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전파항법

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목차

1. 개요

전파항법은 전파를 이용하여 위치를 결정하는 기술로, 제2차 세계 대전 중 발전을 거쳐 위성 항법 시스템 등장 전까지 주요 항법 수단으로 사용되었다. 주요 시스템으로는 방위 측정 시스템, 빔 시스템, 트랜스폰더 시스템, 쌍곡선 항법 시스템 등이 있으며, 각 시스템은 전파의 특성을 활용하여 항공기나 선박의 위치를 파악하는 데 기여했다. 현재는 위성 항법 시스템이 널리 사용되면서 일부 항공 보조 장치로만 활용되고 있다. 전파항법은 국제 규정에 따라 생명 안전 업무로 분류되며, 항공 무선 항행 업무와 해상 전파항법 서비스에 적용된다. 육상국과 이동국으로 구분되며, 항공기, 선박, 육상 기지 등에서 사용된다.

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전파항법
개요
레이더 작동 원리 애니메이션
레이더 작동 원리 애니메이션
정의전파를 이용하여 선박이나 항공기 등의 위치를 측정하는 항법 시스템
원리
기본 원리전파를 발사하고 반사되어 돌아오는 전파를 분석하여 대상의 거리, 방향, 고도 등을 파악
활용선박, 항공기, 자동차 등의 항법 시스템
기상 관측
군사 목적
역사
초기 개발20세기 초, 하인리히 헤르츠의 전자기파 연구를 바탕으로 개발 시작
주요 개발 국가영국
미국
독일
발전 과정제2차 세계 대전 중 군사 목적으로 급속히 발전
전후 민간용으로 확대
구성 요소
송신기전파를 생성하여 안테나로 전송
안테나전파를 공간으로 방사하고 반사파를 수신
수신기안테나에서 수신한 반사파를 증폭 및 분석
신호 처리 장치수신된 신호를 분석하여 대상의 위치, 속도 등을 계산
표시 장치분석된 정보를 화면에 표시
종류
전파 형태에 따른 분류레이더
LORAN (장거리 항법)
오메가 항법
GPS (위성 항법 시스템)
사용 목적에 따른 분류항해용 전파 항법
기상 관측용 전파 항법
군사용 전파 항법
특징
장점기상 조건에 크게 영향을 받지 않음
장거리 항법 가능
높은 정확도
단점전파 간섭에 취약
장비가 복잡하고 고가
활용 분야
해상 항법선박의 위치 파악, 충돌 방지
항공 항법항공기의 위치 파악, 자동 착륙 시스템
육상 운송자동차의 내비게이션 시스템, 교통 관제
군사레이더를 이용한 적 탐지 및 추적
유도 미사일 시스템
기상 관측강수량 측정, 기상 레이더
미래 전망
기술 발전 방향정밀도 향상
소형화 및 경량화
인공지능(AI) 기반의 자동화
새로운 활용 분야자율 주행 자동차
드론 항법
스마트 시티
기타
관련 용어전파
레이더
GPS
항법

2. 역사

전파는 도달성이 뛰어나고 비교적 정밀한 측정이 용이하며, 날씨에 영향을 받지 않는 전천후성도 뛰어나 전자 기술의 발달과 함께 항법에도 이용되기 시작했다. 처음에는 기지국의 전파원(비콘) 방향을 측정하여 삼각 측량 방식으로 자신의 위치를 측정했다. 이후 시간 측정 기술이 발달하면서 전파의 위상차나 도달 시간차를 이용한 항법도 사용되었다. 자신의 항공기에 탑재된 레이더로 주변 지형을 확인하여 위치를 측정하는 것도 전파 항법에 포함되기도 한다.

GPS는 민간에 개방되면서 기기가 소형화되어 사람들이 직접 휴대하며 항법에 사용할 수 있게 되었다.[1]

2. 1. 제2차 세계 대전 중의 발전

전파는 도달성이 뛰어나고 비교적 정밀한 측정이 용이하며, 전천후성도 뛰어나 전자 기술의 발달과 함께 항법에도 이용되기 시작했다. 실용화는 제2차 세계 대전 중에 시작되었다. 독일 공군은 크니케바인으로 폭격기를 유도했고, 영국 공군도 지나 오보에 등의 시스템을 개발했다.

2. 2. 전후 발전과 위성 항법 시스템의 등장

제2차 세계 대전 이후, 로란이나 오메가 항법과 같은 다양한 전파 항법 시스템이 개발되었다.[1] 1980년대에 GPS가 완전 실용화되면서 위성 항법 시스템 시대가 열렸다.[1]

3. 주요 전파 항법 시스템

전파항법은 전파를 이용하여 위치, 속도, 시간 등을 측정하는 항법 기술이다. 주요 전파 항법 시스템은 다음과 같다.

시스템 종류설명도입 시기주요 특징추가 설명
방위 측정 시스템지향성 무선 안테나를 사용하여 지상 방송국 위치 파악. 무선 위치 고정 수행.제1차 세계 대전 이전안테나 크기에 따른 정확도 의존, 설치 어려움
전파 방향 탐지기 (RDF)지향성 안테나로 라디오 방송국 안테나 방향 파악. 삼각 측량으로 위치 결정.초기 전파 항법 시스템루프 안테나 사용, 널(null) 현상 이용상업용 AM 라디오 방송국, 저전력 무지향성 비콘 활용
역 RDF지상에 회전 안테나를 설치하여 항공기나 선박의 위치를 파악. 모스 부호 신호와 시간 지연 측정.제1차 세계 대전과 제2차 세계 대전 사이텔레푼켄 콤파스 센더, 올퍼드네스 비콘, 존 등위상 기법으로 개선, VOR 시스템 기반
자동 방향 탐지기 (ADF)와 무지향성 비콘 (NDB)RDF 기술이 발전하여 위상 비교 방식 도입. 트랜지스터 및 집적 회로로 소형화.1960년대NDB는 LF/MF 신호 사용, VOR보다 넓은 범위
초단파 전방향 무선 표지 (VOR)역 RDF 시스템 구현. 초단파 반송파에 두 개 오디오 신호 전송.제2차 세계 대전 이후높은 정확도, 자동화 가능, 계기 착륙 장치(ILS)와 함께 사용
VOR 송신기 기지
빔 시스템좁은 신호를 하늘로 보내 항공기가 빔 중심을 유지하며 항법.전자 장비가 크고 비쌌던 시대항공로 형성, 빔 밖에서는 항법 불가VOR 등장으로 대부분 사라짐
로렌츠 빔두 개의 좁은 전파 신호를 투사하여 오디오 신호로 중심선 위치 파악.제1차 세계 대전 이후1도 미만 정확도, 계기 착륙 시스템 전신빔 전투에서 전자전 대상
저주파 라디오 항법 (LFR)4개 안테나 세트로 지향성 신호 패턴 투사, 모스 부호 신호 사용.1930년대~1940년대항공로 항법, 계기 착륙 접근에 사용, 3도 정확도VOR로 대체
계기 착륙 장치 (ILS)로컬라이저(수평), 글라이드 패스(수직) 사용, 정밀 접근 및 자동 착륙 지원.현재 널리 사용높은 정확성과 이중성
트랜스폰더 시스템레이더 기반 거리 측정. 트랜스폰더로 응답 신호 발생.1930년대 레이더 도입 이후높은 정확도, 장거리 항법 가능GPS로 대체 중
레이더와 트랜스폰더레이더로 거리 측정, 트랜스폰더는 피아 식별 장치(IFF) 역할.제2차 세계 대전이중 블립으로 아군 식별, 위치 정보 제공레베카/유레카, 맹목 폭격 시스템
폭격 시스템Y-Gerät(독일), 오보, Gee-H(영국) 등제2차 세계 대전트랜스폰더, 삼각 측량, 펄스 및 시간 지연 측정높은 정확도, 맹목 폭격에 활용
거리 측정 장비 (DME)Gee-H와 개념적으로 동일, 시간 지연 자동 측정 후 숫자 표시.펄스 혼동 방지 기술, VOR과 함께 사용TACAN 거리 측정 기준
쌍곡선 항법 시스템여러 쌍곡선 상 위치 이용, 항해 차트에 표시.제2차 세계 대전 중 도입수동 삼각 측량 불필요, 디지털화로 위치 표시1990년대 GPS로 대체
지 (Gee)송신기에서 시간 조절된 신호 전송, 오실로스코프로 도착 시간 확인.제2차 세계 대전 중 (영국)150m ~ 1.6km 정확도1960년대 후반까지 영국 공군 사용
LORAN, 로란장거리 항법, 낮은 주파수 사용.1942년정확도는 낮지만, 장거리 항법 가능전쟁 말기 수송선 호송 작전에 사용
데카 내비게이터위상 지연된 연속 신호 사용, 다이얼에 위상각 출력.시각적 해석 불필요, 소형화전후 선박에서 널리 사용, 1990년대까지 사용
로란-C펄스 타이밍(지) + 위상 비교(데카)장거리, 높은 정확도, 저주파 대역1980년대~90년대 가장 널리 사용, GPS로 대체
기타VLF/오메가 항법 시스템(미국), 알파(소련)단일 신호와 지역 원자 시계 비교오메가는 1997년 폐쇄, 알파는 사용 중


3. 1. 방위 측정 시스템 (Bearing-measurement systems)

이러한 시스템은 지상에 있는 방송국의 위치를 파악하기 위해 어떤 형태의 지향성 무선 안테나를 사용했다. 그런 다음 기존의 항법 기술을 사용하여 무선 위치 고정을 수행했는데, 이는 제1차 세계 대전 이전에 도입되어 오늘날까지 사용되고 있다.

무선 방향 탐지(RDF)의 주요 문제는 소형 차량이나 단독 조종사 항공기에 특수 안테나를 장착하기 어려웠다는 점이다. 또한 시스템의 정확도가 안테나 크기에 어느 정도 의존했지만, 안테나가 커질수록 설치가 더 어려워졌다.

3. 1. 1. 전파 방향 탐지기 (Radio Direction Finding, RDF)

최초의 전파 항법 시스템은 전파 방향 탐지기(Radio Direction Finder, RDF)였다.[3] 지향성 안테나를 사용하여 라디오 방송국 안테나의 방향을 알아내고, 다른 방송국을 이용해 두 번째 측정을 했다. 삼각 측량을 통해 두 방향을 지도에 표시하면 그 교차점이 항해자의 위치가 되었다.[4][5] 상업용 AM 라디오 방송국은 장거리 및 고출력으로 인해 이 작업에 사용되었지만, 특히 공항과 항구 근처에는 이 작업을 위해 특별히 설치된 저전력 무지향성 비콘들이 있었다.

초기 RDF 시스템은 루프 안테나를 사용했는데, 이는 수직 축을 중심으로 회전하는 작은 금속 와이어 루프였다.[3] 대부분의 각도에서 루프는 비교적 평평한 수신 패턴을 보였지만, 방송국에 수직으로 정렬되면 루프 양쪽의 신호가 상쇄되어 "널(null)"이라 불리는 수신 감소 현상이 발생했다. 루프를 회전시켜 널의 각도를 찾으면 방송국의 상대 방위를 알 수 있었다. 루프 안테나는 1950년대 이전에 제작된 대부분의 항공기 및 선박에서 볼 수 있었다.

아멜리아 에어하트의 록히드 일렉트라는 조종석 지붕에 눈에 띄는 RDF 루프가 있었다.

3. 1. 2. 역 RDF (Reverse RDF)

제1차 세계 대전과 제2차 세계 대전 사이에, 지상에 회전하는 안테나를 설치하여 항공기나 선박의 위치를 파악하는 여러 시스템이 도입되었다. 안테나가 특정 위치, 주로 북쪽을 지날 때 모스 부호 신호를 보내 수신기가 올바른 방송국을 듣고 있는지 확인했다. 이후 안테나가 수신기를 향할 때 신호가 최대 또는 최소가 되는 지점을 찾아, 모스 부호 신호와 최대/최소점 사이의 시간 지연을 측정하고 이를 방송국의 회전 속도로 나누어 방위각을 계산했다.[6]

이러한 시스템의 초기 사례로는 1907년 독일에서 제플린 함대가 1918년까지 사용한 텔레푼켄 콤파스 센더(Telefunken Kompass Sender)가 있다.[6] 1929년에는 영국에서 올퍼드네스 비콘(Orfordness Beacon)이 도입되어 1930년대 중반까지 사용되었다. 이후 안테나의 기계적 움직임을 위상 기법으로 대체하여 움직이는 부품 없이 동일한 출력을 생성하는 개선된 버전들이 등장했다. 가장 오래 지속된 예 중 하나는 존(Sonne)으로, 제2차 세계 대전 직전에 가동되어 1991년까지 Consol이라는 이름으로 사용되었다. 현대의 VOR 시스템은 이와 동일한 원리를 기반으로 작동한다.

오늘날의 올퍼드네스 비콘

3. 1. 3. 자동 방향 탐지기 (Automatic Direction Finder, ADF)와 무지향성 비콘 (Non-Directional Beacon, NDB)

최초의 전파 항법 시스템은 ''전파 방향 탐지기''(Radio Direction Finder, RDF)였다.[3] 라디오 방송국에 주파수를 맞춘 다음 지향성 안테나를 사용하면 방송 안테나의 방향을 알 수 있었다. 다른 방송국을 사용하여 두 번째 측정을 하고, 삼각 측량을 사용하면 두 방향을 지도에 표시하여 그 교차점이 항해자의 위치를 나타냈다.[4][5] 상업용 AM 라디오 방송국은 장거리 및 고출력으로 인해 이 작업에 사용할 수 있었지만, 특히 공항과 항구 근처에는 이 작업을 위해 특별히 설치된 저전력 무지향성 비콘들이 있었다.

초기 RDF 시스템은 일반적으로 수직 축을 중심으로 회전할 수 있는 작은 금속 와이어 루프인 루프 안테나를 사용했다.[3] 대부분의 각도에서 루프는 비교적 평평한 수신 패턴을 갖지만, 방송국에 수직으로 정렬되면 루프의 한쪽에서 수신된 신호가 다른 쪽의 신호를 상쇄하여 "널(null)"이라고 하는 수신이 급격히 감소한다. 루프를 회전시키고 널의 각도를 찾으면 방송국의 상대 방위를 결정할 수 있다.

RDF 기술의 획기적인 발전은 2개 이상의 소형 안테나 또는 단일 고도로 지향적인 솔레노이드에서 측정된 신호의 위상 비교 형태로 도입되었다. 이러한 수신기는 더 작고 정확하며 작동이 더 간단했다. 트랜지스터 및 집적 회로의 도입과 결합하여 RDF 시스템은 크기와 복잡성이 크게 감소하여 1960년대에 다시 널리 사용되었으며, 자동 방향 탐지기(ADF)라는 새로운 이름으로 알려지게 되었다.

이는 또한 이러한 RDF 시스템과 함께 사용하기 위해 간단한 무선 비콘 작동의 부활로 이어졌으며, 이제 ''무지향성 비콘(NDB)''이라고 한다. NDB에서 사용되는 LF/MF 신호는 지구 곡률을 따를 수 있으므로, NDB는 ''가시선''으로만 이동하는 VOR보다 훨씬 더 큰 범위를 가진다. NDB는 전력에 따라 ''장거리'' 또는 ''단거리''로 분류할 수 있다. 무지향성 비콘에 할당된 주파수 대역은 190–1750 kHz이지만, 동일한 시스템을 모든 일반적인 AM 대역 상업 방송국과 함께 사용할 수 있다.

3. 1. 4. 초단파 전방향 무선 표지 (Very High Frequency Omnidirectional Range, VOR)

초단파 전방향 무선 표지(VOR)는 보다 정확하고 완전 자동화가 가능한 역 무선 방향 탐지 시스템의 구현이다.[7]

VOR 기지국은 초단파 반송파에 두 개의 오디오 신호를 전송한다. 하나는 기지국을 식별하기 위한 1020 Hz의 모스 부호이고, 다른 하나는 자기 북쪽을 기준으로 0도로 설정된 30 Hz로 변조된 연속적인 9960 Hz 오디오이다. 이 신호는 30 Hz로 기계적 또는 전기적으로 회전하며, 이는 이전 두 신호에 추가된 30 Hz AM 신호로 나타나며, 위상은 VOR 기지국에 대한 항공기의 위치에 따라 달라진다.[7]

VOR 신호는 30 Hz로 주파수 변조된 9960 Hz 기준 신호, 30 Hz AM 기준 신호, 기지국 식별을 위한 1020 Hz '마커' 신호로 구성된 복합 오디오 신호로 복조되는 단일 RF 반송파이다. 이 오디오 신호를 사용 가능한 항법 보조 장치로 변환하는 것은 항법 변환기에 의해 수행되며, 항법 변환기는 기준 신호를 가져와 위상을 가변 신호와 비교한다. 위상차(도)는 항법 디스플레이에 제공된다. 기지국 식별은 9960 Hz 및 30 Hz 신호가 항공기 내부 통신 시스템에서 필터링되어 1020 Hz 모스 부호 기지국 식별만 남으므로 오디오를 직접 청취하여 수행한다.[7]

이 시스템은 호환되는 활공각 및 마커 비콘 수신기와 함께 사용되어 항공기를 계기 착륙 장치(ILS) 가능하게 할 수 있다. 항공기의 접근이 정확해지면(항공기가 "올바른 위치"에 있으면) VOR 수신기는 다른 주파수에서 사용되어 항공기가 "올바른 방향"을 가리키고 있는지 확인한다. 일부 항공기는 일반적으로 두 개의 VOR 수신 시스템을 사용하며, 하나는 "올바른 위치"를 결정하기 위해 VOR 전용 모드로, 다른 하나는 활공각 수신기와 함께 ILS 모드로 "올바른 방향"을 결정한다. 두 가지를 결합하면 악천후에서도 정밀 접근이 가능하다.[7]

3. 2. 빔 시스템 (Beam systems)

빔 시스템은 좁은 신호를 하늘로 송출하여 항공기가 빔의 중심을 유지하며 항법을 수행하도록 하는 방식이다. 여러 기지국을 사용하여 항공로를 만들고, 항법사는 이동 방향에 따라 다른 기지국을 선택한다. 이러한 시스템은 전자 장비가 크고 비쌌던 시대에 주로 사용되었는데, 간단한 음성 라디오 세트만 있으면 되었기 때문이다. 그러나 빔 밖에서는 항법을 제공하지 못해 사용에 제약이 있었다. 제2차 세계 대전 이후 전자 장비가 소형화되면서 VOR과 같은 시스템이 실용화되었고, 대부분의 빔 시스템은 빠르게 사라졌다.[6]

3. 2. 1. 로렌츠 빔 (Lorenz beam)

제1차 세계 대전 이후, 독일의 로렌츠 사는 중심에서 약간 겹치는 두 개의 좁은 전파 신호를 투사하는 시스템을 개발했다. 두 빔에서 다른 오디오 신호를 방송함으로써, 수신기는 헤드폰으로 신호를 들으면서 중심선 아래에 매우 정확하게 위치를 잡을 수 있었다. 이 시스템은 일부 형태에서 1도 미만의 정확도를 보였다.

원래 "Ultrakurzwellen-Landefunkfeuer"(LFF) 또는 간단히 "Leitstrahl"(유도 빔)로 알려졌지만, 스테이션 네트워크를 개발할 자금이 거의 없었다. 대신 저주파 및 중주파를 사용하는 최초의 광범위한 전파 항법 네트워크는 미국이 주도했다(아래 LFF 참조). 1930년대에 독일에서 계기 착륙 보조 장치로 공항에 배치되는 단거리 시스템으로 개발이 재개되었다. 미국의 LFF와 같은 중거리 시스템을 배치하는 데 약간의 관심이 있었지만, 빔 시스템이 Orfordness 타이밍 개념과 결합되어 매우 정확한 존 시스템을 생산하기 전에 배치가 아직 시작되지 않았다. 이 모든 역할에서 시스템은 일반적으로 단순히 "로렌츠 빔"으로 알려졌다. 로렌츠 빔은 현대 계기 착륙 시스템의 초기 전신이었다.

제2차 세계 대전 직전 시대에도 동일한 개념이 맹목적인 폭격 시스템으로 개발되었다. 이것은 장거리(영국 상공)에서 필요한 정확성을 제공하기 위해 매우 큰 안테나와 매우 강력한 송신기를 사용했다. 두 개의 빔을 사용하여 표적을 삼각 측량했다. 폭격기는 빔 중 하나에 진입하여 유도에 사용하다가 두 번째 라디오 수신기로 두 번째 빔을 들으면 해당 신호를 사용하여 폭탄 투하 시간을 측정했다. 이 시스템은 매우 정확했으며 '빔 전투'는 영국 정보국이 전자전을 통해 시스템을 무용지물로 만들려고 시도하고 성공하면서 발발했다.

3. 2. 2. 저주파 라디오 항법 (Low-frequency radio range, LFR)

LFR 지상 기지


저주파 라디오 항법(LFR, "4 코스 라디오 항법"이라고도 함)은 1930년대와 1940년대에 미국 등에서 계기 비행에 사용된 주요 항법 시스템이었으며, 1940년대 후반 VOR의 등장으로 대체되었다. LFR은 항로 항법과 계기 착륙 접근 모두에 사용되었다.[8]

지상 기지는 90도 각도로 서로 겹치는 두 개의 지향성 숫자 8 신호 패턴을 투사하는 4개의 안테나 세트로 구성되었다. 이 패턴 중 하나는 모스 부호 신호 "A"(dit-dah)로, 다른 하나는 "N"(dah-dit)으로 "키잉"되었다. 이는 기지 주변에 두 개의 대립되는 "A" 사분면과 두 개의 대립되는 "N" 사분면을 생성했다. 이 사분면들 사이의 경계는 4개의 코스 다리, 즉 "빔"을 생성했다. 조종사가 이 선을 따라 비행하면 "A"와 "N" 신호가 안정적인 "정상 코스" 톤으로 병합되어 "빔 위에" 있음을 나타냈다. 조종사가 어느 한쪽으로 벗어나면 "A" 또는 "N" 톤이 더 커져서 보정이 필요함을 알렸다. 빔은 일반적으로 다른 기지와 정렬되어 항공로를 생성하여 항공기가 선택된 기지들을 따라 공항에서 공항으로 이동할 수 있게 했다. 유효 코스 정확도는 약 3도였으며, 기지 근처에서는 낮은 최저치까지의 계기 착륙 접근에 충분한 안전 마진을 제공했다. 미국에는 최대 배치 시 400개 이상의 LFR 기지가 있었다.[8]

3. 2. 3. 계기 착륙 장치 (Instrument Landing System, ILS)

계기착륙장치(ILS)는 현재 널리 사용되는 빔 시스템이다. ILS는 수평 위치를 제공하기 위해 ''로컬라이저''를 사용하고 수직 위치를 제공하기 위해 ''글라이드 패스''를 사용한다. ILS는 자동 착륙을 허용할 만큼 충분한 정확성과 이중성을 제공할 수 있다.[1]

자세한 내용은 계기착륙 시스템 글라이드 패스, 계기착륙 시스템 로컬라이저 문서를 참조.

3. 3. 트랜스폰더 시스템 (Transponder systems)

두 개의 각도 또는 거리 측정을 통해 위치를 결정할 수 있다. 1930년대에 레이더가 도입되면서 먼 거리에서도 물체까지의 거리를 직접 측정할 수 있게 되었다. 이러한 개념을 기반으로 한 항법 시스템은 곧 등장하여 최근까지 널리 사용되었다. 오늘날에는 주로 항공 분야에서 사용되지만, GPS가 이 역할을 대부분 대체했다.[1]

3. 3. 1. 레이더와 트랜스폰더 (Radar and transponders)

레이더는 1930년대에 도입되어 먼 거리에서 물체까지의 거리를 직접 측정할 수 있게 하였다. 초기 레이더 시스템은 대형 송신기와 별도의 수신기로 구성되었으며, 송신기는 강력한 무선 신호 펄스를, 수신기는 표적에 반사된 신호를 받아 오실로스코프에 표시하였다. 이때, 신호의 시간차를 측정하여 거리를 계산했다.

트랜스폰더는 특정 신호를 수신하면 자동으로 응답하는 장치로, 피아 식별 장치(IFF) 시스템의 기초로 사용되었다. 트랜스폰더를 장착한 항공기는 레이더에 이중 블립으로 표시되어 아군으로 식별되었다. 트랜스폰더 기반 항법 시스템은 장거리에서도 높은 정확도를 유지할 수 있다는 장점이 있다. 최신 트랜스폰더 시스템(모드 S)은 위성 항법 시스템(GNSS)에서 위치 정보를 받아 표적의 위치를 더욱 정확하게 파악할 수 있다.

제2차 세계 대전 당시 영국은 레베카/유레카 시스템을 사용했다. 이 시스템은 지상 기반 "유레카" 트랜스폰더와 공중 "레베카" 무전기로 구성되어, 프랑스 레지스탕스에게 보급품 투하 지점을 정확하게 알려주는 데 사용되었다. 미국도 이 시스템을 공수 작전에 활용하였다. 전후에는 비콘 시스템이 맹목 폭격 시스템에 널리 사용되었다. 특히 미국 해병대는 신호 지연을 통해 낙하 지점을 조절하는 시스템을 사용, 최전선 병사들이 항공기를 유도하여 적에게 사격할 수 있게 하였다. 비콘은 임시 또는 이동식 항법에도 널리 사용되었다.

3. 3. 2. 폭격 시스템 (Bombing systems)

독일의 Y-Gerät 맹목 폭격 시스템은 로렌츠 빔을 사용하여 수평 위치를 정하고, 트랜스폰더를 사용하여 거리를 측정했다. 지상 시스템이 주기적으로 펄스를 보내면 항공기 트랜스폰더가 이를 반사했고, 레이다 오실로스코프에서 왕복 시간을 측정하여 먼 거리에서도 항공기 거리를 정확하게 파악했다. 조작자는 이 정보를 음성으로 폭격기 승무원에게 전달하여 폭탄 투하 시점을 알렸다.[1]

영국은 유사한 오보 시스템을 도입했다. 서로 다른 주파수로 작동하는 두 개의 영국 기지국을 통해 항공기 위치를 삼각 측량했다. 조종사 작업을 줄이기 위해 기지국 중 하나를 중심으로 목표물 위에 원을 그리고, 항공기는 지상 조작자 지시에 따라 원을 따라 비행했다. Y-Gerät처럼 두 번째 기지국은 폭탄 투하 시점을 측정했다. 오보는 의도적으로 35m까지의 매우 높은 정확도를 제공하여 최고 수준의 광학 폭격 조준기보다 훨씬 뛰어났다.[1]

오보의 한 가지 문제는 한 번에 한 대의 항공기만 유도할 수 있다는 점이었다. Gee-H 시스템은 트랜스폰더를 지상에, 방송국을 항공기에 배치하여 이 문제를 해결했다. 신호는 항공기의 Gee 디스플레이 장치에서 검사되었다. Gee-H는 오보만큼 정확하지는 않았지만 한 번에 90대의 항공기를 지원할 수 있었다. 이 개념은 오늘날 대부분의 거리 측정 항법 시스템의 기반이 되었다.[1]

3. 3. 3. 거리 측정 장비 (Distance Measuring Equipment, DME)

거리 측정 장비(DME)는 Gee-H와 개념적으로는 동일하지만, 시간 지연을 자동으로 측정하여 숫자로 표시하기 위해 새로운 전자 장치를 사용했다. 기존 방식에서는 오실로스코프에서 신호를 수동으로 측정해야 했다. 서로 다른 항공기에서 보낸 DME 신호 펄스가 혼동될 가능성이 있었지만, 각 항공기가 지상 기반 트랜스폰더가 다시 반복하는 서로 다른 일련의 펄스를 전송하도록 하여 이 문제를 해결했다.[1]

DME는 거의 항상 VOR과 함께 사용되며, 일반적으로 VOR 스테이션에 함께 설치된다. 이러한 조합을 통해 단일 VOR/DME 스테이션은 각도와 거리를 모두 제공하여 단일 스테이션 고정을 가능하게 한다. DME는 군용 TACAN 시스템의 거리 측정 기준으로도 사용되며, 해당 DME 신호는 민간 수신기가 사용할 수도 있다.[1]

3. 4. 쌍곡선 항법 시스템 (Hyperbolic systems)

쌍곡선 항법 시스템은 항공기에 탑재된 트랜스폰더 없이도 위치를 파악할 수 있게 해주는 시스템이다. 이 시스템은 단일 거리나 각도 대신, 공간 내 여러 쌍곡선 상의 위치를 나타낸다. 두 번의 측정을 통해 위치를 결정할 수 있다. 보통 쌍곡선이 표시된 항해 차트와 함께 사용되어 수신기의 위치를 바로 보여주므로, 수동 삼각 측량이 필요 없었다. 이러한 차트가 디지털화되면서 위도와 경도로 위치를 출력하는 최초의 위치 표시 항법 시스템이 되었다. 쌍곡선 시스템은 제2차 세계 대전 중에 도입되어 1990년대 GPS가 대체하기 전까지 주요 장거리 항법 시스템으로 사용되었다.

3. 4. 1. 지 (Gee)

제2차 세계 대전 중 영국에서 개발된 최초의 쌍곡선 항법 시스템은 지 시스템이었다. 지는 일련의 송신기를 사용하여 정확하게 시간 조절된 신호를 보냈으며, 신호는 고정된 지연을 두고 기지에서 출발했다. 영국 공군 폭격 사령부의 중(重) 폭격기는 지를 사용하여 항법사의 위치에서 오실로스코프로 도착 시간을 확인했다. 두 기지에서 온 신호가 동시에 도착하면 항공기는 두 송신기에서 같은 거리에 있어야 했으며, 이를 통해 항법사는 두 기지에서 같은 거리에 있는 모든 위치를 지도에서 위치선으로 결정할 수 있었다. 더 일반적으로는 한 기지에서 온 신호가 다른 기지보다 먼저 수신되었다. 두 신호 간의 시간 차이는 가능한 위치의 곡선을 따라 있음을 나타냈다. 다른 기지에서도 유사한 측정을 수행하여 추가적인 위치선을 생성하여 위치를 고정할 수 있었다. 지는 단거리에서는 약 150m, 독일 상공의 장거리에서는 최대 1.6km의 정확도를 보였다. 지는 제2차 세계 대전 이후에도 오랫동안 사용되었으며, 1960년대 후반까지 영국 공군 항공기에 장착되었다(당시 대략적인 주파수는 68MHz였다).

3. 4. 2. 로란 (LORAN)

LORAN, 로란은 "LOng-range Aid to Navigation"의 약자로, 대서양 전역을 커버할 수 있도록 훨씬 낮은 주파수를 사용하여 장거리 항법을 가능하게 하는 시스템이다. 1942년 지(Gee) 시스템이 운용되면서, 유사한 미국의 노력은 불필요하게 여겨졌으나, 미국은 더 장거리 항법이 가능한 시스템 개발에 주력하였다. 장파장 접근 방식은 고주파 지(Gee) 시스템에 비해 정확도가 크게 감소하는 단점이 있었지만, 로란은 전쟁 말기 수송선 호송 작전 동안 널리 사용되었다.[9]

3. 4. 3. 데카 내비게이터 (Decca Navigator)

같은 시대의 또 다른 영국의 시스템은 데카 내비게이터였다. 이 시스템은 신호가 시간 지연된 펄스가 아니라 위상 지연된 연속 신호라는 점에서 지(Gee)와 달랐다.[1] 두 신호의 위상을 비교하여 지와 같은 시간차 정보를 반환했지만, 표시하기가 훨씬 쉬웠다.[1] 시스템은 다이얼의 포인터에 위상각을 출력할 수 있어 시각적 해석이 필요 없었다.[1] 이 디스플레이를 구동하는 회로가 매우 작았기 때문에 데카 시스템은 일반적으로 세 개의 디스플레이를 사용하여 여러 위치 정보를 빠르고 정확하게 읽을 수 있었다.[1] 데카는 전후에 선박에서 가장 많이 사용되었으며 1990년대까지 사용되었다.[1]

3. 4. 4. 로란-C (LORAN-C)

로란-C (원래 버전은 소급하여 로란-A가 되었다)는 지(Gee)의 펄스 타이밍 기술과 데카의 위상 비교를 결합한 것이다.[10]

장거리(60kW 기지국 기준 최대 약 5471.76km) 및 높은 정확도를 가지는 이 시스템은 90~110kHz의 저주파 (LF) 무선 주파수 대역에서 작동한다. 로란-C는 펄스 신호를 전송했지만, 펄스 내부에 AM 신호를 변조했다. 대략적인 위치는 지와 동일한 방식으로 결정되어 수신기를 넓은 지역 내에서 찾았다. 그런 다음 신호의 위상차를 측정하여 첫 번째 측정에 두 번째 측정을 겹쳐서 더 정밀한 정확도를 제공했다. 1962년까지 고출력 로란-C는 최소 15개 국가에 설치되었다.[10]

로란-C는 사용하기 다소 복잡하여 다양한 신호를 추출하기 위해 한 방의 장비가 필요했다. 그러나 집적 회로의 도입으로 이 문제는 빠르게 줄어들었다. 1970년대 후반까지 로란-C 장치는 스테레오 앰프 크기로 축소되었으며, 거의 모든 상업용 선박과 일부 대형 항공기에서 흔히 발견되었다. 1980년대에는 크기가 일반적인 라디오 크기로 더욱 줄어들었으며, 요트와 개인용 항공기에서도 흔하게 사용되었다. 로란-C는 1980년대와 90년대에 가장 널리 사용된 항법 시스템이었으며, 그 인기로 인해 지와 데카와 같은 이전 시스템은 많이 폐쇄되었다. 그러나 이전의 빔 시스템과 마찬가지로 로란-C의 민간 사용은 GPS 기술이 시장에서 로란-C를 몰아내면서 짧게 끝났다.

3. 4. 5. 기타 쌍곡선 시스템

미국의 전 세계적인 VLF/오메가 항법 시스템과 소련의 알파는 대표적인 쌍곡선 시스템이다. 이 시스템들은 두 신호 간의 비교 대신, 단일 신호와 지역 원자 시계를 비교하여 펄스 타이밍을 결정하는 방식으로 작동했다. 유지 보수 비용이 컸던 오메가 시스템은 미군이 GPS를 사용하기 시작하면서 1997년에 폐쇄되었지만, 알파는 여전히 사용 중이다.[1]

4. 위성 항법 시스템 (Satellite navigation)

GPS 기반 "글래스 콕핏" 항공 전자 장비를 갖춘 세스나 182


1960년대 이후, 위성 항법 시스템은 주요 항법 수단으로 자리 잡았다.[11][12] 위성 항법 시스템은 송신기가 궤도에 있는 쌍곡선 시스템이다. 위성이 수신기에 대해 움직이기 때문에 위성의 위치 계산을 고려해야 하며, 이는 컴퓨터를 통해서만 효과적으로 처리할 수 있다.

위성 항법 시스템은 육상 기반 시스템보다 더 나은 정확성을 제공하며, 지구상의 거의 모든 위치에서 사용할 수 있고, 전 세계적인 범위를 제공하는 데 수십 개의 위성만 필요로 한다. 이러한 이점 때문에, LORAN, Omega, Decca, Consol 등 1990년대와 2000년대에 많은 시스템들이 사라졌다.

4. 1. 위성 항법 시스템의 원리

1960년대 이후, 항법은 점점 더 위성 항법 시스템으로 이동했다. 위성 항법 시스템은 위성의 위치, 사용자와 위성 간의 거리, 사용자의 정확한 시간을 해독하는 데 사용되는 여러 신호를 보낸다. 하나의 신호는 위성의 ''역성'' 데이터를 인코딩하며, 이는 언제든지 위성의 위치를 정확하게 계산하는 데 사용된다. 최소 4개의 위성에서 신호 도착 시간(TOA)을 측정하여 사용자의 수신기는 자체적으로 정확한 시계 신호를 재구성할 수 있으며 쌍곡선 항법을 수행할 수 있다.[11][12]

4. 2. 주요 위성 항법 시스템

1960년대 이후, 항법은 점점 더 위성 항법 시스템으로 이동했다. 위성 항법 시스템은 위성의 위치, 사용자와 위성 간의 거리, 사용자의 정확한 시간을 해독하는 데 사용되는 여러 신호를 보낸다. 최소 4개의 위성에서 신호 도착 시간을 측정하여 사용자의 수신기는 자체적으로 정확한 시계 신호를 재구성할 수 있으며 쌍곡선 항법을 수행할 수 있다.[11][12]

위성 항법 시스템은 육상 기반 시스템보다 더 나은 정확성을 제공하며, 지구상의 거의 모든 위치에서 사용할 수 있다. 또한, 현대 전자 장비를 사용하여 적은 비용과 복잡성으로 구현할 수 있으며, 전 세계적인 범위를 제공하는 데 수십 개의 위성만 필요하다. 이러한 이점으로 인해 위성 항법은 이전의 거의 모든 시스템을 대체하였다. 현재 사용 중인 다른 시스템은 항공 보조 장치뿐이며, 새로운 차분 GPS 시스템이 맹목 착륙에 필요한 국부 정확도를 제공하기 위해 배치됨에 따라 장거리 항법에 대해서도 사용이 줄어들고 있다.

주요 위성 항법 시스템은 다음과 같다.

  • Global Positioning System|GPS영어
  • Глобальная навигационная спутниковая система|글로나스ru
  • Galileo|갈릴레오 (위성 항법 시스템)영어
  • BeiDou|베이더우 위성 항법 시스템중국어

5. 국제 규정

'''전파항법 업무'''(RNS)는 국제 전기 통신 연합(ITU)의 무선 통신 규칙에 따라[13] ''전파항법의 목적으로, 장애물 경고를 포함하는 전파 위치 결정 업무''로 정의된다.

이 업무는 생명 안전 업무이며, 간섭으로부터 보호받아야 하고, 항법의 필수적인 부분이다.

''ITU 무선 통신 규칙''에 따른 전파 통신 업무 분류는 다음과 같다.


  • 전파 위치 결정 업무
  • * 전파 위치 결정 위성 업무
  • * '''전파항법 업무'''
  • ** 전파항법 위성 업무
  • ** 해상 전파항법 업무

해상 전파항법 위성 업무

  • ** 항공 전파항법 업무

항공 전파항법 위성 업무

5. 1. 항공 전파 항법 업무 (Aeronautical Radionavigation Service, ARNS)

ILS - 하노버 공항의 안테나


하노버 인근 Deister에 있는 ARNS의 VHF 방향 탐지 안테나


'''항공 무선 항행 업무'''('''ARNS''')는 (ITU)의 (RR) ''규정 1.46''에 따르면[14] "항공기의 안전한 운항을 위해 제공되는 무선 항행 업무"로 정의된다.

이 서비스는 생명 안전 업무이며, 간섭으로부터 보호되어야 하고, 항법의 필수적인 부분이다.

5. 2. 해상 전파 항법 업무 (Maritime Radionavigation Service, MRNS)

전파항법 육상 기지 (LORAN-C 송신기 란툼)


전파항법 이동 기지 (RDF, 1930)


'''해상 전파항법 서비스'''(약칭: '''MRNS''')는 국제 전기 통신 연합(ITU)의 전파 규칙(RR) ''제1.44조''에 따르면[15] "''선박의 안전 운항을 위해 제공되는 전파항법 서비스''"로 정의된다.

이 서비스는 생명 안전 서비스이며, 간섭으로부터 보호되어야 하고, 항법의 필수적인 부분이다.

6. 전파 항법국 (Stations)

전파 항법국은 국제 전기 통신 연합(ITU)에서 정의하며, ITU 무선 통신 규칙(RR)에 따라 육상국과 이동국으로 분류된다.[16][17]

구분정의예시
육상국 (Land station)이동 중 사용을 목적으로 하지 않는 전파항법 서비스의 무선국ILS 글라이드 패스 송신기, ILS 로컬라이저, DME와 VOR, VORTAC, TACAN 안테나 (Shemya, Alaska에 위치)
이동국 (Mobile station)이동 중이거나 특정되지 않은 지점에서 정지해 있는 동안 사용하도록 설계된 전파항법 서비스의 무선국알래스카의 이동 TACAN국, 해상 TACAN, 항공기 탑재 ILS 수신기 표시기, 항공기 탑재 ILS 표시기, DME / VOR 안테나


6. 1. 육상국 (Land station)

국제 전기 통신 연합(ITU)의 ITU 무선 통신 규칙(RR) ''규정 1.88''에 따르면[16] "이동 중 사용을 목적으로 하지 않는 전파항법 서비스의 무선국"으로 정의된다.

각 ''무선국''은 영구적 또는 일시적으로 운영되는 ''무선 통신 서비스''에 따라 분류된다.

;선택 ''전파항법 육상국'':

6. 2. 이동국 (Mobile station)

국제 전기 통신 연합(ITU)의 ITU 무선 통신 규칙(RR) ''제1.87조''에 따르면, "이동 중이거나 특정되지 않은 지점에서 정지해 있는 동안 사용하도록 설계된 전파항법 서비스의 무선국"으로 정의된다.[17]

선택된 '''전파항법 이동국''' 예시는 다음과 같다.

항공기 탑재 ILS 표시기

참조

[1] 서적 Dutton's Nautical Navigation Naval Institute Press
[2] 서적 Avionics Navigation Systems John Wiley & Sons
[3] 문서 Kayton, Fried 1977, p.116
[4] 웹사이트 An Introduction to Radio Direction Finding https://cogecog.com/[...] 2021-10-22
[5] 간행물 Evaluation of VHF-FM Shore-Based Direction Finding Triangulation System in Massachusetts Bay Area https://rosap.ntl.bt[...] United States Coast Guard 1983-06-01
[6] 웹사이트 Some historical and technical aspects of radio navigation, in Germany, over the period 1907 to 1945 http://www.cdvandt.o[...] 2004-12-26
[7] 문서 VOR/ILS Testing with Signal Generator SMT https://cdn.rohde-sc[...]
[8] 웹사이트 Low Frequency Radio Range, Flying the Beam https://flyingthebea[...]
[9] 웹사이트 The Loran-C System of Navigation http://www.loran-his[...] Jansky & Bailey 1962-02
[10] 문서 Jansky & Baily 1962, pp.23–37.
[11] 논문 "Existence and uniqueness of GPS solutions", J.S. Abel and J.W. Chaffee, ''IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems'', vol. 26, no. 6, pp. 748–53, Sept. 1991.
[12] 논문 "Comments on "Existence and uniqueness of GPS solutions" by J.S. Abel and J.W. Chaffee", B.T. Fang, ''IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems'', vol. 28, no. 4, Oct. 1992.
[13] 문서 ITU Radio Regulations, Section IV. Radio Stations and Systems – Article 1.42, definition: ''radionavigation service ''
[14] 문서 ITU Radio Regulations, Section IV. Radio Stations and Systems – Article 1.46, definition: ''aeronautical radionavigation service ''
[15] 문서 ITU Radio Regulations, Section IV. Radio Stations and Systems – Article 1.44, definition: ''maritime radionavigation service''
[16] 문서 ITU Radio Regulations, Section IV. Radio Stations and Systems – Article 1.88, definition: ''radionavigation land station''
[17] 문서 ITU Radio Regulations, Section IV. Radio Stations and Systems – Article 1.87, definition: ''radionavigation mobile station''


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