UAM 비행항로 예측 및 우발상황 조치에 관한 연구: 수도권 비행을 중심으로

2020년 세계 최대 IT·가전 박람회인 CES에서 다수의 언론사 헤드라인을 장식한 제품 중 하나는 미래 도시의 하늘길을 누비게 될 항공택시 (air taxi)의 컨셉 모델(concept model)이었다. 전기화, 자율주행, 공유경제로 촉발된 지상에서의 모빌리티 혁명이 이제는 하늘로 이륙하고 있다. 도심항공모빌리티(urban air mobility, UAM)라는 3차원 공중 교통시스템은 도시의 교통문제를 근본적으로 해결할 새로운 대안으로 떠오르고 있다.¹⁾

전 세계적으로 차세대 교통수단으로 도심항공모빌리티(UAM)가 개발되고 있으며, 우리나라도 UAM 실증사업(K-UAM Grand Challenge: K-UAM CG)을 통해 단계별로 진행하고 있다.

이에 국토교통부는 K-UAM 운용개념서(K-UAM ConOps)를 통해서 여러 가지 이정표를 제시하고 있으며, 비행회랑(corridor)의 필요성에 대하여 “UAM은 기존 항공체계(유·무인기 운항체계)와는 다르게 도심의 상공(평균운항 지상고도 450m 수준)을 비행한다. UAM 비행경로에 따라 건물의 높이 등의 안전운항 위험요소, 지역별 소음기준 등이 달라질 수 있으므로 자유로운 비행을 허용하기보다는 엄격하게 비행경로를 관리할 필요가 있다. UAM 회랑은 UAM 항공기의 비행이 허용된 제한된 공역으로, UAM 운용에 미치는 부정적 영향을 최소화하면서, 그 이용 효율은 최대화하도록 설정하고 관리해 나가야 한다.” 이와 같이 제시하고 있으며, 초기 상용화 비행회랑은 공항 등 도심외곽과 도심 간 이동을 위한 용도로 설계하고 관련 이해관계자와 협의하여 기존 헬리콥터 비행회랑(corridor)을 활용할수 있도록 한다.²⁾

앞에서 K-UAM ConOps에서 언급한 바와 같이 초기 UAM 비행항로는 수도권 도심에서는 더욱 엄격하게 비행회랑화 할 것으로 예상된다. 현재 P73 시계비행 요도에 명시된 한강(노들섬) 및 용산 회랑을 이용하는 헬리콥터 비행회랑 형태와 유사할 것이다. 이에 따라 헬리콥터의 수도권 비행회랑 실 비행항적에 대한 분석을 실시하면 UAM 비행항로를 예측할 수 있다고 판단하였다.

본 연구에서는 한강(노들섬) 비행회랑 헬리콥터 비행항적을 분석함으로서 UAM 비행항로를 예측하고, K-UAM ConOps에 명시된 우발상황에 대하여 구체적 상황을 구분하고, 이에 대한 조치방안을 제시하였다.

본 연구의 목적은 수도권 비행공역에서 UAM 비행항로를 예측하고, UAM 비행운용간 발생되는 우발상황에 대하여 조치방안을 제시하는데 있다.

먼저 UAM 비행항로 예측은 K-UAM ConOps에서 제시된 UAM 비행회랑(corridor)에 대한 필요성에 근거하여 수도권 한강회랑 헬리콥터 비행항적 데이터를 분석하여 실시하며, UAM 비행운용간 발생되는 우발상황 조치방안은 비행중 악기상에 조우하여 착륙이 불가능하거나, 악기상 상황하(VFR 비행제한)와 GPS 등 항법장비 고장시 또는 갑작스러운 vertiport에 비상상황이 발생되어 착륙이 불가하여 UAM 항공기가 착륙이 불가한 경우에 공중대기 절차(holding procedure) 방안을 제시하였다.

현재까지는 UAM 우발상황에 대한 구체적인 연구가 세부적으로 발전되어 있지는 않다. 이 연구는 수도권 한강 비행회랑에 대한 헬리콥터 비행항적 데이터로 UAM 비행항로를 예측하고, 현재 구축되어 있는 지상항행안전시설을 이용하여 공중대기 절차(holding procedure) 실시방안을 제시했다는데 의미가 있으며, 차후 UAM 비행운용 예측자료가 될 수 있을 것이다.

UAM 항공기 비행운용에 대한 연구는 여러 가지의 다양한 주제로 접근하여 작성한 여러 편의 논문들이 있다. Won(2023)의 연구는 UAM 비행운용간 기상요소와 그영향을 파악하기 위해 한강 회랑의 기상 관측 자료로 시정과 바람의 특성을 분석한 결과, UAM 운용 환경은 기존의 항공 운항에서 활용하는 기상 정보 체계로는 파악하기 어려운 미규모의 기상 특성을 가지고 있음을 확인하였다. 특히 시정 관측 자료는 공항에 한정되어 있어 UAM 실증 및 상용화 예정지의 특성을 분석하기 쉽지 않으며, 현행 지상의 기상 관측망도 수 십 미터 규모의 고해상도 바람 특성을 파악하기에는 역부족이다. 또한 지상의 관측자료로는 UAM 운용 고도의 바람 특성을 추정만 할 뿐 실제로 중대한 영향을 미치게 될 돌풍과 윈드시어의 체계적인 감시는 불가능하다. 따라서, UAM 실증과 상용화를 위한 구체적인 계획이 논의되고 있는 시점에서 안전성 및 효율성과 관련되는 기상 요인에 대한 연구가 요구되며, 특히 UAM 운용 회랑의 기상 특성을 이해하기 위해서 도심지의 저시정 및 돌풍과 윈드시어를 감시할 수 있는 관측 체계의 수립이 필요하다고 하였다.

Kwak(2024)의 연구에서 UAM을 위한 항로를 구성하기 위해 도심 내 지상 항행안전시설을 설치기는 어려우며, 따라서 협의를 통해 미리 지정되고 약속된 무형의 항공로를 구성하고, 이러한 항공로의 이탈을 항공기가 스스로 탐지하는 RNP 운항이 적용되어야 한다. 이러한 UAM 전용 항공로는 무인 이동체가 이용하는 공역보다 높고, 기존 항공교통에 방해가 없는 고도인 300∼600m 사이에 놓일 것으로 예상되고, RNP³⁾ 요건은 기존 RNP 항로보다 더 정밀한 RNP-0.03(항로), RNP-0.01(접근)가 될 것으로 보인다. RNP-0.01은 지정된 항로 중심에서 0.01NM 이상 벗어나지 않음을 의미한다.

RNP 항로는 항공로의 형태를 공간 내 정해진 특정한 볼륨 형태인 회랑 형태로 만든다. 기존 항공교통시스템에서도 교통 흐름이 많아 관제 업무량이 많은 지점에서 채택되는 방식이다. UAM 환경에서는 비행경로에 따라 건물과 같은 장애물, 지역별 소음기준 등 엄격한 관리가 필요할 수 있으므로 더 정밀한 항법 성능과 자체적 경보기능까지 항공기가 갖추게 하여 RNP 항공로, 회랑 형태의 항공로를 채택하여 운용하게 될것이라고 하였다.

Bak(2024)의 연구는 공중 충돌 위험도 위험은 항공기 간 공중 충돌과 관련된 위험을 의미하며, 이러한 위험도는 충돌 가능성을 추정하여 평가할 수 있다. 기존의 공중 충돌 위험도 평가는 정성적인 지표에 의존하기 때문에, 높은 주관성으로 인해 효용성을 결정하기 어렵다는 단점이 있는 반면, 데이터 기반의 정량적 접근법은 데이터 수집과 모델링 복잡성 등으로 인하여 정성적 접근법에 비해 적용에 어려움이 있지만, 적절한 수치 모델링 기법이 사용되면 실제 충돌 위험을 더 잘 포착할수 있다는 장점을 가지고 있고, 최근 데이터에 기반한 정량적 충돌 위험도 평가가 UAM 분야로 확장되고 있는 추세라고 하였다.

Park(2024)의 연구에서 K-UAM ConOps에 따르면 K-UAM의 항법 시스템은 GNSS⁴⁾를 기반으로 하고, PBN⁵⁾을 이행한다. 또한 항로 이탈 모니터링이 요구된다고 하였으므로 RNP 기반의 항법이 적용될 것으로 예상할 수 있다. 이를 위해서 K-UAM의 운용 단계를 세분화하고, 각 단계에서 고려해야 할 사항을 도출하며 이에 기반해 항법 요구도를 제안하고 RNP 기반의 항법을 수행하기 위해서는 항법 성능 감시 및 알림 기능이 요구되어 이를 위해 적합한 증강 항법 시스템을 도입하여야 한다. 특히 순항 이후의 단계에서 UAM 기체는 도심 내에서 운용될 것이므로 이와 같은 운용 환경에 적합한 증강 항법이 요구되었으며, 각 단계의 운용 환경을 고려한 항법 감시 알고리즘을 적용하여 시뮬레이션을 통해 검증을 수행한 결과, SBAS⁶⁾와 ABAS⁷⁾ 기반의 증강 항법을 적용한 제안된 항법 요구도가 충족된 것을 확인 하였다.

Yeo(2024)의 연구에서 UAM 항공기가 이륙 후 Corridor에 안전하게 합류할 수 있는 방안 연구로, 지상에서 사전에 UAM 이륙 시간을 계획한 후, 이륙 및 상승 과정에서의 불확실성으로 인해 추가적으로 발생하는 충돌 위험을 해소하기 위해 공중에서 UAM 간 분리 간격을 조절하였다. 세부적으로 속도 조절, 방향 조절, 속도 및 방향 조절 통합 방식을 적용하였으며, 안전한 합류를 위해 대기 구간 형태의 수평비행 구간을 설정하였다. 이를 통해 간격을 조절하는 동안 UAM간 수직 분리를 제공할 수 있었으며, 매트랩을 활용한 시뮬레이션 결과 제안된 합류 방법을 적용하면 분리 최저치 미 충족 확률이 감소하여 안전도가 향상되었으며, 교통 밀도가 높아질수록 유용성이 증가하는 것을 확인하였다.

수평비행 구간의 형태와 길이를 주변 공역 및 장애물을 고려하여 유연하게 설정하면 효율적인 공역 사용이 가능할 것으로 예상되며, 이는 UAM의 상용화 초기 단계에서 중요한 안전성을 확보하는데 기여할 수 있다.

본 연구에서는 헬리콥터 실비행항적으로 UAM 비행항로를 예측하며, UAM 비행운용은 비행계획부터 비행전, 지상 및 이륙단계, 상승 및 순항, 접근 및 착륙단계, 지상 이동, 정지 후 절차까지 일련된 절차를 거칠 것이다. UAM 운용과 관련된 모든 시스템이 정상을 유지하는 정상상황(nominal)과 비행계획을 준수할 수 있는 경우와 비행계획을 준수할 수 없는 경우, 마지막으로 비상상황으로 분류되는 비정상상황(off-nominal)이 있을 수 있다.

본 연구는 비정상상황에서 비행계획을 준수할 수 없는 우발상황(contingency) 조치방안을 제시하기 위해 UAM 비행항로로 예상되는 수도권 지역을 헬리콥터를 이용하여 비행경로에 대하여 2021년부터 2024년까지 비행항적 자료를 수집하여 분석에 필요한 정보를 추출하고 예상되는 비행항로에서 UAM 비행시 우발상황 조치방안을 제시하였다(Table 1 및 Fig. 1).

Fig. 1. Research design model

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연구에서는 수집된 비행자료로 비행항적을 구현하고 정규성 검토를 하여 자료를 일반화 한후 비행회랑의 역할을 확인하고 수도권 비행회랑 사용 비행간 항법장비 고장(GPS교란 등)으로 항법성능제한 상황과 시각비행(VFR)이 제한되는 악기상 상황시 vertiport착륙이 일시적 제한될 때 수도권 비행구간의 각 구간별 UAM 항공기의 일시적인 공중대기(holding) 지점을 지정하여 안전운항이 가능하도록 하였다.

비행항적 자료의 분석은 Fig. 2와 같은 절차로 수행하였다. 헬리콥터의 수도권 비행을 실시한 비행항로에 대하여 비행항적 수집기(GPS)를 사용하여 수신된 비행항적 데이터를 저장하여 수신된 자료에서 각각의 항로에서 비행용 데이터를 추출하여 수신시간, 위경도, 고도, 방향 등 필요한 정보를 확인한 후에 MATLAB 프로그램을 이용하여 비행항적을 지도에 도식화하였다. AIP(비행정보간행물) VFR 루트에 명시된 한강회랑 비행경로의 비행항적 데이터의 중심선을 설정하고 비행항적의 중심선으로부터 이격거리, 분포도를 확인하며 확률밀도함수를 산출하였다. 산출된 비행항적 데이터를 통계분석(정규성 검증)을 위하여 SPSS 소프트웨어를 활용하여 정규성 검증 분석을 실시함으로서 비행항적에 대한 정규분포 여부를 확인하여 도심운항(비행로)에 활용할 수 있는 분석절차로 실시하였다(Fig. 3).

Fig. 2. Flight track data analysis procedure

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Fig. 3. P73 VFR flight chart¹²⁾

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본 연구에서는 비행회랑(corridor)화 되어 있는 헬리콥터의 실비행항적은 비행공간의 구분으로 항공안전성과 비행통제 측면에서 UAM 비행항로로 사용될 수 있다고 예측하였다. UAM 항공기 수도권 비행항로에서 우발상황 조치로 현재 지상에 설치된 항행안전시설을 이용하여 UAM 항공기가 비정상상황에서 비행계획을 준수할 수 없는 상황(Table 6)에 수도권 비행공역에서 UAM 항공기가 안전하게 시·공간적으로 UAM 항공기간 간격을 제공하여 순차적으로 착륙을 유도할 수 있게 비행구간을 수도권 전방향 동서남북으로 구분하였다. UAM 항공기 공중대기 절차(holding procedure) 방안으로 각 비행구간별 한 개의 check point를 FIX로 하여 도식화된 형태를 제시한 것이며, 비행구간 모든 check point에서 FIX로 정하여 공중대기 절차(holding procedure)를 제시하지는 않았음을 밝혀두며 전체 구간에서 더욱 세부적인 방향 등 제한사항을 확인후 추후 AIP(비행정보간행물)등에 수록하여야 할 것이다.