KR101574819B1 - 비정상적 의사-거리 측정에 대해 무선 내비게이션 수신기 사용자를 보호하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비정상적 의사-거리 측정에 대해 무선 내비게이션 수신기 사용자를 보호하기 위한 방법에 관한 것이다. 이 방법은, 측정의 잔차의 계산에 기초한 통계 추정 절차를 이용하여 측정 에러가 검출되는 것을 특징으로 한다. 특히, 이 방법은, 어떠한 무결성 기능도 갖지 않는 기존 수신기 ("프라이머리" 수신기로 알려짐) 의 성능을 개선시키고; 로버스트 통계 추정 알고리즘, 즉, 측정 에러에 의해 영향을 받지 않는 알고리즘, 및 동적 기준을 이용하여 위치 계산의 입력 측정을 손상시키는 에러 (존재하는 경우에만) 를 검출하고; 임의의 이러한 검출된 에러를 배제함으로써 프라이머리 수신기에 의해 제공된 위치에 대한 로버스트 정정을 계산하기 위해, 임의의 그라운드 세그먼트 (RAIM 기능을 이용) 에 독립적으로, 이용될 수 있다.

Description

비정상적 의사-거리 측정에 대해 무선 내비게이션 수신기 사용자를 보호하는 방법{METHOD FOR PROTECTING A RADIO NAVIGATION RECEIVER USER AGAINST ABERRANT PSEUDO-RANGE MEASUREMENTS}

본 발명은, 비정상적인 의사-거리 측정에 대해 무선 내비게이션 수신기 사용자를 보호하는 방법에 관한 것이다.

위성-기반 무선-내비게이션 수신기에 의해 나타난 지리적 위치의 에러는, 이 수신기에 의해 이용되는 알고리즘에 의해 결정된 의사-거리의 측정을 손상시키는 에러 및 위성에 의한 내비게이션 메시지 브로드캐스트에 포함된 에러에 기초한다.

이러한 에러를 제한하고 사용자의 보호를 확실히 하기 위해서는, (비행기의 착륙 등) 용도에 대해 고유한 무결성 및 연속성 사양을 고려하면서, 에러가 제거될 수 있도록 이러한 에러를 식별하게 하고 이용가능한 측정의 함수로서 위치 에러에 대한 한계 (bound) 를 계산하는 것을 가능하게 하는 수단을 갖는 것이 필요하다. 이러한 수단은 RAIM (Receiver Autonomous Integrity Monitoring) 기능을 갖는 디바이스의 기초를 구성한다. 민간 항공용 현재의 GNSS 수신기는 RAIM 기능 없이는 사용되지 못할 수도 있다.

RAIM 기능을 갖는 현재의 장비는 이하의 2 가지 문제점을 가지고 있다.

- 상기 장비는 완전하게 일체화되어 있어, 이에 따라, 내비게이션 신호를 취득하는 장비의 아이템 및 장비의 이 아이템의 위치를 계산하여 무결성 기능을 제공하는 아이템을 개별적으로 선택하는 것이 가능하지 않다는 것을 나타낸다.

- 상기 장비는, 이러한 측정에 영향을 미치는 에러의 진폭이 어떻든 간에 (극소량의 경우에도) 잘못된 측정의 존재에 의해 불안정화되는 최소 자승 형태의 알고리즘에 기초하고, 이에 따라, 제안된 위치 솔루션 (position solution) 의 신뢰도에 문제를 불러일으킨다.

본 발명의 주제는, 비정상적 의사-거리 측정에 대한 무선 내비게이션 수신기 사용자를 보호하는 방법이고, 이 방법은 내비게이션 신호를 취득하는 장비의 아이템 및 장비의 이 아이템의 위치를 계산하여 무결성 기능을 제공하는 장비의 아이템을 독립적으로 구현시킬 수 있고, 이들 측정에 영향을 미치는 에러의 진폭이 어떻든 간에 잘못된 측정의 존재에 의해 불안정화되지 않는다.

본 발명에 따른 보호의 방법은, 대부분의 일반적인 경우, 내비게이션 솔루션 (navigation solution) 의 추정 도중에 상태 벡터의 추정의 N 개의 잔차 (residual) 들이 가중되고, 이 가중은 로버스트 통계 추정량 (robust statistical estimator; 예를 들어, 최소 절사 자승 추정량 (Least Trimmed Squares Estimator), 또는 최저 공분산 행렬식 추정량 (Minimum Covariance Determinant Estimator), 또는 M-추정량, 또는 A-, D-, GM-, L-, MM-P-, R-, S- 또는 W-추정량 또는 MSTD) 을 이용하여 이러한 측정들의 에러들의 추정된 통계에 따라서 수행되며, 이 가중은 전체적으로 또는 부분적으로도 가능한 것을 특징으로 한다. 이 가중이 전체적인 경우, 잔차들은 전체가 고려되고, 여기서 가중 인자는 1 또는 배제를 위한 0 이고, 이 가중이 부분적인 경우, 가중 인자는 0 과 1 사이에 있다. 그 중에서도, 전체적인 가중의 경우 "RAIM-MSTD" 및 "RAIM-LTS" 로버스트 방식을 커버하고, 부분적인 가중의 경우 "RAIM-M-추정량" 유형의 로버스트 방식을 커버한다. 로버스트 통계 추정량 그 자체는 잘 알려져 있으며, 예를 들어, 이하의 주소: http://en.wikipedia.org/wiki/Robust_estimator 에서 확인될 수 있는 "Wikipedia" 논문에서 뿐만 아니라 이 논문의 말미에 언급된 참고문헌에도 설명되어 있다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 최소 분산의 상태 벡터의 추정치의 h 개 잔차들의 서브세트가 선택되며, 적응 계수에 의해 증가된 이러한 분산은, 동일한 서브세트의 평균과 함께, N 개의 입력들을 센터링 (centering) 한 후 정규화하기 위해 이용되고, 상기 N 개의 입력들은 제곱되고, 상기 통계 임계치와 비교하여 이 임계치보다 크면 거절되고, 여기서 h=N-1 및/또는 N-2 이고, N 은 잔차들의 수이다. 통계 임계치와의 비교 목적은 상태 벡터의 추정의 h 개의 잔차들을 조직적으로 분리해야하는 것은 아니다. 이는 "RAIM-MSTD" 방식이다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 상태 벡터의 추정치의 N-h 개 잔차들의 서브세트는, 이러한 제곱된 측정들의 합이 최저가 되도록 선택되고, 이러한 세브세트의 평균 및 분산이 추정되고, 그리고 이 평균 및 이 분산 (분산은 1 보다 큰 적응 계수에 의해 승산되는 것이 유리함) 은 N 개의 입력들을 센터링한 후 정규화하기 위해 이용되고, N 개의 입력들은 제곱되고, 통계 임계치와 비교되어 이 임계치보다 크면 거절된다. 이는 "RAIM-LTS" 방식이다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 상태 벡터 추정치의 N 개의 잔차들은 반복 방식으로 가중되고, 이 반복 방식은 각 반복에서, 상태 벡터 추정의 잔차들의 평균 및 분산을 추정하고, 입력들이 분산에 의해 정규화된 센터링 잔차들 (centered residuals) 인 가중 함수를 이용하여 가중치들 (weights) 을 계산하고, 그리고 이 잔차들을 이 가중치들에 의해 승산하는 것으로 이루어지고, 이 반복 프로세스는 2 개의 연속적인 잔차들 사이의 차이의 제곱의 합이 임계치보다 작은 경우에 중지하고, 상기 반복 프로세스로부터 발생하는 평균 및 분산 (분산은 적응 계수에 의해 증가됨) 은 N 개의 입력들을 센터링한 후 정규화하기 위해 이용되고, 상기 N 개의 입력들은 제곱되어 통계 임계치와 비교되며 이 임계치보다 크면 거절된다. 이는 "RAIM-M-추정량" 방식이다.

상세하게는, 본 발명에 따른 보호의 방법은, 프라이머리 무선내비게이션 수신기에 의해 제공된 지리적 위치 및 클록 시프트에 기초하여 그리고 이들 값들을 획득하기 위해 프라이머리 수신기에 의해 이용된 측정들에 기초하여 획득된 의사-거리의 측정의 잔차들을 계산함으로써 무결성 지표 (integrity indicator) 를 계산하는 이하의 단계들을 포함하는 것을 특징으로 한다.

- 카디널 (cardinal) h=N-1 및/또는 N-2 의 잔차들의 모든 서브세트들을 형성하는 단계 (N 은 잔차들의 수)

- 각각의 서브세트의 표준 편차를 계산 및 결정하는 단계 (σ_min 는 최소 표준 편차이고 잔차들을 가중하는데 사용되며, h_min 은 σ_min 가 획득된 카디널의 값이고, Y_min 은 대응 카디널 h_min 의 벡터이고, 그리고 m_min 은 Y_min 의 평균임)

-

로 정의된 제 1 벡터를 계산하는 단계

- 벡터 r_{vec ,1} 가 오름차순으로 정렬되어

를 획득하는 단계

-

로 정의된 인자 f 를 계산하는 단계 (여기서,

는 1 자유도를 갖는

² 분포의 역임)

- 그후, σ_min 를 이하의 방식으로 재-가중시키는 단계

- 잔차들의 새로운 벡터 :

를 계산하는 단계

-

이 되도록, 임계치 T 를 정의하는 단계 (P 는 그 최적값이 확률적 시뮬레이션에 의해 결정되어야만 하는 확률임)

- r_{vec , 2} 의 각각의 엘리먼트를 T 와 비교하는 단계 (r _{vec ,2}(i)>T 인 경우, 결함이 검출되었다고 선언되고, 위성 i 는 배제됨).

본 발명은, 비제한적인 예시를 들어 그리고 첨부된 도면에 의해 설명된 실시형태의 상세한 설명을 판독하여 더 잘 이해될 것이다.
도 1 은 본 발명의 방법을 구현하기 위한 연속적인 단계의 간략화된 도면이다.

도면의 다이어그램에서, 1 은, 경로 2 에서 프라이머리 수신기 (지리적 위치 및 클록 시프트) 에 의해 추정된 솔루션 (solution) 을 제공하고 그리고 다른 경로 3 에서 이 솔루션을 획득하기 위해 프라이머리 수신기에 의해 이용된 의사-거리의 측정들을 제공하는, 종래의 프라이머리 위성-기반 무선내비게이션 수신기를 상징한다.

프라이머리 수신기에 의해 송신된 측정들이 사전처리되지 않은 경우, 점선 직사각형 (4) 으로 표시된 것과 같이, 측정들은 그 자체로 사전-처리가 수행되어 전파 및 측정 에러들이 제거되어야만 한다.

그후, 무결성 지표의 계산은 의사-거리의 측정들의 잔차 (5) (상기 잔차들은 Yi 로 나타나고, i 는 위성의 인덱스이고, N 은 이들 잔차들의 수임) 의 계산에 기초하여 이하의 단계들을 포함한다.

1. 카디널 h=N-1 및/또는 N-2 의 잔차들의 모든 서브세트의 형성,

2. 각각의 서브세트 (6) 의 표준 편차의 계산. σ_min 를 최소 표준 편차로 한다. 이는, 기준 (7) 으로서 취해진다. 그후, 이하를 정의한다.

a. h_min 는 σ_min 가 획득된 카디널의 값

b. Y_min 은 대응 카디널 h_min 의 벡터

c. m_min 은 Y_min 의 평균

3. σ_min 는 잔차들을 가중시키는데 이용된다. 제 1 벡터는,

가 되도록 계산된다.

4. 다양한 위성에 대해, 제 1 벡터 r_{vec ,1} 은

를 획득하기 위해 오름 차순으로 정렬된다. 또한,

로 정의된 인자 f 가 계산된다 (여기서

는 1 자유도를 갖는

² 분포의 역임).

5. 그후, σ_min 는

의 방식으로 재-가중된다.

6. 잔차들의 새로운 벡터가 계산된다:

7. 임계치 T 는

로 정의된다 (여기서, P 는 그 최적값이 "몬테-카를로 (Monte-Carlo)" 유형의 확률적 기술에 의한 시뮬레이션에 의해 결정되어야만 하는 확률임).

8. r_{vec , 2} 의 각각의 엘리먼트는 T 와 비교된다.

인 경우, 결함이 검출된 것으로 선언되며, 위성 i 는 배제된다 (8).

9. 가능한 결함이 있는 측정의 검출이 수행되면, 보호 반경의 계산 (10) 이 채택된 측정들의 수와 관련하여 통상적인 방식으로 수행될 수 있다.

그러나, 결함이 없는 위성을 배제할 확률을 나타내는 P 는 OACI 로 특정된 배제의 확률에 직접 비유될 수 없다. 또한, 포인트 8 에서의 테스트는 각각의 위성에 대해 개별적으로 수행되어, 이에 따라 배제가 없는 어떠한 검출도 없다.

따라서, 이 디바이스의 출력은 이하와 같다.

- 입력 측정에서의 에러가 검출되는 경우, 가능한 정정된 위치 솔루션 (11).

- 알람을 가능한 포함하는, 디바이스에 대한 가능한 솔루션을 보증하게 하는 보호 반경 (12) 의 값.

본 발명의 방법은, (RAIM 기능성을 구현하는) 임의의 그라운드 세그먼트에 독립적인 방식으로,

- 임의의 무결성 기능을 갖지 않는 기존 수신기 ("프라이머리" 로 칭함) 의 성능을 증대시키는 것

- 로버스트 추정 통계 알고리즘의 이용을 통해서 위치의 계산시의 입력에 대한 측정을 손상시키는 가능한 에러를 검출하는 것, 즉, 측정 에러에 의해 진정으로 영향을 받지 않는 그리고 동적 기준을 구현시키는 것을 밝히는 것,

- 에러를 검출한 경우, 이러한 에러를 배제함으로써 프라이머리 수신기에 의해 제공되는 위치에 대한 로버스트 정정을 계산하는 것,

- (예를 들어, 비행기 착륙 단계에서의) 이용에 대해 고유한 무결성 및 연속성 사양을 고려함으로써 그리고 이용가능한 측정의 함수로서 위치 에러에 대한 한계를 계산하는 것 (이들 한계는 N 개의 거리 측정들, 예컨대 N=10⁵ 내지 10⁷, 에 대해 결코 초과하면 안되는 임계치이다)

- (최소 자승 방식을 이용하는) 표준 RAIM 알고리즘의 성능보다 우월한 성능을 달성하는 것,

을 가능하게 한다.

현재, 원천적으로 무결성 기능을 제공하지 않는 수신기에 무결성 기능을 추가하는 것을 가능하게 하는 어떠한 방법도 없기 때문에, 동일한 무결성/이용가능성 성능을 획득하기 위해, 종래 기술의 디바이스는 보통의 알고리즘을 이용할 수 없다. 성능을 개선시키기 위해, 시퀀셜 또는 필터링 프로세싱을 이용하는 것과 같은 다른 가능한 경로가 있을 수도 있지만, 위치 추정을 위한 이러한 프로세싱의 보증 (undertaking) 이 배제되기 때문에 (무결성 알람 시간은 너무 길고, 이는 민간 어플리케이션에 대해 대략 6 초이지만, 가능하게는 효과적인 필터링을 통해서 대략 수백 초임), 이러한 레벨의 성능에서 무결성을 보증하기 위한 어떠한 다른 전체적인 자율적인 솔루션도 없다.

- 본 발명의 방법은 RAIM 프로세싱에 대한 내비게이션 신호와는 별도의 내비게이션 신호를 획득하기 위해 하드웨어의 선택을 최적화하는 것을 가능하게 한다.

- 본 발명에 따라서 로버스트 렌더링된 RAIM 방법은, 표준 RAIM 에 대해 무결성 성능 (검출 및 배제) 을 개선시킴으로써, 위치 추정 (지리적 위치) 의 신뢰도를 강화할 수 있다.

- 이 방법은, 표준 RAIM 에 대해 최적화된 결함이 있는 GNSS 측정을 검출하고 배제하는 성능을 산출한다. 특히, 이 방법은 민간 항공 요건과 호환가능한 GNSS 시스템의 이용가능성 비율을 개선시킬 수 있다.

요약하면, 본 발명의 방법은 무결성 (검출) 및 이용가능성 (거짓 알람, 보호 반경의 최적화) 모두와 관련하여 표준 알고리즘의 성능보다 훨씬 좋은 성능을 제안하고, 측정 에러에 대해 로버스트 렌더링된 RAIM 보호의 임의의 소스를 프로세싱하지 않는 무선내비게이션 수신기에 적용될 수도 있다.

Claims (16)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 비정상적 의사-거리 측정들에 대해 무선내비게이션 수신기 사용자를 보호하는 방법으로서,
   상기 무선내비게이션 수신기 사용자 보호 방법은,
   무선내비게이션 수신기에 의해 제공된 지리적 위치 및 클록 시프트 (2) 에 기초하여 그리고 이들 값들을 획득하기 위해 프라이머리 수신기에 의해 사용된 측정들 (3) 에 기초하여 획득된 의사-거리들의 측정들의 잔차들 (5) 을 계산함으로써 무결성 지표를 계산하는 이하의 단계들
   a. 카디날 (cardinal) h=N-1 또는 N-2 의 잔차들의 모든 서브세트들을 형성하는 단계 (N 은 잔차들의 수임),
   b. 각각의 서브세트 (6) 의 표준 편차를 계산 및 결정하는 단계 (σ_min 는 최소 표준 편차이고 상기 잔차들을 가중하기 위한 기준 (7) 으로서 사용되며, h_min 은 σ_min 가 획득된 카디널의 값이고, Y_min 은 대응 카디널 h_min 의 벡터이고, 그리고 m_min 은 Y_min 의 평균임)
   c.

   

   로 정의된 제 1 벡터를 계산하는 단계
   d. 벡터 r_vec,1 가 오름차순으로 정렬되어

   

   를 획득하는 단계
   e.

   

   로 정의된 인자 f 를 계산하는 단계 (여기서,

   

   는 1 자유도를 갖는

   

   ² 분포의 역임)
   f. 그후, σ_min 를 이하의 방식으로 재-가중시키는 단계
   

   

   
   g. 상기 잔차들의 새로운 벡터 :

   

   를 계산하는 단계
   h.

   

   이 되도록, 임계치 T 를 정의하는 단계 (P 는 그 최적값이 확률적 시뮬레이션에 의해 결정되어야만 하는 확률임)
   i. r_vec,2 의 각각의 엘리먼트를 T 와 비교하는 단계 (r _{vec ,2}(i)>T 인 경우, 결함이 검출되었다고 선언되고 (8), 위성 i 는 배제됨)
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선내비게이션 수신기 사용자 보호 방법.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 임계치 T 의 정의를 위해 이용되는 확률적 시뮬레이션은 "몬테-카를로 (Monte-Carlo)" 유형의 방식인 것을 특징으로 하는 무선내비게이션 수신기 사용자 보호 방법.
11. 제 9 항에 있어서,
    상기 수신기에 의해 송신된 측정들이 사전처리되지 않은 경우,
    상기 의사-거리들의 측정들을 사전처리하여 전파 및 측정 에러들을 제거하는 것 (4) 을 특징으로 하는 무선내비게이션 수신기 사용자 보호 방법.
12. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    입력 측정들의 에러가 검출될 때 정정된 위치가 계산되는 것 (9) 을 특징으로 하는 무선내비게이션 수신기 사용자 보호 방법.
13. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    입력 측정들의 에러가 검출될 때 정정된 클록값이 계산되는 것 (11) 을 특징으로 하는 무선내비게이션 수신기 사용자 보호 방법.
14. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 의사-거리들의 측정들에 관련된 보호 반경들은 통상적인 방식으로 계산되는 것 (10) 을 특징으로 하는 무선내비게이션 수신기 사용자 보호 방법.
15. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    입력 측정들의 에러가 검출될 때 알람이 실행되는 것 (12) 을 특징으로 하는 무선내비게이션 수신기 사용자 보호 방법.
16. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 무선내비게이션 수신기 사용자 보호 방법은 측정 에러들에 대해 로버스트 보호 (robust protection) 의 임의의 소스를 소유하지 않는 무선내비게이션 수신기에 적용되는 것을 특징으로 하는 무선내비게이션 수신기 사용자 보호 방법.
    

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