전파 고도계
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1. 개요
전파 고도계는 항공기에서 지표면까지의 거리를 측정하는 데 사용되는 레이더 시스템이다. 펄스식과 FM식 두 가지 주요 유형이 있으며, FM식은 정밀도가 높아 저고도 측정에 주로 활용된다. 원리는 레이더 기술을 기반으로 하며, 송신된 전파가 지표면에서 반사되어 돌아오는 시간을 측정하여 고도를 계산한다. 제2차 세계 대전 중에 대량 생산되었으며, 군사적 및 민간 항공 분야에서 모두 사용된다. 군용 항공기에서는 지형 추종 레이더와 함께 사용되어 저고도 비행을 지원하며, 민간 항공에서는 자동 착륙 및 지상 접근 경고 시스템에 활용된다. 국제 전기 통신 연합(ITU)은 전파 고도계를 무선 항행 장비로 정의하고, 생명 안전 서비스로 분류하여 간섭으로부터 보호하고 있다.
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전파 고도계 | |
---|---|
기본 정보 | |
명칭 | 전파 고도계 |
영어 명칭 | Radar altimeter |
약어 | RADALT LRRA (Low Range Radio Altimeter) |
기술 정보 | |
종류 | FM-CW (Frequency Modulated Continuous Wave) 전파 고도계 펄스 전파 고도계 |
작동 원리 | 전파를 지표면에 송신하고 반사되어 돌아오는 신호의 시간차 또는 주파수 변화를 측정하여 고도를 계산 |
사용 전파 | 전파 |
측정 대상 | 항공기의 지면으로부터의 상대적인 높이 |
측정 범위 | 일반적으로 0~2,500 피트 (약 762 미터) |
정확도 | 높이에 따라 다르지만, 일반적으로 ±3 피트 (약 0.9 미터) 이내 |
활용 분야 | |
항공기 | 이착륙 시 조종사에게 정확한 고도 정보 제공 지형 추적 레이더 시스템 자동 착륙 시스템 지상 접근 경고 시스템 (GPWS) 향상된 지상 접근 경고 시스템 (EGPWS) |
헬리콥터 | 공중 작업 구조 활동 시 안전 확보 |
무인 항공기 (드론) | 자동 항법 장애물 회피 |
장점 | |
날씨 영향 | 기상 조건에 크게 영향을 받지 않음 (기압 고도계 대비) |
정확성 | 지형 변화에 민감하게 반응하여 정확한 고도 정보 제공 |
단점 | |
측정 한계 | 전파 흡수가 높은 지형 (예: 습지) 에서는 작동 성능 저하 가능성 존재 매우 높은 고도에서는 사용 불가 |
기타 | |
관련 기술 | 레이더 기술 신호 처리 기술 |
2. 종류
전파 고도계는 기압 고도계와 달리 고도를 직접 측정한다. 기체에서 수직 아래로 전파를 발사하고, 지상으로부터의 반사파를 측정하여 전파 발사부터 반사파 도달 시간으로 기체와 지상 간의 거리, 즉 절대 비행 고도를 알 수 있다. 전파 고도계 방식에는 펄스 방식과 FM 연속파 방식이 있다.
1924년 미국에서 발명된 전파 고도계는 민간 항공기에도 많이 사용되어 야간이나 악천후 시 이착륙 안전성을 향상시켰다. 일반 민간 항공기의 전파 고도계는 이착륙 시에만 사용하는 경우가 대부분이기 때문에 최대 약 762.00m까지 측정 능력을 제한하여 안테나 전력을 최소화하고, 다른 전자 장비에 미치는 악영향을 줄이고 있다. 순항 시의 비행 고도 지정(플라이트 레벨)에는 기압 고도계를 사용한다.
군용기에서도 전파 고도계가 사용되지만, 초저고도 비행을 위해 Terrain-following radar|지형 추적 레이더영어를 사용하는 경우도 있다. 또한 순항 미사일이나 시스키머형 대함 미사일에도 탑재되어 있다.
전파 고도계는 지상 접근 경보 장치 등의 항공 전자 장비와 통합되어 있으며, 조종석에서는 계기 표시 외에 일정 수치에 도달하면 조종사에게 고도 안내(Altitude Callouts)로 알리는 기능이 있다.
2. 1. 펄스식
펄스식은 지표면에서 반사되어 다시 기상 수신기에 도달하는 시간을 이용해 고도를 구하는 방식(A 스코프와 유사)이다. 측정된 고도를 지시하는 데는 원형으로 소인하는 CRT(음극선관)의 송·수신 펄스에 각각 동기된 2개의 마크를 표시하고, 이 마크 사이의 각도로 고도를 읽는 방식, 송신 펄스로 시작하여 수신 펄스로 정지하는 카운터에 표시를 얻는 방식이 있다. 기압 고도계와 달리 고도를 직접 측정한다. 즉, 기체에서 수직 아래로 전파를 발사하고, 지상으로부터의 반사파를 측정하여 전파 발사부터 반사파 도달 시간으로 기체와 지상 간의 거리, 즉 절대 비행 고도를 알 수 있다.2. 2. FM식
항공기에서 내보내는 송신파와 지상에서 반사된 수신파 사이의 시간 차(두 전파의 주파수 차이)를 이용해 고도를 구한다. 정밀도가 높으며, 주로 0~750m 이하의 고도 측정에 사용된다. 기압 고도계와 달리 고도를 직접 측정하며, 간편하고 충분한 정밀도를 얻을 수 있는 FM 연속파 방식이 주류이다.[2] 사용되는 주파수는 4.2~4.4GHz 대역이다.[2]3. 원리
레이다('''ra'''dio '''d'''etection '''a'''nd '''r'''anging, 전파 탐지 및 거리 측정)의 기본 원리를 이용한다. 전파 고도계는 전파를 지상으로 발사하고, 전파가 항공기에서 반사되어 돌아오는 데 걸리는 시간을 측정한다. 지상 위의 고도는 전파의 이동 시간과 빛의 속도를 사용하여 계산된다.[1][2]
송신기는 시간에 따라 주파수가 변동하는 주파수 변조 신호를 보낸다. 이 신호는 주어진 시간 동안 두 주파수 제한(Fmin과 Fmax) 사이에서 증가 및 감소한다. 신호가 지상에 도달하여 반환되는 데 시간이 걸리므로, 수신된 신호의 주파수는 해당 순간에 전송되는 신호에 비해 약간 지연된다. 이 두 주파수의 차이를 통해 고도를 측정한다. 이 기술은 주파수 변조 연속파 레이다라고 알려져 있다.
레이다 고도계는 E 대역, Ka 대역 또는 더 진보된 해수면 측정을 위해 S 대역에서 작동한다.
전파 고도계는 기압 고도계와 달리 고도를 직접 측정한다. 기체에서 수직 아래로 전파를 발사하고, 그 지상으로부터의 반사파를 측정하여 전파 발사부터 반사파 도달 시간으로 기체와 지상 간의 거리, 즉 지상고도를 알 수 있다. 방식에는 펄스 방식과 FM 연속파 방식이 있는데, 간편하고 충분한 정밀도를 얻을 수 있는 FM 연속파 방식이 주류이다. 주파수는 4.2~4.4GHz 대역이 사용된다.
4. 역사
전파 고도계의 기본 개념은 벨 연구소(Bell Labs)의 장거리 통신 연구에서 비롯되었다. 1924년, 로이드 에스펜시드(Lloyd Espenschied)는 철도 선로의 불연속 지점까지의 거리를 측정하는 아이디어를 특허 출원하였다.[3] 에드워드 애플턴과 마일스 바넷은 전리층의 존재를 증명하는 실험에서 주파수 변조 기술을 활용하여 전리층까지의 거리를 측정하였다. 1929년, 오하이오 주립 대학교 교수인 윌리엄 리텔 에버릿(William Littell Everitt)은 애플턴의 기술을 기반으로 고도계 시스템을 연구하였다. 1930년, 에스펜시드는 고도 측정 아이디어에 대한 특허를 출원하였다.[4] 1938년, 벨 연구소와 유나이티드 항공(UAL)의 협력으로 실용적인 전파 고도계가 개발되었다.
5. 군사적 이용
레이더 고도계는 군용 항공기에서 레이더 탐지를 피하고 대공포나 지대공 미사일에 의한 표적 설정을 피하기 위해 육지와 해상에서 매우 낮게 비행하는 데 사용된다. 지형 추종 레이더와 함께 사용하면 공격기가 매우 낮은 고도로 비행할 수 있도록 돕는다.
제너럴 다이내믹스 F-111 아드바크는 자동 조종 장치에 연결된 전방 감시 지형 추종 레이더(TFR) 시스템을 갖추고 있으며, 백업 레이더 고도계 시스템도 갖추고 있어 항공기가 설정된 최소 고도 아래로 내려갈 경우 자동으로 상승하여 지형 충돌을 방지한다.[1] 보잉 F/A-18E/F 슈퍼 호넷에도 유사한 시스템이 사용된다.[1]
군용기에서는 초저고도 비행을 위해 전파 고도계뿐만 아니라 지형 추적 레이더를 사용하기도 한다.[2] 또한 순항 미사일이나 시스키머형 대함 미사일에도 탑재되어 저고도 비행을 가능하게 한다.[2]
6. 민간 항공 분야 응용
전파 고도계는 시계가 좋지 않은 조건이나 자동 착륙 시 상업용 항공기에서 자주 사용된다. 자동 조종 장치가 플레어 기동(착륙 직전 기수를 들어올리는 조작)을 시작해야 하는 시점을 알려준다.[1][2] 자동 추력 조절 장치에 데이터를 제공하여 비행 컴퓨터의 일부로 작동한다. 전파 고도계는 일반적으로 지상 고도(AGL) 약 762.00m까지의 고도를 측정한다.[6]
지상 접근 경고 시스템(GPWS)의 핵심 구성 요소로, 항공기가 너무 낮게 비행하거나 너무 빠르게 하강하는 경우 조종사에게 경고한다. 민간 항공에서 사용되는 전파 고도계는 4.2 ~ 4.4 GHz 사이의 C 밴드를 사용한다.[6]
5G 기지국과의 간섭 문제는 미국 연방항공청(FAA)에서 안전성 우려를 제기하며 논란이 되었다. 대한민국에서도 5G 주파수 할당 시 항공 안전 문제를 고려하여 대응책을 마련하고 있다.
7. 국제 규정
국제 전기 통신 연합(ITU)은 전파 고도계를 무선 항행 장비로 정의하며, ITU 무선 규정(RR) 제1.108조에서 "항공기 또는 우주선에 탑재되어 항공기 또는 우주선의 지구 표면 또는 다른 표면 상의 고도를 결정하는 데 사용되는 무선 항행 장비"라고 정의하고 있다.[7] 무선 항행 장비는 영구적 또는 일시적으로 작동하는 무선 통신 서비스에 따라 분류되어야 한다. 전파 고도계 장비의 사용은 생명 안전 서비스로 분류되며, 간섭으로부터 보호되어야 하며 항법의 필수적인 부분이다.
참조
[1]
간행물
COMMENTS OF AVIATION SPECTRUM RESOURCES, INC.
http://apps.fcc.gov/[...]
[2]
웹사이트
A Radio Altimeter for Landing UAVs or Small Aircraft
http://www.eeweb.com[...]
2010
[3]
특허
Railway Signal System
https://patentimages[...]
[4]
특허
Altimeter for aircraft
https://patentimages[...]
[5]
서적
Radar Development in Canada: The Radio Branch of the National Research Council
https://archive.org/[...]
Wilfrid Laurier University Press
1981
[6]
웹사이트
RECOMMENDATION ITU-R RS.1624 (PDF).
https://www.itu.int/[...]
[7]
간행물
ITU Radio Regulations, Section IV. Radio Stations and Systems – Article 1.108, definition: radio altimeter
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