Unmanned Air Vehicles (UAVs) have great advantages of preventing the loss of lives by replacing manned aircraft for conducting high-risk missions. However, UAVs have limited fuel capacity due to low take-off weight restriction, and thus their operational range and endurance are very low compared to manned aircraft. Autonomous Airborne Refueling (AAR) can solve these constraints. AAR approaching process requires a relative vector with high level of integrity and availability. Existing research on AAR only deals with integrity under normal conditions, and does not consider the satellite fault conditions. However, in order to guarantee the complete safety of navigation systems, a study on integrity assurance including the satellite fault conditions should be conducted. Otherwise, a large error may occur in the position calculation, which may threaten the user’s safety. Satellite fault conditions to be considered in the AAR system include ephemeris fault, code-carrier divergence due to ionospheric storms, and multipath signal error. Among them, ephemeris fault conditions that cause a user’s position error as much as several tens of meters to several kilometers should be considered. This study was conducted to ensure the integrity of the AAR navigation systems based on Carrier-phase Differential Global Navigation Satellite Systems (CDGNSS) under ephemeris fault conditions.
In this thesis, an integrity architecture was developed for AAR navigation systems, and integrity fault-tree was designed by defining each fault hypothesis. In addition, I proposed a methodology to quantify the impact of missed-detected fault of integrity monitor in carrier-phase based systems under ephemeris fault conditions. Based on this, I analyzed the availability of the navigation systems through simulation, considering the characteristics of each phase of the approach and final stages of AAR. As a result of the simulation, it was possible to propose the performance criteria of the receiver to ensure the navigation integrity in the approach phase and the final phase. This research can be the basis for the study of ensuring the integrity of AAR’s navigation systems of UAV under satellite fault conditions. And it is expected to be helpful in determining required performance of UAV for AAR missions.
무인항공기는 기존 유인항공기의 위험하고 치명적인 임무를 대신하여 조종사나 승무원의 인명 손실을 막을 수 있다는 점에서 그 역할이 매우 중요해지고 있다. 그러나 무인항공기는 낮은 이륙중량 제한으로 인해 연료 용량이 한정적이고, 반경 및 체공시간이 유인 항공기에 비해 매우 낮다. 그러나 무인항공기가 “자율 공중 급유”가 가능하다면 이러한 한계를 극복할 수 있을 것이다. 자율 공중 급유는 항공기 간 매우 근접하여 비행하기 때문에 높은 수준의 무결성과 가용성을 요구하는 도전적인 연구과제이다. 기존 자율 공중 급유에 대한 연구는 고장이 없는 조건에 한정하여 연구되었다. 하지만, 시스템의 완전한 안전성을 보장하기 위해서는 위성 고장상황까지 고려하여 항법 무결성 보장 연구가 수행되어야 한다. 이를 고려하지 않을 시 위치 산출에 큰 오차가 발생하여 사용자의 안전성에 위협을 초래할 수 있다. 자율 공중 급유 시스템에서 고려되어야 할 위성 고장 상황은 위성 궤도정보 고장, 전리층 폭풍, 다중경로 신호오차 등이 있다. 이 중 수십 미터에서 수 킬로미터 크기만큼 사용자 위치 오차를 초래하는 위성 궤도정보 고장은 반드시 고려되어야 하는 고장 요소 중 하나이다. 이 연구는 위성 궤도정보 고장 상황에서 반송파 상대항법 시스템 기반의 자율 공중 급유의 항법 무결성을 보장하기 위해 수행되었다.
본 학위논문에서는 자율 공중 급유의 항법 시스템에 대한 무결성 아키텍처를 개발하고, 각 고장 가설을 정의하여 무결성 고장 트리를 설계하였다. 또한 위성 궤도정보 고장 상황에 대하여, 반송파 기반 시스템에서의 고장 모니터 미검출 고장의 영향을 정량화 하는 방법론을 제안하였다. 이를 바탕으로 자율 공중 급유의 접근단계와 최종단계의 국면별 특성을 고려하여, 시뮬레이션을 통한 항법 시스템의 가용성을 분석하였다. 시뮬레이션 결과 접근단계와 최종단계에서의 항법 무결성을 보장하기 위한 수신기의 성능 기준을 제안할 수 있었다. 본 연구는 위성 고장 상황 시 무인항공기의 자율 공중 급유의 항법 시스템의 무결성 보장 연구에 기반이 될 수 있으며, 공중 급유를 수행하기 위한 무인항공기의 시스템 요구 성능을 결정하는데 도움이 될 것으로 예상된다.
