KR101040053B1

KR101040053B1 - 의사거리 측정잡음 감시기반 위성전파항법시스템 위성시계 고장검출 및 고장위성 식별 방법

Info

Publication number: KR101040053B1
Application number: KR1020100134321A
Authority: KR
Inventors: 박상현; 조득재
Original assignee: 한국해양연구원
Priority date: 2010-12-24
Filing date: 2010-12-24
Publication date: 2011-06-10

Abstract

본 발명은 위성전파항법 보정시스템에 적용된 종래기술이 빈번히 발생하는 위성시계 고장에 대해 고장위성을 식별하지 못함으로써 고장상황을 보정서비스를 통해 제대로 공지하지 못할 뿐만 아니라 고장이 발생하지 않은 정상 위성들도 고장으로 판단하여서 보정서비스를 불능상태로 만드는 문제를 해결하기 위한 것으로, 수신한 위성들을 소그룹으로 분류하고, 각 소그룹의 의사거리 측정잡음의 영-평균 특징을 이용하여 고장발생 여부를 판정하기 위한 측정잡음 벡터의 기대값을 생성한 후에, 고장발생 여부를 판단하는 위성시계 고장검출 및 고장위성 식별 방법에 관한 것이다.
이와 같은 본 발명은 위성시계 고장이 발생하는 경우에 위성전파항법 보정시스템의 가용성과 연속성이 저하되는 문제를 개선시키며, 무결성 감시성능을 향상시키는 장점이 있다.

Description

의사거리 측정잡음 감시기반 위성전파항법시스템 위성시계 고장검출 및 고장위성 식별 방법{An integrity monitoring method to detect and identify the GNSS satellite clock anomaly by monitoring the pseudorange measurement noise}

본 발명은 위성전파항법시스템의 위성시계에서 고장이 발생하는 경우에 위성전파항법 보정시스템(DGNSS)이 고장을 검출하고, 고장위성을 정확히 식별하여 보정서비스의 가용성(availability)과 연속성(continuity)을 유지시키며, 무결성 감시성능을 향상시키고자 하는 위성시계 고장검출 및 고장위성 식별 방법에 관한 것이다.

전세계 어디에서나 위치와 시각정보를 제공하는 위성전파항법시스템은 로란-C와 같은 지상전파항법시스템 보다 높은 정확도의 측위 서비스를 제공한다는 점에서 해상항법 분야를 포함한 다양한 분야에서 그 활용 범위가 급속히 확대되고 있다.

그러나 위성전파항법 체계만을 단독으로 사용하는 단독 측위법(standalone positioning)은 항만과 같이 교통량이 많고 선박간 충돌 위험도가 높은 지역에서 필요로 하는 측위 정확도를 만족시키지 못하는 문제가 있다. 이를 해결하기 위한 대표적 방법이 위성전파항법 보정시스템(GNSS augmentation system)에 일종인 DGNSS(Differential Global Navigation Satellite Systems) 측위법이다. DGNSS 측위법은 정확한 자기위치정보를 가진 보정시스템에 설치된 기준국용 위성전파항법 수신기를 이용하여 위성신호의 오차성분을 추출하고, 추출된 오차성분을 주변 위성전파항법 이용자들에게 전송하는 방법으로 이용자측과 공통 성분인 위성신호 관련 오차를 제거함으로써 측위 정확도를 향상시키는 방법이다. 특히 연근해 해상항법 분야에서 이용하고 있는 의사거리(pseudorange) 기반의 DGNSS 측위법은 보정정보의 양이 적어서 정보 전송에 대한 부담이 없고, 이용자가 수신된 보정정보를 이용하여 간단한 산술처리만으로 측위 정확도를 높일 수 있다는 장점이 있다.(이하 'DGNSS 측위법'을 '위성전파항법 보정시스템' 이라 칭한다.)

위성전파항법 보정시스템은 상기와 같이 측위 정확도를 높이는 목적 이외에 위성전파항법시스템의 이상현상을 감시하는 기능도 수행함으로써 위성전파항법시스템을 보다 안정적으로 사용할 수 있게 돕는 기능을 갖고 있다. 그러나 종래의 위성전파항법 보정시스템은 위성전파항법시스템의 이상현상 중에서 가장 빈번히 일어나고 있는 위성시계 고장을 검출 및 원인 위성을 식별하지 못하는 문제가 있다.

이러한 현상은 위성전파항법 보정시스템의 기준국에 탑재된 종래 기술이 도 1에 도시한 바와 같이 단순히 의사거리 보정치(PRC; pseudorange correction)와 의사거리 변화율 보정치(RRC; pseudorange rate correction)만을 기준으로 고장발생 판정과 고장위성을 식별하기 때문이다. 더불어 종래의 의사거리 보정치와 의사거리 변화율 보정치 기반 고장검출 및 식별기법은 고장위성뿐만 아니라 정상위성까지도 모두 고장위성으로 식별함으로써 위성전파항법 보정서비스를 불능상태로 만드는 문제가 있다.

정리하면 종래기술은 위성시계 고장이 발생하는 경우에 위성전파항법 보정시스템이 고장위성을 정확히 식별하지 못하여 보정서비스의 가용성과 연속성이 저하되는 문제와 보정서비스에 의한 측위 정확도가 나빠짐에도 빠르게 공지하지 못하는 무결성 감시성능 저하 문제를 내포하고 있으며, 이런 문제는 단순히 의사거리 보정치와 의사거리 변화율 보정치를 기준으로 고장을 검출 및 식별하기 때문이다.

본 발명은 종래기술이 위성시계 고장이 발생하는 경우에 고장위성을 정확히 식별하지 못하여 위성전파항법 보정서비스의 가용성과 연속성이 저하되는 문제와 보정서비스에 의한 측위 정확도가 나빠짐에도 빠르게 공지하지 못하는 무결성 감시 성능 저하 문제에 대한 해결을 목적으로 한다.

상기와 같은 본 발명의 목적은 청구항 1항과 같은 의사거리 측정잡음 감시기반 위성전파항법시스템 위성시계 고장검출 및 고장위성 식별 방법에 의해 달성된다.

본 발명에 의하면, 수신한 위성들을 각 소그룹의 의사거리 측정잡음이 유지해야할 영-평균 특성을 감시하여 고장위성을 정확히 식별함으로써 위성시계 고장이 발생하는 경우에 위성전파항법 보정시스템이 고장위성을 정확히 식별하지 못하여 보정서비스의 가용성과 연속성이 저하되는 문제와 보정서비스에 의한 측위 정확도가 나빠짐에도 빠르게 공지하지 못하는 무결성 감시성능 저하 문제를 해결하여서 위성시계 고장에도 보정서비스 성능을 유지시키는 효과가 기대된다.

도 1은 종래 기술에 따른 위성전파항법시스템 고장검출 및 고장위성 식별 방법의 개념도,
도 2는 본 발명에 따른 의사거리 측정잡음 감시기반 위성전파항법시스템 위성시계 고장검출 및 고장위성 식별 방법의 개념도,
도 3은 본 발명에 따른 의사거리 측정잡음 감시기반 위성전파항법시스템 위성시계 고장검출 및 고장위성 식별 방법의 흐름도,
도 4는 본 발명을 통해 확인한 위성시계 고장발생시에 계산된 소그룹별 측정잡음을 나타낸 도면.

본 발명은 종래기술이 위성시계 고장이 발생하는 경우에 고장위성을 정확히 식별하지 못하여 위성전파항법 보정서비스의 가용성과 연속성이 저하되는 문제와 보정서비스에 의한 측위 정확도가 나빠짐에도 빠르게 공지하지 못하는 무결성 감시 성능 저하 문제의 해결을 목적으로 하는 의사거리 측정잡음 감시기반 위성전파항법시스템 위성시계 고장검출 및 고장위성 식별 방법에 관한 것으로,

인공위성 고장검출 및 인공위성 고장식별과 관련된 환경설정 값인 PRC_max, RRC_max, T_FD를 설정하는 단계(S100)와; 위성전파항법 보정시스템에 장착된 위성전파항법 수신기로부터 의사거리 원시정보를 취득하는 단계(S200)와; 인공위성으로부터 전달받은 항법메시지 및 이주파 원시정보를 이용하여 R^k, I_d ^k, T_d ^k, B^k 정보를 계산하는 단계(S300)와; 상기 R^k, I_d ^k, T_d ^k, B^k 정보를 이용하여 상기 위성전파항법 수신기 시계오차를 추정하는 <수학식1>을 생성하는 단계(S400)와; (n-1)개의 위성군으로 구성된 n개의 위성 소그룹으로 분류하고, 각 소그룹의 위성전파항법 수신기 시계오차 추정 연산 벡터를 G_j로 정의하는 단계(S500)와; 각 소그룹별 수신기 시계오차 추정치 벡터(bm)를 <수학식2>로 정의하고 생성하는 단계(S600)와; 소그룹별로 의사거리 측정잡음 벡터(ω) 생성 및 측정잡음 벡터의 기대값(E(ω_k))을 계산하는 단계(S700)와; 상기 측정잡음 벡터의 기대값이 S100단계의 T_FD보다 크거나 같으면 위성시계 고장으로 판정하고, T_FD보다 작으면 정상상태로 판단하는 단계(S800);를 포함한다.

여기서, 상기 G_j의 j는 (1 ≤ j ≤ n)이고, 상기 S800단계를 통해 위성시계가 고장발생으로 판단된 경우에는 고장위성 식별을 위해 위성시계 고장발생으로 판정된 소그룹에 공통위성이면서, 정상상태로 판정된 소그룹에 포함되지 않은 위성을 고장위성으로 식별하는 단계(S810);가 더 포함된다.

또한, 상기 S810단계 이후에는 고장위성 식별결과를 데이터베이스(DB)화하여 저장하고, 의사거리 및 의사거리 변화율 보정정보를 계산할 때에 고장위성은 제외하는 단계(S820)를 수행한다.

이하, 본 발명의 양호한 실시예를 도시한 첨부 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.

종래의 위성전파항법시스템 고장검출 및 고장위성 식별 방법은 도 1에 도시한 바와 같이 A 내지 E의 과정을 거치는데, 본 발명에 따른 의사거리 측정잡음 감시기반 위성전파항법시스템 위성시계 고장검출 및 고장위성 식별 방법은 도 2에 도시한 바와 같이 종래의 A와 B 과정의 사이에 H 내지 L의 과정을 추가한 것이다.

본 발명에 따른 의사거리 측정잡음 감시기반 위성전파항법시스템 위성시계 고장검출 및 고장위성 식별 방법 흐름도를 나타낸 도 3을 참조하면,

S100단계는 인공위성 고장검출 및 인공위성 고장식별과 관련된 환경설정 값인 PRC_max, RRC_max, T_FD를 설정하는 단계로서, PRC_max는 의사거리 보정정보(PRC; pseudorange correction) 절대값의 허용 문턱값이고, RRC_max는 의사거리 변화율 보정정보(RRC; pseudorange rate correction) 절대값의 허용 문턱값이며, T_FD는 위성시계 고장발생 판정을 위한 문턱값이다.

S200단계는 위성전파항법 보정시스템에 장착된 위성전파항법 수신기(이하, 수신기라 함)로부터 의사거리 원시정보(PR; pseudorange)를 취득하는 단계로서, 위성별 의사거리 원시정보(PR)는 다음과 같은 성분이 포함된다.

여기서, PR^k의 지수 k는 위성번호이고,

R^k는 k번 위성으로부터 수신기까지의 직선거리(LOS; Line-of-Sight)(단위: meter)이고,

I_d ^k는 k번 위성으로부터 수신기까지 도달한 신호가 이온층을 통과하면서 발생하는 신호지연(단위: meter)이고,

T_d ^k는 k번 위성으로부터 수신기까지 도달한 신호가 대류층을 통과하면서 발생하는 신호지연(단위: meter)이고,

c는 광속(단위: meter/sec.)이고,

B^k는 k번 위성에 탑재된 시계의 오차(단위: 초)이고,

B_f ^k는 k번 위성에 탑재된 시계의 고장(단위: 초)이고,

b는 수신기에 탑재된 시계의 오차(단위: 초)이고,

ε^k는 k번 위성의 의사거리를 측정하면서 발생한 잡음(단위: meter)이고,

n은 원시정보가 취득된 위성 개수이다.

S300단계는 상기와 같이 정의된 R^k, I_d ^k, T_d ^k, B^k 정보를 계산하는 단계로서, 인공위성으로부터 전달받은 항법메시지 및 이주파 원시정보를 이용하여 계산한다.

S400단계는 상기 R^k, I_d ^k, T_d ^k, B^k 정보를 이용하여 상기 위성전파항법 수신기 시계오차를 추정하는 <수학식1>을 생성하는 단계로서, <수학식1>은 다음과 같다.

S500단계는 (n-1)개의 위성군으로 구성된 n개의 위성 소그룹으로 분류하고, 각 소그룹의 위성전파항법 수신기 시계오차 추정 연산 벡터를 G_j로 정의하는 단계로서, 상기 G_j의 j는 (1 ≤ j ≤ n)이고, 이러한 G_j는 예컨대, 원시정보를 취득한 위성이 6개이고, 각 위성의 번호가 <1,2,4,6,7,8>이라 하면,

가 된다. 여기서 T는 전치행렬을 의미한다.

S600단계는 각 소그룹별 수신기 시계오차 추정치 벡터(bm)를 <수학식2>로 정의하고 생성하는 단계로서, <수학식2>는 다음과 같다.

S700단계는 소그룹별로 의사거리 측정잡음 벡터(ω) 생성 및 측정잡음 벡터의 기대값(E(ω_k))을 계산하는 단계이다.

S800단계는 상기 측정잡음 벡터의 기대값이 S100단계의 T_FD보다 크거나 같으면 위성시계 고장으로 판정하고, T_FD보다 작으면 정상상태로 판단하는 단계이다.

한편, S810단계는 상기 S800단계를 통해 위성시계 고장발생으로 판단된 경우로서, 고장위성 식별을 위해 위성시계 고장발생으로 판정된 소그룹에 공통위성이면서, 정상상태로 판정된 소그룹에 포함되지 않은 위성을 고장위성으로 식별한다.

그리고 S820단계는 고장위성 식별결과를 데이터베이스(DB)화하여 저장하고, 의사거리 및 의사거리 변화율 보정정보를 계산할 때에 고장위성은 포함하지 않도록 공지한다.

이상 본 발명이 양호한 실시예와 관련하여 설명되었으나, 본 발명의 기술 분야에 속하는 자들은 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에 다양한 변경 및 수정을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 진정한 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

인공위성 고장검출 및 인공위성 고장식별과 관련된 환경설정 값인 PRC_max, RRC_max, T_FD를 설정하는 단계(S100)와;
위성전파항법 보정시스템에 장착된 위성전파항법 수신기로부터 의사거리 원시정보를 취득하는 단계(S200)와;
인공위성으로부터 전달받은 항법메시지 및 이주파 원시정보를 이용하여 R^k, I_d ^k, T_d ^k, B^k 정보를 계산하는 단계(S300)와;
상기 R^k, I_d ^k, T_d ^k, B^k 정보를 이용하여 상기 위성전파항법 수신기 시계오차를 추정하는 <수학식1>을 생성하는 단계(S400)와;
(n-1)개의 위성군으로 구성된 n개의 위성 소그룹으로 분류하고, 각 소그룹의 위성전파항법 수신기 시계오차 추정 연산 벡터를 G_j로 정의하는 단계(S500)와;
각 소그룹별 수신기 시계오차 추정치 벡터(bm)를 <수학식2>로 정의하고 생성하는 단계(S600)와;
소그룹별로 의사거리 측정잡음 벡터(ω) 생성 및 측정잡음 벡터의 기대값(E(ω_k))을 계산하는 단계(S700)와;
상기 측정잡음 벡터의 기대값이 S100단계의 T_FD보다 크거나 같으면 위성시계 고장으로 판정하고, T_FD보다 작으면 정상상태로 판단하는 단계(S800);
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 의사거리 측정잡음 감시기반 위성전파항법시스템 위성시계 고장검출 및 고장위성 식별 방법.
<수학식1>

<수학식2>
제 1항에 있어서,
상기 G_j의 j는 (1 ≤ j ≤ n)인 것을 특징으로 하는 의사거리 측정잡음 감시기반 위성전파항법시스템 위성시계 고장검출 및 고장위성 식별 방법.
제 1항에 있어서,
상기 S800단계를 통해 위성시계 고장발생으로 판단된 경우에는 고장위성 식별을 위해 위성시계 고장발생으로 판정된 소그룹에 공통위성이면서, 정상상태로 판정된 소그룹에 포함되지 않은 위성을 고장위성으로 식별하는 단계(S810);
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 의사거리 측정잡음 감시기반 위성전파항법시스템 위성시계 고장검출 및 고장위성 식별 방법.
제 3항에 있어서,
상기 S810단계 이후에는 고장위성 식별결과를 데이터베이스(DB)화하여 저장하고, 의사거리 및 의사거리 변화율 보정정보를 계산할 때에 고장위성은 제외하는 단계(S820)를 수행하는 것을 특징으로 하는 의사거리 측정잡음 감시기반 위성전파항법시스템 위성시계 고장검출 및 고장위성 식별 방법.