The inaccuracy of the magnetometer and the satellite navigation system is typical limitation in Polar navigation. To overcome the constraint, we proposes a GNSS/inertial integrated navigation system that uses GNSS-based heading estimates as an alternative to the magnetometer and the GLONASS constellation suitable for the high latitudes. This thesis presents Kalman filter-based integrity monitoring methods considering fault duration to ensure the safety of heading and position solutions.
First, an integrity monitoring method ensuring a heading integrity is presented. The GNSS-based heading determination is performed by estimating a baseline vector between two antennas mounted on a vehicle. The known baseline distance of two antennas is exploited to enhance success rate of ambiguity resolution. If the unknown integer ambiguities are incorrectly fixed due to GNSS noises, an unexpectedly large error in heading estimate can be derived. In particular, Kalman filter heading estimates can be corrupted by consecutive measurement faults occurring over a period of time, which is the worst integrity threat considered in the Kalman filter-based integrity monitoring. This thesis introduces a new Kalman-filter-based integrity monitoring algorithm considering the fault duration length as a variable. In conventional Kalman-filter-based integrity monitoring methods, a rigorous evaluation is conducted by determining the worst-case fault that maximizes the integrity risk; however, these methods overestimate the integrity risk by assuming a single fault duration and the constant prior probability regardless of the fault duration. In this study, the existing integrity monitoring algorithms are extended to account for the multiple hypotheses of the fault duration. Mutually exclusive and collectively exhaustive hypotheses are defined to cover a wide range of potential fault modes with respect to the fault duration. The methods for integrity risk computations are presented for the case of both single and multiple cumulative innovation monitors. A performance analysis of the proposed method is carried out by applying it to an unmanned aerial vehicle flight simulation where the GNSS is used for heading determination. In this process, the prior probabilities of the fault hypotheses are modeled through Monte Carlo simulations. Subsequently, the heading integrity risk is evaluated using three different methods: the existing approach based on a single hypothesis and two multi-hypothesis approaches newly proposed in this research, one with a single monitor and another with multiple monitors. The results demonstrate that tighter integrity risk bound can be achieved when using the multiple monitors considering the multiple fault hypotheses.
Next, a study is conducted on how to guarantee the positioning integrity according to the two scenarios: stand-alone GNSS or local-area differential GNSS using a ground system. As GLONASS constellation is additionally utilized, the average number of visible satellites increases. When the ground system is not in use, the probability of simultaneous multiple satellite faults increases to the level of integrity risk requirements. However, the existing method of the protection level calculation only assumes the single satellite fault, which may leads to hazardous events that the protection level cannot bound errors with a guaranteed probability due to the multiple satellite faults. Thus, we derive a new method of protection level calculation considering multiple satellite faults. Furthermore, we confirm the benefits of using a ground station in the protection level derivation. In this regard, the conventional monitoring algorithms of the ground station that were designed for the GPS constellation are modified in order to reflect the different characteristics of the GLONASS constellation. Finally, we analyze the impact of ionospheric spatial gradients on the positioning integrity when using the local-area differential GNSS architecture.
자력계의 부정확성, 위성항법시스템의 정확성 저하는 극지역의 대표적 항법 제약 사항이다. 이러한 극지 항법 제약 사항 극복을 위해 자력계의 대안으로써 GNSS 기반 헤딩 추정치를 활용하고, 위성 가시성 확보를 위해 고위도에 적합한 GLONASS 위성군을 추가로 사용하는 위성항법/관성항법 융합시스템을 제안하였다. 본 학위논문에서는 제안한 항법 시스템의 헤딩, 위치 항법해 안전성 보장을 위해 고장의 지속시간 특성을 고려하는 무결성 모니터링 방안을 다루었다.
먼저 GNSS 기반 헤딩 항법해 무결성 보장 방법에 대한 연구를 수행하였다. GNSS 기반 헤딩 결정 기법은 동체에 일정 간격으로 설치된 두 개의 GNSS 안테나에서 측정한 코드, 반송파 측정치를 활용해 도출되는 두 안테나 간 상대 벡터로부터 헤딩을 추정하는 방법이다. 이 과정에서 GNSS 측정치의 잡음으로 인해 반송파 측정치의 미지 정수 풀이가 잘못되는 고장 상황이 발생할 경우, 시스템의 헤딩 추정치에 큰 오차를 야기할 수 있다. 특히 칼만 필터 기반의 항법해 추정치는 긴 시간 동안 발생한 측정치 고장에 취약하며, 이는 가장 큰 무결성 위협 요인이 된다. 본 연구에서는 고장의 지속시간을 고려하는 새로운 칼만 필터 기반 무결성 보장 기법 연구를 수행하였다. 기존의 칼만 필터 기반 무결성 보장 기법들은 고장 지속시간의 단일 가설만을 고려하고 지속시간에 상관없이 하나의 큰 사전 확률 값을 적용해 보수적인 무결성 위협 확률을 평가하였다. 이 연구에서는 고장 지속시간에 따른 다중 가설을 세워 무결성 위협 확률 평가의 보수성을 줄이고자 하였다. 본 연구에서 제안하는 다중 가설 기반 무결성 위협 확률 계산 방법론은 한 개 또는 여러 개의 고장 모니터를 사용하는 두 가지 시나리오에 대해 유도되었다. 이 과정에서 고장의 지속시간에 따라 구분되는 다중 고장 가설 별 사전 발생 확률을 모델링하였다. 이어서 기존 단일 가설 기반과 모니터 개수에 따른 두 가지 다중 가설 시나리오에 따라 무결성 위협 확률 평가 시뮬레이션을 수행하였다. 그 결과, 다중 가설을 적용하고 여러 개의 모니터를 사용할 시 가장 보수성이 작은 무결성 위협 확률 산출이 가능함을 확인하였다.
다음으로 지역보강시스템의 지상국 사용 유무에 따라 두 가지의 시나리오에 대한 위치해 무결성 보장 방법에 대한 연구를 수행하였다. GLONASS 위성군을 추가로 활용하게 됨에 따라 평균적인 가시 위성 수가 증가하게 되는데, 지상국을 사용하지 않을 경우에는 동시에 여러 대의 위성 측정치에 고장이 발생할 확률이 유의미하게 상승한다. 기존에 제안된 보호수준 산출 기법에서는 한 대의 위성에 고장이 발생하는 상황을 가정하고 있기 때문에, 기존 방법론을 적용하였을 시 여러 대의 위성 고장에 의한 위치 오차를 바운드하지 못할 수 있다. 이에 따라, 본 연구에서는 여러 대의 위성 고장이 지속적으로 발생하는 상황을 고려한 보호수준 산출 기법을 유도하였다. 또한, 지역보강시스템 지상국을 활용할 시 얻을 수 있는 보호수준 상의 이득을 확인하였다. 이때 GPS에 대해 설계된 기존 지상국 모니터링 알고리즘을 추가로 사용하는 GLONASS에 적용시키기 위해 보완, 수정되어야 하는 사항을 다루었다. 마지막으로 지역보강시스템 지상국 활용 시 고려되어야 하는 전리층 이상현상에 의한 위치해 무결성 보장 방법에 대한 분석을 수행하였다.
