0. 목차
- '항공 전자'란?
- '항공 전자'의 범위
- 시스템 통합 기술
- 자율화 기술
- 임무·무장 관리 소프트웨어 기술
- 차세대 항공관제 시스템
1. '항공 전자'란?
'항공 전자(Avionics)'란 용어는 항공기에 장착되는 구성품이나 세부 계통들 중에 전자 기술에 의해 동작하는 것들을 통칭하는 말이다. ''항공 전자(Avionics)'는 '항공(Aviation)'과 '전자(Electronics)'의 합성어로서, 1930년대부터 사용되기 시작했다. '항공 전자' 기술은 2차 세계대전 이후 냉전시대를 거치면서, 많은 연구와 기술 개발을 통해 비약적인 성장을 이룩해 왔다. 현대 항공기의 경우, 전체 비용의 약 30% 수준을 항공 전자 부품이 차지할 정도로 그 비중이 증가하고 있다. '공중 경보 통제기(AWACS: Airborne Warning and Control System)'와 같은 특수 목적기의 경우, 전체 비용의 75% 정도를 항공 전자 부품이 차지하고 있다.
항공 전자와 관련하여 많이 언급되는 용어 중에는 '항공 MRO'가 있다. '항공 MRO'는 '항공기 정비(MRO: Maintenance, Repair, Overhaul)'을 의미하며, 전 세계 항공기 보유 대수가 증가하는 만큼 MRO 시장도 커지고 있다. 다만, 국내 MRO 산업 기반은 매우 취약한 실정이다. 이에 따라 절반에 가까운 항공기들이 국내에서 정비를 받지 못하고 해외로 나가 정비를 받기 때문에, 외화 유출이 우려되는 분야라고 할 수 있다.
1-1. 항공 산업의 특징
항공 산업은 다음과 같은 특성을 가지고 있다.
- 국가 안보와 직결되는 방위산업: 항공산업은 국가 안보와 직결되는 핵심 방위산업이다. '항공전력'은 '감시정찰', '정밀유도무기' 등과 함께 현대전·미래전의 가장 핵심 무기체계이다. 국가의 항공기술력의 보유 여부가 자주국방 능력을 결정한다. 따라서 항공산업은 자주국방의 기반 산업이며, 국가 안보 상 매우 중요한 위치를 차지한다. 이에 따라 선진구뿐만 아니라, 많은 국가에서 자국의 항공산업 육성 및 독자적인 항공기 개발 능력 확보를 위해 막대한 예산을 연구 개발에 투입하고 있다.
- 전문 기술이 포괄적으로 적용되는 종합 시스템 산업: 항공기는 부품 수가 자동차의 10배, 요구 신뢰도는 100배 이상의 수준으로, 항공산업은 고도의 기술력이 요구되는 첨단 산업이다. 기계, 전자, 소재, IT 등 분야별 첨단 기술이 복합된 종합시스템 산업이다. 타 첨단산업의 기술 개발을 선도하는 대표적인 '선진국형 산업'으로, 한 국가의 기술적 성숙도와 산업적 역량을 종합적으로 반영하는 지식기반 산업이라고 할 수 있다.
- 파급효과가 큰 전략 산업: 항공산업은 타 산업에 대한 파급 효과가 큰 국가 전략산업으로, 산업 파급효과 측면에서 주요 기간산업 대비 최고 수준이다. 종합적·복합적인 산업 특성으로 타 기간산업으로부터 기술을 흡수·실용화하는 동시에, 엄격한 품질기준 및 관리체계를 통해 기본 요소 기술들의 향상을 도모한다. 파생형 기술혁신을 촉진함으로써 신기술을 창조해 내는 등 기술 파급 효과가 큰 산업으로 산업구조를 고도화하는 미래형 산업이다.
- 규모의 경제가 중요한 산업: 항공산업은 생산 측면에서 대규모의 설비투자를 통한 생산시설의 확보가 필수적이고, 높은 고정 비용으로 인한 규모의 경제효과가 수익성에 미치는 영향이 큰 산업이다. 일정 규모 시장의 사전 확보가 경제적 성공을 위해 필수적이라고 할 수 있다.
- 정부 지원 및 육성 기반으로 성장하는 산업: 항공산업은 천문학적인 연구개발비 투자가 요구되는 반면, 고객은 국가 혹은 소수의 항공운항사로 한정되어 있다. 대규모 투자에 대한 회수기간이 장기간 소요되어 개별 기업이 단독으로 사업을 수행하기에는 재무적 부담과 영업 리스크가 큰 산업이다. 이러한 어려움에도 불구하고 항공산업은 국가 방위의 중추적 역할을 수행하는 핵심 산업이다. 또한 정부가 자체 육성을 하지 않으면 생산 및 기술 능력의 해외 종속이 점차 심화되기 때문에, 정부의 지원하에 육성할 수밖에 없는 국가 기간산업의 특성을 지닌다. 현재 전 세계 산업 추세상 자유무역 체제하에서의 공정한 시장경쟁이 요구하면서, 정부의 산업에 대한 개입 여지가 점차 없어지고 있는 추세이다. 그럼에도 불구하고 '원자력', '우주', '항공' 등과 같은 분야는 여전히 정부의 적극적 개입이 요구되는 산업이다.
2. '항공 전자'의 범위
'항공 전자(Avionics)'의 대상은 항공기에 장착되는 구성품이나 세부 계통들 중에 전자 기술에 의해 동작하는 것을 총망라한다. 특히 항공기 조종사나 작업을 수행하는 승무원 관련 인력이 안전하고 편리하게 임무를 수행하도록 지원하는 시스템을 지칭한다. '항공 전자 시스템(Avionics System)'은 크게 '핵심 시스템(Core System)'과 '서브 시스템(Sub System)'으로 분류할 수 있다. '핵심 시스템'의 경우 항공기의 성능과 직결되기 때문에, 시스템 종속적일 수밖에 없다. 또한 항공기를 신규 개발하거나 성능을 개량하고자 할 때 필수적으로 함께 개발해야 한다. 한편, '서브 시스템'의 경우 항공기 전체의 성능에 비교적 독립적이며, 부품 시장에서 별도로 구매 가능한 편이다.
군수 항공기의 경우, '비행 제어 컴퓨터(FLCC: Flight Control Computer)'와 '임무 컴퓨터(Mission Computer)', '무장 관리 컴퓨터(SMC: Store Management Computer)' 등이 항공기 체계 통합과 밀접한 연관이 있고, 임무 요구도와 관련하여 지속적 개조가 이루어지는 핵심 시스템에 속한다. 한편, '기록 장치'나 '임무 계획 장비', '레이더 장비' 등은 항공기 체계와 무관하거나 비교적 범용 장비로 서브 시스템에 속한다. 또한 '통신', '항법', '식별', '생존', '무장', '각종 센서' 또한 범용 장비로 항공기 자체와는 관련 없이 개발·생산할 수 있는 독립적인 서브 시스템으로 구분할 수 있다.
항공 전자 전문가들의 연구에 의한 '항공 전자 시스템'의 세부 분류는 아래의 표와 같다. 이 분류에서는 군수와 민수 항공기에 모두 적용되는 공통 서브시스템과 군수에 특화되어 있는 서브시스템을 포함한다.
| 서브 시스템 | 핵심기술·제품 |
| 체계 설계 및 통합 | 항전 시스템 설계 (연방 분산형, 통합 모듈형), 항전 통합 시험 장비, 탑재 모의 시스템, LVC 등 |
| 비행제어 계통 | 비행 제어 컴퓨터(FLCC: Flight Control Computer), Fly-by-Wire, Fly-by-Light, 대기 자료 컴퓨터(ADC: Air Data Computer) |
| 시현 계통 | 조종사 전방 시현기(HUD: Head Up Display), 전방 상향 제어기(IUFC: Integrated Up-Front Control), 다기능 시현기(MFD: Multi-Function Display), 헬멧 장착 시현기(Helmet Mounted Display) |
| 임무·무장 체계계통 | 임무 컴퓨터(Mission Computer), 무장 관리 컴퓨터(SMC: Store Management Computer) |
| 항법 계통 | 관성 항법장치(INS: Inertial Navigation System), 위성 항법 장치(GPS: Global Positioning System), 전술 항법 장치(TACAN: Tactical Air Navigation), 초단파 전방향 무선 표식 장치(VOR: VHF Omni-Range), 거리 측정 장치(DME: Distance Measurement Equipment), 계기 착륙 장치(Instrument Landing System), 지역 증강 시스템(LAAS: Local Area Augmentation System), 광역 증강 시스템(WAAS: Wide Area Augmentation System), 공중 충돌 방지 장치(TCAS: Airborne Collision Avoidance System), Terrain Following Map 이착륙 |
| 통신 계통 | 탑재 통신(UHF, VHF, HF), 데이터 링크(Data Link), 데이터 버스(Data Bus), 항공 위성 통신 시스템(SATCOM: Communication Satellite), 피아식별 장치(IFF/SIF) |
| 임무센서 계통 | 탐재/추적/사격통제/항행/기상용 항공기 탑재 Radar, 능동위상 배열 Radar(AESA: Active Electronically Scanned Array, 원격탐사/감시정찰 영상레이더(SAR), 레이더 고도계(Altimeter), 대전자전(ECCM), EO/IR, 광전자 조준 장비(EOTS: Electro-Optical Tracking System), 분산형 개구장비(DAS: Distributed Aperture System) |
| 생존 계통 | 미사일 경보 수신기(MWR: Misile Warning Receiver), 레이더 경보 수신기(RWR: Radar Warning Receiver), 항재밍(Anti-Jamming) 등 |
| 시스템 소프트웨어 | 항공 표준 실시간 운영체제(ARINC-653), 항공 표준 기능 원 미들웨어, 항공 통신 및 응용 소프트웨어 연동 미들웨어, 항공 소프트웨어 개발 환경 등 |
| 응용 소프트웨어 | 화력 제어 비행 운용 프로그램(FC OFP: Fire Control Operational Flight Program), 전방 상향 시현 비행 운용 프로그램(UHD: Head-Up Display), 통합 전방 상향 제어 비행 운용 프로그램(IUFC: Integrated Up-Front Control), 다기능 시현 비행 운용 프로그램(MFD: Multi-Functinon Display) 등 |
| 지상 장비 | 지상 무인기 통제 장치, 지상 항공기 관제 장비(CNS: Communication, Navigation, Surveillance), ASDE(Airport Surface Detection Equipment), ASR(Airport Surveillance Radar) 등 '지상 임무 지원 체계(MSS: Mission Support System)', 3-D 훈련용 시뮬레이터 |
| 저장 계통 및 기내 엔터테인먼트 | 자료 전환 장치(DTE: Data Transfer Equipment), 비행 정보 기록 장치(VADR: Voice and Data Recorder), 항공기 탑재 영상 녹화기(AVSR: Airborne Video Solid State Recorder), 기내 엔터테인먼트 장치(IFE: In-flight Entertainment) |
3. 시스템 통합 기술
과거 초기 독립형 구조에서는 개별 '서브 시스템'을 '전체 시스템'으로 통합하는 임무를 '항해사', '무장 조준사', '레이더 운용자'와 같은 해당 승무원이 직접 수행하였다. 하지만 '무기체계' 개념이 수립되면서 '항공 전자 시스템(Avionics System)' 통합에 일대 진전이 있었다. 즉, 높은 성공률로 그리고 효과적으로 임무를 수행하기 위해, 전세 시스템 차원에서 접근할 필요성이 제기되었다. 이 개념은 현재까지도 운용 중인 1960년대 개발 항공기에서부터 구체화되기 시작했다.
예를 들어, '무장 조준 시스템'의 경우, '조종사 전방 시현기(HUD: Head-Up Display)', '무장 조준 컴퓨터', '항공기 자세 및 헤딩 측정 시스템(AHRS: Attitude Heading Reference System)', '대기 자료 컴퓨터(ADC: Air Data Computer)', '레이더' 등에 대한 밀접한 통합이 요구되었다. 또 '헬멧 장착 시현기(HMD: Helmet Mounted Display)', '관성 항법장치(INS: Inertial Navigation System)', '위성 항법 장치(GPS: Global Positioning System)', '열상장비(FLIR: Forward Looking Infra Red)', '스마트 무장' 등에 대한 보다 높은 수준의 시스템 통합 기술이 요구되었다.
- 데이터 버스 시스템(Data Bus Systems): '연방형 구조' 또는 '통합형 구조', 이러한 통합에 필요한 핵심적인 기술의 하나는 '데이터 버스 시스템(Data Bus Systems)'이다. '데이터 버스 시스템(Data Bus Systems)'은 크게 전기적인 배선으로 펄스 신호를 전송하는 '전기식 데이터 버스 시스템'와 광섬유로 광 펄스를 전송하는 '광학 데이터 버스 시스템'으로 나눌 수 있다. '전기식 버스'에는 가장 널리 사용되는 'MIL-STD-1553B 방식', 'ARINC 429 버스', 'ARINC 629 버스' 등이 있다. 한편 '광학식 버스'에는 '유로파이터(Eurofighter)'에 적용된 20Mbps의 'STANAG3910', F-22에 적용된 50Mbps의 'HSDB(High Speed Data Bus)', Gbps 급인 'Fibre Channel', 'Gigabit Ethernet' 등이 있다.
- 시분할 다중(TDM: Time Division Multiplexing): 시스템 통합이 고도화되면서 증가되는 서브 시스템 간 연결 케이블을 줄이기 위해 '시분할 다중(TDM)' 방식으로 신호를 전송하는 기술이 적용되고 있다. 적용 대상 '데이터 버스 시스템(Data Bus System)'을 선택하여, '항공 전자 시스템'을 통합하기 위해서는 '항공기 체계 임무 요구도 분석을 통한 항공 전자 시스템 요구 성능 도출', 'Trade-off Study를 통한 시스템 Architecture 및 서브 시스템 간의 인터페이스 설계, 각 서브 시스템의 정의 및 하드웨어 연동과 소프트웨어에 의한 운용 통합 등의 기술이 요구된다.
'항공 전자 시스템(Avionics System)' 통합은 '항공 전자 시스템' 통합에 적용 가능한 기술 수준 및 효과도를 분석하여 설계되어야 하며, 항공기 수명주기를 고려한 성능개량도 용이하도록 설계되어야 한다. 그 외에, '국방 예산의 제한', '군용 부품의 단종 대처', '첨단 기술의 신속한 적용' 등을 위해 군용 항공 전자 시스템에 '접속 모드 트랜스포트 서비스(COTS: Connection Mode Transport Service)' 구성품을 활용하여 통합되는 기술이 요구된다. 또 호환성·확대성을 증대시키기 위해서는 하드웨어·소프트웨어에 광범위하게 사용되는 '표준 인터페이스 프로토콜(Standard Interface Protocol)'에 의한 개방형 구조의 시스템 설계 기술이 필요하다.
4. 자율화 기술
전투기의 '자동 표적 인식', '전장 상황 분석', '위협성 평가' 등 '항공 전자 시스템(Avionics System)'에 의한 임무수행 자율화 수준을 높이기 위해 '신호처리', '통계학적 추정', '패턴 인식', '인공지능(AI)', '인지과학', '정보이론' 등을 망라한 기술이 적용되고 있다.
F-22의 '항공 전자 시스템'은 First-Look, First-Shoot, First-Kill을 위해 표적 탐지·획득·식별·치명도 등에 대한 탁월한 상황 인식 능력을 제공한다. 가시거리 범위 밖의 상황인식을 위한 다중 센서들의 데이터 융합을 위해 '위협 경보' 및 '대응 능력'이 강화되어 생존성이 크게 향상되었다. 또한 다중 센서에 의한 '표적 추적 파일'은 조종사의 관여 없이 지속적으로 자동 갱신되므로, 적위협이 F-22를 둘러싼 전술 공간에 접근할수록 보다 정밀하게 추적된다. 항공기 기준 최외곽 영역에서의 '상황인식', '초기 추적·식별', '교전·회피 결정', 가시거리 범위 밖 'AMRRAAM(Advanced Midium Range Air to Air Missile)' 등의 임무가 자동화된다. 이에 조종사는 '교전', '회피', '무장 발사', '전자 대응책' 사용과 같은 전술적인 결정에 필요한 적절한 시간을 확보할 수 있다.
4-1. '무인기'의 발전
한편, 미래 전장 환경의 무인화 추세에 따라 '무인기의 임무수행 능력 향상', '지상 운용자에 대한 독립성 증대'를 위해, '탐재 컴퓨터(Detection Computer)'에 의한 '상황인식', '추론', '의사결정', '실행'이 가능한 수준으로 자율화 기술이 발전하고 있다. 무인기가 비행 중에 항로 및 임무를 재설정하거나 지상통제와의 가시선 미확보 시 '통신 두절', '시스템 고장', '적위협 발생' 등의 동적 상황 변화에 자율적으로 대처할 수 있어야 한다. 다수 무인기를 동시에 운용하기 위해서는 고도의 자율화 수준이 요구된다.
최근 전쟁 양상이 '플랫폼(Platform)' 중심에서 '네트워크(Network)' 중심으로 전환되었다. 이에 따라 무인기 임무수행에 있어서의 지상 운용자 역할 또한 '숙련도' 기반의 '하위 제어 개념'에서 '지식 기반'의 '상위 통제 개념'으로 전환되고 있다. 'Global Hawak' 무인기의 경우, 지상 운용자는 '활주', '이륙', '임무 수행', '착륙'의 전과정에서 필요한 명령을 비행체로 전송하면, 비행체는 사전 입력된 경로 항법을 수행한다.
기술 시범기인 'J-UCAS(Joint-Unmanned Combat Air System)'의 경우, 운용자 1명이 비행체 4기를 통제하는 개념으로 시스템이 개발되고 있다. 이와 같이 무인기 자율화 수준 향상을 통하여, 지상 운용자의 업무 부하를 줄이려는 방향으로 기술이 발전하고 있다. 업무 부하를 줄임으로써, '다수 무인기 동시 운용 능력' 및 '비상 사황 자율 대처 능력을 증대'시키는 방향으로 기술이 발전하고 있다. 3차원 입체 합성 영상에 이르기까지 다양한 정보 시현을 위해 '램프', 'LED(Light Emittin Diode)', 'MFD(Multi Function Display)', 'HUD(Head Up Display)', 'HMD(Helmet Mounted Display)' 등 각종 시현 장비 기술이 적용된다.
4-2. '청각 정보 활용 기술'의 발전
'시각 정보'와 더불어 '청각 정보'의 활용 기술의 발전에 따라, '데이터 입력 기술', '항공기 경보 신호 발생 기술' 또한 발전하고 있다. 그 예로, '터치스크린 조종사 육성에 의한 데이터 입력', '합성 음성에 의한 일정한 톤의 경보 발생 기술' 등을 들 수 있다. 통계적 패턴 검색을 기초로 한 음성인식 기술의 향상으로, 인간이 컴퓨터와 상호 교신하기 위해 가장 쉽고 자연스러운 수단인 '직접 음성 입력 기법'이 실용성·융통성·신뢰성을 갖게 되었다. 그 결과, '비행 항로점(Flight Route)' 데이터 입력과 같이, 키보드를 통한 반복적이고 시간 소모적인 작업을 음성 인식으로 대신할 수 있게 되었다. 또 통신 채널을 선택하거나 음성합성을 통해 인지된 통신 주파수를 음성으로 재생시켜 조종사가 확인할 수도 있고, 이륙에 필요한 체크리스트 관련 업무에도 음성인식이 활용될 수 있다.
음성 인식에는 '화자 종속형', '독립형', '적응형' 등의 기법이 적용되고 있다. '음성 인식'은 사용되는 적용분야 및 목적에 좌우되거나, 가까운 미래에 '자연어(Natural Language)'에 의한 음성인식이 이루어질 수 있을 것으로 기대되고 있다. 음성 인식 시스템을 최초로 채택한 항공기인 '유로파이터(Eurofighter)'의 경우 '화자 종속형'으로, 조종사는 지상에서 PC를 통해 음성 모형을 만들어 항공기 탑재 시스템에 로딩하여 '250 단어', '200msec 응답시간', '인식률 95~98%로 연속 음성인식이 가능하다.
5. 임무·무장 관리 소프트웨어 기술
5-1. 임무 관리 소프트웨어
임무 관리 S/W 기술은 '항공 전자 시스템 구성 장비'와 '탑재 무장', '엔진', '기체' 등 항공기로부터의 '데이터 입력 및 처리', '임무수행에 필요한 정보 시현', '이들 계통의 통합 및 제어', '일부 임무 기능 장애 시 고장진단과 격리', '임무 재할당' 등의 기능 구현에 필요한 내장형 S/W 기술이다. 임무 성능 극대화를 위한 '다중 센서 정보의 융합 기술', '임무 자율화를 위한 인공지능형 S/W 설계 기술'이 적용되고 있다. 또한 재활용성·정비성 향상을 위하여, '모듈화', '객체화' 및 안전성 향상을 위한 'Partitioning 설계 기술' 등이 적용되고 있다.
5-2. 무장 관리 소프트웨어
항공기의 무장 관리를 위해서는 우선 '표적(Target)'을 획득하고, 획득된 표적에 대해 적합한 무장을 선택한다. 표적을 명중시킬 수 있도록 무장 조준 정보를 제공하고, 발사 조건이 충족되면 무장을 투하·발사한다. 공대공·공대지 임무에 고유한 무장 조준 방식이 적용되며, 실시간 '수치적분법(Numerical Integration)'을 이용하여 탄도 미분방정식의 해를 구해 무장의 궤적을 계산한다. 탄을 '질점(Point Mass)'으로 보고 '모멘트(Moment)' 성분은 고려하지 않으며, 항공기의 '고도', '속도', '자세', 그리고 '표적정보', '대기정보', '탄의 공력 데이터', '중력' 등을 고려하여 탄도 미분방정식을 구하고, '중력가속도의 변화', '지구의 자전 효과', '바람의 영향', '탄의 분리 효과(Bullet Separation Effect)' 등을 보상하여 탄도를 계산한다. 그다음에는 무장투하에 필요한 정보를 생성한 후, 조준기 등에 시현한다.
대표적인 '공대지 무장 탄도 계산 알고리즘'에는 'CCIP(Continuously Computed Impact Point)', 'CCRP(Continuously Computed Release Point)', 'DTOS(Dive Toss)' 등이 있다. '공대공 기총 알고리즘'에는 'LCOS(Lead Computing Optical Sight)' 등이 있다.
6. 차세대 항공관제 시스템
6-1. ADS-B
여객과 화물 수요의 증가로 인해 민간 항공기의 운항이 폭발적으로 증가함에 따라, 이에 대한 대응이 산업적으로 큰 관심을 받게 되었다. 이와 관련하여 차세대 항공관제 시스템인 'ADS-B'가 향후 부상하였다. 'ADS-B(Automatic Dependent Surveillance Broadcast)'는 정보를 '항공기와 지상' 또는 '항공기 간'에 교환하는데 활용되는 기술이다. 항공기로부터 지상으로 정보가 전송될 때 활용되는 'ADS-B'는 유럽에서 이미 2015년까지 도입되어 2017년부터 운영되는 모든 항공기에 탑재하도록 규정하고 있다. 미국도 ADS-B를 2020년까지 모든 항공기에 탑재하였다.
6-2. SWIM
'SWIM(System WIde Information Management)'라는 기술도 논의되고 있다. 이 기술은 '기상 정보', '공항 및 공중 정보', '비행 정보' 등을 교환하기 위해 개발되고 있으며, 항공기 시스템에 지상의 IT 시스템을 연동하기 위한 기술이다. 지상으로부터 '비행 계획', '비행 흐름', '공항', '기상', '항공기 성능' 등을 포함하는 다양한 정보를 바탕으로 항공관제를 효과적으로 하기 위한 기술이다.
ADS-B 외에 '통합 모듈형 항공 전자 시스템'과 관련된 '체계 통합 기술', '조종 사항 공기 연동 기술', '무인 자율화 기술' 등도 꾸준하게 산업적으로 관심을 받고 있다. 특히 전자식 비행제어가 가능해짐에 따라, '항공 전자 시스템'의 관점도 안정성보다는 제어 성능으로 전환되고 있는 추세이다.
