This paper tackles with a next-generation collision avoidance algorithm for Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) based on Traffic alert and Collision Avoidance System - II (TCAS-II) as well as Automatic Dependent Surveillance - Broadcast (ADS-B) information. TCAS-Il plays an important role in the thesis as a main collision avoidance algorithm. Using a TCAS-Il algorithm which is implemented as a computer program on the basis of TCAS-II Minimum Operational Performance Standard, collision avoidance maneuver of typical UAVs in various encounter scenarios is simulated after all TCAS-II commands are converted into an autopilot input. Since the TCAS-II algorithm provides an onboard pilot with vertical avoidance command, the UAVs maneuver vertically according to the altitude command generated to achieve vertical advisories from TCAS-II. In addition, the paper discusses a TCAS-II limitation on some UAVs whose climb or descend rate is relatively low and an alternative method as a complementary algorithm for these vehicles.
A new collision avoidance algorithm based on ADS-B information similar to that of TCAS-II is proposed and complements the avoidance logic which is supported by TCAS-II. While an onboard ADS-B system uses other aircraft information from a ground based transceiver, the proposed algorithm is limited to consideration of air-to-air communication between own UAV and intruders. By using the proposed algorithm on the basis of a modified logic, the low-performance UAVs equipped with TCAS-II and the ADS-B system, whose maximum vertical rate is less than the nominal command of TCAS-Il can start avoidance maneuver earlier than TCAS-II equipped vehicles. Therefore, these low-performance vehicles can get a similar vertical separation like high-performance UAVs whose maximum climb rate is higher than 1500 fpm.
In the thesis, the UAVs equipped with not only TCAS-II but the ADS-B system also can cope with several types of the intruders including the intruders with a transponder which the onboard TCAS-II system can recognize, intruders equipped with the ADS-B transponder, and others installed the both systems. Since the vertical performance of TCAS-II equipped aircraft is one of the most significant parameters in the collision avoidance algorithm, we uses five UAVs whose maximum vertical rates are different each other. Conclusively the vertical avoidance performances are compared in terms of not only the time when they resolve danger situations but also the relative distance based on a Near Midair Collision (NMAC).
본 논문은 민간항공기용 공중충돌경보장치인 TCAS-II (Traffic alert and Collision Avoidance System - II)와 차세대 감시개념인ADS-B (Automatic Dependent Surveillance - Broadcast)의 정보를 기반으로 하여 수정된 알고리즘이 무인항공기를 위한 공중충돌회피 방법으로서 응용될 수 있는 가능성을 제시한다. 첫째, 최소운용성능표준 (MOPS) 문서를 참고하여 TCAS-II 알고리즘을 이해하고 이것을 몇 가지 일반적인 무인항공기에 적용한다. TCAS-II의 의사코드에 의거하여 작성된 컴퓨터 프로그램은 최소운용성능표준 문서에 제공된 결과와 작성된 프로그램에서 생성된 결과를 비교함으로써 검증된다. 상승률 1500 fpm과 같이TCAS-II에서 요구하는 기본적인 수직 변화율을 생성하기에 충분한 성능을 지니고, 항공기 동역학과 자동조종장치를 포함한 무인항공기 모델은 수십 가지에 해당하는 TCAS-II 명령을 분류하고 자동조종장치의 입력으로 변환함으로써 성공적인 회피기동을 보인다. 무인항공기의 자동조종장치는 TCAS-II의 명령에 대하여 조종사의 지연시간과 같은 지연 없이 기민하게 응답하므로, 무인항공기는 조종사에 의해 운용되는 항공기들보다 수초 먼저 회피기동을 시작하게 된다. 반면, 최대 승강율이 TCAS-II가 요구하는 기본적인 승강율보다 낮은 무인항공기는 낮은 수직성능으로 인하여 TCAS-II 명령에 의해 회피할 수 없는 상황을 조우할 수 있다. 비록 TCAS-II가 외부적인 정보에 의하여 내 항공기의 수직 성능한계를 인지한 후 위험을 회피하도록 명령을 제공하지만, 보다 위험한 상황에서 낮은 수직상승률은 NMAC (Near Mid-Air Collision)를 초래할 수 있는 적용 상의 문제점이 된다.
둘째, 본 연구는 ADS-B 정보를 이용한 수정된 TCAS-II 알고리즘을 제안하였다. TCAS-II 시스템 설계 시 고려된 지연시간을 제거하고, 항공기의 최대 상승률과 고도를 고려하여 수직명령을 내려야 하는 시간을 다시 계산함으로써, 수정된 알고리즘은 다음과 같은 두 가지 장점을 제공한다. 한 가지는 저성능 무인항공기가 TCAS-II를 장착한 고성능 항공기처럼 효과적으로 위험한 조우상황을 회피하도록 해준다는 것이다. 또 다른 장점은 ADS-B 장비를 장착한 침입기에 대한 회피기동을 제공할 수 있다는 것이다.
셋째, 두 가지 장치를 모두 장착하고 있는 침입기에 대하여, TCAS-II 알고리즘과 수정된 알고리즘을 결합하는 통합논리가 제공되었다. TCAS-II 명령과 수정된 알고리즘의 명령을 통합함으로써, 고성능 무인항공기는 TCAS-II를 장착한 여객기와 같이 충돌을 회피할 수 있을 뿐만 아니라 낮은 수직상승률을 가진 무인항공기 또한 충돌위험을 회피할 수 있다. 결론적으로 TCAS-II와 ADS-B를 모두 장착한 무인항공기는 TCAS-II와 통신이 가능한 장비를 장착한 상대항공기, ADS-B만 장착한 상대항공기, 또는 두 장비를 모두 장착한 상대항공기에 대한 충돌회피 기동을 수행할 수 있다.
