항법위성의 다중고장을 고려한 위성항법시스템 사용자 무결성 감시에 관한 연구

Abstract

GPS 현대화와 Galileo의 출현, GLONASS의 재개발이 진행됨에 따라 사용자는 많은 수의 가시위성을 활용할 수 있을 것으로 예상된다. 이러한 새로운 GNSS 위성들은 기존의 위성들에 비해 향상된 신호 품질을 갖는다. 따라서 위성항법시스템 사용자는 가시위성 수의 증가, 신호 품질의 향상 등으로 인해 향상된 정확도 성능을 갖게 될 것으로 기대된다. 이러한 정확도 성능 향상은 사용자의 무결성 보장을 위해 사용되고 있는 사용자 무결성 감시 (Receiver Autonomous Integrity Monitoring, RAIM) 기법을 현재 사용되고 있는 응용분야보다 더 높은 성능을 요구하는 분야에 사용할 수 있는 가능성을 열어줄 것으로 기대된다. 하지만 기존의 사용자 무결성 감시 알고리즘은 동시에 두 개 이상의 위성에 고장이 일어날 수 없다는 가정 하에 주어진 무결성 요구조건을 만족하도록 설계되었기 때문에 비교적 큰 오차 허용범위를 갖는 수평 유도(Lateral Guidance)에는 사용될 수 있지만, 수직 유도 (Vertical Guidance) 등 좀 더 높은 성능 (수직오차 허용범위 15~35m)을 요구하는 항행 단계에서는 사용될 수 없다. 기존의 수평 유도 항행 단계에서는 오차허용범위가 크기 때문에 고장으로 취급되지 않던 고장이 수직 유도 단계에서는 고장으로 취급될 필요가 있고, 이렇게 될 경우 더 이상 동시에 두 개 이상의 고장이 발생하지 않는다는 보장을 할 수 없기 때문이다. 따라서 사용자 무결성 감시를 활용한 수직 유도를 수행하기 위해서는 항법위성의 다중 고장을 고려하여야 한다. 또한 미래의 다중 GNSS 환경에서는 가시 위성의 수가 증가하게 되어 다중 고장의 확률이 더욱 증가하게 될 것이다. 본 논문에서는 기존에 개발된 사용자 무결성 감시 알고리즘의 특성 및 한계를 비교, 분석하고 기존 방법들의 한계를 극복할 수 있는 새로운 무결성 감시 알고리즘을 제안한다. 먼저 단일 고장 가정 하에 측정치 비정규 분포 오차를 고려한 반송파 위상 기반 사용자 무결성 감시 알고리즘을 제안하고, 두 번째로 미래의 다중 GNSS 환경에 적합한, 다중 고장을 고려한 새로운 사용자 무결성 감시 알고리즘을 제안한다. 제안된 반송파 위상 기반 사용자 무결성 감시 기법은 GNSS 반송파 위상 측정치 잡음을 Gaussian Mixture Model (GMM)로 모델링하여 기존의 반송파 위상 기반 무결성 감시기법보다 향상된 고장 검출 성능과 가용성 성능을 갖는다. 두 번째로 제안된 다중 고장을 고려한 사용자 무결성 감시 알고리즘은 순차적 기법을 활용하여 위성의 고장의 발생 형태에 관계없이 에러 벡터를 직접적으로 추정하여 항법 위성의 고장 여부를 판단하게 된다. 따라서 제안된 방법은 기존의 사용자 무결성 감시기법과 달리 고장 검출 성능이 고장 위성의 조합, 위성의 기하학적 배치 등에 영향을 받지 않고, 다중 고장 발생 시에도 단일 고장 발생 시와 동일한 수준의 검출 성능을 유지할 수 있다. 또한 고장 위성의 식별이 용이하기 때문에 기존의 알고리즘에 비해 계산 효율성이 크게 증가하게 된다. 제안된 알고리즘의 성능 검증을 위해 기존의 알고리즘과 성능을 비교한 결과 검출 성공률은 최대 50% 향상되었고, Cat-I 가용성은 약 50% 정도 향상되었으며, 고장 검출 및 식별에 소요된 계산시간은 1/50 수준으로 감소하였다. 본 논문의 결과는 GNSS 항법 사용자가 고장 검출 기법을 개선함으로써 보다 높은 항법 성능을 가질 수 있다는 것을 보여주고, 본 논문에서 제안된 기법은 미래의 다중 GNSS 환경에서 사용자의 무결성을 보장하기 위한 기법으로 널리 사용될 수 있을 것으로 기대된다.