As the number of unmanned aircraft system (UAS) applications in the low-altitude civilian airspace increases, UAS traffic management (UTM) becomes vital to prevent unmanned aerial vehicles (UAVs) from collisions with the surrounding terrain, buildings and/or other vehicles. One feasible technology to accomplish UTM is receiver autonomous integrity monitoring (RAIM). RAIM is a Global Navigation Satellite System (GNSS)-receiver onboard system which can autonomously detect faults in measurements and produce protection levels in real time. The performance of RAIM is expected to be improved significantly due to the advent of GNSS multi-constellation and multi-frequency environments in the near future.
In this thesis, we developed RAIM for UAVs which use sensor integration with a standalone Global Positioning System (GPS) and a low-cost micro-electromechanical system (MEMS)-based barometer for their navigation. First, we developed a snapshot residual-based RAIM and analyzed the vertical protection level (VPL) performance for GPS/barometer-integrated navigation. To do this, we defined statistical overbounding models of errors in GPS pseudoranges and barometer measurements. For the GPS/barometer-integrated RAIM, we modified the original residual-based RAIM to consider the nominal bias of a barometer in a fault detection algorithm and VPL equations. Through this analysis, we found that the GPS/barometer integration makes RAIM performance more robust to the satellite geometry compared to the standalone GPS.
However, VPLs produced by the multisensory RAIM are still conservative because the system could not fully consider the different features of each sensor. For this reason, we proposed a new RAIM architecture termed residual-based-solution-separation (RB-SS) RAIM, representing the hybridization of a residual-based and a solution separation RAIM algorithm. Furthermore, we optimized integrity risk allocation to minimize VPLs. The proposed RAIM algorithm is beneficial in that it can exclude faulty sensors without greatly increased computational costs even under a GNSS multi-constellation environment while also effectively eliminating the conservativeness of the VPLs.
무인항공기 사용이 증가함에 따라, 무인항공기 충돌 사고를 방지하기 위한 연구의 필요성이 대두되고 있다. 수신기 단독 무결성 감시는 위성항법시스템 수신기에 탑재되어 자동적으로 항법 센서의 고장 검출 및 보호 수준을 산출하는 시스템으로, 무인항공기 충돌 방지 및 안전성 보장에 적용 가능한 기술로 기대된다.
본 연구는 위성항법시스템/기압고도계 융합 항법 시스템에 수신기 단독 무결성 감시 기법을 적용하여 무인항공기를 위한 무결성 감시 성능을 향상시키는 방법론을 개발하였다. 이를 위해, 잔차 기반 수신기 단독 무결성 감시 알고리즘을 구현하였으며, 기압고도계의 정상 오차를 고려하도록 기존의 알고리즘을 변형하였다. 또한, 수직보호수준 시뮬레이션을 통해 잔차 기반 알고리즘을 센서 융합 항법에 적용하였을 때 발생할 수 있는 문제점을 분석하였다.
나아가 본 논문에서는 잔차 기반 및 해 분리 알고리즘을 융합한 새로운 수신기 단독 무결성 기법을 개발함으로써 위 문제점을 해결하였다. 또한, 개발한 알고리즘 상에서 무결성 위험 할당률을 최적화하여 수직보호수준을 최소화하였다. 제안된 기법은 다중위성군 하에서도 계산 효율의 저하 없이 고장이 발생한 센서를 찾아낼 수 있으며, 수직보호수준의 보수성을 효과적으로 제거할 수 있다.
