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KR20240099766A - Integrity monitoring method based on time differenced carrier phase measurement for satellite navigation system - Google Patents

Integrity monitoring method based on time differenced carrier phase measurement for satellite navigation system Download PDF

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KR20240099766A
KR20240099766A KR1020220181584A KR20220181584A KR20240099766A KR 20240099766 A KR20240099766 A KR 20240099766A KR 1020220181584 A KR1020220181584 A KR 1020220181584A KR 20220181584 A KR20220181584 A KR 20220181584A KR 20240099766 A KR20240099766 A KR 20240099766A
Authority
KR
South Korea
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carrier phase
satellite
integrity
level
time
Prior art date
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Pending
Application number
KR1020220181584A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
기창돈
정호준
김부겸
Original Assignee
서울대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 서울대학교산학협력단 filed Critical 서울대학교산학협력단
Priority to KR1020220181584A priority Critical patent/KR20240099766A/en
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Abstract

A satellite navigation system integrity monitoring method based on a carrier phase time difference measurement value comprises the steps of: determining an initial position and a reliability level; determining a relative position and a reliability level; monitoring a failure of a satellite; determining an absolute position reliability level; and calculating a protection level.

Description

반송파 위상 시간 차분 측정치 기반 위성 항법 시스템 무결성 감시 방법{INTEGRITY MONITORING METHOD BASED ON TIME DIFFERENCED CARRIER PHASE MEASUREMENT FOR SATELLITE NAVIGATION SYSTEM}{INTEGRITY MONITORING METHOD BASED ON TIME DIFFERENCED CARRIER PHASE MEASUREMENT FOR SATELLITE NAVIGATION SYSTEM}

본 발명은 위성 항법 시스템의 무결성 감시에 관한 것으로, 더 상세하게는, GNSS의 반송파 위상 측정치를 시간 차분하여 획득한 측정치를 이용해 결정한 상대 위치를 기반으로 항법을 수행하고 결정된 위치해의 무결성을 감시하는 기술에 관한 내용이다. The present invention relates to integrity monitoring of a satellite navigation system, and more specifically, to a technology for performing navigation based on a relative position determined using measurements obtained by time-differentiating carrier phase measurements of GNSS and monitoring the integrity of the determined position solution. This is about.

GPS 수신기를 이용한 일반적인 위치 결정 알고리즘은 개활지 환경에서 왜곡 없는 직접 신호만을 수신하여 수신기 단독으로 사용하였을 때, 약 2~10m 정도의 위치정확도를 가진다. 또한 이는 기준국에서 계산된 신호의 오차요소를 전달 받을 수 있다면 1m 이하로도 정확도 획득이 가능하다. A general positioning algorithm using a GPS receiver receives only direct signals without distortion in an open area environment and has a positioning accuracy of about 2 to 10 m when the receiver is used alone. In addition, if the error elements of the signal calculated from the reference station can be received, accuracy can be achieved even at 1m or less.

하지만 도심숲 환경과 같이 건물에 의한 신호차단과 왜곡 신호 발생에 따라 최대 100m 이상으로 정확도가 하락한다. 정확도뿐만 아니라 위성 항법 시스템의 성능을 판가름하는 중요한 요소로 무결성이 존재한다. However, as in an urban forest environment, accuracy decreases up to 100m or more due to signal blocking by buildings and distortion of signals. In addition to accuracy, integrity is an important factor in determining the performance of a satellite navigation system.

무결성이란 위성에 고장이 발생하였을 때 고장위성을 정확히 제거하는 능력을 포함하며 이는 사용자의 안전과도 밀접한 관련이 있다. 외부로부터 무결성 정보를 받는 경우 외부 기준국에서 위성들의 고장을 감시한 뒤 사용자에게 보정정보를 통해 내용을 전달해준다. Integrity includes the ability to accurately remove a faulty satellite when a satellite failure occurs, and is closely related to user safety. When integrity information is received from an external source, an external reference station monitors satellites for failure and then delivers correction information to the user.

대표적인 시스템으로 정지 궤도 위성을 활용하는 SBAS가 있다. 그러나 도심지와 같이 고층 건물에 의해 정지 궤도 위성 신호가 차단되어 SBAS 가용 불가 상황이 발생할 수 있고 이러한 경우에도 사용자는 스스로 무결성을 감시해야 안전한 항법을 수행할 수 있다. A representative system is SBAS, which utilizes geostationary satellites. However, in urban areas, geostationary satellite signals are blocked by high-rise buildings, which may cause SBAS unavailability. Even in this case, users must monitor the integrity themselves to perform safe navigation.

GPS 수신기에서 수집할 수 있는 측정치에는 의사거리와 반송파 위상 측정치가 있다. 먼저 의사거리 측정치는 간단히 위성과 사용자의 거리를 나타내는 측정치로 반송파 위상 측정치에 비해 사용하기 간단하다는 장점이 있지만 m 수준의 큰 잡음을 가지고 도심지와 같이 신호가 차단되고 왜곡되는 상황에서 극심한 성능 악화가 이루어진다는 단점이 존재한다. Measurements that can be collected from a GPS receiver include pseudorange and carrier phase measurements. First, the pseudorange measurement is a measurement that simply indicates the distance between the satellite and the user and has the advantage of being simpler to use than the carrier phase measurement. However, it has large noise of the m level and causes extreme performance deterioration in situations where signals are blocked and distorted, such as in urban areas. There are drawbacks.

반송파 위상 측정치는 위성과 사용자의 거리와 임의의 정수로 구성되는데 일반적으로 임의의 정수를 미지정수라고 부른다. 이때 반송파 위상 측정치는 mm 수준의 잡음을 가지고 도심지 신호 왜곡에도 강건한 특성을 보이지만 미지정수를 결정해야하는 문제가 존재한다. The carrier phase measurement consists of the distance between the satellite and the user and an arbitrary integer, and the arbitrary integer is generally called an undetermined number. At this time, the carrier phase measurement has mm-level noise and is robust to signal distortion in urban areas, but there is a problem of determining an unknown constant.

반송파 위상 측정치는 의사거리보다 신호 특성이 좋기 때문에 고가의 측량 장비에서는 미지정수를 결정하여 위치를 계산한다. 미지정수 결정 방법에는 다양한 방식이 존재하지만 상당한 시간과 복잡한 계산을 필요로 한다. 게다가 동적 사용자의 경우에는 미지정수를 결정하는 것이 더욱 까다로운 것으로 알려져 있다. 따라서, 저가(일반) 수신기의 경우 반송파 위상 측정치를 수집할 수는 있지만 이를 직접적으로 항법에 사용하기 힘들기 때문에 의사거리 기반 항법을 수행한다.Because carrier phase measurements have better signal characteristics than pseudoranges, expensive surveying equipment calculates the position by determining an unknown number. There are various methods for determining an unknown number, but they require considerable time and complex calculations. Moreover, in the case of dynamic users, determining the unknown number is known to be more difficult. Therefore, in the case of low-cost (general) receivers, carrier phase measurements can be collected, but it is difficult to use them directly for navigation, so pseudorange-based navigation is performed.

KRKR 10-2263393 10-2263393 B1B1 KRKR 10-2288771 10-2288771 B1B1

본 연구개발은 이러한 외부 무결성 보정정보가 끊겼을 때 일정 시간 동안 초기 성능을 유지하면서 정밀하고 안전한 항법을 가능하게끔 하는 알고리즘에 대한 설명이다.This research and development describes an algorithm that enables precise and safe navigation while maintaining initial performance for a certain period of time when external integrity correction information is lost.

본 발명은 위성 항법 시스템의 무결성 감시에 관한 것으로, 더 상세하게는, 반송파 위상 측정치의 시간 변화율을 활용한 수신기가 자체적으로 무결성을 감시하는 기법이다. 기존의 대다수의 의사거리 기반 무결성 감시 방법들은 다중경로 오차가 극심한 도심지에서는 열악한 성능을 보인다. 반면에 반송파 위상 측정치를 사용할 경우 낮은 잡음 수준과 멀티패스에 강건한 이점을 얻을 수 있으나 앞서 언급한것처럼 미지정수를 결정해야 하는 어려움이 존재한다. 그러나 미지정수는 시간이 변함에도 정수형태로 유지된다는 특성을 가지고 있기때문에 시간변화율을 활용한다면 미지정수를 결정할 필요 없이 반송파 위상 측정치를 통해 정밀 위치를 추정할 수 있다. The present invention relates to integrity monitoring of a satellite navigation system. More specifically, it is a technique in which a receiver independently monitors the integrity of a satellite navigation system using the time change rate of a carrier phase measurement. Most existing pseudorange-based integrity monitoring methods show poor performance in urban areas where multipath errors are severe. On the other hand, using carrier phase measurements provides the advantage of low noise level and robustness to multipath, but as mentioned earlier, there is the difficulty of determining unknown parameters. However, since the unknown number has the characteristic of remaining in integer form even when time changes, if the time change rate is used, the precise position can be estimated through the carrier phase measurement without the need to determine the unknown number.

이때 반송파 위상 측정치는 멀티패스 신호 왜곡에 강건한 특성을 가지고 있기 때문에 이를 활용할 경우 도심지와 같이 멀티패스 오차가 극심한 상황에서 의사거리 대비 정밀한 항법을 수행할 수 있다. 시간 차분 반송파 위상 측정치를 사용할 경우 기준위치로부터 상대 위치(이동거리)를 추정하게 된다. 따라서 절대 위치를 획득하기 위해선 기준위치에 상대 위치를 합산해야 한다. 이때 초기 위치는 SBAS (Satellite Based Augmentation System)와 같이 외부 무결성 감시 시스템으로부터 무결성이 보장된 초기 위치를 가정한다. 초기 위치는 무결성이 보장되었다고 가정하기 때문에 상대 위치에 대해서만 무결성 감시를 진행한다. At this time, because the carrier phase measurement has robust characteristics against multipath signal distortion, when used, it is possible to perform precise navigation compared to pseudorange in situations where multipath error is extreme, such as in urban areas. When using time differential carrier phase measurements, the relative position (moving distance) is estimated from the reference position. Therefore, in order to obtain the absolute position, the relative position must be added to the reference position. At this time, the initial position is assumed to be one whose integrity is guaranteed from an external integrity monitoring system such as SBAS (Satellite Based Augmentation System). Since the integrity of the initial location is assumed to be guaranteed, integrity monitoring is performed only for the relative location.

상대 위치를 결정하기 위해 사용한 시간 차분 반송파 위상 측정치는 의사거리 대비 잡음 수준이 작고 위성 오차 요소 대비 상대적으로 크기가 작은 시간 변화율만 남기 때문에 최기 외부 보정정보를 통해 얻은 성능을 일정 시간 유지할 수 있다. 또한, 본 발명은 고가 GPS 수신기 뿐만아니라 저가 GPS 수시기를 기반으로 하는 장비에도 활용 가능한 방식으로 큰 활용성을 가진다.The time differential carrier phase measurement used to determine the relative position has a small noise level compared to the pseudorange and leaves only a time change rate that is relatively small in size compared to the satellite error element, so the performance obtained through the initial external correction information can be maintained for a certain period of time. In addition, the present invention has great utility in that it can be used not only in expensive GPS receivers but also in equipment based on low-cost GPS receivers.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반송파 위상 시간 차분 측정치 기반 위성 항법 시스템의 동작 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반송파 위상 시간 차분 측정치 기반 위성 항법 시스템 무결성 감시 방법의 흐름도이다.
도 3은 본 발명과 의사거리 기반 RAIM과 비교 및 다중주파수 기반 RRAIM과 비교 그래프이다.
1 is an operation flowchart of a satellite navigation system based on carrier phase time difference measurements according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a flowchart of a satellite navigation system integrity monitoring method based on carrier phase time difference measurements according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a graph comparing the present invention with pseudorange-based RAIM and multi-frequency-based RRAIM.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.The detailed description of the present invention described below refers to the accompanying drawings, which show by way of example specific embodiments in which the present invention may be practiced. These embodiments are described in sufficient detail to enable those skilled in the art to practice the invention. It should be understood that the various embodiments of the invention are different from one another but are not necessarily mutually exclusive. For example, specific shapes, structures and characteristics described herein with respect to one embodiment may be implemented in other embodiments without departing from the spirit and scope of the invention. Additionally, it should be understood that the location or arrangement of individual components within each disclosed embodiment may be changed without departing from the spirit and scope of the invention. Accordingly, the detailed description that follows is not intended to be taken in a limiting sense, and the scope of the invention is limited only by the appended claims, together with all equivalents to what those claims assert, if properly described. Similar reference numbers in the drawings refer to identical or similar functions across various aspects.

이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반송파 위상 시간 차분 측정치 기반 위성 항법 시스템의 동작 흐름도이다.1 is an operation flowchart of a satellite navigation system based on carrier phase time difference measurements according to an embodiment of the present invention.

주요 활용 센서: GPS 수신기 모듈Main utilized sensors: GPS receiver module

주요 측정치 구성: 반송파 위상 시간차분 측정치 (=반송파 위상 측정치 시간변화율)Main measurements consist of: carrier phase time difference measurements (=time rate of change of carrier phase measurements)

상대 위치 추정부 알고리즘Relative position estimation algorithm

▷ 초기위치 추정부 ▷ Initial position estimation unit

- 외부 무결성 보정정보를 활용하여 무결성이 보장된 초기위치 (기준위치) 추정- Estimation of initial position (reference position) with guaranteed integrity using external integrity correction information

- 무결성 보정정보를 활용하여 초기 위치 오차 공분산 추정- Estimation of initial position error covariance using integrity correction information

- SBAS 뿐만 아니라 다른 GNSS Integrity Channel에서 주는 무결성 보정정보를 활용할 수 있음- Integrity correction information provided not only by SBAS but also by other GNSS Integrity Channels can be utilized.

▷ GPS 기반 상대위치 추정부▷ GPS-based relative position estimation unit

- 반송파 위상 시간차분 측정치를 단독을 사용하여 상대위치 (이동거리) 추정- Estimation of relative position (moving distance) using carrier phase time difference measurements alone

- 추정된 상대위치의 오차 공분산 추정- Estimation of error covariance of estimated relative position

- 추정된 상대위치의 판단변수와 임계값을 계산하여 위성 측정치의 고장판단- Determination of failure of satellite measurements by calculating judgment variables and threshold values of the estimated relative position

▷ 고장 감시부▷ Failure monitoring unit

- 상대 위치 추정 시 시간 차분 반송파 위상 측정치의 조합을 활용하여 판단변수를 설정- When estimating relative position, set decision variables using a combination of time differential carrier phase measurements.

- 판단 변수의 확률적인 범위를 이용하여 임계값 설정 후 위성 고장 감시- Monitor satellite failure after setting a threshold using the probabilistic range of the judgment variable

▷ 통합 절대위치 추정부▷ Integrated absolute position estimation unit

- 항법 시스템이 시작하는 절대 초기위치를 기준으로 앞서 추정한 통합 상대위치를 합하여 절대 위치를 결정- Determine the absolute position by adding the previously estimated integrated relative positions based on the absolute initial position where the navigation system starts.

▷ 통합 절대위치 보호수준 추정부▷ Integrated absolute position protection level estimation unit

- 초기위치와 상대위치의 오차공분산을 활용하여 둘의 상관관계로 이루어진 절대위치 오차공분산 계산- Calculate the absolute position error covariance consisting of the correlation between the initial position and the relative position using the error covariance of the two.

- 절대위치 오차공분산과 상대위치의 판단변수 임계값을 활용하여 보호수준 계산- Calculate protection level using absolute position error covariance and relative position judgment variable threshold

본 발명을 통해 얻을 수 있는 효과는 총 가지로 정리할 수 있다.The effects that can be achieved through the present invention can be summarized into three categories.

1) 도심숲 환경에서 유리한 무결성 감시 기술 개발1) Development of advantageous integrity monitoring technology in urban forest environments

- 신호 왜곡에 강인한 반송파 위상 시간 차분 측정치를 활용하여 정밀 상대 위치를 추정하고 무결성이 보장된 초기 위치로부터 합산함으로써 신호 왜곡 오차가 심한 도심지에서도 정밀 위치 획득 및 무결성 감시가 가능하다.- Precise location acquisition and integrity monitoring are possible even in urban areas with severe signal distortion errors by estimating precise relative position using carrier phase time difference measurements that are robust to signal distortion and summing them from the initial position with guaranteed integrity.

2) 저가형 GPS 수신기 기반 무결성 감시 기술 개발2) Development of low-cost GPS receiver-based integrity monitoring technology

- 다중주파수 기반으로 전리층 문제를 해결하였던 기존 알고리즘과 달리 전리층 지연 오차의 시간 변화율을 직접 고려함으로써 다중주파수뿐만 아니라 단일주파수 기반의 저가형 GPS 수신기에도 적용 가능한 알고리즘을 제안하였다.- Unlike existing algorithms that solved the ionospheric problem based on multiple frequencies, we proposed an algorithm that can be applied not only to multiple frequencies but also to single-frequency-based low-cost GPS receivers by directly considering the time change rate of the ionospheric delay error.

3) 기준국 보정정보 데이터 없이 m급 이내의 상대항법 정확도 획득 가능3) It is possible to obtain relative navigation accuracy within m level without reference station correction information data.

- 일반 GPS 수신기가 활용하는 의사거리 측정치는 신호왜곡 오차가 최대 100m 이상으로 발생하지만 반송파 위상 측정치는 최대 4~5cm 정도의 크기를 가진다. 따라서 이를 활용한 본 항법시스템의 경우, 기본적으로 가시위성 변화가 없는 개활지 환경에선 dm급, 가시 위성이 급감하는 도심지에서도 m급의 상대항법 정확도를 가진다.- The pseudorange measurements used by general GPS receivers have a signal distortion error of up to 100m or more, but the carrier phase measurements have a size of up to 4~5cm. Therefore, in the case of this navigation system utilizing this, it basically has dm-level relative navigation accuracy in an open environment where there is no change in visible satellites, and m-level relative navigation accuracy even in urban areas where visible satellites rapidly decrease.

4) 외부 무결성 보정정보가 끊긴 상황에서 기존 성능 유지4) Maintain existing performance in situations where external integrity correction information is disconnected

- 초기에 외부로부터 무결성 보정정보를 받아놓게 되면 이후 보정정보 신호가 끊기더라도 해당 정보를 활용할 수 있으므로 일정 시간 기존 성능을 유지하는 것이 가능하다.- If integrity correction information is initially received from the outside, the information can be used even if the correction information signal is cut off, making it possible to maintain existing performance for a certain period of time.

5) 항법해 결정 시간단축 및 비용 절감5) Reduction of navigation solution decision time and cost reduction

- 반송파 위상 측정치 활용시 미지정수를 결정하지 않고 시간 차분하여 사용하기 때문에 기존의 복잡한 미지정수 결정 방법을 사용하지 않아도 된다. 이에 따라 저가형 GPS 수신기에서도 빠른 시간 안에 위치를 결정할 수 있다.- When using carrier phase measurements, there is no need to use the existing complex method of determining unknown constants because it is used by time difference rather than determining unknown constants. Accordingly, even low-cost GPS receivers can determine the location in a short time.

6) 다중 위성군 측정치를 활용하여 위치정확도 및 무결성 성능 향상 가능6) Location accuracy and integrity performance can be improved by utilizing multi-satellite constellation measurements.

- GPS 뿐만아니라 Galileo, GLONASS, BediDou 등 다양한 위성 항법 시스템을 결합하여 위치정확도 및 무결성 성능 향상을 기대할 수 있다.- Improvements in location accuracy and integrity performance can be expected by combining various satellite navigation systems such as Galileo, GLONASS, and BediDou as well as GPS.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반송파 위상 시간 차분 측정치 기반 위성 항법 시스템 무결성 감시 방법의 흐름도이다.Figure 2 is a flowchart of a satellite navigation system integrity monitoring method based on carrier phase time difference measurements according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 알고리즘은 총 5단계로 구분 지을 수 있다.The algorithm of the present invention can be divided into a total of 5 steps.

[Step I] 초기 위치 및 신뢰수준 결정[Step I] Determine initial location and trust level

- GPS (Global Positioning System) 수신기를 활용한 출력을 통해 초기 위치 및 신뢰수준 결정이라 함은 SBAS (Satellite Based Augmentation System), GBAS (Ground Based Augmentation System)과 같이 현재 위성항법 수신기가 무결성이 보장된 위치를 획득할 수 있는 모든 방식을 포함함- Determining the initial location and confidence level through the output using a GPS (Global Positioning System) receiver refers to the location where the integrity of the current satellite navigation receiver is guaranteed, such as SBAS (Satellite Based Augmentation System) and GBAS (Ground Based Augmentation System). Includes all ways to obtain

- 초기 시점에서 획득한 반송파 위상 측정치와 초기위치, 초기 위치 신뢰수준을 저장하여 이후 상대 위치 결정 및 상대 위치 신뢰수준 결정에 활용함- The carrier phase measurements, initial position, and initial position confidence level obtained at the initial time are stored and used to determine relative position and relative position confidence level.

[Step II] 상대 위치 및 신뢰수준 결정[Step II] Determine relative location and trust level

- GPS 수신기에서 출력하는 반송파 위상 측정치를 시간 차분하여 반송파 위상 시간 차분 측정치 획득하고 이를 통해 상대 위치 획득- Obtain carrier phase time difference measurements by time-differentiating the carrier phase measurements output from the GPS receiver and obtain the relative position through this.

- 초기 시점에서 저장한 반송파 위상 측정치와 현재 시점에서 획득한 반송파 위상 측정치를 차분하여 반송파 위상 시간 차분 측정치 획득- Obtain carrier phase time difference measurements by differentiating the carrier phase measurements saved at the initial time and the carrier phase measurements acquired at the current time.

- 보정정보 시스템의 도움 없이 단일주파수, 단일위성군 저가 위성항법 수신기만으로 cm 수준의 상대 위치 결정 가능- Relative position at the centimeter level can be determined using a single frequency, single satellite constellation low-cost satellite navigation receiver without the help of a correction information system.

- 반송파 위상 측정치를 시간 차분하게 되면 바이어스 형태의 오차는 제거됨. 따라서 시간 차분 반송파 위상 측정치 기반 상대위치의 오차는 위성항법 오차요소의 변화량에 영향을 받고 그 중 전리층, 대류층, 위성 시계 오차 변화량이 가장 주된 오차 요인임. 시간 차분 뒤 남은 측정치의 잔여 오차에 대해 모델을 통해 신뢰수준을 결정함.- When the carrier phase measurements are time-differentiated, errors in the form of bias are eliminated. Therefore, the relative position error based on time differential carrier phase measurements is affected by the amount of change in satellite navigation error elements, and among them, the ionosphere, convection layer, and satellite clock error change are the main error factors. The confidence level is determined through the model for the residual error of the measurements remaining after time differentiation.

- 이중, 삼중주파수 측정치를 활용한다면 기준국의 보정정보 없이도 전리층 오차를 추정하여 제거할 수 있으므로 상대위치 정확도 향상- If double or triple frequency measurements are used, ionospheric errors can be estimated and removed without correction information from the reference station, thereby improving relative position accuracy.

- 단일위성군 뿐만 아니라 다중 위성군 (미국 GPS, 중국 BeiDou, 유럽 GALILEO, 러시아 GLONASS 등)을 활용하여 가시위성의 개수를 늘릴 수 있으며, 이에 따라 DOP (Dilution of Precision)이 감소하여 위치정확도 증가- The number of visible satellites can be increased by utilizing not only a single satellite constellation, but also multiple satellite constellations (US GPS, China's BeiDou, Europe's GALILEO, Russia's GLONASS, etc.), thereby reducing DOP (Dilution of Precision) and increasing location accuracy.

- 다중주파수, 다중위성군을 활용하기 위해서는 측정치간 주파수 차이를 반드시 고려해야 함- In order to utilize multiple frequencies and multiple satellite constellations, the frequency difference between measurements must be considered.

[Step III] 고장 감시[Step III] Failure monitoring

- 수신기 단독으로 무결성을 감시하기 위해서는 위성의 고장 감시가 필요함- In order to monitor the integrity of the receiver alone, satellite failure monitoring is necessary.

- 고장이 검출된 측정치는 이후 상대 위치 추정 시에 활용하지 않음- Measurements where a failure is detected are not used when estimating the relative position later.

- 모든 측정치를 활용해서 계산한 상대위치와 임의의 한 위성의 측정치를 제외하고 계산한 상대 위치의 차이를 판단변수로 정의, 이때 임의로 한 위성의 측정치를 제외하는 이유는 어떠한 위성에서 고장이 발생했는지 알 수 없기 때문 (조합 가능한 모든 경우의 판단변수 계산을 통해 모든 위성에 대한 고장 감시 수행).- The difference between the relative position calculated using all measurements and the relative position calculated excluding the measurements of one arbitrary satellite is defined as the judgment variable. The reason for excluding the measurements of one satellite at this time is because of which satellite the failure occurred. Because it is unknown (perform failure monitoring for all satellites by calculating decision variables for all possible combinations).

- 일반적인 상황에서 판단변수가 가질 수 있는 확률적 분포를 통해 고장을 검출할 수 있는 임계값을 설정하고 판단변수가 임계값 보다 큰 값을 갖게 될 경우 해당 판단변수 계산 시 제거된 위성에 고장이 발생했다고 판단 - In a general situation, a threshold is set to detect a failure through the probability distribution that the judgment variable may have. If the judgment variable has a value greater than the threshold, a failure occurs in the satellite that was removed when calculating the judgment variable. I decided I did it

- 임계값이 너무 클 경우 Missed Detection 상황이 발생하여 시스템이 위험해질 수 있으므로 임계값을 작게 가져갈수록 safety 관점에선 유리하나 임계값을 너무 작게할 경우 False Alarm이 자주 발생하여 시스템의 연속성이 악화될 수 있음. (연속성 요구조건을 만족하는 임계값 설정)- If the threshold is too large, a Missed Detection situation may occur, putting the system at risk. Therefore, a smaller threshold is more advantageous from a safety perspective, but if the threshold is too small, false alarms may occur frequently and the continuity of the system may deteriorate. has exist. (Setting a threshold that satisfies continuity requirements)

[Step IV] 절대 위치 신뢰수준 결정[Step IV] Determination of absolute location confidence level

- 앞선 단계에서 구한 상대 위치를 초기위치와 합산하여 절대 위치를 결정할 수 있음- The absolute position can be determined by adding the relative position obtained in the previous step to the initial position.

- 절대 위치의 신뢰수준은 초기위치의 신뢰수준, 상대 위치의 신뢰수준 그리고 초기위치와 상대 위치의 상관관계로 이루어짐- The confidence level of the absolute position is composed of the confidence level of the initial position, the confidence level of the relative position, and the correlation between the initial position and the relative position.

[Step V] 보호수준 계산[Step V] Calculate protection level

- 외부로부터 무결성 보정정보를 제공 받을 수 있는 경우 위성의 고장 여부를 알 수 있기 때문에 초기 위치에 대한 신뢰수준만을 이용하여 보호수준 계산 가능.- If integrity correction information can be provided from the outside, it is possible to know whether the satellite is broken, so the protection level can be calculated using only the confidence level for the initial location.

- 외부 무결성 보정정보를 받지 못한 경우 보호수준 계산 시 항법 위성의 정상 작동상황과 고장 발생상황을 모두 가정.- If external integrity correction information is not received, both the normal operation situation and the failure situation of the navigation satellite are assumed when calculating the protection level.

- 정상 작동상황에 대한 보호수준은 초기 위치의 보호수준 계산과 동일한 방식- The protection level for normal operating conditions is calculated in the same way as the protection level in the initial position.

- 고장 발생상황을 가정한 경우 수신기 단독 고장 감시로 검출 불가능한 최대 고장의 크기인 임계값과 절대 위치의 신뢰수준을 활용하여 보호수준 산출.- Assuming a failure situation, the protection level is calculated by using the threshold value, which is the size of the maximum failure that cannot be detected by single receiver failure monitoring, and the confidence level of the absolute position.

도심지에 수직 착륙하는 드론의 모의실험을 진행한 결과를 정리하면 아래와 같다.The results of a simulation of a drone landing vertically in a city center are summarized as follows.

도 3은 본 발명과 의사거리 기반 RAIM과 비교 및 다중주파수 기반 RRAIM과 비교 그래프이다.Figure 3 is a graph comparing the present invention with pseudorange-based RAIM and multi-frequency-based RRAIM.

모의 실험 환경Simulation environment

- 실험 궤적: 60초 동안 1m/s 로 등속 수직 하강- Experimental trajectory: constant velocity vertical descent at 1m/s for 60 seconds

- 실험 환경: 도심지를 모사하기 위한 빌딩에 의한 가시위성 감소상황- Experimental environment: Visible satellite reduction due to buildings to simulate urban areas

- GPS 위성 활용- Utilization of GPS satellites

- 모의 실험 결과: 도심숲 가시위성 감소 상황에서 최종 수직 보호수준 34.7m로 LPV-200(수직 경보 한계 35m) 요구조건 이내의 보호수준 성능을 가짐- Simulation test results: In a situation where visible satellites are reduced in an urban forest, the final vertical protection level is 34.7m, and the protection level performance is within the requirements of LPV-200 (vertical warning limit 35m).

(동일 구간 의사거리 기반 RAIM 보호수준은 최대 236m 까지 발생)(RAIM protection level based on pseudo-distance in the same section occurs up to 236m)

(다중 주파수 기반 RRAIM의 경우 최종 수직 보호수준 24.4m로 전리층 오차 변화율을 고려한 본 발명의 보호 수준이 30% 더 크게 계산된다. 그러나 본 발명을 통해 기존의 알고리즘은 적용할 수 없는 단일주파수 저가 GPS 수신기에서도 기존과 유사한 성능 획득 가능)(In the case of multi-frequency-based RRAIM, the final vertical protection level is 24.4m, and the protection level of the present invention considering the ionospheric error change rate is calculated to be 30% larger. However, the present invention provides a single-frequency low-cost GPS receiver to which the existing algorithm cannot be applied. (Similar performance to existing can be obtained)

위의 결과에서 확인할 수 있듯이 본 발명의 무결성 감시 기법을 사용할 경우, 외부 무결성 보정정보가 끊긴 상황에서도 초기에 획득한 무결성 성능과 비슷한 수준의 보호수준을 유지함As can be seen from the above results, when using the integrity monitoring technique of the present invention, a level of protection similar to the initially obtained integrity performance is maintained even in situations where external integrity correction information is cut off.

이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to the embodiments, those skilled in the art can make various modifications and changes to the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the claims below. You will understand.

반송파 위상 측정치를 직접적으로 이용하기 위해선 미지정수 결정이 필수적이며 이는 많은 시간과 비용을 필요로 한다. 하지만 시간변화율만을 사용한다면 미지정수를 결정할 필요 없이 반송파 위상 측정치를 통해 정밀 위치를 추정할 수 있다. 본 방식은 위성의 고장 감시와 추정 위치의 확률적 오차를 고려한 보호 수준을 계산하는 무결성 감시 기술을 적용하여 정밀한 위치 뿐만아니라 신뢰성까지 확보했다는데 의의가 있다. 본 연구는 단일 주파수 기반의 알고리즘으로 설계되어 저가 수신기에도 적용될 수 있으며 다중 위성군을 활용하여 가시위성이 부족한 도심지에서도 적용할수 있다는 점에서 선행기술에 비해 발전된 기술이다.In order to directly use carrier phase measurements, determination of an unknown number is essential, which requires a lot of time and cost. However, if only the time rate of change is used, the precise position can be estimated through carrier phase measurements without the need to determine an unknown number. This method is significant in that it secures not only precise location but also reliability by applying integrity monitoring technology that monitors satellite failures and calculates the level of protection considering the stochastic error of the estimated location. This study is designed with a single frequency-based algorithm and can be applied to low-cost receivers. It is an advanced technology compared to prior technologies in that it can be applied even in urban areas where there is a lack of visible satellites by utilizing a multi-satellite constellation.

현재 본 발명은 기술성숙도(TRL: Technology Readiness Level) 3단계에 있다. 실험실 환경에서 기본 성능의 검증이 가능한 수준까지 기본 설계가 완성되었다. 시뮬레이션 결과 단일주파수만으로 LPV-200급의 무결성 요구조건을 만족함을 보일 수 있었다.Currently, the present invention is at level 3 of Technology Readiness Level (TRL). The basic design has been completed to a level where basic performance can be verified in a laboratory environment. As a result of the simulation, it was shown that the integrity requirements of the LPV-200 level were satisfied with only a single frequency.

위성 항법 시스템을 이용한 항법은 항법과 관련된 모든 분야에서 쓰이고 있으며, 비행기, 배, 자동차뿐만 아니라 무인 이동체까지 모든 운송 수단에 적용되고 있다. 뿐만 아니라 본 기술이 적용 가능한 도심형 항공 모빌리티(UAM: Urban Air Mobility) 분야는 현재 가장 각광 받는 분야로 지속적으로 높은 성장률을 보이고 있다. 모건 스탠리는 전세계 UAM 시장규모가 2020년 70억 달러에서 2040년 1조 4739억 달러로 급성장할 것으로 보고 있다.Navigation using a satellite navigation system is used in all fields related to navigation, and is applied to all means of transportation, including airplanes, ships, and automobiles, as well as unmanned vehicles. In addition, the urban air mobility (UAM) field, where this technology can be applied, is currently the most popular field and continues to show high growth rates. Morgan Stanley predicts that the global UAM market size will grow rapidly from $7 billion in 2020 to $1.4739 trillion in 2040.

Claims (1)

초기 위치 및 신뢰수준을 결정하는 단계;
상대 위치 및 신뢰수준을 결정하는 단계;
위성의 고장을 감시하는 단계;
절대 위치 신뢰수준을 결정하는 단계; 및
보호수준을 계산하는 단계;를 포함하는, 반송파 위상 시간 차분 측정치 기반 위성 항법 시스템 무결성 감시 방법.
determining an initial location and confidence level;
determining relative location and trust level;
Monitoring satellite failures;
determining an absolute location confidence level; and
A method for monitoring the integrity of a satellite navigation system based on carrier phase time difference measurements, comprising: calculating a protection level.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR102263393B1 (en) 2020-05-25 2021-06-11 서울대학교산학협력단 Method for generating corrections for rtk system using carrier phase observations of multiple receivers, and satellite navigation augmentation system using the method
KR102288771B1 (en) 2019-12-03 2021-08-12 서울대학교산학협력단 Time differenced carrier phase measurement based navigation system and positioning method

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