 기반으로 위치를 계산) 
      • Quantum Gyro / Cold Atom INS(기존의 RING LASER GYRO의 정확도를 개선 장시간 GPS보정 불필요) 
      • 6G PNT(Position, Navigation, Timing) 기술(테라헤르츠대역 와 밀리미터파를 이용해서 센티미터 단위의 위치정확도 제공) 
   - 위성교란(GNSS Jamming/Spoofing)에 대한 대비 
      • Resilient Navigation (다중센서 융합) 
 
◈ 요약

 
◈ 관련 근거: 
• FAA Pilot’s Handbook of Aeronautical Knowledge, Chapter 16 
• ICAO Annex 10 Vol. I (Aeronautical Telecommunications) 
• ICAO Annex 10 Vol. I, Chapter 3 
• FAA AIM Chapter 1, Section 1-2 (VOR, DME) 
• Honeywell INS Operation Manual 
• FAA AC 25-15A: “Inertial Navigation Systems Approval Guidance” 
• NASA Technical Note D-2724 (Doppler Radar Navigation Systems) 
• ICAO Annex 10 Vol. I, Chapter 3.7 
• FAA Advisory Circular 90-100A (GPS RNAV Operations) 
• ICAO Future Air Navigation System (FANS) Roadmap 
• U.S. DOT PNT Resilience Strategy 2021