KR101803652B1 - Method and Apparatus for improving Satellite Based Augmentation System availability through geometric measuring metric development for undersampled irregularity threat model in SBAS - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 위성 항법 시스템(GNSS, Global Navigation System)에 관한 것으로서, 더 상세하게는 IGP(Ionospheric Grid Point)의 수직 전리층 지연값 추정을 위해 사용되는 IGP근방 전리층 측정치의 분포를 효과적으로 분류하기 위한 추가적 메트릭(metric)을 통해 SBAS(Satellite Based Augmentation System) 가용성 성능을 개선하는 SBAS 가용성 향상 방법 및 장치에 대한 것이다.BACKGROUND OF THE
일반적으로 SBAS(Satellite Based Augmentation System) 가용성을 결정짓는 요소는 각 오차 별 보정정보에 대한 오차 수준으로써, 특히 GNSS(Global Navigation System) 오차 요소 중 가장 크고 또한 예측이 어려운 오차는 전리층으로 인한 오차이다. In general, the availability of the satellite based augmentation system (SBAS) is determined by the errors of the ionosphere, and the error of the Global Navigation System (GNSS) is the largest and most difficult to predict.
따라서 SBAS는 전리층 격자점(IGP, Ionospheric Grid Point)에서의 전리층 오차 보정정보와 해당 보정정보 사용 후 잔류하는 오차의 불확실성 수준인 GIVE(Grid Ionospheric Vertical Error)값을 사용자에게 방송한다. Therefore, the SBAS broadcasts the ionospheric error correction information at the ionospheric grid point (IGP) and the grid ionospheric vertical error (GIVE), which is the uncertainty level of the residual error after using the correction information.
이러한 보정정보 및 GIVE값은 SBAS 기준국에서 측정된 IGP 근방의 수직 전리층 지연값을 기반으로 산출된다. 하지만 SBAS 기준국의 측정치만을 기반으로 하여 보정정보 및 GIVE값이 산출되기 때문에 기준국의 측정치가 존재하지 않거나 매우 적은 지역의 전리층은 충분히 고려되기 어렵게 되는 언더샘플링(undersampling) 문제가 발생한다. These correction information and the GIVE value are calculated based on the vertical ionospheric delay value near the IGP measured at the SBAS reference station. However, since the correction information and the GIVE value are calculated based only on the measurement values of the SBAS reference station, an undersampling problem occurs in which the ionosphere of the reference station does not exist or the ionosphere of a very small region is not sufficiently considered.
특히, 측정치가 부족한 지역에 전리층 불균질 현상(즉, 주변 전리층의 상태와 상이하여 급격한 수직 전리층 지연의 변화를 유발함)이 존재하고, 항법위성으로부터 사용자에 이르는 신호가 해당 지역을 통과할 경우 사용자의 안전이 위협받게 된다. In particular, if there is an ionospheric heterogeneity in the region where the measurement is insufficient (that is, it causes a sudden change in the vertical ionospheric delay due to a different state of the surrounding ionosphere), and the signal from the navigation satellite to the user passes through the region, The safety of the user is threatened.
따라서 GIVE 값의 보강(augmentation)이 필요하게 되고, GIVE 값 계산 시 보강되어야 하는 정도는 전리층 위협모델(undersampled irregularity threat model)을 통해 결정된다.(도 2 참조).Therefore, the augmentation of the GIVE value is required, and the degree to which the GIVE value is to be reinforced is determined through an undersampled irregularity threat model (see FIG. 2).
전리층 위협모델은 극심한 전리층 불균질 현상이 관찰 된 기간에 수집 된 GNSS데이터의 후처리를 통해 획득한 전리층 데이터와 undersampling 시나리오를 기반으로 한 시뮬레이션을 통해 구축되는 모델로써, undersampling으로 인해 발생할 수 있는 오차의 통계치(σundersampled 으로 표기)값으로 구성 된 표의 형태를 가진다.The ionosphere threat model is constructed through simulations based on ionospheric data and undersampling scenarios acquired through post-processing of GNSS data collected during periods of severe ionospheric heterogeneity. Statistic (denoted by σ undersampled ).
GIVE 값 계산에는 이러한 위협모델에 편성 된 σundersampled 의 값이 각 IGP를 중심으로 이루어지는 fitting에 사용되는 측정치의 기하적 분포형상에 따라 각기 다르게 반영 된다. Undersampling으로 인한 불확실성은 측정치의 수가 적을수록 혹은 기준국 측정치의 기하학적 배치가 고르지 않고 편중되어있을 때 더욱 커지므로, 현재 개발 된 전리층 위협모델의 주요 파라미터는 측정치의 밀도를 반영하는 metric과 측정치의 기하학적 배치를 반영하는 metric으로 구성된다. 이를 보여주는 도면이 도 1에 도시된다.The GIVE value calculation includes σ undersampled Values are reflected differently depending on the geometric distribution shape of the measurements used for the fitting around each IGP. The uncertainty due to undersampling is greater when the number of measurements is small or when the geometric arrangement of the baseline station measurements is uneven and biased, so the key parameters of the currently developed ionosphere threat model are the metric that reflects the density of the measurements and the geometric arrangement of the measurements And a metric that reflects the metric. A diagram showing this is shown in Fig.
도 1을 참조하면, 이 중 측정치의 기하학적 배치를 반영하는 RCM(Relative Centroid Metric)의 경우 각 전리층 측정치의 IGP를 중심으로 한 지역좌표(ENU, East-North-Up)의 E (East)축과 N (North)축을 따라 정의 된 좌표를 가중평균 한 값인 R cent 와 R fit (추정에 사용 될 전리층 측정치 탐색 반경)의 비로 정의된다.Referring to FIG. 1, in the case of RCM (Relative Centroid Metric), which reflects the geometrical arrangement of measured values, E (East) axis of regional coordinates (ENU, East-North-Up) centered on IGP of each ionospheric measurement value Is defined as the ratio of R cent , which is the weighted average of the coordinates defined along the N (North) axis, and R fit (ionospheric measurement search radius to be used for estimation).
여기서, 측정치의 개수가 n개 일 때 x는측정치의 (IGP위치에 원점을 두고 있는) END 좌표의 East좌표를 성분으로 하는 n행 1열 벡터, W는 측정치에 대한 가중치 행렬 (n행 n열), y는 측정치의 (IGP위치에 원점을 두고 있는) END 좌표의 North좌표를 성분으로 하는 n행 1열 벡터, 1은 성분이 모두 1인 n행 1열 벡터, T는 전치(transpose)연산을 나타낸다.Here, when the number of measured values is n, x is an n-row and one-column vector having the East coordinate of the END coordinate (with the origin at the IGP position) of the measured value as a component, W is a weight matrix (n rows and n columns ), y is a vector of n rows and 1 column of the measurement, with the North coordinate of the END coordinates (with the origin at the origin), 1 is a vector of n rows and 1 column with all 1s, T is a transpose operation .
따라서 측정치가 고르게 분포할 경우 그 값이 0에 가깝게 되고, 편중되어 분포할 경우 그 값이 1에 가깝게 된다. 하지만 RCM(210)의 경우, 측정치의 분포가 대칭적일 경우에 그 분포가 고르지 않더라도 좋은 기하로 인식할 수 있는 한계점이 존재한다. 이를 보여주는 도면이 도 2이다.Therefore, when the measured value is uniformly distributed, the value approaches 0, and when the distributed value is distributed, the value approaches 1. However, in the case of the
이러한 경우 추정에 있어 주변 전리층을 고르게 반영함에도 불구하고 극심한 언더샘플링(undersampling) 문제(220)가 발생하는 상황의 불확실성 통계치(σundersampled)가 반영된다. 이는 사용자의 보호 수준을 과도하게 증가시킴으로써 SBAS 가용성 성능을 저하시킨다는 문제점을 갖는다. In this case, the uncertainty statistic (σ undersampled ) of the situation where severe under-sampling (220) occurs occurs even though the surrounding ionosphere is evenly reflected in the estimation. This has the problem of degrading the SBAS availability performance by excessively increasing the level of protection of the user.
부연하면, 기존 SBAS 전리층 위협 모델을 위한 metric인 RCM의 경우 전리층 통과점이 IGP를 기준으로 대칭적으로 분포할 경우, 전리층 통과점의 분포가 고르지 않은 경우에 내재하는 undersampling의 불확실성을 전리층 통과점이 고르게 분포한 경우에도 동일하게 적용하여 전리층 위협모델의 보수성을 과도하게 증가시킬 수 있는 한계점을 지닌다. In addition, RCM, which is a metric for the existing SBAS ionosphere threat model, shows that if the ionosphere passing point is distributed symmetrically with respect to the IGP, then the uncertainty of the undersampling inherent in the uneven distribution of the ionospheric passing point is not uniformly distributed And the same applies to one case, which limits the conservatism of the ionosphere threat model excessively.
본 발명은 위 배경기술에 따른 기존의 RCM metric의 한계점을 보강하기 위해 추가적인 metric을 도입하여 전리층 측정치의 기하학적 분포를 보다 세분하여 분류함으로써 전리층 위협모델의 보수성을 감소시키고, 이를 통해 SBAS 가용성 성능을 향상시키는 SBAS 가용성 향상 방법 및 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention introduces an additional metric to reinforce the limitations of the existing RCM metric according to the above background, thereby reducing the conservatism of the ionospheric threat model by further classifying the geometric distribution of the ionospheric measurement values, thereby improving the SBAS availability performance And more particularly, to a method and an apparatus for improving the SBAS availability.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 기존의 RCM metric의 한계점을 보강하기 위한 추가적인 metric을 도입하여 전리층 측정치의 기하학적 분포를 보다 세분하여 분류함으로써 전리층 위협모델의 보수성을 감소시키고, 이를 통해 SBAS 가용성 성능을 향상시키는 SBAS 가용성 향상 방법을 제공한다.In order to achieve the above-mentioned problems, the present invention introduces additional metrics to reinforce the limitations of the existing RCM metric, thereby reducing the conservatism of the ionospheric threat model by classifying the geometric distribution of the ionospheric measurements more sub- Provides a way to improve SBAS availability to improve performance.
상기 SBAS 가용성 향상 방법은,The SBAS availability enhancement method includes:
(a) 전리층 측정치를 획득하는 단계;(a) obtaining an ionospheric measurement;
(b) 상기 전리층 측정치의 분포를 분류하기 위한 추가 메트릭을 정의하는 단계;(b) defining additional metrics for classifying the distribution of the ionospheric measurements;
(c) 상기 추가 메트릭을 해당 메트릭이 가질 수 있는 수학적 성질로 인해 상기 전리층 측정치의 방위각 방향 분포에 대한 기하학적 측도로 사용하도록 상기 추가 메트릭의 수학적 성질을 밝히기 위해 제약 조건을 가지는 최적화 문제를 정의하는 단계;(c) defining an optimization problem having a constraint to uncover the mathematical nature of the additional metric so as to use the additional metric as a geometric measure of the azimuthal directional distribution of the ionospheric measurements due to mathematical properties that the metric may have ;
(d) 정의된 라그랑지안 함수를 이용하여 상기 제약 조건을 만족하는 전역 최저치를 산출하는 단계; 및(d) calculating a global minimum value satisfying the constraint by using the defined Lagrangian function; And
(f) 상기 전역 최저치의 산출에 따라 산출되는 상기 전리층 측정치의 방위각 방향 분포에 대한 기하학적 측도를 이용하여 SBAS(Satellite Based Augmentation System) 가용성을 나타내는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.(f) indicating the SBAS (Satellite Based Augmentation System) availability using a geometric measure of an azimuthal direction distribution of the ionospheric measurements calculated according to the calculation of the global minimum value.
이때, 상기 전리층 측정치의 기하학적 분포는 전리층 격자점(IGP:Ionospheric Grid Point) 근방에서 관측되는 전리층 측정치의 분포인 것을 특징으로 할 수 있다.At this time, the geometric distribution of the ionospheric measurement is a distribution of ionospheric measurements observed near the ionospheric grid point (IGP).
또한, 상기 추가 메트릭은 전리층 측정치간 사이각의 값을 요소로 갖는 유클리디언 공간(Eucledian Space)에서 정의된 벡터의 노름(Eucledian norm)을 기반으로 정의되는 것을 특징으로 할 수 있다.The additional metric may be defined based on an euclidean norm of a vector defined in an Euclidean space having a value of an angle between the ionospheric measurement values as an element.
또한, 상기 SBAS 가용성은 중앙 처리국에서 생성되는 무결성 정보를 조합하여 보정 정보 적용후 발생하는 위치 오차에 대한 경계값인 사용자 보호수준이 항행 요구조건으로 주어지는 경보한계를 넘지 않는 시간의 비율인 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the SBAS availability is a ratio of the time when the user protection level, which is a boundary value for the position error generated after the correction information is applied by combining the integrity information generated by the central processing unit, does not exceed the alarm limit given as the navigation requirement .
또한, 상기 제약 조건은 수학식 (여기서, θ는 전리층 측정치간 사이각을 나타낸다)로 정의되는 것을 특징으로 할 수 있다.Further, (Where, &thetas; represents an angle between the ionospheric measurement values).
또한, 상기 추가 메트릭은 기하학적 측정 메트릭인 것을 특징으로 할 수 있다.The additional metric may also be a geometric metric.
다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, GNSS(Global Navigation System) 위성; 상기 GNSS 위성으로부터 GPS(Global Positioning System) 신호를 수신하여 각 SBAS(Satellite Based Augmentation System) 기준국 데이터를 생성하는 광역 기준국; 생성된 각 SBAS 기준국 데이터에서 전리층 측정치를 생성하는 중앙 처리국; 및 상기 추가 메트릭을 해당 메트릭이 가질 수 있는 수학적 성질로 인해 상기 전리층 측정치의 방위각 방향 분포에 대한 기하학적 측도로 사용하도록 상기 추가 메트릭의 수학적 성질을 밝히기 위해 제약 조건을 가지는 최적화 문제를 정의하고, 정의된 라그랑지안 함수를 이용하여 상기 제약 조건을 만족하는 전역 최저치를 산출하고, 상기 전역 최저치의 산출에 따라 산출되는 상기 전리층 측정치의 방위각 방향 분포에 대한 기하학적 측도를 이용하여 SBAS(Satellite Based Augmentation System) 가용성을 나타내는 사용자 단말기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 SBAS 가용성 향상 장치를 제공한다.On the other hand, another embodiment of the present invention is a system, comprising: a Global Navigation System (GNSS) satellite; A global reference station receiving GPS (Global Positioning System) signals from the GNSS satellites and generating respective SBAS (Satellite Based Augmentation System) reference station data; A central processing station for generating ionospheric measurements from each generated SBAS reference station data; And defining the optimization problem with a constraint to uncover the mathematical nature of the additional metric to use the additional metric as a geometric measure for the azimuthal directional distribution of the ionospheric measurements due to mathematical properties that the metric may have, A global minimum value satisfying the constraint condition is calculated using a Lagrangian function and a satellite based augmentation system (SBAS) availability is calculated using a geometric measure of an azimuthal direction distribution of the ionospheric measurement value calculated according to the calculation of the global minimum value And a user terminal for acquiring the SBAS availability.
본 발명에 따르면, 전리층 통과점 분포의 방위각 방향 대칭성을 효과적으로 측정할 수 있는 메트릭(metric)을 추가함으로써, 전리층 통과점의 기하학적 분포를 보다 정확하게 반영할 수 있게 된다. According to the present invention, it is possible to more accurately reflect the geometric distribution of the ionosphere passing point by adding a metric that can effectively measure the symmetry in the azimuthal direction of the ionosphere passing point distribution.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 이로 인해 기존 RCM metric을 기반으로 보수적으로 구축되었던 전리층 위협모델의 세분화가 가능해지고, 종국에는 전리층 보정정보의 오차 수준인 GIVE값을 감소시킴으로써 SBAS 가용성 성능을 향상시킬 수 있다는 점을 기대할 수 있다.As another effect of the present invention, it is possible to segment the ionospheric threat model that has been conservatively constructed based on the existing RCM metric, and finally to improve the availability performance of the SBAS by reducing the GIVE value, which is an error level of the ionospheric correction information Can be expected.
도 1은 일반적인 언더샘플링(undersampled) 문제를 보여주는 개념도이다.
도 2는 일반적인 SBAS(Satellite Based Augmentation System) 전리층 위협 모델(Undersampled Irregularity Threat Model)의 예시이다.
도 3은 일반적인 SBAS(Satellite Based Augmentation System)의 네트워크 구성도이다.
도 4는 도 3에 도시된 중앙 처리국(330)의 구성 블록도이다.
도 5는 일반적으로 광역 기준국(320)의 전리층 측정치의 기하학적 분포에 따른 작은 불확실성 통계치(σundersampled)가 SBAS 전리층 위협 모델에 반영되는 것을 보여주는 도면으로서, 전리층 측정치의 분포가 비교적 고르게 형성된 경우를 나타낸다.
도 6은 일반적으로 광역 기준국(320)의 전리층 측정치의 기하학적 분포에 따른 큰 불확실성 통계치(σundersampled)가 SBAS 전리층 위협 모델에 반영되는 것을 보여주는 도면으로서, 전리층 측정치의 분포가 편중되어 형성된 경우를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 광역 보강 시스템의 전리층 불균질 위협모델을 위한 기하학적 측정 메트릭 개발을 통한 SBAS 가용성을 향상시키는 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 8 및 도 9는 기존 RCM(Relative Centroid Metric) 메트릭의 문제점을 보여주는 개념도이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 메트릭의 개념도이다.FIG. 1 is a conceptual diagram showing a general undersampled problem. FIG.
Figure 2 is an example of a general SBAS (Undersampled Irregularity Threat Model).
3 is a network configuration diagram of a general SBAS (Satellite Based Augmentation System).
4 is a block diagram of the configuration of the
5 is a diagram showing that a small uncertainty statistic (σ undersampled ) according to the geometric distribution of the ionospheric measurements of the broad-
FIG. 6 is a diagram showing a large uncertainty statistic (sigma undersampled ) according to the geometric distribution of ionospheric measurements of wide
FIG. 7 is a flowchart illustrating a process for improving SBAS availability through development of a geometric measurement metric for an ionospheric heterogeneous threat model of a wide area enhancement system according to an exemplary embodiment of the present invention.
FIGS. 8 and 9 are conceptual diagrams showing the problems of the conventional RCM (Relative Centroid Metric) metric.
10 is a conceptual diagram of a metric according to an embodiment of the present invention.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof are shown by way of example in the drawings and will herein be described in detail. It is to be understood, however, that the invention is not to be limited to the specific embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.Like reference numerals are used for similar elements in describing each drawing.
제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.The terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component. The term "and / or" includes any combination of a plurality of related listed items or any of a plurality of related listed items.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the contextual meaning of the related art and are to be interpreted as either ideal or overly formal in the sense of the present application Should not.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 광역 보강 시스템의 전리층 불균질 위협모델을 위한 기하학적 측정 메트릭 개발을 통한 SBAS 가용성 향상 방법 및 장치를 상세하게 설명하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a method and an apparatus for improving SBAS availability through development of a geometric measurement metric for an ionospheric heterogeneous threat model of a wide area reinforcing system according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 3은 일반적인 SBAS(Satellite Based Augmentation System)의 네트워크 구성도이다. 도 3을 참조하면, SBAS의 네트워크 구성도는 GNSS(GNSS, Global Navigation System) 위성(310), 이 GNSS 위성(310)으로부터 GPS(Global Positioning System) 신호를 수신하여 각 SBAS 기준국 데이터를 생성하는 광역 기준국(320), 생성된 각 SBAS 기준국 데이터로부터 평활화를 수행하고, 전리층,위성궤도, 시계오차 등에 대한 보정을 수행하여 보정 메시지를 생성하는 중앙 처리국(330), 이 보정 메시지를 방송하는 지상 업링크 국(GUS: Ground Uplink Station)(340), 방송된 보정 메시지를 수신하여 사용자 단말기(350)에 전송하는 정지궤도위성(GEO, Geostationary Earth Orbit)(360) 등을 포함하여 구성된다.3 is a network configuration diagram of a general SBAS (Satellite Based Augmentation System). Referring to FIG. 3, the network configuration diagram of the SBAS includes a GNSS (Global Navigation System)
위성항법시스템(GNSS, Global Navigation System)은 차량 내비게이션, 해양 선박의 위치 파악, 측지측량 그리고 레저용 개인 항법 장치에 이르기까지 다양한 분야에서 활용되고 있다. 하지만 항공 및 국방 분야와 같은 고도의 정확성과 안정성이 보장되어야 하는 분아에서는 GNSS 단독으로 그 요구조건을 충족시키지는 못한다. 이러한 문제점을 극복하기 위해 GNSS 보강항법시스템이 개발되고 있다. Global Navigation System (GNSS) is used in various fields ranging from vehicle navigation, positioning of marine vessels, geodetic surveying, and personal navigation devices for leisure. GNSS alone, however, does not meet the requirements of those who are required to be highly accurate and stable, such as aerospace and defense. To overcome these problems, a GNSS enhanced navigation system is being developed.
이러한 보강항법시스템 중 하나인 SBAS(Satellite Based Augmentation System)는 위성기반 보강항법 시스템으로써, 넓은 지역에 분포된 광역 기준국(320)에서 수집한 측정치를 기반으로 GNSS의 오차 요소인 위성 시계 및 궤도 오차, 전리층 지연 오차 등에 대한 보정정보, 무결성 정보 및 거리정보 등을 생성하고, 이를 정지궤도위성(GEO)(360)을 통해 광역의 사용자 단말기(350)들에게 제공하여 사용자 항법해의 정확성 및 안정성을 증대시킨다. 또한, 사용자의 SBAS 수신기에서도 측정치의 평활화 및 대류층지연 보정 모델을 적용하여 항법해의 정확성 및 안정성을 증대시킨다. The satellite based augmentation system (SBAS) is a satellite based augmentation navigation system, and it is based on the measurements collected from wide area reference stations (320) distributed over a wide area. The satellite based augmentation system , Ionospheric delay error, etc., integrity information, distance information, and the like to the wide-
광역 기준국(320)은 제 1 내지 제 N 기준국(미도시)으로부터 제 1 내지 제 N SBAS 기준국 데이터(320-1 내지 320-N)를 생성하여 이를 중앙 처리국(330)에 전송한다.The wide
본 발명의 이해를 위해 SBAS 무결성 및 가용성 개념을 설명하면 다음과 같다. 위에서 기술된 중앙 처리국(330)은 각 기준국에서 수집한 GNSS 위성(310)과 기준국의 수신기 안테나 사이의 전파 도달 시간 차이로 환산된 거리인 의사거리 정보를 기반으로 보정 정보를 생성한다. To understand the present invention, the SBAS integrity and availability concept will be described as follows. The
또한 각 오차요소에 대한 보정정보를 적용하고 난 후에도 남아 있는 오차 수준을 의미하는 무결성 정보(즉, 통계치)를 산출하고, 이를 보정 메시지로 사용자 단말기(350)에게 제공한다. Also, integrity information (i.e., statistics) indicating the remaining error level is calculated after applying the correction information for each error element, and the integrity information is provided to the
사용자 단말기(350)는 방송된 무결성 정보를 조합하여 보정 정보 적용 후 발생하는 위치 오차에 대한 경계값(bound)인 보호수준을 계산하게 되고, 이를 통해 사용자의 안전을 도모하게 된다. 이렇게 산출된 사용자 보호수준이 항행 요구조건으로 주어지는 경보한계(Alert limit)를 넘지 않는 시간의 비율을 가용성으로 나타낸다.The
도 4는 도 3에 도시된 중앙 처리국(330)의 구성 블록도이다. 도 4를 참조하면, 보정 정보 생성부(410), 무결성 정보 생성부(420) 등으로 구성된다. 보정 정보 생성부(410)는 의사거리 정보를 기반으로 수신기-위성 주파수간 편이 추정을 수행하고(411), 위성궤도 오차 보정정보(412), 시계오차 보정정보(413) 등을 생성한다.4 is a block diagram of the configuration of the
무결성 보정부(420)는 전리층 무결성 정보(421), 위성궤도 및 시계오차 무결성 정보(422), 수신기 멀티패스 무결성 정보(423) 등을 생성한다.The
도 5는 일반적으로 광역 기준국(320)의 전리층 측정치의 기하학적 분포에 따른 작은 불확실성 통계치(σundersampled)를 반영한 SBAS 전리층 위협 모델을 보여주는 도면으로서, 전리층 측정치의 분포가 비교적 고르게 형성된 경우를 나타낸다.FIG. 5 shows a SBAS Ionosphere Threat Model that reflects a small uncertainty statistic (sigma undersampled ) generally according to the geometric distribution of the ionospheric measurements of the
도 6은 일반적으로 광역 기준국(320)의 전리층 측정치의 기하학적 분포에 따른 큰 불확실성 통계치(σundersampled)를 반영한 SBAS 전리층 위협 모델을 보여주는 도면으로서, 전리층 측정치의 분포가 편중되어 형성된 경우를 나타낸다.FIG. 6 shows a SBAS ionosphere threat model, generally reflecting the large uncertainty statistics (? Undersampled ) according to the geometric distribution of the ionospheric measurements of the
본 발명의 일실시예에서는 도 3 내지 도 6을 기반으로 IGP(Ionospheric Grid Point)의 수직 전리층 지연값 추정을 위해 사용되는 IGP 근방 전리층 측정치의 분포를 효과적으로 분류하기 위한 추가 메트릭(metric)을 통해 SBAS 가용성 성능을 개선한다.In an embodiment of the present invention, an additional metric for effectively classifying the distribution of the IGP near-ionospheric measurements used for estimating the vertical ionospheric delay value of Ionospheric Grid Point (IGP) Improves availability performance.
이를 위해 먼저 추가 메트릭(metric)을 정의하고 해당 메트릭(metric)이 가지는 수학적 성질을 이용해 제안 metric이 관측치의 방위각 방향의 기하학적 분포에 대한 측도가 될 수 있음을 보이는 순서로 진행된다. 이러한 순서를 보여주는 도면이 도 7에 도시된다.To do this, we first define an additional metric and use the mathematical properties of the metric to proceed in the order that the proposed metric can be a measure of the geometric distribution of the azimuthal direction of the observations. A diagram showing this sequence is shown in Fig.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 광역 보강 시스템의 전리층 불균질 위협모델을 위한 기하학적 측정 메트릭 개발을 통한 SBAS 가용성을 향상시키는 과정을 보여주는 흐름도이다. 도 7을 참조하면, 여기서 제시하는 추가 메트릭(metric)은 기하학적 측정 메트릭(metric)이다. 이러한 기하학적 측정 메트릭은 전리층 측정치간 사이각(θ, 도 10 참조)의 값을 요소(component)로 갖는 유클리디언 공간(Eucledian Space)에서 정의된 벡터 의 노름(Eucledian norm)을 기반으로 정의된다(단계 S710). 이를 수학식으로 나타내면 다음과 같다.FIG. 7 is a flowchart illustrating a process for improving SBAS availability through development of a geometric measurement metric for an ionospheric heterogeneous threat model of a wide area enhancement system according to an exemplary embodiment of the present invention. Referring to FIG. 7, the additional metric presented here is a geometric metric. This geometric measurement metric is a vector defined in the Euclidean space having a value of the angle between the ionospheric measurement values ( ? , See Fig. 10) as a component. Based on the Euclidean norm (step S710). This can be expressed by the following equation.
여기서, 는 유클리드 노름(Eucledian norm)이고, 은 의 최댓값으로 2π값을 갖는다. 또한 은 의 최솟값으로 값을 갖고, n은 전리층 측정치 간 사이각(θ, 도 5 참조)의 개수를 나타낸다.here, Is an Euclidean norm, silver And has a value of 2?. Also silver At a minimum of And n represents the number of angles between the ionospheric measurements ( θ , see FIG. 5).
이렇게 정의된 메트릭이 전리층 측정치의 방위각 방향 분포에 대한 기하학적 측도가 될 수 있게 만드는 수학적 성질을 살펴보도록 한다. 먼저 노름 함수(norm function)는 아래로 볼록(convex) 함수이며, 이는 다음과 같이 증명 될 수 있다. 임의의 볼록함수 에 대해 볼록함수의 정의에 의해서 아래 수학식은 항상 성립한다.Let's look at the mathematical properties that make this metric a geometric measure of the azimuthal distribution of ionospheric measurements. First, the norm function is a downward convex function, which can be proved as follows. Arbitrary convex function The following equation is always established by the definition of the convex function.
여기서, 는 함수의 정의역을 나타내고 x, y는 정의역 내 변수를 나타낸다. 또한 모든 노름(norm)은 정의에 의해 삼각부등식(triangular inequality)을 만족하므로, 다음 수학식과 같은 관계를 만족시킨다.here, Represents the domain of the function, and x and y represent variables in the domain. In addition, all norms satisfy the triangular inequality by definition, and thus satisfy the following equation.
또한, 위 수학식 4의 우변은 노름 함수의 동차성(homogeneity)으로 인해 수학식 4는 아래 수학식과 같은 관계를 만족시킨다.Also, the right side of Equation (4) satisfies the following Equation (4) due to the homogeneity of the gambling function.
따라서 수학식 5에 의해 벡터의 유클리드 노름은 수학식 3에 상응하는 볼록함수의 성질을 만족시키므로 볼록함수이다. 따라서 본 발명의 일실시예에서는 유클리드 노름을 기반으로 정의된 메트릭(metric)은 볼록함수의 성질을 가지게 된다.Therefore, the Euclidean norm of the vector according to Equation (5) is a convex function since it satisfies the property of the convex function corresponding to Equation (3). Therefore, in one embodiment of the present invention, the metric defined based on Euclidean normality has the property of convex function.
또한, 의 경우, 의 성분인 가 모두 동일한 값을 가질 때 최솟값을 가지게 됨이 증명가능하며, 이를 위해 아래와 같은 선형 제약조건을 가지는 최적화 문제를 고려해 볼 수 있다. 이를 수학식으로 표현하면 다음과 같다.Also, In the case of, Of Can be proved to have the smallest value when all of them have the same value. For this, we can consider the optimization problem with the following linear constraints. This can be expressed as follows.
위 수학식은 다음식과 같이 정리할 수 있다.The above equation can be summarized as the following equation.
따라서 본 발명의 일실시예에서는 수학식 7에 나타난 제약 조건을 가진 최적화 문제를 풀기 위해 KKT 조건(Karush-Kuhn-Tucker condition)을 기반으로 한 방법을 사용한다.Therefore, in an embodiment of the present invention, a method based on the KKT condition (Karush-Kuhn-Tucker condition) is used to solve the optimization problem having the constraint condition expressed by Equation (7).
먼저 문제에 대한 라그랑지안 함수(Lagrangian function)는 다음 수학식과 같이 정의할 수 있다(단계 S730).First, the Lagrangian function for the problem can be defined as the following equation (step S730).
여기에서 와 는 라그랑지 승수(Lagrangian multiplier) 벡터이고, 최적성(optimality)을 위한 필요조건(necessary condition)인 KKT 조건은 다음 수학식 과 같다.From here Wow Is a Lagrangian multiplier vector and the KKT condition, which is a necessary condition for optimality, is expressed by the following equation.
이 조건에서 와 은 각각 원 최적해(primal optimal point) 및 쌍대 최적해(dual optimal point)이다. 수학식 9로부터 모든 부등식(inequality) 제약조건이 비활성화(inactive) 되는 경우를 고려하여(즉, ) 정리하면 다음 수학식과 같다.Under this condition Wow Are the primal optimal point and the dual optimal point, respectively. Considering that all inequality constraints are inactive from Equation (9) (i.e., ) In summary, the following equation is obtained.
위 수학식으로부터 얻어진 해는 수학식 7에서 주어진 제한조건을 모두 만족 하므로, 추가적인 라그랑지 승수에 대한 고려는 필요가 없게 된다. 또한 앞서 언급된 바와 같이 수학식 6에 주어진 목적함수 는 볼록함수이므로, θ 1=θ 2=…=θ n 일 때 주어진 제약조건 하에서 는 전역 최저치(global minimum)를 가지게 된다(단계 S730).Since the solution obtained from the above equation satisfies all of the constraints given in equation (7), there is no need to consider additional Lagrange multipliers. Also as mentioned above, the objective function < RTI ID = 0.0 > Is a convex function, θ 1 = θ 2 = ... = ? n Under given constraints Has a global minimum (step S730).
이는 곧 각 전리층 통과점 간 사이각(θ)이 균등하게 형성되었을 때 가 최소값인 가 됨을 의미한다(수학식 2를 참고). 따라서 을 기반으로 한 제시된 metric은 전리층 통과점이 균등한 방위각 분포를 가질 때 0의 값을 가지게 되며, 방위각 방향의 전리층 통과점 분포가 가장 좋은 경우에 해당한다.This is because when the angle ( θ ) between each ionosphere passing point is uniformly formed Is the minimum value (See Equation 2). therefore Presented metric has a value of 0 when the ionospheric passage has uniform azimuthal distribution and corresponds to the case where the ionospheric passage point distribution in the azimuthal direction is the best.
또한, 의 볼록성(convexity)으로 인하여 제시된 metric 또한 볼록함수가 되고, 이로 인해 θ 의 분포가 편중될수록 metric 의 값은 증가하게 된다. 특히 모든 측정치가 동일한 방향에 놓이게 되면, 는 최대값인 을 가지며 해당 metric은 1의 값을 가지게 된다(수학식 2를 참고). 따라서 본 발명의 일실시예에서 제안하는 metric이 갖는 이러한 성질에 의해, 제안 metric은 IGP(Ionospheric Grid Point) 근방에서 관측되는 전리층 측정치 분포의 와도(skewness)를 방위각 방향의 관점에서 측정할 수 있는 측도가 될 수 있다(단계 S750).Also, Because of the convexity of the convexity, the metric also becomes a convex function. As a result, the value of the metric increases as the distribution of θ is biased. In particular, if all measurements are in the same direction, Is the maximum value And the metric has a value of 1 (see Equation 2). Therefore, according to the property of the metric proposed in the embodiment of the present invention, the proposed metric is a measure capable of measuring the skewness of the ionospheric measurement distribution observed near the Ionospheric Grid Point (IGP) (Step S750).
도 8 및 도 9는 기존 RCM(Relative Centroid Metric) 메트릭의 문제점을 보여주는 개념도이다. 즉, 도 8은 전리층 측정치가 고르게 분포하고, RCM이 0인 경우이고, 도 9는 전리층 측정치가 고르게 분포하지 못하고, 0인 경우이다. 그러나, 도 8 및 도 9 모두 좋은 기하학적 분포로 판단된다는 문제점이 있다.FIGS. 8 and 9 are conceptual diagrams showing the problems of the conventional RCM (Relative Centroid Metric) metric. That is, Figure 8 shows that the ionospheric measurements are evenly distributed, 0, and Figure 9 shows that the ionospheric measurements are not evenly distributed, 0 < / RTI > However, both FIGS. 8 and 9 have a problem that it is judged as a good geometric distribution.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 메트릭의 개념도이다. 도 10을 참조하면, 전리층 측정점(즉, 전리층 통과점)들간의 사이각(θ)을 나타낸다.10 is a conceptual diagram of a metric according to an embodiment of the present invention. Referring to Fig. 10, the angle ? Between the ionosphere measurement points (i.e., ionospheric passage points ) is shown.
한편, 본 발명의 일실시예에 따른 광역 보강 시스템의 전리층 불균질 위협모델을 위한 기하학적 측정 메트릭 개발을 통한 SBAS 가용성 향상 방법은 하드웨어, 소프트웨어 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다. Meanwhile, the method for improving the SBAS availability through the development of the geometric measurement metric for the ionospheric heterogeneous threat model of the global enhancement system according to an embodiment of the present invention can be implemented by hardware, software, or a combination thereof.
하드웨어 구현에 있어, 상술한 기능을 수행하기 위해 디자인된 ASIC(application specific integrated circuit), DSP(digital signal processing), PLD(programmable logic device), FPGA(field programmable gate array), 프로세서, 제어기, 마이크로 프로세서, 다른 전자 유닛 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다. (DSP), a programmable logic device (PLD), a field programmable gate array (FPGA), a processor, a controller, a microprocessor, and the like, which are designed to perform the above- , Other electronic units, or a combination thereof.
소프트웨어 구현에 있어, 상술한 기능을 수행하는 모듈로 구현될 수 있다. 소프트웨어는 메모리 유닛에 저장될 수 있고, 프로세서에 의해 실행된다. 메모리 유닛이나 프로세서는 당업자에게 잘 알려진 다양한 수단을 채용할 수 있다.In software implementation, it may be implemented as a module that performs the above-described functions. The software may be stored in a memory unit and executed by a processor. The memory unit or processor may employ various means well known to those skilled in the art.
310: GNSS(Global Navigation System) 위성
320: 광역 기준국
330: 중앙 처리국
340: 지상 업링크 국
360: 정지궤도위성
350: 사용자 단말기310: Global Navigation System (GNSS) satellite
320: Regional Reference Bureau
330: Central processing station
340: ground uplink station
360: geostationary satellite
350: User terminal
Claims (7)
(b) 상기 전리층 측정치의 분포를 분류하기 위한 추가 메트릭을 정의하는 단계;
(c) 상기 추가 메트릭을 해당 메트릭이 가질 수 있는 수학적 성질로 인해 상기 전리층 측정치의 방위각 방향 분포에 대한 기하학적 측도로 사용하도록 상기 추가 메트릭의 수학적 성질을 밝히기 위해 제약 조건을 가지는 최적화 문제를 정의하는 단계;
(d) 정의된 라그랑지안 함수를 이용하여 상기 제약 조건을 만족하는 전역 최저치를 산출하는 단계; 및
(f) 상기 전역 최저치의 산출에 따라 산출되는 상기 전리층 측정치의 방위각 방향 분포에 대한 기하학적 측도를 이용하여 SBAS(Satellite Based Augmentation System) 가용성을 나타내는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 SBAS 가용성 향상 방법.
(a) obtaining an ionospheric measurement;
(b) defining additional metrics for classifying the distribution of the ionospheric measurements;
(c) defining an optimization problem having a constraint to uncover the mathematical nature of the additional metric so as to use the additional metric as a geometric measure of the azimuthal directional distribution of the ionospheric measurements due to mathematical properties that the metric may have ;
(d) calculating a global minimum value satisfying the constraint by using the defined Lagrangian function; And
(f) indicating SBAS (Satellite Based Augmentation System) availability using a geometric measure of the azimuthal direction distribution of the ionospheric measurements computed according to the calculation of the global minimum;
Wherein the SBAS availability enhancement method comprises:
상기 전리층 측정치의 기하학적 분포는 전리층 격자점(IGP:Ionospheric Grid Point) 근방에서 관측되는 전리층 측정치의 분포인 것을 특징으로 하는 SBAS 가용성 향상 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the geometric distribution of the ionospheric measurements is a distribution of ionospheric measurements observed near an ionospheric grid point (IGP).
상기 추가 메트릭은 전리층 측정치간 사이각의 값을 요소로 갖는 유클리디언 공간(Eucledian Space)에서 정의된 벡터의 노름(Eucledian norm)을 기반으로 정의되는 것을 특징으로 하는 SBAS 가용성 향상 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the additional metric is defined based on an Euclidean norm of a vector defined in an Euclidean space having a value of an angle between the ionospheric measurement values as an element.
상기 SBAS 가용성은 중앙 처리국에서 생성되는 무결성 정보를 조합하여 보정 정보 적용후 발생하는 위치 오차에 대한 경계값인 사용자 보호수준이 항행 요구조건으로 주어지는 경보한계를 넘지 않는 시간의 비율인 것을 특징으로 하는 SBAS 가용성 향상 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the SBAS availability is a ratio of a time when the user protection level, which is a boundary value for a position error generated after applying the correction information by combining the integrity information generated in the central processing station, does not exceed an alarm limit given as a navigation requirement How to improve SBAS availability.
상기 제약 조건은 수학식 (여기서, θ는 전리층 측정치간 사이각을 나타낸다)로 정의되는 것을 특징으로 하는 SBAS 가용성 향상 방법.
The method of claim 3,
The constraint condition may be expressed by Equation (Where, &thetas; represents an angle between the ionospheric measurement values).
상기 추가 메트릭은 기하학적 측정 메트릭인 것을 특징으로 하는 SBAS 가용성 향상 방법.
The method according to claim 1,
RTI ID = 0.0 > 1, < / RTI > wherein the additional metric is a geometric metric.
상기 GNSS 위성으로부터 GPS(Global Positioning System) 신호를 수신하여 각 SBAS(Satellite Based Augmentation System) 기준국 데이터를 생성하는 광역 기준국;
생성된 각 SBAS 기준국 데이터에서 전리층 측정치를 생성하는 중앙 처리국; 및
추가 메트릭을 해당 메트릭이 가질 수 있는 수학적 성질로 인해 상기 전리층 측정치의 방위각 방향 분포에 대한 기하학적 측도로 사용하도록 상기 추가 메트릭의 수학적 성질을 밝히기 위해 제약 조건을 가지는 최적화 문제를 정의하고, 정의된 라그랑지안 함수를 이용하여 상기 제약 조건을 만족하는 전역 최저치를 산출하고, 상기 전역 최저치의 산출에 따라 산출되는 상기 전리층 측정치의 방위각 방향 분포에 대한 기하학적 측도를 이용하여 SBAS(Satellite Based Augmentation System) 가용성을 나타내는 사용자 단말기;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 SBAS 가용성 향상 장치.GNSS (Global Navigation System) satellite;
A global reference station receiving GPS (Global Positioning System) signals from the GNSS satellites and generating respective SBAS (Satellite Based Augmentation System) reference station data;
A central processing station for generating ionospheric measurements from each generated SBAS reference station data; And
Defining an optimization problem having a constraint to uncover the mathematical nature of the additional metric so as to use the additional metric as a geometric measure of the azimuthal directional distribution of the ionospheric measurements due to mathematical properties that the metric may have, (SBAS) using a geometric measure of an azimuthal direction distribution of the ionospheric measurements obtained according to the calculation of the global minimum value, ;
The SBAS solubility enhancement device comprising:
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KR1020160078556A KR101803652B1 (en) | 2016-06-23 | 2016-06-23 | Method and Apparatus for improving Satellite Based Augmentation System availability through geometric measuring metric development for undersampled irregularity threat model in SBAS |
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