3D-Positining System with a Single DME Station for the Next Generation Air Transport

Abstract

본 논문에서는 위성항법시스템(Global Navigation Satellite System)을 사용할 수 없는 상황에서 항공기의 경제성과 안전성을 보장하고, 앞으로 계속 증가할 미래 항공 운송량에 대한 대비를 위한 대체 항법(Alternate Positioning Navigation and Timing)에 관한 연구를 진행하였다. 현재 대체항법은 미연방항공청(FAA)가 주도하는 NextGen이라는 차세대 항공운항 프로그램 내에 포함되어 있으며, 대체항법의 해결책으로써 몇몇 대안들에 대한 연구가 진행되고 있다. DME(Distance Measuring Equipment)를 이용한 연구들이 주를 이루며, 그 중 DMPR(DME Passive Ranging)에 대한 연구가 가장 활발하게 진행되고 있지만, 위치 결정에 2개 혹은 3개의 스테이션이 필요하고, 각 스테이션 간의 시각 동기가 필수적이기 때문에 이 부분에 대한 추가적인 연구와 비용에 대해 검토되고 있는 상황이다. 본 논문에서 제안하는 MOSAIC/DME시스템은 기존의 DME시스템에 의사위성과 유사한 다수의 MOSAIC안테나를 추가적으로 장착하여 단방향 연속신호를 방송하도록 하였다. 이 경우 장점으로는 하나의 스테이션에서 클럭을 공유하기 때문에 모든 신호가 동기 되어 있다는 것과 하나의 스테이션 만으로 3차원 위치 결정이 가능해져 실제 가용영역이 넓어질 수 있다는 점이다. 또한 DME신호는 기존의 방법과 동일하게 동작하므로, 기존의 DME와의 호환성이 보장되며, 양방향 신호와 단방향 신호를 동시에 사용하므로 스테이션의 항공기 수용능력 역시 증가하리라 기대할 수 있다. 하나의 스테이션에서 위치 결정을 수행할 경우, 기하학적으로 배치가 좋지 않기 때문에 위치 정확도가 매우 낮으리라 예상된다. MOSAIC/DME 시스템에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해, 측정치로서 반송파 위상을 사용하게 된다. 하지만 일반적으로 반송파 위상 측정치를 사용하는 경우 파장길이의 미지정수 항이 추가되어 실질적으로 위치계산 수행이 불가능하게 된다. 여기서 이 미지정수 항을 해결하기 위해 MOSAIC개념을 사용하게 된다. 기본 MOSAIC개념은 안테나간 간격이 반 파장 이내일 때 미지정수를 바로 결정할 수 있게 된다. 하지만 항공기에 사용할 수 있을 정도의 정확도를 얻기 위해서는 안테나 간의 간격이 일정 범위 이상 될 필요가 있으므로, 이 때에는 확장된 MOSAIC 개념을 적용하게 된다. 확장된 MOSAIC개념에 따르면 MOSAIC/DME시스템의 미지정수는 기하학적으로 제한되어 있기 때문에, 기존의 CDGPS(Carrier-phase Differential GPS)와는 다르게 쉽게 미지정수를 해결할 수 있다. 실제 위치를 결정하는 과정은 LSAST(Least Square Ambiguity Search Technique)기법을 이용하여, 매 시점마다 가중최소자승법(Weighted Least Square Solution) 계산식으로 위치를 계산한다. 미지정수 결정 과정은 LSAST에서 이용하는 Residual Threshold Test와 Ratio Test를 수행하며, 여기에 MOSAIC/DME시스템의 특징을 이용한 행렬 특이성 확인, 수렴성 확인, 고도제한, AHRS(Attitude Heading Reference System)을 이용한 확인 방법들을 이용하여 미지정수를 결정하게 된다. MOSAIC/DME시스템의 정확도 특성과 미지정수 결정 검증을 위해 몬테 카를로 시뮬레이션을 수행한 결과, 이 시스템이 대체항법에서 요구하는 정확도를 모두 만족하는 사실을 확인할 수 있었으며, 미지정수의 경우에도 대부분 20초 내에 해결되고, 현재의 시뮬레이션 환경에서는 최대 1분 내에 모두 풀리는 것을 확인하였다. 본 논문에서는 MOSAIC/DME시스템에 대해 개념적인 큰 그림을 먼저 제시하고, 이 중 정확도 부분과 미지정수 결정 부분에 대해 중점적으로 다루었다. 앞으로도 연구를 진행하면서, 실제 시스템의 구현을 위해서는 미지정수 결정 개선, 다양한 오차를 포함한 시뮬레이션, 항공기 수용능력 검증, 신호 규격, 메시지 타입, 무결성, 안테나 배치, 다중 스테이션을 이용했을 경우의 성능 검증 등을 추가적으로 진행할 필요가 있다.

Next Generation Air Transport System (NextGen) is a program ready for the future aircraft traffic developed by US Federal Aviation Administration (FAA). Alternate Positioning Navigation and Timing (APNT), a part of NextGen, is a developing solution for the continuity and safety of air services when Global Navigation Satellite System (GNSS) is unavailable. As a solution for APNT, there are candidates being researched. Some of them utilize the Distance Measuring Equipment (DME) which is a conventional terrestrial system at the present time. DME Passive Ranging (DMPR) using pseudolite-like signals is one of them, which is the most actively researched. DMPR is, however, at least two or three stations are required for the positioning, and time synchronization between stations are essential because of one-way continuous signals. Nowadays, additional research and costs for time-sync are considered. MOSAIC/DME system presented in this paper is a single station based 3D positioning system. Additional multiple pseudolite-like MOSAIC antennas broadcasting one-way continuous signal are installed together with conventional DME. This one station based system makes it possible for time synchronization between signals because all signal generators can share the clock source. And it is also possible for 3D positioning using only one station to extend the usable coverage. As DME antenna itself operates without any change with current system, compatibility is proved. And two types of signals, one-way and two-way, are both used, so it is expected that aircraft traffic capacity also can be improved. Positioning from one spot has generally bad geometrical feature, or bad Dilution of Precision, expecting that navigation performance is low. To cover this problem, MOSAIC/DME system uses the measurement of carrier phase whose noise is mm-level. But using carrier phase cause the problem of integer cycle ambiguity, the measurement has unknown integer-term multiplied by wavelength. To solve ambiguity problem, a concept named MOSAIC is utilized. Standard MOSAIC concept is generally applied to solve the ambiguity problem directly when the antenna separation is smaller than half of the wavelength. But it is expected that larger antenna separation is required for aircraft application. Therefore, extended MOSAIC concept, whose cycle ambiguities are geometrically bounded, is used for easy ambiguity resolution. Positioning algorithm is based on Least Square Ambiguity Search Technique (LSAST), and gets its position using Weighted Least Square Solution every epoch. Ambiguity resolution methods include not only residual threshold test and ratio of LSAST but matrix singularity check, convergence check, altitude bound, and AHRS test which utilize the special features of MOSAIC/DME system. Monte-Carlo simulation, generating measurements, are executed for the verification of accuracy properties and ambiguity resolution of MOSAIC/DME system. Simulations results show that the accuracy performance of MOSAIC/DME satisfies the requirement of APNT. And most of ambiguity problems are solved within 20 seconds, and ambiguities of all simulation cases are solved in a minute. This paper presented the conceptual outline of MOSAIC/DME system, and accuracy properties and ambiguity resolution are studied in priority. For the future research, ambiguity resolution improvement, simulation with various error sources, capacity study, signal analysis, message structure, and integrity for the safety of air services are considered for the implementation of this system.