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항공우주산업기술동향 12권2호 (2014) pp. 192~199

http://library.kari.re.kr

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기술동향

항공교통관리 궤적기반운용 연구 개발 동향

은연주*, 전대근*1)

Research and Development Trend of Trajectory-Based

Operations in Air Traffic Management

Eun, Yeonju*, Jeon, Daekeun*

ABSTRACT

The research and development trend of Trajectory-Based Operations(TBO), which is a key concept of

future Air Traffic Management(ATM), are presented in this paper. The operational concepts of TBO in
ASBU(Aviation System Block upgrade) from ICAO(International Civil Aviation Organization) have been
summarized, and the detailed operational concepts and procedures, which can be realized in the near
future, are described through the investigations of operational concept development and related research
and development activities of TBO in USA and Europe.

초 록

본 논문은 미래 항공교통관리(Air Traffic Management, ATM)의 핵심개념인 궤적기반운용

(Trajectory-Based Operations, TBO)에 대한 기술동향을 담고 있다. ICAO(International Civil Aviation
Organization)가 발표한 ASBU(Aviation System Block Upgrade)에 기술된 TBO 운용개념을 살펴보고, 미국
과 유럽에서 각각 진행 되어온 TBO 운용개념 수립과 관련 연구개발 사례들을 통해 근 미래에 실현 가능한 실
제 운용개념 및 절차를 구체화하였다.

Key Words

TBO(Trajectory-based Operations, ATM(Air Traffic Management), 4D Trajectory,
ASBU(Aviation System Block Upgrades), SESAR(Single European Sky ATM Research)

* 은연주, 전대근, 한국항공우주연구원 항공교통연구센터 차세대항행팀

yjeun@kari.re.kr, bigroot@kari.re.kr

은연주 외 / 항공우주산업기술동향 12/2 (2014) pp. 192~199

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1. 서 론

항공교통 선진국인 유럽과 미국 모두에서 궤적기반

운용(Trajectory-based Operations, TBO)은 미래 항공
교통관리(Air Traffic Management, ATM)의 핵심 개
념으로 받아들여지고 있다. [1] TBO에서 궤적을 의미
하는 Trajectory는 4DT(4-Dimensional Trajectory)라
고도 하며, 경로(Path)로 통칭되는 3차원 공간상의 위
치 정보에 시간 정보를 더해 경로상의 각 지점과 그 지
점을 항공기가 어느 시간에 지나가게 되는지를 나타낸
정보를 말한다. 통상적으로 이는 Path와 구분되는
Trajectory 자체의 특성이지만 그 의미 차이를 분명히
하기위해 ATM 분야에서는 4D 라는 용어와 결합하여
4DT로 표현하고, 필요에 따라 속도 정보를 포함하기
도 한다. TBO는 4DT를 활용한 항공교통관리 방법 및
그와 연관된 기술적 요소나 운용개념 전체를 지칭하는
넓은 의미를 갖고 있으며, 이러한 4DT를 어떻게 공유
하고 어떤 전략으로 항공교통관제 및 관리에 활용할지
를 구체적으로 나타내는, 좁은 의미에서의 특정 ATM
운용개념을 지칭하기도 한다. 미국과 유럽은 각각
NextGen1)과 SESAR2)를 통해 TBO에 대한 운용개념
들을 정립하고 관련된 연구개발을 수행하고 있으며,
ICAO는 전 세계적인 CNS/ATM 로드맵에 해당하는
ASBU(Aviation System Block Upgrade)를 통해 전세
계적으로 TBO의 운용개념과 적용 일정을 공유하도록
유도하고 있다.

본 논문에서는 좁은 의미로 쓰이는 TBO의 구체적

인 운용개념에 대해 조사하였으며, 이를 위해
NextGen과 SESAR를 통해 구체화된 TBO의 실제 운
용개념 및 절차를 자세히 알아보고, 각각의 차이와 공
통점을 분석하였다.

이를 위한 이후 논문의 구성은 다음과 같다. 2장에

서는 ASBU에 나타난 TBO 관련 로드맵에 대해 소개하
고, 3장과 4장에서는 각각 NextGen과 SESAR의 관련
연구개발 사례들을 통해 실질적인 운용개념을 구체화
하였다. 마지막으로 5장의 시사점 및 결론을 통해 공통

1) FAA's Next Generation Air Transportation System

2) Single European Sky Air Traffic Management System

Research

된 TBO 운용개념을 기술하였다.

2. ASBU에서의 TBO

ASBU[3,4]는 ICAO의 단계별 항공시스템 최신화

(개선)계획으로서, 이행을 위한 운용개념 뿐 아니라 이
행을 위해 필요한 장비 및 시스템, 표준 및 절차, 선행
국의 사례와 그 효과를 공유함으로써, 지역적 국가적
프로그램의 핵심 능력과 성과 향상을 세계적 범위에서
동일한 수준의 성과와 관련 이익을 갖도록 하고자 하
는 목표 아래 수립되었다.[2] 이와 같이 CNS/ATM 전
반에 걸쳐 전 세계적으로 공통적인 이행을 위해 노력
해야할 일종의 로드맵이자 가이드라인에 해당하는
ASBU에 나타난 TBO의 운용개념을 명확히 이해하는
것이, NextGen 이나 SESAR와 같이 특정 지역에서 수
행되고 있는 연구개발 사례들을 소개하는 것보다 선행
되어야 할 것으로 생각된다.

앞서 언급한 바와 같이 TBO는 넓은 의미와 좁은 의

미로 혼용되어 쓰이기도 하는데, 대표적으로 ASBU에
서 그런 경향이 드러난다. ASBU의 스레드(Thread)들
은

크게

4가지

성능개선영역(Performance

Improvement Area, PIA)로 나뉘는데[2], 그 중에 하나
인 ‘PIA - Efficient Flight Path'는 ’Through Trajectory-
based Operations' 라는 부제를 갖고 있다. 이 PIA에는
총

4개의

스레드가

있으며,

이중

하나로

Trajectory-Based Operations(TBO)라는 스레드가 존
재한다.[3] 이외의 스레드들은 Continuous Descent
Operations(CDO)와

Continuous

Climb

Operations(CCO),

Remotely

Piloted

Aircraft

Systems(RPAS) 가 해당 PIA에 포함된다. 예컨대,
CDO와 CCO는 TBO에 포함된다고 할 수도 있고, 협
의의 TBO 운용개념을 보완하여 광의의 TBO 운용개념
을 현실화 하는 요소로 작용한다고도 볼 수 있을 것이
다. 본 논문의 3장과 4장에서는 주로 협의의 TBO 운용
개념을 살펴보고, CDO, CCO 등과 같은 다른 운용개
념들과 어떤 식으로 상호 작용을 통해 광의의 TBO를
가능하게 하는지 살펴보고자 한다.

ASBU의 TBO 스레드는 Block 0, 1, 3로 구성되어 있

다. 현재에 해당하는 Block 0 단계에서는 대양 또는 원

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격지에 해당하는 공역 상 비행 단계에서 ADS-C
(Automatic Dependent Surveillance Contract) 와
CPDLC(Controller Pilot Data Link Communication)
를 이용한 감시 및 통신 강화를 이루어 좀 더 유연한
Routing 이나, 항공기간 분리 축소, 안전 향상을 가능
하게 하는 것을 목표로 한다[3]. 2018년부터 이행하는
것을 목표로 하는 Block 1 단계에서는 초기 TBO로서
추가적인 Air/Ground 데이터 통신을 이용해 항공기
로부터 항공기 궤적 예측 정보를 다운링크하여 지상에
서 접근관제구역 진입지점과 같은 Metering Fix 에서
의 도착순서 최적화 및 스케줄링을 수행하고, 이에 대
한 결과를 CTA(Controlled Time of Arrival)의 형식으
로 업링크한 후 항공기에 탑재된 FMS(Flight
Management System)으로 하여금 RTA(Required
Time of Arrival)의 형태로 주어진 CTA를 만족하도록
하는

것이

주요

내용이다.

또한

기존의

Ground/Ground 통신을 강화하여 운영 협력 기능을
개선하도록 하는 내용이 포함되어 있다[2,3]. Block 2
에 대항하는 TBO 모듈은 제외되어 있으며, Block 3에
해당하는 단계에서는 정확한 궤적 예측과 함께
Air/Ground, Air/Air 간 운항 정보와 궤적 정보 공유
를 강화하여 운항 정보의 예측성, 문제해결 기능, 관제
자동화 및 의사 결정의 정확성을 전반적으로 향상시키
는 것을 목표로 한다. [2]

3. NextGen에서의 TBO 운용개념

NextGen에서는 그림 1에 나타난 바와 같이 지형지

물, 라디오 비콘, 위치 보고 등을 이용한 과거의 절차
기반 관제(Procedural Based Control)에서 VOR/
DME, 레이더 등을 이용한 현재의 감시 기반 관제
(Surveillance Based Control)로 전환된 것처럼, 현재
로부터 미래에는 RNP, ADS-B, Data Communication
등을 활용한 궤적 기반 관제(Trajectory Based
Control)로의 전환을 목표로 하고 있으며, 이를 위해
JPDO3)의 Trajectory-based Operations Study Team과
같은 조직의 주도로 TBO 운용개념에 대한 연구가 이
루어졌다.[5]

3) Joint Planning and Development Office (美)

NextGen에서는 TOps(Trajectory Operations, 궤적

운용)과

TBO(궤적기반운용,

Trajectory-Based

Operation)를 구분하고 있는데, [5]의 용어 정의에 따
르면 TOps는 관리하는 모든 항공기가 4DT로 표현되
어 다루어지는 ATM 시스템이나 방식을 말하며, 수용
력과 효율성을 증대시키기 위한 중간 단계의 이행전략
에 해당한다. 반면 TBO는 TOps 확장하여 적용하는 것
으로, 항공기들의 4DT (현재위치와 미래의 예측위치
모두)를 기준으로 항공기간 간격 분리, 시퀀스 및 합류
등을 제공하는 것을 말하며, Gate-to-Gate 운용을 대상
으로 하여 공항 지상/공중, 항로관제구역/접근관제구
역, 전략적단계(Strategic ATM)/전술적단계(Tactical
ATM)의 구분 없이 운항의 모든 단계에서 적용되어 이
로 인한 이득을 극대화 하도록 하는 것을 목표로 한
다.[5]

그림

1. NextGen TBO mission [6]

전 운항단계에서의 적용을 목표로 하기 때문에

TBO는 비행이 시작되기 이전의 전략적 단계에서부터
시작되어 비행이 종료되기까지 각 단계에서 적용될 수
있으며, 그림 2는 이로 인한 정보의 흐름을 나타낸다.
예를 들어, 전략적 단계에서는 항공사의 FOC/AOC
(Flight Operations Center/Airline Operations
Center)와 ANSP(Air Navigation Service Provider)들
간에 초기 비행계획이나 궤적계획에 해당하는 Initial
Flight Plan/Object(또는 Business Trajectory4))를 주

4) 사전 정의된 4DT. 현재의 항로 및 비행절차를 연결한

Gate-to-Gate  비행  경로에  해당하며,  보다  효율적인  비행을  위해
항로  및  비행절차는  PBN  이나  CDO,  CCO  등이  적용된  정밀  궤적
으로  대체되어  4DT를  형성할  것으로  생각된다.

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고받으며 협상(negotiation) 또는 조정이 이루어진다.
항공기가 운항 중일 때는 운항 중 나타나는 비정상 상
황(날씨 또는 기타 상황변화)으로 인해 전략적 단계에
서 결정된 Object를 추종하지 못할 것으로 예상되는
경우, ANSP 쪽으로 궤적 변경 요청을 전송하여 새로
운 Object를 협상을 통해 결정하며, 결정된 Object 정
보를 항공기에서 Conformance Monitoring 쪽으로 송
신하도록 하는 등의 일련의 과정이 나타나 있다.

그림

2. NextGen TBO 정보 흐름[5]

미국에서 항공기와 지상간의 Object 협상과 같은 운

용개념을 위한 시스템 개발 연구는 CTAS(Center
TRACON Automation System)-FMS 간 궤적 교환에
대한 연구처럼 1970년대부터 진행되어 왔으며[5],
Object 생성을 위해서는 CDO, CCO, Tailored
Arrivals 등의 연구가 진행되었다.[19] 비행중의 비정
상 상황에 대한 Initial Object 변경을 위한 협상에서는
주로 항공기에서 FMS를 이용하여 새로운 4DT를 계산
한 후 이를 지상으로 다운링크하고, ANSP에서 효율적
인 교통관리나 안전을 고려한 Constraint를 CTA의 형
태와 같이 다시 항공기로 업링크하는 방법으로 협상이
이루어지며[5], 이와 같은 운용개념은 ASBU에서 정의
한 바와 거의 유사하다. 비행전의 전략적 단계에서 비
행중의 전술적 단계까지 각 주체가 해야할 일과 오고
가는 데이터 종류, 그리고 이에 대한 예시로 제시한 여
러 가지 운용 시나리오 등과 같이 운용개념의 실행을
위한 연구 결과가 [5]에 자세히 제시되어 있으며, 이와
같은 운용개념의 실행을 가능하게 하는 기술요소에 대
한 여러 가지 연구가 진행되어 왔다.[7, 8, 9,15,20]

미국 NASA에서 개발하여 FAA로 기술 이전 중에

있는[14] ATD-1 (Air Traffic Management Technology

Demonstration : IM -TAPSS(Interval Management -
Terminal Area Precision Scheduling and Spacing)
[10,12,13,14]도 위와 유사한 TBO 운용개념을 개발/시
험하기 위한 프로젝트이다. ATD-1은 항공기의 운항
중에 해당하는 전술적 단계의 TBO를 위한 관제사 결
정 보조장치와 항공기 탑재 장비들을 포함한 통합 테
스트환경이며, 아래와 같은 시스템 및 기술들이 적용
되어 있다.[10]
Ÿ

ADS-B

Area Navigation(RNAV) Arrival Routes

Optimized Profile Descent (OPD) Procedures

Terminal Metering

Flight Deck Interval Management(FIM)

Controller Managed Spacing(CMS) tools

그림

3. ATD-1 CMS 현시 화면

RNAV Arrival Routes 및 OPD Procedure는 ASBU

에서의 CDO 및 CCO 와 유사한 내용이며, Terminal
Metering 및 CMS tools는 지상 시설로서 관제사 결정
보조 장치 및 시스템에 해당한다. FIM은 FMS와 유사
한 항공기 탑재장비인데, Terminal Metering을 담당
하는 TMA(Traffic Management Advisor)가 생성한 항
공기별 CTA를 만족할 수 있도록 항공기의 속도조절
기능을 담당하는 탑재장비로, 생성된 4DT에 대한 조
종석 현시 기능을 포함한다. FIM과 같은 탑재장비가
없는 항공기들이 혼재된 교통상황에서는 CMS tools
가 4DT를 생성하여 관제사에게 제공하며, 적절한 통
신 링크를 통해 이 정보를 항공기로 직접 전달하거나,
기존과 같은 음성 통신을 통해 전달하는 방법을 모두

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은연주 외 / 항공우주산업기술동향 12/2 (2014) pp. 192~199

ASBU

Modules

European ATM Mater Plan

Key Features

Operational

Changes

B0-TBO

(Improved

Safety and

Efficiency

through the

Initial

Moving from

Airspace to 4D

Trajectory

Management

- System

Interoperability

with A/G Data

Sharing

ASBU

Modules

European ATM Mater Plan

Key Features

Operational

Changes

Application

of Data Link

En-Route)

B1-TBO

(Improved

Traffic

Synchronizat

ion and

Initial

Trajectory-Ba

sed

Operations)

Moving from

Airspace to 4D

Trajectory

Management

- Trajectory

Management

Framework

- System

Interoperability

with A/G Data

Sharing

Traffic

Synchronization

- i4D + CTA

Integrated

Surface

Management

- Surface Planning

& Routing

- Guidance

Assistance to

Aircraft &

Vehicles

시험하고 있다. ADS-B는 공중 및 지상에서의 감시 기
능 강화를 위해 적용되며, CMS tools는 그림 3과 같이
관제사들의 상황인식 기능 및 관제조언정보 인식 측면
에서의 기능이 강화된 관제사 현시 장치를 포함한
다.[10]

4. SESAR에서의 TBO 운용개념

2012년 발표된 European ATM Master Plan[11]에

서는 크게 현재의 Deployment Baseline으로부터 3단
계에 걸친 단계적 운용개념 변화를 제시하고 있다. 각
각의 단계별로 1단계는 시간 기반 운용(Time-based
Operation), 2단계는 궤적기반 운용(Trajectory-based
Operation), 3단계에서 성능기반 운용(Performance-
based Operation)을 목표로 하고 있어 TBO를 광의적
인 의미로 사용하고 있는 것으로 보인다. 유럽의 ATM
Master Plan은 6개의 Key Features 안에 각각의 단계
별 Operational Changes들이 포함된 형태이다. 6개의
Key Features 중 ASBU의 TBO 스레드와 연관되어 있
는 것은 대표적으로 ‘Moving from Airspace to 4D
Trajectory Management’와 ‘Traffic Synchronization'
이며, ASBU의 TBO의 각 block 과 유럽 ATM Master
Plan의 Operational Changes 와의 연관 관계는 표 1과
같다[11]. 표 1의 Operational Changes 중에서, 본 논
문에서는 NextGen의 TBO와 유사하며 근시일내에 구
현될 수 있는 운용개념으로서 Gate-to-Gate 관점에서
TBO의 운용개념을 가장 구체적으로 파악할 수 있는
’i4D5)+CTA' 의 운용개념에 대해 알아보기로 한다.

표

1. ASBU 와 유럽 ATM Master Plan에서의

TBO 연관관계 [11]

5) Initial 4D

SESAR의 i4D+CTA 에서는

Business/Mission

Trajectory (B/MT)의 정의를 중요시하고 있다. B/MT
는 각 이해관계자들의 동의를 얻어 설정된 4DT로서,
BT는 민간항공부분에서, MT는 군관련 부분에서 적용
및 사용하는 4DT를 말한다. 그림 4에서와 같이 이륙부
터 착륙까지 연결된 궤적이며 CCO와 CDO, 또한 도착
부분에서 CTA가 적용될 수 있는 4DT이다.

그림

4. Business/Mission Trajectory 예시 [18]

그림 5에서 보는 바와 같이 B/MT는 전략적 단계에

서 Shared Business Trajectory(SBT)로서 Strategic
ATFM(Air Traffic Flow Management)에 적용되어 협
상 및 조정 대상이 되고, 항공기 출발 전 고정된 4DT가
되면 모든 이해관계자들이 공유한다는 차원에서
Reference Business Trajectory(RBT)로 명칭이 바뀌게
된다[17,18,21,22]. 이는 NextGen에서의 ‘Closed

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197

그림

6. i4D+CTA 운용개념[18]

Trajectory'[5]와도 비슷한 개념이다.

RBT가 결정되고 항공기가 출발하면, 지상에서는 항

공기가 비행할 2D 경로의 허가를 발부할 뿐, 정확한
4DT의 계산은 항공기에 탑재된 FMS에 상당부분 의존
한다. 항공기 FMS에서 계산된 4DT는 적절한 통신링
크를 이용하여 지상으로 다운링크된다. CTA가 적용
되는 지점은 도착 공항의 Metering Fix 1개에만 적용
되며, 다른 항공기들과의 도착 스케줄링을 위해
Metering Fix 까지의 ETA 최대, 최소값을 계산하는 것
도 역시 항공기에 탑재된 FMS에 의존한다. 지상에서
는 여러 항공기에게 항공기 별 ETA의 최대, 최소값을
받아 항공기들의 도착 시퀀싱과 스케줄링을 수행하며,
그 결과는 CTA의 형태로 항공기로 업링크되어 FMS
에서 이를 추종하도록 한다. 이상의 절차들이 그림 6에
나타나 있다.

그림

5. Business Trajectory의 Life Cycle [22]

이와 같은 운용개념의 추종을 위한 항공기 탑재 장

비의 구성은 그림 7과 같다. i4D+CTA에서는 4DT의
계산을 항공기 탑재장비에 많이 의존하고 있는 만큼,
운용개념의 구현을 위해 현재 사용되고 있는 탑재장비
의 기능/성능 증대가 상당히 요구된다. 대표적으로
FMS의 RTA 추종 성능이 정확해야하고, 날씨 및 기상
상황에 대한 모델링 성능 또한 향상되어야 한다. 정확
한 ETA 최대, 최소값 예측을 위해 궤적 예측 정확성 또

한 요구되며, CPDLC, ADS-C 등의 데이터 링크 기능
도 필요하다.[18] 또한 항공사의 AOC에서 날씨정보,
비행계획서 및 상황 변화에 대한 다양한 정보를 항공
기로 제공하는 역할도 필요하다.

i4D+CTA는 현재 ATD-1 과 유사한 여러 차례의 시

뮬레이션 테스트를 거쳐 비행시험 또한 수행되었으며
[17, 18], EUROCAE 및 RTCA의 표준화를 위한 연구
결과로 제시되어 Working Group 85와 78을 통해
“Datalink B2" 및 ”4DNav" 등의 표준화에 반영되었
다.[18]

그림

7. i4D+CTA를 위한 탑재장비 구성[18]

5. 시사점 및 결론

이상을 통해 ASBU의 TBO 운용개념을 정리하였고,

NextGen과 SESAR에서 진행 중인 프로젝트들을 통해
각각에서 구현하고 있는 TBO의 구체적인 운용개념을
알아보았다.

NextGen과 SESAR에서 진행 중인 TBO는 전략적/

전술적 단계 구분 없이 Gate-to-Gate 차원의 4DT를 적
용하여 비행 전 단계에서의 항공교통관리가 이루어지
도록 하는 큰 개념이 공통적이었으며, 날씨 변화나 도
착단계에서의 스케줄링 등을 위해 관제사가 임의로
Radar Vectoring하는 것을 배제하여, 늘어나는 교통량
에 대해서도 관제사 및 조종사의 Workload를 줄이고,
항공기의 움직임에 대한 불확실성을 줄여 AFTM과 같
이 넓은 지역에서의 교통량 밸런싱이 보다 효과적으로
이루어질 수 있도록 하는 큰 맥락과 목적이 일치하는

198

은연주 외 / 항공우주산업기술동향 12/2 (2014) pp. 192~199

것으로 보인다.

구체적인 차원에서 볼 때, 다른 항공기들이나

ATFM 차원에서의 효율성을 고려하여 항공기들의 스
케줄링은 지상에서 담당하고, 항공기 개개의 정확한
4DT는 항공기 탑재 장비(FMS 등)에서 계산된다는 점
또한 공통적이다. 이는 항공기 개개의 비행 상황 (날씨
나 항공기별 특성 및 현재 상태 등)에 대한 정보를 지
상에서 모두 수집하여 계산하는 것보다 훨씬 높은 정
확성을 보장할 수 있다는 점, 항공기의 비행 상황 정보
를 다운링크하고 지상에서 4DT를 계산하여 다시 업링
크 하는 것보다 데이터 통신 차원에서 효율적이라는
점 등을 고려할 때 타당한 전략이라고 생각된다. 그러
나 항공기들의 개별적인 궤적 예측 정확성이 비슷한
수준에 도달해야 하며, 항공기로부터 전달되는 4DT
데이터의 신뢰성이 보장되어야 한다는 점, 보안성과
같은 문제가 해결되어야 할 것으로 생각된다.

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