서론

항법에는 과거 지상의 랜드마크, 지형 등을 보고 자신의 위치를 파악했던 지문항법이나 속도, 침로, 풍향, 풍속, 시간 등의 요소를 활용하여 항공기의 위치를 파악했던 추측항법, 야간에 별을 관측하여 위치를 파악했던 천측항법 등이 있었으나 기술발전으로 NDB¹⁾, VOR²⁾, DME³⁾, TACAN⁴⁾, ILS⁵⁾ 등의 무선항법 기술이 개발되고, INS⁶⁾를 이용한 관성항법, GPS를 활용한 위성항법 등이 등장하게 되었다. 특히 무선항법 중 TACAN은 962MHz~1213MHz 대역의 주파수를 252개의 채널로 나누어 펄스 기반 송수신을 통해 주요 항법 정보를 처리하는 항법 시스템이다. 핵심 주요 기능으로는 거리 측정과 방위각 측정이 있으며 표1과 같은 성능을 만족해야 한다.

표1. TACAN Interrogator의 설계 사양

TACAN Interrogator의 설계 사양

주요 성능지표	단위	개발 사양	측정 방법
거리 측정 오차	km	±0.18Km 이하	자체 점검 장비와 TACAN 계측기 이용 TACAN A-A모드에서 거리 오차 측정
거리 측정 시간	초	2초 이내
방위각 측정 오차	도	±1도 이하
방위각 측정 시간	초	5초 이내
온도 조건	도	-40 ~71도 정상 동작	MIL-STD-810G, 고온/저온 운용
자체평가 사유	TACAN 측정 관련 국내 시험 기관 없음 (MIL-STD-291C 및 MIDS 규격)
시험 구성

연구개발

연구개발 목표

TACAN은 군용 항공 필수장비이며, EL(Export License) 품목임에도 그동안 국산 개발 제품이 없어, 관행적인 수입 대상품으로 인식되어왔으나 한국공항공사 협력사로서 TACAN 지상 장비(Ground TACAN)를 국산화하였다. 지상 장비와는 반대로 항공기에 탑재되는 TACAN Interrogator는 TACAN 지상 장비와 질문과 응답신호를 송수신하여 거리 정보와 방위각 정보를 획득하는 장비로서 앞서 공항공사의 협력사로서 TACAN 지상 장비의 신호 처리부를 개발했던 기술과 경험으로 TACAN Interrogator 개발을 수행하였다.

TACAN Interrogator 개발목표로는 주요 요구 사양(표1)과 운용 개념도(그림1)와 같이 항공기는 질문 신호를 지상 장비에 송신하여 그 응답신호를 해석하여 신속하고 정확하게 지상국과 항공기 사이의 거리와 방위각을 측정하는 것을 목표로 한다.

연구개발 필요성 및 성과

기존 기계적인 구동부와 함께 아날로그 회로 구성 등 전통적인 방식의 개발 방법론으로는 낮은 신뢰성, 큰 크기와 중량, 높은 고장 발생율, 세밀한 알고리즘의 적용 등이 어려우므로 최근 고속 통신 신호처리 및 연산, 고집적을 통한 저전력화, 소형화의 필요성에 부합하는 FPGA⁷⁾와 SDR⁸⁾을 활용하여 TACAN 신호처리에 사용되는 주요 알고리즘을 구현하여 높은 신뢰성과 부품의 단순화로 인한 소형화 저전력화를 달성할 수 있었다. (그림2)

TACAN Interrogator의 핵심인 FPGA 설계는 그림3과 같이 RF 송수신부, 거리 및 방위 계산, 톤 추출부로 구성된다. 본 연구개발에서는 기존 TACAN 송수신 펄스가 요구 규격의 50%이하에서도 거리 및 방위각 정보를 획득할 수 있도록 개선하였다. 방위각은 TACAN지상장비의 15Hz 방위각 펄스와 135Hz 방위각 펄스를 획득하여 계산하는데, 50% 이하의 신호가 검출 되었을 때에도 보간법과 이동평균 필터를 적용한 알고리즘을 추가 보완하여 정확한 방위각을 획득할 수 있었고, 소프트웨어적으로 Kalman Filter와 함께 Extrapolation을 수행하여 거리 정보도 정상적으로 획득할 수 있었다.

현재 관련 장비에 대한 시험기관이 없어 MIL-STD-291C 규격 검증을 위한 자체평가를 위해 점검 장비(그림4)를 제작하여 TACAN Interrogator의 효과적인 제품검증체계를 수립하였다. 자체검증 가능 항목으로는 방위각설정(0~359.9°, 0.1°간격) 기능, 방위각 변화율 설정(0~39.9°/sec, 0.1°/sec 간격) 기능, 거리설정(0~400 Nm, 0.1 Nm 간격) 기능, 거리 변화율 설정(6000Knot, 1Knot 간격)기능, 변조도 설정(0~60%, 1% 간격) 기능, 송신파워레벨 설정(6~ -73dBm, 0.1dBm 간격)기능, ID설정(7 characters, 10~40sec 간격) 기능, 응답률 설정(0~100%, 1% 간격) 기능, Squitter 펄스 삽입(Random 함수 Lamda 0~8192)기능 등이 있다.

연구개발 효과

기술적 측면

Jamming⁹⁾에 취약한 위성항법이나, 오차 누적의 문제가 되는 관성항법에 비해 다양한 전파위협으로부터 안전하고 오차 누적의 문제가 없으며, Air-to-Ground 모드 뿐만 아니라 UAM¹⁰⁾, MUM-T¹¹⁾체계 등에서 Air-to-Air 모드를 적용함으로써 군집 비행 시 상대적 위치 획득 기술로 활용할 수 있다.

경제·산업적 측면

본사가 달성한 TACAN Interrogator의 소형화, 저전력화 제품을 바탕으로MUM-T 시스템 군집비행 항법장치로서, 그리고 UAM의 경우 도심 항로 관련 인프라 구축에 적용함으로써 새로운 시장 창출 효과를 기대할 수 있다.

국방·민수 사업화 측면

국방 분야에서는 RF 안테나와 연동하여 TACAN Interrogator 국산화, 군용 UAM 항법장치 제품화, MUM-T 군집 비행 보조 장치로서의 제품화를 기대해 볼 수 있으며, 민수 분야에 있어서는 소형화 저전력화를 기반으로 DME/VOR 기능을 추가하여 새로운 제품 개발 및 국산화와 향후 UAM 민수 시장의 항법장치로서 제품화를 기대하고 있다.

결론

기존 무선 항법의 재밍(jamming)취약성, 오차 누적의 문제를 항대항법 장치인 TACAN은, 252개 채널의 선택성과 다양한 형태의 전파위협으로부터 자유롭고 향후 UAM, MUT-체계 등에 적용 가능하므로 더욱더 활용 가치가 높다. 또한, 기존 TACAN 송수신 펄스의 50% 손실 하에서도 거리/방위각 등 항법 정보를 획득할 수 있도록 향상된 본사의 기술을 바탕으로 유·무인 항공기뿐만 아니라 선박 등 mobility 요소를 갖는 다양한 장비에 적용 가능하리라 기대된다.