Carrier-phase Differential GNSS (CDGNSS), a navigation system providing cm-level positioning accuracy, is receiving significant attention in safety-critical systems such as autonomous driving cars. The key to achieving cm-level positioning accuracy in CDGNSS is the cycle ambiguity resolution process. However, faults in measurements can lead to more frequent incorrect ambiguity resolutions, which may result in significant biases in position errors. To ensure the integrity of CDGNSS, it is essential to calculate a protection level that bounds the position errors resulting from incorrect ambiguity resolutions. The calculation of this protection level in CDGNSS is challenging due to the non-linear nature of the cycle ambiguity resolution process. This thesis proposes an integrity architecture for CDGNSS utilizing Solution Separation-Receiver Autonomous Integrity Monitoring (SS-RAIM), which enables the limitation of the maximum size of position error caused by undetected faults. The fault modes threatening the integrity of CDGNSS are identified, and SS-RAIM-based fault detection monitors are designed to detect these faults. For the fault detection monitors, the probability distributions of fault detection statistics, taking ambiguity resolution into account, were derived. Based on this, the monitors were designed to meet the system's continuity requirements. Additionally, a method was proposed to ensure that the protection level reliably bounds the actual position error. This method assumes that any incorrect ambiguity resolution always leads to integrity loss and utilizes an overbounding technique. However, due to this conservative approach, an initial time is required to use the precise navigation solutions. Consequently, a measurement-based ambiguity validation method was proposed to reduce this initial time. The use of a measurement-based ambiguity validation method leads to changes in the position error distribution, necessitating a revised approach to calculating the protection level. The performance evaluation of the proposed system demonstrated that its protection level is significantly improved compared to existing code-based systems. Furthermore, the results show that the calculated protection level always bounds the actual position error.
반송파 기반 위성항법 시스템(Carrier-phase Differential GNSS, CDGNSS)은 cm급의 위치 정확도를 제공하는 항법 시스템으로 자율 주행 등 안전성 필수 시스템에서 큰 관심을 받고 있다. CDGNSS 항법 알고리즘에서 cm 급 위치를 계산하기 위한 핵심은 미지 정수 추정 과정이다. 하지만, GNSS 측정치에 발생하는 고장으로 인해 미지 정수가 더 빈번히 잘못 추정될 수 있고, 이로 인해 사용자의 위치에 큰 바이어스가 발생할 수 있다. CDGNSS의 무결성을 보장하기 위해 미지 정수가 잘못 추정되어 발생하는 위치 오차까지 유계(Bound)할 수 있는 보호 수준을 산출해야 한다. 미지 정수 추정 과정의 비선형적인 성질은 이러한 CDGNSS의 보호 수준 산출을 어렵게 만든다. 본 학위 논문에서는 고장뿐만 아니라 고장으로 인해 미지 정수가 잘못 추정되는 경우까지 함께 검출할 수 있는 SS-RAIM (Solution Separation-Receiver Autonomous Integrity Monitoring) 기반 무결성 보장 CDGNSS 아키텍처를 제안한다. 고장으로 인해 미지 정수가 잘못 추정되어 발생하는 위치 오차의 최댓값을 SS-RAIM 모니터에서 제한함으로써, 보호 수준 산출의 어려움을 해결하였다. SS-RAIM을 CDGNSS에 적용하기 위해, CDGNSS 시스템의 무결성을 위협할 수 있는 요소들을 정의했으며, 각 고장을 검출하기 위해 SS-RAIM 기반 고장 검출 모니터를 디자인했다. 고장 검출 모니터를 위해 미지 정수 추정을 고려한 고장 검출 통계량의 확률 분포를 도출하였으며, 이를 기반으로 시스템의 연속성 요구조건을 만족시킬 수 있도록 모니터를 디자인했다. 또한, 산출된 보호 수준이 실제 위치 오차를 유계 하는 것을 보장할 수 있게 하는 방법을 제안하였다. 이 방법은 미지 정수가 잘못 추정될 경우 항상 무결성 위협이 발생한다고 가정하는 것과, 오버바운딩 기법을 적용하는 것이다. 하지만, 이러한 보수적인 접근으로 인해 제안하는 시스템에서 정밀 항법해를 사용하기까지 초기 시간이 요구된다. 따라서, 보수성을 낮춰 초기 시간을 단축시키기 위해 측정치 기반 미지 정수 검증 방법을 적용하였다. 제안하는 시스템은 칼만 필터 기반 CDGNSS 시스템을 사용하여 시뮬레이션 기반 성능 평가를 수행하였다. 시뮬레이션 결과를 통해 기존 코드 기반 시스템보다 현저히 향상된 보호 수준 산출이 가능함을 확인하였으며, 제안하는 방법으로부터 계산된 보호 수준이 실제 위치 오차를 바운드하는 것을 확인하였다.
