Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences (한국항공우주학회지)

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Analysis of Low Altitude Wind Profile Data from Wind Lidar for Drone Aviation Safety

드론의 안전 비행을 위한 윈드라이다 저고도 바람 분석 방법 제시

  • Received : 2022.10.05
  • Accepted : 2022.11.23
  • Published : 2022.12.01
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Abstract

According to the Unmanned aircraft system Traffic Management (UTM), drones are permitted to fly up to 150m above ground, which is located in the atmospheric boundary layer where there is considerable wind fluctuation due to turbulence. Although it is difficult to predict when turbulence will occur drone aviation safety could be enhanced by having a better understanding of the characteristics of vertical profile of wind in the flight area. We used wind lidar (WIndMast 350M) to observe vertical profiles of wind at the test site for aviation meteorological observation equipment located near Incheon International Airport in July and September, 2022. In this study, we utilized the observed wind profile data to propose a technique for obtaining information that could help improve the drone aviation safety. The Fourier transform analysis is used to evaluate the temporal characteristics of the horizontal wind speed at various vertical levels up to 350m. We also examined the relative contribution of the variance of wind having scales of less than an hour, a crucial scale for drone flight, to the variance of wind having all scales at each vertical altitude for days with and without precipitation.

초경량 비행장치인 드론의 최대 허용 비행 고도는 지상 150m로 이는 난류의 영향을 받아 바람의 변동성이 강한 대기경계층 내에 존재한다. 또한 대기경계층 내에서의 바람 변동성은 지리적 위치에 따라 다른 특성을 가지므로 드론 관련 안전사고 방지를 위해서는 비행 지역에서의 각 고도의 바람 특성에 대한 명확한 이해가 필요하다. 본 연구에서는 인천국제공항 인근에 위치한 항공기상관측장비 테스트베드에서 윈드라이다(WindMast 350M)를 사용하여 2022년 7월과 9월에 바람의 연직 구조 관측을 수행하였고, 이러한 관측된 바람 자료를 활용하여 드론의 안전비행을 위한 정보를 생산하는 분석 방안을 제시하였다. 우선 윈드라이다를 통해 수집된 바람 자료에 푸리에 변환 분석 방법을 사용하여 수평 풍속의 시간 규모 특징을 각 고도별로 살펴보았다. 또한 강수와 무강수 사례의 바람장의 스펙트럼으로부터 드론 비행에 중요한 바람의 시간 규모인 1시간 이하 규모의 수평 풍속의 분산을 분리하여 전체 규모에 대한 1시간 이하 규모의 기여도를 각 고도별로 확인하였다.

Keywords

Acknowledgement

이 연구는 미래유망민간기상서비스 성장기술개발 사업 중 '드론 등 초경량비행장치를 위한 기상데이터 플랫폼 및 맞춤형 서비스 개발' 과제(KMI2020-00310)로 수행되었습니다. 또한 윈드라이다 관측을 위한 관측장소 및 자료제공은 기상청 국립기상과학원 '수도권 위험기상 입체관측 및 예보 활용 기술개발'(KMA2018-00125)의 지원으로 수행되었고, 교신 저자는 2022년도 연구재단의 지역우수과학자(2021R1I1A3044379) 사업의 지원을 받아 연구를 수행했습니다.

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