차세대 항공 운송 인프라를 위한 단일 DME 스테이션 기반 3차원 위치 결정 시스템

학위논문 (석사)-- 서울대학교 대학원 : 기계항공공학부, 2013. 2. 기창돈.본 논문에서는 위성항법시스템(Global Navigation Satellite System)을 사용할 수 없는 상황에서 항공기의 경제성과 안전성을 보장하고, 앞으로 계속 증가할 미래 항공 운송량에 대한 대비를 위한 대체 항법(Alternate Positioning Navigation and Timing)에 관한 연구를 진행하였다. 현재 대체항법은 미연방항공청(FAA)가 주도하는 NextGen이라는 차세대 항공운항 프로그램 내에 포함되어 있으며, 대체항법의 해결책으로써 몇몇 대안들에 대한 연구가 진행되고 있다. DME(Distance Measuring Equipment)를 이용한 연구들이 주를 이루며, 그 중 DMPR(DME Passive Ranging)에 대한 연구가 가장 활발하게 진행되고 있지만, 위치 결정에 2개 혹은 3개의 스테이션이 필요하고, 각 스테이션 간의 시각 동기가 필수적이기 때문에 이 부분에 대한 추가적인 연구와 비용에 대해 검토되고 있는 상황이다. 본 논문에서 제안하는 MOSAIC/DME시스템은 기존의 DME시스템에 의사위성과 유사한 다수의 MOSAIC안테나를 추가적으로 장착하여 단방향 연속신호를 방송하도록 하였다. 이 경우 장점으로는 하나의 스테이션에서 클럭을 공유하기 때문에 모든 신호가 동기 되어 있다는 것과 하나의 스테이션 만으로 3차원 위치 결정이 가능해져 실제 가용영역이 넓어질 수 있다는 점이다. 또한 DME신호는 기존의 방법과 동일하게 동작하므로, 기존의 DME와의 호환성이 보장되며, 양방향 신호와 단방향 신호를 동시에 사용하므로 스테이션의 항공기 수용능력 역시 증가하리라 기대할 수 있다. 하나의 스테이션에서 위치 결정을 수행할 경우, 기하학적으로 배치가 좋지 않기 때문에 위치 정확도가 매우 낮으리라 예상된다. MOSAIC/DME 시스템에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해, 측정치로서 반송파 위상을 사용하게 된다. 하지만 일반적으로 반송파 위상 측정치를 사용하는 경우 파장길이의 미지정수 항이 추가되어 실질적으로 위치계산 수행이 불가능하게 된다. 여기서 이 미지정수 항을 해결하기 위해 MOSAIC개념을 사용하게 된다. 기본 MOSAIC개념은 안테나간 간격이 반 파장 이내일 때 미지정수를 바로 결정할 수 있게 된다. 하지만 항공기에 사용할 수 있을 정도의 정확도를 얻기 위해서는 안테나 간의 간격이 일정 범위 이상 될 필요가 있으므로, 이 때에는 확장된 MOSAIC 개념을 적용하게 된다. 확장된 MOSAIC개념에 따르면 MOSAIC/DME시스템의 미지정수는 기하학적으로 제한되어 있기 때문에, 기존의 CDGPS(Carrier-phase Differential GPS)와는 다르게 쉽게 미지정수를 해결할 수 있다. 실제 위치를 결정하는 과정은 LSAST(Least Square Ambiguity Search Technique)기법을 이용하여, 매 시점마다 가중최소자승법(Weighted Least Square Solution) 계산식으로 위치를 계산한다. 미지정수 결정 과정은 LSAST에서 이용하는 Residual Threshold Test와 Ratio Test를 수행하며, 여기에 MOSAIC/DME시스템의 특징을 이용한 행렬 특이성 확인, 수렴성 확인, 고도제한, AHRS(Attitude Heading Reference System)을 이용한 확인 방법들을 이용하여 미지정수를 결정하게 된다. MOSAIC/DME시스템의 정확도 특성과 미지정수 결정 검증을 위해 몬테 카를로 시뮬레이션을 수행한 결과, 이 시스템이 대체항법에서 요구하는 정확도를 모두 만족하는 사실을 확인할 수 있었으며, 미지정수의 경우에도 대부분 20초 내에 해결되고, 현재의 시뮬레이션 환경에서는 최대 1분 내에 모두 풀리는 것을 확인하였다. 본 논문에서는 MOSAIC/DME시스템에 대해 개념적인 큰 그림을 먼저 제시하고, 이 중 정확도 부분과 미지정수 결정 부분에 대해 중점적으로 다루었다. 앞으로도 연구를 진행하면서, 실제 시스템의 구현을 위해서는 미지정수 결정 개선, 다양한 오차를 포함한 시뮬레이션, 항공기 수용능력 검증, 신호 규격, 메시지 타입, 무결성, 안테나 배치, 다중 스테이션을 이용했을 경우의 성능 검증 등을 추가적으로 진행할 필요가 있다.Next Generation Air Transport System (NextGen) is a program ready for the future aircraft traffic developed by US Federal Aviation Administration (FAA). Alternate Positioning Navigation and Timing (APNT), a part of NextGen, is a developing solution for the continuity and safety of air services when Global Navigation Satellite System (GNSS) is unavailable. As a solution for APNT, there are candidates being researched. Some of them utilize the Distance Measuring Equipment (DME) which is a conventional terrestrial system at the present time. DME Passive Ranging (DMPR) using pseudolite-like signals is one of them, which is the most actively researched. DMPR is, however, at least two or three stations are required for the positioning, and time synchronization between stations are essential because of one-way continuous signals. Nowadays, additional research and costs for time-sync are considered. MOSAIC/DME system presented in this paper is a single station based 3D positioning system. Additional multiple pseudolite-like MOSAIC antennas broadcasting one-way continuous signal are installed together with conventional DME. This one station based system makes it possible for time synchronization between signals because all signal generators can share the clock source. And it is also possible for 3D positioning using only one station to extend the usable coverage. As DME antenna itself operates without any change with current system, compatibility is proved. And two types of signals, one-way and two-way, are both used, so it is expected that aircraft traffic capacity also can be improved. Positioning from one spot has generally bad geometrical feature, or bad Dilution of Precision, expecting that navigation performance is low. To cover this problem, MOSAIC/DME system uses the measurement of carrier phase whose noise is mm-level. But using carrier phase cause the problem of integer cycle ambiguity, the measurement has unknown integer-term multiplied by wavelength. To solve ambiguity problem, a concept named MOSAIC is utilized. Standard MOSAIC concept is generally applied to solve the ambiguity problem directly when the antenna separation is smaller than half of the wavelength. But it is expected that larger antenna separation is required for aircraft application. Therefore, extended MOSAIC concept, whose cycle ambiguities are geometrically bounded, is used for easy ambiguity resolution. Positioning algorithm is based on Least Square Ambiguity Search Technique (LSAST), and gets its position using Weighted Least Square Solution every epoch. Ambiguity resolution methods include not only residual threshold test and ratio of LSAST but matrix singularity check, convergence check, altitude bound, and AHRS test which utilize the special features of MOSAIC/DME system. Monte-Carlo simulation, generating measurements, are executed for the verification of accuracy properties and ambiguity resolution of MOSAIC/DME system. Simulations results show that the accuracy performance of MOSAIC/DME satisfies the requirement of APNT. And most of ambiguity problems are solved within 20 seconds, and ambiguities of all simulation cases are solved in a minute. This paper presented the conceptual outline of MOSAIC/DME system, and accuracy properties and ambiguity resolution are studied in priority. For the future research, ambiguity resolution improvement, simulation with various error sources, capacity study, signal analysis, message structure, and integrity for the safety of air services are considered for the implementation of this system.I. INTRODUCTION １ 1. Motivation and Purpose 1 2. Literature Survey ３ 3. Outline ５ 4. Contributions ６ II. APNT AND TERRESTRIAL NAVIGATION ７ 1. APNT Requirement ７ 2. Distance Measuring Equipment (DME) ９ 3. VOR/DME system １１ III. MOSAIC/DME SYSTEM １３ 1. MOSAIC Concept １３ 1) Standard MOSAIC Concept １３ 2) Extended MOSAIC Concept １６ 2. MOSAIC/DME SYSTEM １８ 1) Geometrical Analysis １８ 2) System Configuration ２３ 3) System Performance ２４ 3. Positioning Algorithm for MOSAIC/DME ２５ 1) Weighted Least Squares (WLS) Solution ２５ 2) Least Square Ambiguity Search Technique (LSAST) ２８ IV. AMBIGUITY RESOULTION METHOD ３１ 1. Residual Threshold Test ３１ 2. Ratio Test ３３ 3. Singularity Check ３６ 4. Convergence Check ３７ 5. Altitude Bound ３７ 6. AHRS Test ３８ V. SIMULATION RESULTS ４１ 1. Simulation Settings ４１ 1) Antenna Array ４１ 2) Signals ４２ 3) Measurements ４２ 2. Accuracy Properties ４３ 1) Range and Accuracy ４４ 2) Antenna Separation and Accuracy ４６ 3) Relative Position and Accuracy ４８ 4) Class B APNT Requirement ５０ 3. Simulation of Ambiguity Resolution ５２ 1) Simulation Settings for Ambiguity Resolution ５２ 2) Ambiguity Resolution without AHRS Test ５５ 3) Ambiguity Resolution with AHRS Test ５７ VI. CONCLUSION ６０ 1. Summary ６０ 2. Suggestions for Future Work ６１Maste

다중 안테나 배치를 통한 단일 스테이션 기반 정밀 위치결정 시스템

학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 공과대학 기계항공공학부, 2018. 8. 기창돈.단일 스테이션 기반 위치결정시스템은 위성항법시스템을 사용할 수 없는 환경에서의 대체항법과 같은 백업시스템을 목적으로 한다. 본 논문에서는 기존의 DME(Distance Measuring Equipment)시스템에 단방향 연속신호를 방송하는 다수의 의사위성 안테나를 추가한 Mosaic/DME시스템을 제안하였다. Mosaic/DME 시스템의 주요 특징은 하나의 스테이션에서 다수의 신호들을 동기화하여 방송할 수 있으며, 하나의 스테이션 만으로도 고도정보를 포함한 3차원 위치결정이 가능해 진다는 점이다. 그리고 Mosaic/DME의 DME는 기존과 동일하게 동작하므로 기존 DME스테이션과 호환되며, 양방향 신호와 단방향 신호를 둘 다 사용하므로 DME 스테이션의 항공기 수용능력 역시 증가하리라 기대할 수 있다. Mosaic/DME 시스템은 하나의 스테이션에서 위치결정을 수행하므로 기하학적으로 배치가 좋지 않아 일반적인 방법으로는 높은 위치성능을 기대하기 어렵다. Mosaic/DME 스테이션은 이러한 문제점을 해결하기 위해서 반송파 위상 측정치를 사용하였다. 일반적으로 반송파 위상에는 파장길이에 대한 미지정수 항이 추가되어 위치계산을 위해서는 이 미지정수 값을 결정할 필요가 있다. 본 논문에서 제안하는 Mosaic개념을 적용할 경우, 측정치의 미지정수 범위를 기하학적으로 제한하여 미지정수 결정을 효율적으로 수행할 수 있게 된다. 본 논문에서는 Mosaic/DME에서 사용하는 다수의 의사위성 안테나를 어떻게 배치하는가에 대해 관심영역을 고려하여 위치정확도와 미지정수 결정성능 두 가지 관점에서 기술하였다. 미지정수 결정성능 관점에서 최적화된 안테나 배치를 도출하기 위해서 본 논문에서는 미지정수 그물(Ambiguity Net) 기법을 제안하였다. 미지정수 그물 기법을 적용하면 미지정수에 의해 그려지는 측정치 궤적의 교차점을 픽셀 단위로 판단하여 해당 안테나 배치가 미지정수 결정능력에 유리한 정도를 판단할 수 있다. 위치정확도 관점에서는 관심영역 내에서 가장 위치성능이 낮은 지점의 DOP(Dilution Of Precision)를 성능지수로 선정하여, 해당 성능지수가 가장 낮아지도록 안테나 배치의 최적화를 수행할 수 있다. 관심영역 내에서 앞서 언급한 미지정수 결정성능과 위치정확도 두 가지를 최적화할 수 있도록 안테나를 배치하는 전략에 대해서도 기술하였다. 목표 위치정확도를 만족하면서 동시에 미지정수 결정성능도 보장하는 안테나 배치에 대해 안테나 수, 안테나 간격 등을 최소화하는 전략을 단계적으로 기술하였다. 본 논문에서 제안되고 언급된 방법들과 전략에 대해 시뮬레이션으로 검증을 수행하였다. DOP 성능지수와 미지정수 그물 기법을 적용하여 결정된 안테나 배치에 대해, 시뮬레이션으로 위치정확도와 미지정수 결정능력을 확인하고, 다른 안테나 배치들과 비교/분석을 진행하였다.Chapter 1. Introduction 1 1.1 Motivation and Purpose 1 1.2 Literature Survey 4 1.3 Outline of the Dissertation 7 1.4 Contributions 9 Chapter 2. Background 10 2.1 Alternate Positioning Navigation and Timing (APNT) 10 2.1.1. NextGen and APNT 10 2.1.2. APNT Requirements (Navigation Accuracy) 12 2.2 Distance Measuring Equipment (DME) 13 2.3 VOR/DME system 14 2.4 Multilateration (MLAT) 17 Chapter 3. A Single Station-based Positioning System (Mosaic/DME System) 19 3.1 Mosaic Concept 19 3.2 Mosaic/DME System 22 3.2.1. System Configuration 22 3.2.2. Positioning Algorithm 25 3.2.3. Potential Solutions 28 3.2.4. Special Features 30 3.3 Positioning Accuracy Analysis 31 3.3.1. Measurement Error 32 3.3.2. Weighted DOP 34 3.3.3. Accuracy Simulation 39 3.4 Ambiguity Resolution 43 3.4.1. Features of Cycle Ambiguity 43 3.4.2. Strategy of Ambiguity Resolution 44 Chapter 4. Multi-Antenna Arrangement Method for 2D Environment 47 4.1 Area of Interest (AOI) 48 4.2 Antenna Arrangement for Positioning Accuracy 49 4.3 Antenna Arrangement for Ambiguity Resolution 54 4.3.1. Ambiguity Net Image 54 4.3.2. Pixel Bound Analysis 61 4.3.3. Ambiguity Net Technique 65 4.3.4. Tendency Simulation 71 4.4 Antenna Arrangement considering Positioning Accuracy and Cycle Ambiguity Resolution Performance 73 4.4.1. Antenna Arrangement Method 73 4.4.2. Robust Antenna Arrangement to Antenna Position Error 77 4.4.3. Bound Size Analysis for Ambiguity Net Technique 80 Chapter 5. Strategy of Multi-Antenna Arrangement 83 5.1 Strategy Background 83 5.2 Antenna Arrangement Strategy 85 5.3 Simulation Results for 2-D environment 91 5.3.1. AOI: ±30° bound 92 5.3.2. AOI: ±60° bound 97 5.3.3. AOI: all area (-180° ~ 180°) 101 Chapter 6. Multi-Antenna Arrangement for 3D Environment 106 6.1 Area of Interest (AOI) 107 6.2 Antenna Arrangement for Positioning Accuracy 108 6.3 Antenna Arrangement for Ambiguity Resolution 108 6.4 Simulation Results 115 6.4.1. Simulation Settings 115 6.4.2. Ambiguity Resolution Results 120 6.4.3. Positioning Accuracy Results 125 Chapter 7. Conclusions 128 7.1 Conclusions 128 7.2 Suggestions for Future Work 129 Chapter 8. Reference 131 Appendix A: Analysis about Linear Assumption of Hyperbolic Asymptotes 136 Appendix B: Probabilistic Analysis of Zero-ANCP 141Docto

Development of GPS/Galileo Integrated Receiver Technology for LEO

본 논문은 저궤도 위성 환경에서 활용 가능한 GPS/Galileo 복합 수신기 기술 개발에 대한 것으로, GPS/Galileo 통합 수신기와 OD(Onboard Determinator), OOP(Onboard Orbit Propagator)의 개발을 포함한다. 저궤도 위성의 빠른 운동으로 인한 가시위성의 잦은 변화, 높은 도플러 변화율 등을 고려하였으며 수신 신호는 GPS L1/L2C/L5, Galileo E1B/E5a를 포함한다. OD, OOP는 GNSS 동역학 모델과 궤도 정보를 이용하여 수신기가 비정상 동작하는 상황에 대비할 수 있도록 한다. 개발된 복합 수신기는 MATLAB 소프트웨어로 개발되었으며 H/W 시뮬레이터 신호를 이용하여 검증된다.OAIID:oai:osos.snu.ac.kr:snu2012-01/104/0000003405/19SEQ:19PERF_CD:SNU2012-01EVAL_ITEM_CD:104USER_ID:0000003405ADJUST_YN:NEMP_ID:A000360DEPT_CD:446CITE_RATE:0FILENAME:2012KGS_paper_김종원.pdfDEPT_NM:기계항공공학부EMAIL:[email protected]: