As civilian use of unmanned aircraft systems (UASs) increases, their safe operation while preventing collisions with either humans or ground structures has become a significant concern. To perform autonomous UAS missions beyond visual line of sight (BVLOS) or in low-altitude airspace safely, achieving high accuracy and reliability of navigation solutions is necessary. This motivates the development of a cost-effective local-area UAS network that utilizes a Local-Area Differential Global Navigation Satellite System (LAD-GNSS) navigation solution. LAD-GNSS achieves a level of integrity comparable to that of Ground-Based Augmentation System (GBAS) Category I operations by monitoring navigation faults at the ground station and by broadcasting integrity information to the UAS. The architecture of this system involves space-conserving hardware configurations and several simplified GBAS integrity monitoring algorithms to reduce both the cost and the complexity of the system. In previous works, only the overall concept of the system had been proposed. Therefore, a full analysis of the system was lacking, and the system architecture had not been implemented. Consequently, in this thesis, we aim to design a comprehensive LAD-GNSS architecture for UASs, and implement it in an actual test bed. Following the implementation, analysis of the system was carried out to assess its performance.
This thesis investigates major issues in fully establishing LAD-GNSS and analyzes their performance. First, we develop a methodology for determining the requirements of BVLOS UAS operation in the low-altitude airspace. We begin by defining the concept and requirements of UAS operation supported by LAD-GNSS for BVLOS UAS operation in the low-altitude airspace, including segregation of UAS operation coverage in low-altitude airspaces, and the alert limits (ALs) for each operational coverage. The required safety levels of UAS operation are analyzed on the basis of the safety risk assessment, and then we determine the ALs that meet the required safety level. Second, we design a LAD-GNSS architecture for UAS by simplifying the hardware and monitoring the algorithms of both the ground facility and the onboard module, using the well-established GBAS as a starting point. We perform theoretical performance evaluations comparing position uncertainty bounds, which are represented by protection levels (PLs), to the corresponding navigation requirements for each coverage. We compare PLs and ALs under both nominal and malfunction cases. Third, we develop methodologies for improving the performance of LAD-GNSS for UASs. To reduce PLs under the nominal case, we first derive the PLs for excessive acceleration and code-carrier divergence fault scenarios which are bounded by using a maximum-allowable error in range. Using these PLs, integrity and continuity allocations are ideally and dynamically assigned to each single-fault hypothesis to obtain optimized PLs that are identical for all fault scenarios. We find that vertical protection levels (VPLs) are reduced by approximately 11% when implementing the optimal allocation method. In addition, we develop and apply the ionospheric threat model for the Korean region to reduce the PLs in the malfunction case. The simulation results show that the VPLs in the malfunction case are reduced by approximately 50% when the Korea threat model is applied. Finally, we explain the development of a prototype of LAD-GNSS and the performance evaluation for both accuracy and integrity performance. The LAD-GNSS prototype is composed of two parts: a ground module and an onboard module. The ground module operates in a manner similar to a GBAS ground facility. Most of the computations regarding integrity monitoring are performed in the ground module. The onboard module computes position solutions using the corrections broadcast from the ground module. The position solutions are then fed into a flight controller. Flight tests are conducted to evaluate the performance of this LAD-GNSS prototype. The results obtained from autonomous landing tests show that the 95% accuracy of the LAD-GNSS landing is 1.70 m. In the path-following test, the results show that the 95% vertical position error was less than 1 m and that the VPLs are much lower than the VAL.
Finally, we propose a methodology for estimating safe separation distances between UASs sharing the same source of guidance and local-area differential corrections. Only the uncorrelated component of the position error between UASs in the same network contributes to potential separation violations. Therefore, to estimate the separation distances, models of uncorrelated navigation system errors and flight technical errors (FTEs) are developed both theoretically and experimentally. Generalized models of ionospheric and tropospheric errors are developed theoretically. Airborne pseudorange errors and FTE components, which depend on the hardware, the environment, and operational conditions, are determined though UAS flight tests. By applying risks of separation violations derived from the safety risk assessment methodology to the proposed error models, the safe separation distances were estimated. In the simulation results for a 24-satellite Global Positioning System (GPS) constellation, the horizontal separations between UASs in the same network were mostly below 3.5 m, while the vertical separations ranged between 3.5 and 6.5 m.
무인항공기에서 가장 보편적으로 사용하는 항법 센서는 위성항법시스템(GNSS, Global Navigation Satellite Systems)센서로써 전 세계적으로 절대 위치를 추정할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 하지만 GNSS 센서는 지구에서 멀리 떨어진 위성의 신호를 기반으로 위치추정을 수행하기 때문에 정밀한 항법을 지원하는 데는 한계가 있다. 특히 민간에서 운용하는 무인항공기의 경우, 민간의 피해를 방지하기 위해서는 센서 고장을 감시하며, 무인항공기가 실제로 존재할 수 있는 경계선을 정의하는 무결성(integrity) 개념이 필수적으로 고려되어야 한다. 지역보강 위성항법시스템(LAD-GNSS, Local Area Differential-Global Navigation Satellite Systems)은 위와 같은 문제를 해결할 수 있는 시스템으로써, 무인항공기에게 항법 보정정보를 제공하여 항법 정확도를 향상시키고, 발생할 수 있는 각종 고장을 감시하여 항법 무결성을 증대시킨다. 또한 항법 오차 모델을 이용하여 실제 무인항공기가 존재할 수 있는 경계선을 산출하여 정밀 착륙 및 충돌방지 등 안전한 항법을 지원할 수 있다.
LAD-GNSS 아키텍처는 기본적으로 지상기반 보강시스템(GBAS, Ground Based Augmentation System) 아키텍처를 공유하고있다. 하지만 LAD-GNSS는 무인항공기의 항법지원을 위한 상용 시스템을 목적으로 알고리즘의 복잡성을 줄이고 하드웨어의 설치 제약조건을 완화시켰다. 또한 GBAS와 달리 운용범위 내 무인항공기들과 양방향 통신을 함으로써 유도정보와 타 항공기와의 안전거리 정보를 제공한다. 기존 연구에서는 위와 같은 LAD-GNSS 아키텍처의 개념과 알고리즘의 복잡성을 줄일 수 있는 방안을 제시하였다. 하지만, LAD-GNSS 시스템을 실제로 구현하기 위해서는 시스템 운용 범위, 요구조건, 성능평가, 알고리즘의 구체화 등 시스템 디자인 측면에서의 다양한 연구가 필수적으로 요구된다.
이 학위논문에서는 저고도 비가시 공역에서의 무인항공기 항법 지원을 위한 LAD-GNSS 아키텍처를 정의하였다. 이 논문에서는 먼저 시스템의 성능을 고려하여 시스템에서 지원받는 무인항공기의 운용범위와 요구조건을 제안하였다. 안전 위험성 평가 기법을 기반으로 무인항공기 운용에서의 안전성 수준(safety level)을 도출하였고, 이러한 안전성 수준을 만족하는 항법 요구조건인 경계수준(alert limit)을 도출하였다. 또한 LAD-GNSS의 알고리즘 복잡성을 줄이기 위해 지상장비 뿐만이 아닌 항공기의 고장 모니터링를 설계하였으며, 성능평가를 수행하였다. 정상상태(nominal case)와 이상상태(malfunction case)에서의 보호수준(protection level) 산출하고 정립된 경계수준과 비교함으로써 시스템의 가용성을 평가하였다. 성능평가 결과, 무인항공기 항법을 위해 제안한 LAD-GNSS은 $1-10^{-5}$ 수준의 항법 안전성을 보장함을 확인하였다.
둘째로 이 학위 논문에서는 LAD-GNSS의 성능향상을 위한 방법론을 제안하였다. 정상상태의 보호수준을 감소시키기 위해서 무결성 및 연속성 위험 할당률 최적화 기법을 설계하였다. 이 기법을 통해 정상상태의 보호수준이 약 11% 가량 감소하는 것을 확인하였다. 또한 이상상태의 보호수준을 감소시키기 위해 한국형 전리층 위협모델을 구축 및 적용하였다. 기존 GBAS 전리층 위협모델의 전리층 이상현상 기울기(최대 425 mm/km)와 비교하여 상대적으로 낮은 한국형 모델의 전리층 이상현상 기울기(160 mm/km)를 확인하였고, 이를 통해 이상상태의 보호수준을 약 50% 가량 감소함을 확인하였다. 실제 운용환경에서 제안한 LAD-GNSS 시스템의 성능평가 위해 프로토타입을 이용한 비행실험을 진행하였다. 프로토타입은 지상모듈과 무인비행체 탑재모듈로 구성하였다. 지상모듈은 시스템의 고장을 감시하여 안전정보 및 정밀 보정정보를 생성하고 이 정보를 탑재모듈을 장착하고 있는 무인항공기에 방송한다. 탑재모듈은 지상모듈에서 방송한 정보를 수신하여 자체적으로 시스템 고장을 감시하고 항법해를 산출한다. 탑재모듈을 멀티콥터 플랫폼에 장착하여 자동착륙 실험과 경로비행 실험을 진행하였다. 테스트 결과 LAD-DGNSS의 95% 착륙 정확도는 1.70 m로 확인하였고, 진행한 경로비행실험 동안 $1-10^{-5}$ 수준의 항법 안전성을 보장함을 확인하였다.
마지막으로 이 학위논문에서는 LAD-GNSS 서비스 환경에서의 무인항공기간 충돌방지를 위한 안전분리거리 추정 기법을 제안하였다. 이를 위해 위치오차에 영향을 주는 오차요인들을 이론적/실험적으로 모델링 하였다. 먼저 전리층 지연오차와 대류층 지연오차에 대해서는 기존 모델을 포괄하는 일반적인 오차 모델을 이론적으로 개발하였다. 기체의 형상, 컨트롤러의 성능 혹은 주변환경의 영향을 받는 다중경로오차와 비행기술오차에 대해서는 실험적인 데이터를 이용하여 모델링하였다. 제안한 오차 모델에 안전계수를 적용함으로써 무인항공기간 안전거리를 시뮬레이션 하였다.
