Navigation safety is more crucial for terrain referenced navigation (TRN) systems used in middle-range unmanned aerial vehicles (UAVs) than those in cruise missiles flying through mountainous areas because middle-range UAVs may fly to regions and cities containing both combatants and civilians. For safety assurance of TRN systems, this thesis develops the integrity architecture for TRN systems and proposes a method to compute protection levels (PLs) to assure the required level of integrity.
For obtaining PLs of TRN systems, all components of the TRN measurement errors must be identified and overbounded. This study models every error component: the radar altimeter error, the vertical error in the terrain elevation database, the lateral offset induced error, and the interpolation error. Based on the characteristics of TRN systems using terrain information for obtaining navigation solutions, this study develops new models for the lateral offset induced error and the interpolation error as a function of terrain roughness by examining the effect of terrain roughness on the error sources. The first simulation results demonstrate that the PLs obtained by applying the proposed error models can sufficiently overbound the navigation solution error for a TRN system under nominal conditions. The proposed method shows remarkable performance in regions with low terrain roughness.
The integrity architecture of TRN systems is proposed including integrity monitoring based on the Extended Kalman Filter. This architecture consists of the integrity risk allocation, the nominal and fault hypotheses’ bounding and sensor faults monitoring methods. The PLs under nominal conditions applying the proposed error models are presented and the PLs under the fault hypotheses are calculated considering the implemented fault monitoring. The final PLs are determined using the PLs under every conditions. The second simulation results show the proposed final PLs can sufficiently overbound the navigation solution error for a TRN system under three hypotheses.
지형대조항법 시스템은 지형 데이터베이스로부터 추출한 지형 고도와 함께 레이더 센서에 의하여 측정된 항공기의 상대 고도 정보를 측정치로 이용하여 항공기의 수평축 위치를 추정한다. 중거리 무인 항공기는 적과 시민들 모두를 포함하는 지역과 도시들에 비행할 수 있기 때문에, 항법 안전성은 산악지역을 비행하는 순항 유도탄에 적용되는 지형대조항법 시스템보다 중거리 무인 항공기에 사용되는 지형대조항법 시스템에서 더욱 강조된다. 지형대조항법 시스템의 안전성 보장을 위하여, 본 학위논문에서는 시스템을 위한 무결성 아키텍쳐를 개발하고, 요구되는 무결성 수준을 보장하기 위한 보호 수준(항법 에러를 위한 확률적 바운드)을 계산하는 방법을 제안한다.
지형대조항법 시스템의 보호 수준을 구하기 위하여, 지형대조항법 측정치 오차의 모든 요소가 식별되어야 하며 오버바운드되어야 한다. 이 연구는 지형대조항법 측정치 오차로 전파고도계 센서 오차, 데이터베이스 정확도 오차, 수평축 오프셋 기인 오차, 그리고 내삽 오차를 모델링한다. 항법해를 얻기 위하여 지형 정보를 사용하는 지형대조항법 시스템의 특성에 기반하여, 이 논문은 오차 요소 중 지형험준도에 민감한 오차 요소를 규명하였다. 이에 따라, 지형험준도와 오차에 미치는 영향 간의 관계를 분석함으로써, 지형험준도의 함수로써 수평축 오프셋 기인 오차와 내삽 오차에 대한 새로운 모델을 개발하였다. 첫 번째 시뮬레이션 결과는 제안된 오차 모델들을 적용하여 얻어진 보호 수준이 고장이 없는 조건에서 지형대조항법을 위한 항법 해의 오차를 충분히 유계할 수 있다는 것을 보여준다. 특히 제안된 방법은 지형험준도가 낮은 지역에서 우수한 성능을 보인다.
다음으로, 확장칼만필터를 기반의 무결성 모니터링을 포함한 지형대조항법 시스템의 무결성 아키텍쳐를 제안하였다. 고장 없는 조건과 각각의 고장 가설을 포함하는 무결성 리스크 할당 트리를 제안하였다. 고장 없는 조건에서의 보호 수준은 제안된 오차 모델을 적용하여 산출되었으며, 고장 가설에서의 보호 수준은 구현된 고장 모니터링을 고려하여 산출되었다. 고장 없는 조건 및 고장 조건에서의 보호 수준을 이용하여 최종 보호 수준을 결정한다. 두 번째 시뮬레이션 결과는 개발한 방법으로 산출한 최종 보호 수준이 지형대조항법의 항법 해 오차를 충분히 유계할 수 있음을 보여준다. 특히 지형대조항법 시스템의 특성과 개발된 오차 모델에 의하여 지형험준도의 영향을 받으므로, 두 번째 시뮬레이션 결과는 지형험준도가 커질수록 최종 보호 수준이 작아지는 경향을 보여준다.
