AN EFFICIENCY COMPARISON FOR FREE FLIGHT SEPARATION ASSURANCE
저자
발행사항
고양 : 한국항공대학교 일반대학원, 2012
학위논문사항
Thesis(doctoral)-- 한국항공대학교 일반대학원 : 항공운항관리학과 2012. 8
발행연도
2012
작성언어
영어
주제어
발행국(도시)
대한민국
형태사항
xiv, 118 p. ; 26cm
일반주기명
지도교수:강자영
소장기관
Free flight, a new paradigm for future air traffic management, has been settled on as the only solution for problems such as the increasing volume of air traffic and environmental pollution. Developed countries, such as the U.S. and a number of European countries, have conducted various studies on free flight, particularly in the aspects of aeronautical safety and airspace efficiency, since the mid-1970s in order to cope with the rapidly increasing volume of air traffic. Successful outcomes were attained from this research with respect to numerous aspects of free flight, including the delegation of separation assurance, the transfer of traffic control and responsibility from centralized systems to distributed systems, the development of conflict avoidance algorithms, the switch of air traffic missions from manned aircraft to unmanned aircraft, and the guarantee of flight safety through the application of free flight as a new paradigm not only for the improvement of air traffic infrastructure but also for air traffic management. However, Korea lags behind these previous studies on free flight. It is behind in the basic research for the development of conflict avoidance algorithms and the application of the separation assurance concept. Thus, this study's purpose is to establish the requirements of conflict detection and avoidance systems, and a separation assurance efficiency model. In order to achieve this purpose, the study will review the previous studies, analyze various conflict avoidance algorithms, and then develop a new algorithm for solving practical problems, which occur in real flight environment. Ultimately, it is hoped that the study can contribute to aircraft safety in free flight. The major goals of this study are as follows: first, the study proposes a new conflict detection and avoidance algorithm called the "autonomous flight algorithm". Many of the conflict avoidance algorithms proposed in previous studies lack practicality in terms of the optimal maneuverability and flight efficiency of the related aircraft. While most previous studies focused on a series of conflict resolutions in a free flight environment, this study concentrates not only on conflict detection and resolution but also on the identification of problems in the aspects of separation assurance delegation. It also incorporates optimal aircraft maneuverability and flight efficiency in free flight, and proves the superiority and reliability of the algorithm by comparing its performance with that of potential field algorithms. Second, the study clarifies the concept of a route recovery maneuver according to a fixed waypoint or time constraint after conflict avoidance. It approaches the problem choosing the recovery maneuver techniques through the autonomous flight algorithm. Third, this study testes the performance of the algorithm in resolving one-on-one and multiple conflict situations by applying various scenarios and proposing a model for measuring the efficiency of free flight airspace. The experiment results show that: first, the proposed autonomous flight algorithm creates a 10% increase in flight operating performance and efficiency compared to existing potential field algorithms and is less sensitive to external state variables. Second, with respect to separation assurance and flight safety, the autonomous flight algorithm produces more reliable results than potential field algorithms, particularly for the delegation of separation assurance. The proposed algorithm is able to choose optimal maneuvers, such as an independent avoidance maneuver or a cooperative avoidance maneuver, autonomously depending on the bank angle of the aircraft. In addition, although the extension of conflict detection distance improves the resolution of separation assurance, when an optimal bank angle is not considered, flight efficiency decreases sharply in multiple conflict situations. Third, through an experiment on maneuver methods, such as fixed waypoint recovery after conflict avoidance and route recovery entering the original route through a specific time constraint, it is shown that pilots can choose flight efficiency or safety depending on the flying environment. Lastly, based on the autonomous flight algorithm, the study proposes several derivative models, including the direct operating cost model and environmental pollution estimation model. These derivative models can also include the airspace efficiency factors. By using these models, it is possible to build realistic airspace configurations and expand research on airspace safety and efficiency measurement models.
더보기자유비행은 미래 항공교통관리의 새로운 패러다임으로 전통적인 항공교통관리 시스템이 직면한 항공교통량의 증가와 환경오염 문제 등의 문제를 해결할 수 있는 유일한 대안으로 자리 잡았다. 이미 미국과 유럽 등의 선진국에서는 급증하는 항공 교통량 문제를 해결하기 위해 1970년대 초반부터 항공안전 및 공역 효율성 향상 측면에서 자유비행에 관한 다양한 연구를 수행하였으며, 항공교통 인프라 개선뿐만 아니라 항공교통관리 측면에서 자유비행이라는 새로운 패러다임을 적용하여 분리보증의 위임, 중앙 집중식(Centralized) 시스템에서 분산식(Distributed) 시스템으로의 교통제어 및 책임이관, 그리고 충돌회피 알고리즘 분석 및 개발, 유인 항공기에서 무인 항공기로의 항공교통 임무전환과 비행안전 보장 등의 연구 과제를 성공적으로 실시하였다. 하지만 우리나라는 항공교통관리 측면에서 자유비행에 관한 선행연구 및 충돌회피 알고리즘 개발, 분리보증 개념적용 등 기초적인 연구가 아직까지 상당히 부족한 현실이다. 이에 본 연구에서는 선진국의 선행연구 고찰을 통해 자유비행 목적과 개념, 충돌탐지 및 회피시스템의 요구사항과 분리보증 효율성 측정모델 등을 정립하고, 다양한 충돌회피 알고리즘을 분석한 후 실제 운항환경에서 발생하는 실증적인 문제해결을 위한 새로운 알고리즘을 개발하여 자유비행 연구에 기여하고자 한다. 본 연구의 주요목적은 다음과 같다. 첫째 자율형 운항 알고리즘이라는 새로운 충돌 탐지 및 회피 알고리즘의 제안이다. 기존에 연구된 다양한 충돌회피 알고리즘은 항공기 최적기동과 운항측면에서 현실성이 부족하다. 대부분의 연구에서는 자유비행 환경에서의 일련의 충돌해결에만 초점이 맞추어져 있다면 본 연구에서는 충돌탐지 및 해결뿐 아니라 자유비행 하에서 분리보증 위임측면과 항공기 최적기동, 운항 효율성 등 실제적인 문제를 규명하는데 초점을 맞추었으며, 포텐셜 필드 알고리즘과의 성능비교를 통해 알고리즘의 우수성을 입증하였다. 둘째 실제 항공기 운항 시 발생하는 충돌회피 후 고정 경유점 또는 시간제약에 따른 항로복귀 기동에 관한 개념을 정립하고 자율형 운항 알고리즘을 통해 충돌회피 후 복귀기동 선택문제에 관해 운항 효율성 및 비행 안전성 측면에서 접근하였다. 셋째 다양한 시나리오를 적용, 일대일, 다중충돌 상황 해결능력과 이에 따른 실험결과를 이용하여 자유비행 공역 효율성 측정 모델을 제안하였다. 실험결과 첫째 제안된 자율형 운항 알고리즘은 충돌탐지 및 해결과 운항시간, 운항거리 등에서 기존의 포텐셜 필드 알고리즘에 10% 이상의 운항성능 및 효율성의 우위를 보였으며, 다양한 외부상태변화에 따른 알고리즘의 민감도도 적었다. 둘째 분리보증의 해결과 비행안전 측면에서도 자율형 운항 알고리즘이 포텐셜 필드 알고리즘보다 신뢰성 있는 결과를 제공하며 특히 분리보증위임 측면에서 항공기의 선회각 적용에 따라 단독 회피기동 또는 협력적 회피기동 등의 최적기동을 자율적으로 선택할 수 있었다. 추가적으로 충돌탐지거리의 확대가 충돌해결에는 긍정적인 영향을 미치나 최적의 선회각 적용을 충분히 고려하지 않는다면 다중 충돌상황 해결 시에는 운항 효율성이 급격히 감소한다는 것을 입증하였다. 셋째 충돌회피 후 고정 경유점 복귀 기동 방법과 특정 시간제약을 통해 원래의 항로에 진입하는 항로 복귀방법의 실험을 통해 비행환경에 따라 운항 효율성과 비행 안전성 측면을 조종사가 선택할 수 있음을 제안하였다. 또한 자율형 운항 알고리즘의 실험결과를 통해 직접운용비 모델, 환경오염추정 모델 등의 공역 효율성 평가요소와 결합된 다양한 파생모델을 제안하였으며, 이를 통해 추후 특정 공역을 설정하고 다수의 항공기가 운항하는 환경을 조성하여 공역 안전성 및 효율성 측정모델로 확장시킬 수 있을 것이다.
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