[논문 리뷰] Radar Altimeter Redesign for Multi-Stage Interference Risk Mitigation in 5G and Beyond

Jarret Rock, Ying Wang|arXiv (Cornell University)|2023. 05. 09.

Air Traffic Management and Optimization인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 3.7–3.98 GHz 대역의 5G C밴드 간섭을 줄이기 위해 통합된 밴드패스 필터를 탑재한 재설계된 레이더 고도계를 제안한다. 이 간섭은 4.2–4.4 GHz 레이더 고도계 주파수 대역과 겹친다. 재설계는 TSO 인증 준수를 유지하며, 초도 테스트를 통해 필터가 고도 측정 정확도를 ±3피트 이내로 유지함을 입증한다. 이는 5G로 인한 신호 품질 악화로 인한 비행 안전 리스크를 방지할 수 있는 실현 가능하고 인증 가능한 해결책을 제공한다.

ABSTRACT

The radar altimeter is installed on most 14 CFR Pt 25 category aircraft, which are applicable to passenger travel and represent most airline traffic. The radar altimeter system is highly accurate and reports the height above the terrain. It plays a significant role in the take-off, approach, and landing phases of the applicable aircraft. In critical conditions, including reduced visibility, proximity to terrain, collision avoidance, and autoland procedures, the accuracy of radar altimeters is crucial to the safety of aircraft. This study aims to address the inappropriate behavior of the susceptible system that may cause essential safety concerns with unknown interoperability and operational impacts. We design and verify a strategic approach to mitigate the risks of potential airborne interference to a radar altimeter due to the coexistence of a 5G and future G signal, especially with the growing demand for the Space Air Ground Integrated Network (SAGIN). This study details a design change to a pre-existing radar altimeter system, and the process necessary to gain certification approval following this change is analyzed. We address the certification aspects from a TSO perspective resulting from changes made to a system post-certification. Artifacts, as defined in the FAA Project Specific Certification Plan template, including the Change Impact Analysis, Means of Compliance, and Test Plans, which are mandated by the certification authorities and requested by aircraft manufacturers and operators to ensure a level of compliance during the engineering cycle, have been adhered to.

연구 동기 및 목표

• 3.7–3.98 GHz 대역의 증가하는 5G C밴드 신호가 4.2–4.4 GHz에서 작동하는 레이더 고도계에 간섭을 주는 안전 위험을 해결한다.
• 기존 레이더 고도계 시스템을 후속 인증을 고려한 재설계하여 5G RF 간섭에 대한 내성을 향상시킨다.
• 특히 Approach 및 착륙 단계와 같은 비행의 핵심 단계에서 RF 조건이 열악한 상황에서도 계속해서 항공기 운항 가능성과 운영 안전성을 확보한다.
• 글로벌 민간 항공 표준을 위해 규제 요구사항(예: TSO, DO-155)과 일치하는 전략적이고 다단계 간섭 완화 프레임워크를 제공한다.
• 미국 상업 항공기에서 5G 배포로 인해 영향을 받는 취약한 레이더 고도계의 리모델링 또는 교체를 위한 규제 일정을 지원한다.

제안 방법

• 4.2–4.4 GHz 중심의 좁은 대역, 고선택성 밴드패스 필터를 통합하여 기존 레이더 고도계 시스템을 재설계하여 비대상 대역의 5G 신호를 억제한다.
• TSO-C87 인증을 위한 FAA 프로젝트 특정 인증 계획(PSCP) 템플릿 준수, 변경 영향 분석, 준수 수 Mittel, 시험 계획 포함.
• 실내 실험 기반 테스트를 통해 시뮬레이션된 5G 간섭 조건 하에서 신호 무결성, 정확도 및 기능 성능을 평가한다.
• 기준 TSO 인증 레이더 고도계 단위와의 비교를 통해 재설계된 시스템이 간섭 조건에서도 ±3피트 정확도를 유지함을 검증한다.
• 수동 필터링을 주요 완화 전략으로 통합하며, 일본의 5G 배포 모델에서 영감을 얻은 공간 분리 및 빔포밍과 같은 대안적 접근 방식을 고려한다.
• 노후된 표준(예: DO-155, TSO-C87)의 규제 및 기술적 격차 분석 — 특히 1980년대 RF 스펙트럼 환경을 반영한 바, 간섭 민감도 또는 수신기 마스크에 명시적 요구사항이 없음.

Figure 1: Radar Altimeter Transmit and Receive Signal Propagation

실험 결과

연구 질문

• RQ1 TSO 준수를 훼손하지 않으면서도 5G C밴드 간섭 상황에서도 안전 핵심 성능을 유지할 수 있도록 기존 레이더 고도계를 후속 인증을 고려해 재설계하는 방법은 무엇인가?
• RQ2 4.2–4.4 GHz 대역의 밴드패스 필터는 3.7–3.98 GHz 대역의 5G 신호에 대해 얼마나 효과적으로 민감도를 감소시키며, 동시에 ±3피트 측정 정확도를 유지할 수 있는가?
• RQ3 상업 항공기 내 기존 레이더 고도계를 리모델링할 경우 주요 인증 과제와 필수 문서(예: 변경 영향 분석, 시험 계획)는 무엇인가?
• RQ4 DO-155 및 TSO-C87과 같은 노후된 항공전자 표준은 현대의 5G 및 향후 G 네트워크 간섭 위협을 충분히 다루지 못하는가?
• RQ5 비행체 내 시스템에서 수동 필터링에 의존하는 것과 활성 간섭 제거 또는 공간 분리 대비 운영 및 안전적 영향은 무엇인가?

주요 결과

• 4.2–4.4 GHz 범위의 밴드패스 필터 추가가 레이더 고도계의 핵심 기능에 부정적인 영향을 미치지 않으며, 운영 무결성을 유지한다.
• 초기 테스트 결과 재설계된 시스템이 간섭 조건에서도 ±3피트 정확도를 유지함을 보여주며, 기준 TSO 인증 단위의 성능과 동일하다.
• 실내 실험 테스트 결과는 비행 테스트 관측 결과와 일치하여, 필터 설계가 실제 RF 환경 조건 하에서도 효과적임을 시사한다.
• 연구는 수동 필터링이 실현 가능하고 인증 가능한 완화 전략임을 확인하며, FAA는 RF 필터를 5G 간섭에 대한 주요 해결책으로 지명하고 있다.
• 터키 항공 1951편 및 2012년 카자흐스탄 안톤프로젝트 72기 추락 사고는 레이더 고도계 장애가 치명적인 결과를 초래할 수 있음을 입증하며, 사전 재설계의 긴급성을 강조한다.
• FAA와 같은 규제 기관은 취약한 레이더 고도계의 리모델링 또는 교체 일정을 요청하며, 본 연구에서 제안한 바와 같은 표준화되고 인증 가능한 솔루션의 필요성을 강조하고 있다.

Figure 2: System Block Diagram (Reproduced from: Honeywell, 2021)