비행데이터 분석을 통한 유인기-무인기 간 UATM 공역 내 분리기준 최적화 연구 = The Optimization of Separation Standards Between Manned and Unmanned Aircraft in UATM Airspace Based on Flight Data Analysis

국문 초록 (Abstract)

최근 드론을 포함한 무인항공기(UAV) 기술은 군사·정밀농업 등 특정 분야 활용을 넘어 물류·배송, 시설물 점검, 재난 대응, 의약품 수송, 방송·촬영 등 광범위한 산업 영역으로 급격히 확산되고 있다. 특히, 도심항공교통(Urban Air Mobility, UAM)의 부상과 함께 향후 대도시 상공을 가로지르는 무인항공기 기반 택시나 초소형 물류배송 시스템 도입이 가시화되면서, 전통적 항공교통관리(ATM) 패러다임 및 분리기준(Separation Standards)에 대한 근본적 재검토가 요구된다. 기존 분리기준은 유인기 중심의 중·고고도 운항을 가정하고 장기간 검증된 안전성을 바탕으로 정립된 반면, 저고도·도심 환경에서 다수의 무인항공기가 비정형 경로로 혼재 운용되는 새로운 공역(UATM: Urban Air Traffic Management) 환경에서는 이와 같은 전통적 기준을 그대로 적용하기 어렵다. 지나치게 넓은 분리기준은 공역 활용도를 저하시켜 산업적 기회를 제한하고, 반대로 유인기 오차 특성을 고려하지 않고 축소된 기준을 적용하면 충돌 위험 증가로 이어질 수 있다. 따라서 UATM 환경을 반영한 새로운 분리기준 체계 마련은 UAM 시대를 준비하는 핵심 과제로 떠오르고 있다.
본 연구는 이러한 문제 인식 하에, 실제 비행데이터를 활용하여 유인기(헬리콥터)와 무인기(드론)가 도심 공역에서 효율적이며 안전하게 통합 운용될 수 있는 최적화된 분리기준을 제안하는 것을 목적으로 한다. 이를 위해 본 논문은 다음과 같은 접근을 수행하였다. 우선, DJI Mavic 3 드론 및 R22 헬리콥터를 대상으로 실제 비행데이터를 수집하고, GPS·IMU·비전 센서 기반 위치·속도·고도 데이터 및 ADS-B 정보 등을 활용하여 양 항공기 운용 특성을 정량적·실증적으로 분석하였다. 드론은 고정밀 제어를 통한 매우 낮은 종·횡·고도 오차 범위를 보였으며, 이는 2~4m 수준의 종적 분리나 수 m 이하 고도 차만으로도 충돌 위험을 목표안전수준(TLS) 이하로 유지할 수 있음을 시사한다. 반면 헬기는 상대적으로 넓은 오차 범위를 가지며, 수천 m 단위의 종적 분리 및 수십 m 이상의 고도 분리가 필요함을 확인하였다. 이러한 양극단의 오차 특성을 반영할 경우, 고정된 단일 분리기준으로는 유인기·무인기 혼재 공역에서 효율적 운용이 곤란함을 알 수 있다.
본 연구에서는 ICAO DOC 9689 및 DOC 9574 등 국제 기준에서 제시하는 충돌위험(Collision Risk) 모델과 목표안전수준(TLS) 개념을 적용하여, 다양한 비행 조건(속도 변경, 고도 변경 시나리오)에서 충돌 위험 변화를 정량적으로 평가하였다. 그 결과 드론 중심의 분리기준은 매우 촘촘한 거리에서도 TLS 이하 안전성을 확보할 수 있으나, 이를 헬기 운용에 그대로 적용할 경우 충분한 안전 마진을 확보하기 어렵다. 반대로 헬기 기준으로 과도한 분리간격을 설정하면 무인기의 정밀 비행 능력을 활용하지 못한 채 공역 활용 효율성을 크게 저해한다. 따라서 본 논문은 두 항공기 특성을 균형 있게 반영하는 ‘차등적·적응형 분리기준’ 도입의 필요성을 제안한다. 예를 들어, 무인기 비율이 높은 구역이나 시간대에는 분리기준을 최소화하여 공역 용량을 극대화하고, 헬기가 진입하거나 오차 범위가 큰 상황에서는 더 넓은 간격을 유지하는 동적 운용 전략이 효과적일 수 있다.
또한, 본 연구는 후속 연구 방향으로 다양한 기상 조건, 전파 간섭, 복잡한 지형·건축물 장애물 반영, 그리고 eVTOL 등 차세대 UAM 기체까지 확장한 다종 항공기 혼재 운용 시나리오를 제안한다. 이를 통해 실제 도심 환경에서 발생할 수 있는 비정형적 이벤트와 불확실성을 반영한 보다 정교한 분리기준 설정이 가능할 것이다. 아울러 UAM 공역 관리에 있어 정책·제도적 측면, 국제표준화 이슈, 관제 기술 고도화, 안전성 검증을 위한 실증 프로젝트 등 다각적 접근이 필수적임을 강조한다.
본 연구 결과는 도심항공교통 공역에서 유인기-무인기 혼재 운용을 위한 실질적 분리기준 설정 근거를 제공함으로써, UAM 시대를 대비한 공역 관리 패러다임 전환에 기여할 것이다. 궁극적으로, 본 논문은 국제 표준 개선, 정책 수립, 관제 기술 개발을 위한 기초자료로 활용될 수 있으며, 도심 상공에서 안전성과 효율성을 조화시키는 혁신적 UATM 체계 구현에 중요한 밑거름이 될 것이다.

목차 (Table of Contents)

• 목차 ⅰ
• 표목차 ⅲ
• 그림목차 ⅳ
• 국문초록 ⅴ
• 제1장 서 론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.1.1 운용 고도 및 환경의 차이 2
• 1.1.2 기동 및 항법 특성의 상이성 2
• 1.1.3 관제 및 관리 패러다임의 전환 필요성 2
• 1.1.4 기존 분리기준의 비효율성 문제 2
• 1.2 연구목적 4
• 제2장 이론적 고찰 5
• 2.1 ICAO DOC 상 분리기준 설계 개념 및 절차 5
• 2.1.1 목표안전수준 (TLS) 7
• 2.1.2 종적 분리기준 충돌 위험 모델 8
• 2.1.3 종적 분리기준 충돌 위험 모형 8
• 2.1.4 속도 차이에 따른 위험도 평가 13
• 2.1.5 통신·감시 지연 및 관제 개입 시간(τ)의 반영 13
• 2.1.6 수리적 근사 및 해석 기법 13
• 2.1.7 수직 분리기준 충돌 위험 모델 14
• 2.2 현행 분리기준 16
• 2.2.1 유인기 간 분리기준 16
• 2.2.2 현행 유인기-무인기 간 분리기준 18
• 2.3 국가별 UATM 공역 운영 개념과 발전 방향 20
• 2.3.1 미국 20
• 2.3.2 유럽 22
• 2.3.3 한국 23
• 2.4 분리기준 개선과 관련된 선행연구자료 25
• 제3장 연구방법 27
• 3.1 연구 대상 및 실험 환경 선정 27
• 3.1.1 무인기(드론) 기종 선정 및 특성 분석 27
• 3.1.2 헬기 기종 선정 및 특성 분석 28
• 3.1.3 실험 환경 및 조건 정의 29
• 3.2 비행데이터 수집 절차 및 방법 심화 32
• 3.3 데이터 유형 및 수집 주기 33
• 3.4 데이터 수집 및 변환 과정 34
• 3.5 데이터 품질 관리 35
• 3.5.1 비행 조건 필터링 및 상태 기반 데이터 선별 35
• 3.6 분리기준 설계를 위한 충돌위험(CR) 모델링 36
• 3.6.1 종적 분리기준 충돌 위험 모델에서 필요한 변수 산출 36
• 3.6.2 수직 분리 충돌 위험(CR) 모델링 42
• 제4장 연구결과 45
• 4.1 종적 분리 간격 산출 45
• 4.1.1 드론 비행데이터 기반 종적 분리 간격 산출 45
• 4.1.2 헬기 비행데이터 기반 종적 분리 간격 산출 48
• 4.2 수직 분리 간격 산출 51
• 4.2.1 드론 비행 데이터 기반 분석 결과 51
• 4.2.2 헬기 비행 데이터 기반 분석 결과 53
• 제5장 결 론 55
• 5.1 최적의 종적 분리 간격 55
• 5.1.1 오차 특성 반영 55
• 5.1.2 TLS 이하 안전 확보 필요성 55
• 5.1.3 분리 기준 적용 전략 56
• 5.1.4 분석 결과 반영 56
• 5.1.5 연구의 한계 및 향후 연구 방안 57
• 참고문헌 59
• Abstract 61