도심 환경 속 수직 착륙 UAM의 단일 주파수 기반 RRAIM을 이용한 무결성 감시

Abstract

도심지에서 드론을 활용하기 위한 시도들은 우리 주변에서 꾸준히 늘어나고 있다. 알파벳의 윙(Wing)과 UPS에 이어 아마존이 미국 연방항공국 (FAA)으로부터 배송 용 드론의 운항을 허가 받았으며 무인 드론 뿐만 아니라 승객을 실어 나르는 드론인 PAV개발도 활발하게 이루어지고 있다. 국내에서는 현대자동차와 우버(Uber)가 함께 공동 개발을 진행하고 있으며 한화시스템이 오버에어사와 공동개발을 진행중이다. 이처럼 도심 항공 모빌리티(Urban Air Mobility, UAM)에 대한 관심은 꾸준히 증가하고 있으며 이를 위한 연구들도 지속적으로 진행중이다. 이들 중 정밀 항법에 관한 연구는 UAM을 운용하기 위해 필수적으로 선행되어야 하는 연구 중 하나이다. 이에 연구 본 연구에서는 저가의 단일 주파수 GPS수신기만으로 도심지에 수직으로 착륙하는 UAM의 무결성을 감시하는 방안에 대해 제안하였다. UAM을 운용하기위한 기술들 중 가장 중요하다고 볼 수 있는 것이 바로 정밀항법이다. 이는 사용자뿐만 아니라 보행자의 안전과도 직결되는 중요한 문제이다. 이를 위해 기존에 항공기 사용자를 위해 만들어진 무결성의 개념을 끌어다 사용하는 연구가 활발하게 진행중이다. 기존의 항공 사용자의 무결성 감시를 위한 대표적인 시스템으로 SBAS가 존재한다. 그러나 고층 빌딩에 의해 위성의 가시성이 현저히 떨어지는 도심지에선 SBAS의 활용이 제한된다. SBAS가 비 가용 상태인 경우에도 사용자는 자신의 무결성을 감시할 수 있어야하고 이를 위한 기술을 수신기 자체 무결성 감시 기법(RAIM)이라 한다. 의사거리를 활용하는 일반적인 classic RAIM은 다중 경로 오차가 극심한 도심지에서는 성능이 제한된다는 단점이 존재한다. 본 연구에서는 다중 경로 오차에 강인한 반송파 위상을 활용하는 RRAIM 기법을 통해 GPS 수신기 만을 이용하여 도심 사용자의 무결성을 감시하고자한다. 이중 주파수를 기반으로 설계된 기존의 RRAIM과는 달리 본 연구에서는 전리층오차까지 고려함으로써 저가 GPS 수신기에서도 활용 가능한 단일 주파수 기반의 RRAIM을 제안하였다. 제안하는 알고리즘의 성능을 검증하기위해 도심 환경 시뮬레이션을 구성하고 기존의 알고리즘들과 수직 보호수준을 비교하였다. 초기의 보호수준은 SBAS 보정정보를 통해 계산된다고 가정하였으며 이후 도심지에 수직 착륙하는 동안 제안하는 알고리즘을 적용하였다. 먼저 3m/s로 수직하강하는 드론을 시뮬레이션 하였을 때 classic RAIM 대비 90%의 성능이 향상되는 것을 확인하였으며 기존의 이중 주파수 RRAIM의 보호수준 대비 100.27%로 계산되어 유사한 성능을 갖는 것을 확인하였다. 이후 같은 위치에서 하강 속도를 1m/s로 하강하는 시뮬레이션 결과 기존 이중 주파수 RRAIM 대비 제안하는 알고리즘의 보호수준이 27% 더 크게 계산되었다. 이는 시간이 길어짐에 따라 전리층 오차가 누적되어 나타난 영향으로 판단되었다. 하지만 제안하는 알고리즘의 무결성 감시 성능은 일반 의사거리 기반의 classic RAIM으로는 달성할 수 없는 SBAS급의 LPV-200 성능을 유지하는 것을 확인하였고 이러한 결과를 상황에 맞게 적용한다면 단일 주파수 신호만 수신 가능한 저가형 GPS 수신기만으로도 도심지에서 사용자의 무결성을 감시할 수 있음을 확인하였다.

In this paper, we developed a single frequency-based RRAIM to monitor the integrity of the UAM landing vertically in urban areas with only low-cost single-frequency GPS receivers. Conventional dual-frequency RRAIM eliminates Ionospheric delay through a combination of frequencies. However, expensive multi-frequency receivers and antennas are essential to use the existing RRAIM techniques. In this study, Ionospheric delay error was directly modeled using the previously studied results on Ionospheric rates of change. To verify the performance of the proposed RRAIM algorithm, a simulation of vertical landing UAM in urban area was conducted. It was assumed that the protection level at the initial position was calculated through SBAS correction data. During subsequent vertical landing, integrity was assumed to be monitored by the receiver alone during subsequent landings without external correction data. Comparing the vertical protection level of proposed single frequency-based RRAIM and pseudorange based classic RAIM in the 20 second simulation, we found that there was a 90% improvement in performance compared to classic RAIM. In addition, when comparing vertical protection level with the conventional dual-frequency based RRAIM, the proposed RRAIM protection level maintained similar performance, with a value of 100.27%. In the 60sec simulation, the protection level of the proposed RRAIM compared to the conventional RRAIM was calculated to be 127% due to the accumulation of Ionospheric delay error. Nevertheless, it was confirmed that the final vertical protection level was 33.1m, meeting the requirements of LPV-200, which cannot be achieved with GPS receiver alone.