KR102043712B1 - Method and system for gnss ionospheric observation validation - Google Patents

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Abstract

본 발명은 GNSS(Global Navigation Satellite System) 지상국 분포가 조밀하직 못한 지역에서의 GNSS 전리층 공간 기울기 측정치를 검증하는 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는 지리학적 인접한 GNSS 지상국 탐색, 패턴 인식을 통한 위성-지상국 조합분류, 최종 기울기 후보군 추출, 위협 시각화를 통한 전리층 이상현상의 시공간 분석 기법들을 적용하여 극심한 GNSS 전리층 공간 기울기 측정치를 실제 현상에 의한 것인지 혹은 수신기/후처리 오류에 의한 것인지 검증할 수 있도록 하는 GNSS 전리층 공간 기울기 측정치 검증 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, GNSS 지상국 분포가 조밀하지 못한 상황에서 극심한 GNSS 전리층 기울기 측정치가 실제 현상에 의한 것인지 혹은 위성/후처리 오차에 의한 것인지를 검증하는 시스템 및 방법을 제공한다.
The present invention relates to a system for verifying GNSS ionospheric spatial tilt measurements in areas where the GNSS ground station distribution is less dense. More specifically, the spatial and spatial analysis of ionospheric anomalies using ionospheric anomalies through geographic adjacent GNSS ground station search, satellite-ground station combination classification through pattern recognition, final gradient candidate extraction, and threat visualization are applied to the actual phenomena. It is related to a GNSS ionospheric spatial slope measurement verification system that can be used to verify whether or not due to a receiver or post-process error.
The present invention provides a system and method for verifying whether extreme GNSS ionospheric slope measurements are due to actual phenomena or satellite / post-processing errors in situations where the GNSS ground station distribution is dense.

Description

GNSS 전리층 측정치 검증 방법 및 시스템 {METHOD AND SYSTEM FOR GNSS IONOSPHERIC OBSERVATION VALIDATION}GNSS ionospheric measurement verification method and system {METHOD AND SYSTEM FOR GNSS IONOSPHERIC OBSERVATION VALIDATION}

본 발명은 GNSS(Global Navigation Satellite System) 지상국 분포가 조밀하직 못한 지역에서의 GNSS 전리층 공간 기울기 측정치를 검증하는 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는 지리학적 인접한 GNSS 지상국 탐색, 패턴 인식을 통한 위성-지상국 조합분류, 최종 기울기 후보군 추출, 위협 시각화를 통한 전리층 이상현상의 시공간 분석 기법들을 적용하여 극심한 GNSS 전리층 공간 기울기 측정치를 실제 현상에 의한 것인지 혹은 수신기/후처리 오류에 의한 것인지 검증할 수 있도록 하는 GNSS 전리층 공간 기울기 측정치 검증 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a system for verifying GNSS ionospheric spatial tilt measurements in areas where the GNSS ground station distribution is less dense. More specifically, the spatial and temporal analysis of ionospheric anomalies using ionospheric anomalies through geographic adjacent GNSS ground station search, satellite-ground station combination classification through pattern recognition, final gradient candidate extraction, and threat visualization are applied to real-world phenomena. It is related to a GNSS ionospheric spatial slope measurement verification system that can be used to verify whether or not due to a receiver or post-process error.

지상기반 보강시스템(GBAS: Ground Augmentation System)은 사용자에게 GNSS 오차 보정정보와 무결성 정보를 사용자에게 제공함으로써 항공기의 정밀 공항 접근과 자동 착륙을 위해 개발된 시스템이다. 시스템의 운영 중에 극심한 전리층 공간 기울기가 발생하였을 경우 전리층 지연 값이 공간에 따라 급변하게 된다. 이러한 상황을 보강시스템이 인지하지 못하고 보정정보를 그대로 방송해줄 경우 항공기 사용자의 위치 추정치 정확도 크게 저하되며, 심각한 위협을 초래할 수 있다. Ground Augmentation System (GBAS) is a system developed for precise airport access and automatic landing of aircraft by providing users with GNSS error correction information and integrity information. If an extreme ionospheric space slope occurs during operation of the system, the ionospheric delay value changes rapidly with space. If the reinforcement system is not aware of this situation and broadcasts the correction information as it is, the accuracy of the position estimate of the aircraft user may be greatly degraded, which may cause serious threats.

이러한 전리층 위협의 완화는 전리층 위협 모델 개발 및 보강시스템의 적용을 통해 이루어진다. 전리층 위협 모델은 각 지역에서 발생하는 전리층 이상현상들을 공간기울기, 폭, 최대 지연, 속도 등의 파라미터들로 표현하고 있으며, 각 파라미터의 범주는 실제 GNSS 전리층 측정치를 활용하여 결정된다. 전리층 위협 완화 과정은 크게 전리층 위협 모델을 기반으로 한 오차 예측 및 무결성 정보 팽창을 통한 위험한 위성기하 제거 두 부분으로 이루어 진다. 여기서 예측 오차 크기에 위협 모델의 공간 기울기의 범주에 의해 크게 결정되며, 만약 큰 예측 오차가 발생할 시에는 많은 위성 기하가 비가용하게 됨으로써 보강시스템의 가용성을 떨어뜨리게 된다. The mitigation of such ionosphere threats is achieved through the development of an ionosphere threat model and the application of reinforcement systems. The ionosphere threat model expresses ionosphere anomalies occurring in each region by parameters such as space slope, width, maximum delay, and speed, and the category of each parameter is determined using actual GNSS ionosphere measurements. The ionospheric threat mitigation process consists of two parts: elimination of dangerous satellite geometry through error prediction and integrity information expansion based on the ionosphere threat model. The magnitude of the prediction error is largely determined by the extent of the spatial gradient of the threat model, and if a large prediction error occurs, many satellite geometries are unavailable, reducing the availability of the reinforcement system.

GNSS 측정치는 위성/수신기 고장 및 전리층 지연 산출 과정 중의 후처리 오차에 등의 이유로 실제와는 다른 값으로 기록 될 수 있다. GNSS 측정치 고장 및 오차 요소들은 실제로 존재하지 않은 큰 전리층 기울기 측정값을 생성할 수 있다. 이러한 현상이 발생하게 될 경우 앞서 언급 한 것과 마찬가지로 보강시스템의 가용성 및 항공기 사용자의 안전성을 잘 보장되지 못하는 결과를 양산하게 된다. 따라서 GNSS 전리층 공간 기울기 측정치의 오류를 완전히 배제하고, 전리층 위협 모델 개발 및 위협 완화를 옳바르게 수행하기 위해서는 GNSS 전리층 기울기 측정치에 대한 검증하는 기술(혹은 시스템)이 개발되어야 한다.GNSS measurements may be recorded at actual values, for example due to satellite / receiver failure and post-processing errors during ionospheric delay calculations. GNSS measurement failure and error components can produce large ionospheric slope measurements that do not actually exist. If this happens, as mentioned above, the availability of the reinforcement system and the safety of the aircraft users are not guaranteed. Therefore, in order to completely eliminate the error of the GNSS ionospheric slope measurement and to correctly perform the ionospheric threat model development and threat mitigation, a verification technique (or system) for the GNSS ionospheric slope measurement should be developed.

KRKR 10-098076210-0980762 B1B1

본 발명은 위에서 언급한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로써, GNSS 지상국 분포가 조밀하지 못한 상황에서 극심한 GNSS 전리층 기울기 측정치가 실제 현상에 의한 것인지 혹은 위성/후처리 오차에 의한 것인지를 검증하는 시스템 및 방법을 제공함을 목적으로 한다.The present invention has been devised to solve the above-mentioned problems, and a system for verifying whether the extreme GNSS ionospheric slope measurement is caused by a real phenomenon or a satellite / post-processing error in a situation where the GNSS ground station distribution is not dense. The purpose is to provide a method.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 GNSS 전리층 측정치 검증 시스템이, GNSS 전리층 측정치에 대하여 실제 발생한 전리층 이상인지 여부에 대한 검증을 수행하는 방법은, (a) 특정 지상국으로부터 전리층 이상 발생을 감지하는 단계; (b) 상기 지상국 주변의, 기 설정된 거리 내에 있는 지상국 리스트를 탐색하는 단계; (c) 상기 이상이 발생한 지상국-위성 조합의 이상과 비교하여 기 설정된 기준 범위 내에 있는 양상을 보이는 위성-지상국 조합들을 분류하는 단계; (d) 상기 단계(c)에서 분류된 위성-지상국 조합 후보들의 전리층 기울기를 구하고, 미리 설정된 임계값과 비교하여 상기 이상이 발생한 지상국-위성 조합과 대비하기 위한 최종 후보군을 선정하는 단계; 및 (e) 이상이 관측된 위성-지상국 조합과, 상기 단계(d)에서 선정된 상기 최종 후보군과의 비교를 통하여, 관측된 전리층 기울기가 실제 현상인지 여부를 검증하거나, GNSS 측정치 기반으로 구축된 전리층 지도를 활용하여 이상이 발생한 위성-지상국 조합과, 극심한 전리층 후보군의 전리층 이상현상을 시각화함으로써, 관측자로 하여금 이상현상을 직접 판단할 수 있는 시각화 자료를 제공하는 단계를 포함한다.In order to achieve the above object, the GNSS ionospheric layer measurement verification system according to the present invention performs a verification on whether the GNSS ionotropic layer measurement actually occurs in the ionosphere abnormality, (a) detecting an occurrence of the ionosphere abnormality from a specific ground station. step; (b) searching a list of ground stations within a predetermined distance around the ground station; (c) classifying satellite-ground station combinations exhibiting an aspect within a predetermined reference range compared to the abnormality of the ground station-satellite combination in which the abnormality has occurred; (d) determining an ionospheric slope of the satellite-ground station combination candidates classified in step (c), and selecting a final candidate group for comparison with the ground station-satellite combination in which the abnormality has occurred by comparing with a preset threshold value; And (e) verifying whether the observed ionospheric slope is a real phenomenon by comparing the satellite-ground station combination with the observed abnormality and the final candidate group selected in step (d), or constructed on the basis of GNSS measurements. By using the ionosphere map to visualize the satellite-ground station combination in which an anomaly occurs and the ionosphere anomaly of the severe ionosphere candidate group, the method includes providing visualization data that allows the observer to directly determine the anomaly.

상기 단계(a)의 전리층 이상은, 전리층 기울기가 기 설정된 정상값의 범위보다 큰 것을 의미할 수 있다.The ionospheric layer abnormality of the step (a) may mean that the slope of the ionospheric layer is larger than the preset normal value.

상기 단계(c)의 전리층 이상 양상의 유사여부 판단은, 패턴인식 알고리즘을 적용하여 TEC(Total Electron Content) 변화 양상이 서로 기 설정된 기준 범위 내에 있는지 여부로써 판단할 수 있다.Determination of similarity between the ionospheric abnormality pattern of step (c) may be determined by applying a pattern recognition algorithm to determine whether the change pattern of total electron content (TEC) is within a preset reference range.

상기 단계(d)에서의 전리층 기울기는, 각 지상국에서, 특정 위성을 추적하는 해당 단일 지상국을 조합으로 활용하여 time-step 방법을 통하여 구해지며, 상기 time-step 방법에 의한 기울기는, 연속된 시각 t 1 , t 2 의 전리층 측정치 TECi ,k(t1)와 TECi,k(t2)를 차분하고, 해당 시간 동안 TEC 최대 밀도 고도에서의 시선 벡터 이동 거리를 나누어 계산할 수 있다.The ionospheric slope in step (d) is obtained by a time-step method using a single ground station that tracks a particular satellite in each ground station, and the slope by the time-step method is a continuous time. t 1 , t 2 It can be calculated by dividing the ionospheric measurements of TEC i , k (t 1 ) and TEC i, k (t 2 ) by dividing the line of sight vector travel at the TEC maximum density altitude during that time.

관측된 전리층 기울기가 실제 현상인지 여부에 대한 상기 단계(e)에서의 검증은, 극심한 기울기가 관측된 위성-지상국 조합과, 극심한 전리층 기울기 후보군과의 비교를 통하여, 관측된 전리층 기울기가 실제 현상인지 여부를 검증하여 판단하여 결과를 제공하는 방식으로 수행되는 것일 수 있다.The verification in step (e) of whether the observed ionospheric slope is a real phenomenon is performed by comparing the satellite-ground station combination where the extreme slope was observed with the extreme ionospheric slope candidate group to see if the observed ionospheric slope is a real phenomenon. It may be performed in a manner of verifying and determining whether to provide a result.

상기 시각화 자료에는, 최종 선정된 위성-지상국의 시선벡터를 지도에 표시하여 동일한 현상에 의해서 기 설정된 기준값보다 큰 기울기를 보였는지 확인할 수 있는 내용을 포함할 수 있다.The visualization data may include a content of displaying a gaze vector of a finally selected satellite-ground station on a map to determine whether a slope larger than a predetermined reference value is displayed by the same phenomenon.

본 발명의 다른 측면에 따르면, GNSS 전리층 측정치에 대하여 실제 발생한 전리층 이상인지 여부에 대한 검증을 수행하는 장치는, 데이터베이스 상의 각 지상국들의 전리층을 모니터링하여, 전리층에 이상이 발생하였는지 여부를 모니터링하는 전리층 이상 발생 모니터링부; 전리층에 이상이 발생한 경우, 전리층 이상이 발생한 지상국 주변의, 기 설정된 거리 내에 있는 지상국의 리스트를 탐색하는 역할을 수행하는 인접 지상국 탐색부; 상기 이상이 발생한 지상국-위성 조합의 이상과 비교하여 기 설정된 기준 범위 내에 있는 양상을 보이는 지상국-위성 조합을 분류해내는 유사 전리층 이상 양상 지상국 분류부; 분류된 위성-지상국 조합 후보들의 전리층 기울기를 구하고, 미리 설정된 임계값과 비교하여 상기 이상이 발생한 지상국-위성 조합과 대비하기 위한 최종 후보군을 선정하는 전리층 기울기 추정부; 이상이 관측된 위성-지상국 조합과, 상기 전리층 기울기 추정부에 의해 선정된 상기 최종 후보군과의 비교를 통하여, 관측된 전리층 기울기가 실제 현상인지 여부를 검증하거나, GNSS 측정치 기반으로 구축된 전리층 지도를 활용하여 이상이 발생한 위성-지상국 조합과, 극심한 전리층 후보군의 전리층 이상현상을 시각화함으로써, 관측자로 하여금 이상현상을 직접 판단할 수 있는 시각화 자료를 제공하는 전리층 측정치 검증부; 및 전리층 측정치 검증 시스템의 상기 각 모듈을 제어하여 전리층 측정치의 변화가 실제 전리층에서 일어난 현상인지를 검증하는 일련의 과정을 수행하도록 하는 제어부를 포함한다.According to another aspect of the present invention, a device for verifying whether or not the measured ionospheric layer is an actual occurrence of the ionospheric anomaly in the GNSS ionosphere measurement, the ionosphere abnormalities that monitor whether the abnormality occurred in the ionosphere by monitoring the ionosphere of each ground station in the database. Occurrence monitoring unit; A neighboring ground station search unit for searching for a list of ground stations within a predetermined distance around the ground station where the ionospheric fault has occurred, when an abnormality occurs in the ionosphere; A similar ionospheric fault pattern ground station classification unit for classifying a ground station-satellite combination exhibiting an aspect within a preset reference range compared to the abnormality of the ground station-satellite combination in which the abnormality has occurred; An ionospheric slope estimator for determining an ionospheric slope of classified satellite-ground station combination candidates and selecting a final candidate group for comparison with the ground station-satellite combination in which the abnormality occurs by comparing with a preset threshold; By comparing the observed satellite-ground station combination with the final candidate group selected by the ionospheric gradient estimator, it is possible to verify whether the observed ionospheric slope is a real phenomenon or to construct an ionospheric map constructed based on GNSS measurements. An ionospheric measurement verification unit which visualizes an anomalous satellite-ground station combination and an ionospheric anomaly of an extreme ionosphere candidate group, thereby providing a visualization data that allows an observer to directly determine an anomaly; And a controller for controlling each module of the ionospheric measurement verification system to perform a series of processes for verifying whether a change in the ionospheric measurement is actually a phenomenon in the ionosphere.

상기 전리층 이상은, 전리층 기울기가 기 설정된 정상값의 범위보다 큰 것을 의미할 수 있다.The ionospheric layer abnormality may mean that the inclination of the ionospheric layer is larger than a predetermined range of normal values.

상기 전리층 이상 양상의 유사여부 판단은, 패턴인식 알고리즘을 적용하여 TEC(Total Electron Content) 변화 양상이 서로 기 설정된 기준 범위 내에 있는지 여부로써 판단할 수 있다.The similarity determination of the abnormality of the ionospheric layer may be determined by applying a pattern recognition algorithm based on whether a change pattern of total electron content (TEC) is within a predetermined reference range.

상기 전리층 기울기는, 각 지상국에서, 특정 위성을 추적하는 해당 단일 지상국을 조합으로 활용하여 time-step 방법을 통하여 구해지며, 상기 time-step 방법에 의한 기울기는, 연속된 시각 t1 , t2 의 전리층 측정치 TECi,k(t1)와 TECi,k(t2)를 차분하고, 해당 시간 동안 TEC 최대 밀도 고도에서의 시선 벡터 이동 거리를 나누어 계산할 수 있다.
관측된 전리층 기울기가 실제 현상인지 여부의 검증은, 극심한 기울기가 관측된 위성-지상국 조합과, 극심한 전리층 기울기 후보군과의 비교를 통하여, 관측된 전리층 기울기가 실제 현상인지 여부를 검증하여 판단하여 결과를 제공하는 방식으로 수행되는 것일 수 있다.
상기 시각화 자료에는, 최종 선정된 위성-지상국의 시선벡터를 지도에 표시하여 동일한 현상에 의해서 기 설정된 기준값보다 큰 기울기를 보였는지 확인할 수 있는 내용을 포함할 수 있다.
The ionospheric slope is obtained by a time-step method using a single ground station that tracks a specific satellite in a combination at each ground station, and the slope by the time-step method is a continuous time t 1 , t 2 . The ionospheric measurements can be calculated by dividing TEC i, k (t 1 ) and TEC i, k (t 2 ) by dividing the line of sight vector travel at the TEC maximum density altitude during that time.
Verification of whether the observed ionospheric slope is a real phenomenon is performed by comparing the satellite-ground station combination where the extreme slope is observed with the extreme ionospheric slope candidate group to determine whether the observed ionospheric slope is real. It may be performed in a manner to provide.
The visualization data may include a content of displaying a gaze vector of a finally selected satellite-ground station on a map to determine whether a slope larger than a predetermined reference value is displayed by the same phenomenon.

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본 발명에 의하면, GNSS 지상국 분포가 조밀하지 못한 상황에서 극심한 GNSS 전리층 기울기 측정치가 실제 현상에 의한 것인지 혹은 위성/후처리 오차에 의한 것인지를 검증하는 시스템 및 방법을 제공하는 효과가 있다.According to the present invention, there is an effect of providing a system and method for verifying whether the extreme GNSS ionospheric slope measurement is caused by an actual phenomenon or by satellite / post-processing errors in a situation where the distribution of GNSS ground stations is not dense.

도 1은 station-pair 방법을 나타내는 도면.
도 2는 본 발명에 따른 Time-step 방법을 나타내는 도면.
도 3은 본 발명에 따른 GNSS 전리층 기울기 검증을 수행하는 순서도.
도 4는 SAVO/SSA1-PRN 21의 기울기 그래프.
도 5는 최종적으로 추려진 5개의 지상국-위성 조합들에 TEC 변화량 및 time-step 방법을 적용한 TEC 공간 기울기 변화 양상을 나타낸 그래프.
도 6은 각 위성-지상국 조합의 최대 기울기가 발생한 시각의 상황을 나타내는 그래프.
도 7은 본 발명에 따른 전리층 측정치 검증 시스템의 구성을 나타내는 도면.
도 8은 GBAS의 전리층 의사거리 오차 산출 시뮬레이션 흐름도.
도 9는 본 발명의 LAD-GNSS(Local-Area Differential GNSS)의 전리층 의사거리 오차 산출 시뮬레이션 매개변수가 적용되는 상황을 도시한 도면.
도 10은 전리층 의사거리 오차 산출 시뮬레이션 매개변수 조사 범위를 나타내는 표.
도 11은 무인기 운용 환경에 따른 시나리오 별 최대 의사거리 오차 결과의 실시예.
도 12는 LAD-GNSS의 무인항공기 탑재된 위성기하 분별 장치가 본 발명의 위성기하 분별 방법을 수행하는 순서도.
도 13은 무인항공기 탑재 위성기하 분별 장치의 구성을 나타내는 도면.
도 14는 GBAS에서의 최대 의사거리 오차 산출 시뮬레이션 결과(a)와 본 발명의 LAD-GNSS의 최대 의사거리 오차 산출 시뮬레이션 결과(b)를 대비하여 나타낸 도면.
1 shows a station-pair method.
2 is a view showing a time-step method according to the present invention.
Figure 3 is a flow chart for performing GNSS ionospheric slope verification in accordance with the present invention.
4 is a slope graph of SAVO / SSA1-PRN 21.
FIG. 5 is a graph showing a change pattern of TEC spatial slope applying the amount of TEC change and a time-step method to five ground station-satellite combinations finally estimated; FIG.
6 is a graph showing the situation of time when the maximum slope of each satellite-ground station combination occurred.
7 is a diagram illustrating a configuration of an ionospheric measurement verification system according to the present invention.
8 is a simulation flowchart of ionospheric pseudorange error calculation of GBAS.
FIG. 9 is a diagram illustrating a situation in which an ionospheric pseudorange error calculation simulation parameter of a Local-Area Differential GNSS (LAD-GNSS) of the present invention is applied. FIG.
10 is a table showing an ionospheric pseudorange error calculation simulation parameter irradiation range.
11 is an embodiment of the maximum pseudo-range error results for each scenario according to the drone operating environment.
12 is a flowchart of a satellite geometry classification apparatus equipped with an unmanned aerial vehicle of LAD-GNSS to perform the satellite geometry classification method of the present invention.
Fig. 13 is a diagram showing the configuration of an unmanned aerial vehicle equipped satellite classification device;
FIG. 14 is a view showing the maximum pseudo range error calculation simulation result (a) in GBAS and the maximum pseudo distance error calculation simulation result (b) of the LAD-GNSS of the present invention. FIG.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Prior to this, terms or words used in the specification and claims should not be construed as having a conventional or dictionary meaning, and the inventors should properly explain the concept of terms in order to best explain their own invention. Based on the principle that can be defined, it should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention. Therefore, the embodiments described in the specification and the drawings shown in the drawings are only the most preferred embodiment of the present invention and do not represent all of the technical idea of the present invention, various modifications that can be replaced at the time of the present application It should be understood that there may be equivalents and variations.

GNSS 전리층 공간 기울기 검증 이전에 앞서 전리층 측정치가 필요한데, GNSS 분야에서는 주로 TEC(Total Electron Content)를 많이 사용한다. TEC란 전리층의 전자량 밀도를 나타내는 중요한 파라미터로써 GNSS 위성과 지상국간 시선벡터의 단위 평방 미터 당 총 전자량을 의미한다. TEC 코드(TECρ _ meas), 반송파(TECΦ _ meas) 및 CMC (Code-Minus-Carrier; TECCMC _ meas) 측정치들은 아래와 GNSS 코드(ρL1L2)와 반송파(ΦL1L2) 측정치를 활용하여 생성할 수 있다.Prior to verifying the GNSS ionospheric space slope, the ionospheric measurements are required. In the GNSS field, TEC (Total Electron Content) is used a lot. TEC is an important parameter that represents the density of electrons in the ionosphere, which means the total amount of electrons per square meter of gaze vector between GNSS satellites and ground stations. The TEC code (TEC ρ _ meas ), carrier (TEC Φ _ meas ) and CMC (Code-Minus-Carrier; TEC CMC _ meas ) measurements are shown below and GNSS codes (ρ L1 , ρ L2 ) and carriers (Φ L1 , Φ L2). ) Can be generated using measurements.

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Figure 112017126178333-pat00001
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Figure 112017126178333-pat00002
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Figure 112017126178333-pat00003
(3)
Figure 112017126178333-pat00003

(4)

Figure 112017126178333-pat00004
(4)
Figure 112017126178333-pat00004

c는 빛의 속도, K는 변환 상수 40.3 m3s- 2 이다. IFB는 수신기 주파수간 바이어스, τgd는 위성의 하드웨어 바이어스를 나타낸다. 반송파 측정치는 L1 및 L2 주파수 fL1 및 fL2에 해당하는 모호정수 λL1NL1 및 λL2NL2를 포함하고 있으나, 코드 측정치 보다 작은 잡음을 가지고 있다(εΦ<<ερ). 코드 측정치는 반송파 측정치보다 잡음은 많으나 전리층 불균질 현상에 의해 신호 단절 및 굴절이 되는 신틸레이션 현상에 강인한 강점이 있다. 각 TEC 측정치는 한국과학기술원에서 개발한 LTIAM(Long-Term Ionospheric Anomaly Monitor)를 이용하여 추정된다.c is the speed of light and K is the conversion constant 40.3 m 3 s - 2 . IFB is the bias between receiver frequencies, τ gd is the hardware bias of the satellite. Carrier measurements include the ambiguity constants λ L1 N L1 and λ L2 N L2 corresponding to the L1 and L2 frequencies f L1 and f L2 , but with less noise (ε Φ << ε ρ ). Code measurements have more noise than carrier measurements, but they have strong strengths in scintillation phenomena that cause signal disconnection and refraction due to ionosphere heterogeneity. Each TEC measurement is estimated using the Long-Term Ionospheric Anomaly Monitor (LTIAM) developed by the Korea Advanced Institute of Science and Technology.

도 1은 station-pair 방법을 나타내는 도면이다.1 is a diagram illustrating a station-pair method.

전리층 위협 모델 구축을 위한 전리층 공간 기울기는 스탠포드 대학(Stanford University)에서 개발한 Station-pair method를 활용하여 추정된다. Station-pair method는 아래 도 1과 위성 k(200)를 추적하고 있는 두 개의 GNSS 지상국 i(10) j(20) 의 같은 시각의 전리층 측정치 TECi ,k와 TECj ,k를 차분하여 지상국간 거리로 나누어 공간에 따른 전리층 지연 기울기 (혹은 TEC 기울기)를 추정하게 된다.The ionospheric slope for estimating the ionosphere threat model is estimated using the Station-pair method developed by Stanford University. The station-pair method is shown in Figure 1 below and two GNSS ground stations i (10) tracking satellite k (200). And the ionospheric measurements TEC i , k and TEC j , k at the same time of j (20) are divided by the distance between the ground stations to estimate the ionospheric delay slope (or TEC slope) according to the space.

GNSS 전리층 기울기 검증은 다른 지상국 혹은 위성에서 비슷한 패턴과 비슷한 극심한의 정도를 보이는 기울기가 관측되어야 이루어질 수 있다. 기존에 전리층 기울기 측정치를 검증하는 방법은 station-wide validation 및 satellite-wide validation이 있다. Station-wide validation은 극심한 전리층 공간기울기가 관측된 GNSS 지상국 조합(두 개로 구성) 인근의 GNSS 지상국을 활용하는 검증 것이다. Satellite-wide validation은 극심한 전리층 공간 기울기가 관측된 시각에 인근을 지나가는 다른 위성을 활용하여 검증하는 것이다. 두 방법 모두 인근의 지상국 혹은 위성을 활용하여 station-pair method를 적용하고, 추정된 전리층 공간 기울기가 동일한 기울기 패턴과 극심함을 보여야만 검증이 이루어질 수 있다. 만약 인근 지상국들이 멀리 떨어져 있을 경우 지상국 간의 전리층 변화 양상 대비 지상국 간 거리가 더 크므로 station-pair method 상에서는 큰 기울기 값이 추정되기 힘들다. 따라서 기울기를 검증할 수 없게 된다. 이러한 이유로 지상국 분포가 넓은 지역(예: 브라질) 혹은 작은 공간 규모의 전리층 이상현상이 발생하는 지역에 Station-wide validation 및 satellite-wide validation을 적용하는데는 한계가 있다.GNSS ionospheric slope verification can only be achieved when other ground stations or satellites observe similar patterns and extremes of similar magnitude. Conventional methods for verifying ionospheric tilt measurements include station-wide validation and satellite-wide validation. Station-wide validation is a test that utilizes a GNSS ground station near the GNSS ground station combination (consisting of two) where severe ionosphere gradients are observed. Satellite-wide validation is based on the use of other satellites passing through the vicinity at the time when the extreme ionosphere gradient is observed. Both methods can be verified by applying the station-pair method using nearby ground stations or satellites, and showing that the estimated ionospheric spatial slope is the same with the same slope pattern. If the neighboring ground stations are far apart, the distance between the ground stations is larger than that of the ionosphere change between the ground stations. Therefore, it is difficult to estimate a large slope value in the station-pair method. Therefore, the slope cannot be verified. For this reason, there are limitations in applying Station-wide validation and satellite-wide validation in areas with large distributions of ground stations (eg Brazil) or in areas with small spatial ionospheric anomalies.

도 2는 Time-step 방법을 나타내는 도면이다.2 is a diagram illustrating a time-step method.

도 2에서 보는 것과 같이 time-step method는 위성 k(200)를 추적하는 지상국 i(100)를 조합으로 활용하여 진행된다. 기울기는 연속된 시각 t 1 , t 2 의 전리층 측정치 TECi ,k(t1)와 TECi ,k(t2)를 차분하고, 해당 시간 동안 TEC 최대 밀도 고도인 350 km에서의 시선 벡터 이동 거리를 나누어 계산하게 된다. 본 기법은 t 1 , t 2 사이의 시간창(Time-window)을 임의로 조정함에 따라 원하는 거리(혹은 공간규모)의 전리층 공간 기울기를 추정할 수 있는 장점이 있다.As shown in Figure 2, the time-step method proceeds by utilizing the ground station i (100) tracking the satellite k (200) in combination. The slope is continuous time t 1 , t 2 The ionospheric measurements of TEC i , k (t 1 ) and TEC i , k (t 2 ) are then subdivided and the distance of eye vector travel at 350 km, the TEC maximum density altitude, is calculated for that time. This technique uses t 1 , t 2 By arbitrarily adjusting the time-window between them, there is an advantage of estimating the ionosphere spatial gradient of a desired distance (or space scale).

도 3은 GNSS 전리층 기울기 검증을 수행하는 순서도이고, 도 4는 SAVO/SSA1-PRN 21의 기울기 그래프이다.3 is a flowchart of performing GNSS ionospheric slope verification, and FIG. 4 is a slope graph of SAVO / SSA1-PRN 21.

해당 기법을 활용한 GNSS 전리층 기울기 측정치 검증 시스템은 도 3과 같은 순서로 이루어진다. 먼저, 극심한 전리층 공간 기울기(즉, 전리층 이상)가 관측된 지상국으로부터 제한 반경(혹은 거리 제한)을 두어 주변 지상국의 리스트를 자동으로 탐색한다(S310). 제한 반경은 GNSS 네트워크 별 지역별 특성에 맞게 사용자 임의로 설정이 된다.The GNSS ionospheric slope measurement verification system using the technique is performed in the order as shown in FIG. 3. First, a list of neighboring ground stations is automatically searched by placing a limit radius (or distance limitation) from the ground station where the extreme ionosphere spatial slope (ie, more than the ionosphere) is observed (S310). The limit radius is arbitrarily set by the user according to the regional characteristics of each GNSS network.

패턴인식 알고리즘, 예를 들어 'K-means' 기법 등을 적용하여 극심한 기울기가 관측된 위성-지상국의 조합의 TEC 변화와 비슷한 양상을 보이는 위성-지상국 조합들을 분류한다(S320). 이후, 비슷한 양상인 것으로 분류된 위성-지상국 조합에 대하여, 앞에서 설명한 time-step method를 적용하여 분류된 후보들의 전리층 기울기를 변환하고, 미리 설정된 임계값과 비교하여 위협 시각화를 위한 최종 후보군을 분류한다(S330). 여기서 설정된 임계값은 일 실시예로서 관측된 극심한 기울기 최대값의 70%로 설정할 수 있다.A pattern recognition algorithm, for example, the 'K-means' method, is applied to classify satellite-ground station combinations that exhibit a similar pattern to the TEC change of the satellite-ground station combinations with extreme slopes (S320). Then, for satellite-ground station combinations classified as having similar aspects, the ionograph slopes of the classified candidates are transformed by applying the time-step method described above, and the final candidate group for threat visualization is classified by comparing with a preset threshold. (S330). The threshold set here may be set to 70% of the maximum observed extreme slope as an example.

이후, 극심한 기울기가 관측된 위성-지상국 조합과, 극심한 전리층 기울기 후보군과의 비교를 통하여, 관측된 전리층 기울기가 실제 현상인지 여부를 검증한다(S340). Subsequently, it is verified whether the observed ionospheric slope is a real phenomenon by comparing the satellite-ground station combination where the extreme slope is observed and the extreme ionospheric slope candidate group (S340).

극심한 기울기가 관측된 위성-지상국 조합과, 극심한 전리층 기울기 후보군과의 비교를 통하여, 관측된 전리층 기울기가 실제 현상인지 여부를 검증하여 판단하여 결과를 제공하거나, 또는 GNSS 측정치 기반으로 구축된 전리층 지도를 활용하여 이상이 발생한 위성-지상국 조합과, 극심한 전리층 후보군의 전리층 이상현상을 시각화함으로써, 관측자로 하여금 이상현상을 직접 판단할 수 있는 시각화 자료를 제공할 수도 있다. 이때, 제공하는 시각화 자료에는, 최종 선정된 위성-지상국의 시선벡터를 지도에 표시하여 동일한 현상에 의해서 큰 기울기를 보였는지 확인할 수 있도록 할 수 있다(도 6 참조).By comparing the satellite-ground station combination with the extreme slope and the extreme ionospheric slope candidate group, it is possible to verify whether the observed ionospheric slope is a real phenomenon and provide the result, or to map the ionospheric map constructed based on the GNSS measurement. By visualizing the satellite-ground station combination and the ionospheric anomaly of the extreme ionosphere candidate group, the viewer can provide visualization data to directly determine the anomaly. At this time, in the visualization data provided, the gaze vector of the finally selected satellite-ground station can be displayed on a map so that it can be checked whether a large slope is shown due to the same phenomenon (see FIG. 6).

지상국-위성 조합 수(개)Number of Ground Stations-Satellite Combinations () 브라질 지역 총 지상국-위성 조합 개수
(2013년 12월 10일 기준)
Total number of ground stations-satellite combinations in Brazil
(As of December 10, 2013)
28712871
1단계: 인접한 지상국 탐색(<1500km)Step 1: Search for adjacent ground stations (<1500 km) 17061706 2단계: 패턴 인식 수행Step 2: perform pattern recognition 152152 3단계: 기울기 후보군 제외(>2.15 TECU/km)Step 3: Exclude slope candidates (> 2.15 TECU / km) 55

본 발명에서 제안된 시스템을 활용하여 실제 극심한 GNSS 전리층 공간 기울기 측정치를 검증하고, 제안된 시스템의 유효성을 입증하였다. 표 1을 참조하면, 브라질 지역은 미국, 일본, 한국과는 다르게 GNSS 지상국의 분포가 넓어서 GNSS 전리층 기울기 측정치를 검증하기 힘든 단점이 있으므로 해당 지역의 GNSS 네트워크를 활용하였다. 2013년 12월 10일 23:53:30 UT(Universal Time)에 지상국 SAVO/SSA1-PRN 21 조합에서 도 4와 같이 3.09 TECU/km 의 큰 기울기 값이 관측되었다. 보통 상태의 전리층에서는 0.024 TECU/km의 공간 기울기를 보인다. 해당 날짜 기준 총 지상국-위성 조합의 개수는 2871개이다. 1단계에서 SAVO, SSA1 지상국으로부터 반경 1500km 내에 위치한 지상국-위성 조합은 1706개로 집계되었다. 2단계에서는 'K-means'알고리즘을 적용하여 비슷한 TEC 패턴을 가진 152개의 지상국-위성 조합들을 분류되었다. 마지막으로 2.15 TECU/km로 설정된 임계값으로 기울기 후보군 제외 단계를 거쳐, 극심한 전리층 공간 기울기가 발생했던 SAVO-PRN 21, SSA1-PRN 21 조합을 포함해 총 5개의 지상국-위성 조합이 최종적으로 검색되었다.The system proposed in the present invention was utilized to verify the actual extreme GNSS ionospheric spatial slope measurement and to verify the effectiveness of the proposed system. Referring to Table 1, the GNSS ground station in Brazil has a wider distribution of GNSS ground stations than the US, Japan, and Korea, making it difficult to verify GNSS ionospheric slope measurements. A large slope value of 3.09 TECU / km was observed in the ground station SAVO / SSA1-PRN 21 combination on December 10, 2013 at 23:53:30 UT (Universal Time). The normal ionospheric layer shows a spatial gradient of 0.024 TECU / km. The total number of ground station-satellite combinations as of that date is 2871. In the first phase, 1706 ground station-satellite combinations were located within a radius of 1500 km from SAVO and SSA1 ground stations. In the second phase, the K-means algorithm was applied to classify 152 ground station-satellite combinations with similar TEC patterns. Finally, a total of five ground station-satellite combinations were finally retrieved, including the SAVO-PRN 21 and SSA1-PRN 21 combinations, which experienced extreme ionospheric slopes, with a slope candidate exclusion step with a threshold set to 2.15 TECU / km. .

도 5(a)는 최종적으로 추려진 5개의 지상국-위성 조합들에 TEC 변화량이고, 도 5(b)는 time-step method를 적용한 TEC 공간 기울기 변화 양상을 각각 나타낸 그래프이다.FIG. 5 (a) shows the TEC change amount of the five ground station-satellite combinations finally estimated, and FIG. 5 (b) shows the TEC spatial slope change pattern using the time-step method.

도 5(a)를 통해 위 5개의 지상국-위성 조합이 비슷한 TEC 변화 양상을 갖는다는 점을 확인할 수 있으며, 전자량의 변화폭으로 보아 동일한 전리층 이상현에 의해 영향 받았음을 유추할 수 있다. 도 5(b)를 통해 관측된 3.09 TECU/km 에 상응하는 극심한 기울기가 관측된 것을 알 수 있다.It can be seen from FIG. 5 (a) that the above five ground station-satellite combinations have similar TEC change patterns, and it can be inferred that the change in the amount of electrons has been affected by the same ionosphere abnormalities. It can be seen that an extreme slope corresponding to 3.09 TECU / km observed through FIG. 5 (b) is observed.

도 6은 각 위성-지상국 조합의 최대 기울기가 발생한 시각의 상황을 나타내는 그래프이다.6 is a graph showing the situation of time when the maximum slope of each satellite-ground station combination occurred.

(a)~(e)의 각 그래프에서는 해당 날의 GNSS 전리층 측정치를 활용하여 지도를 구축하고 전리층 이상현상을 시각화하였다. 배경의 색은 검을수록 TEC 값이 큰 것을 의미한다. 노란색 삼각형은 각 지상국의 위치를 가리킨다. 동그라미는 각 위성과 선으로 연결된 지상국 간의 IPP(Ionospheric Pierce Point)의 위치를 나타내며 IPP의 색은 해당 시점의 시간 차분 기울기의 크기를 나타낸다. 여기서 IPP란 TEC가 최대 값을 나타내는 고도인 350km와 위선시선벡터의 교차점이다. In each of the graphs (a) to (e), the map was constructed using the GNSS ionospheric measurements of the day and visualized the ionosphere anomalies. The darker the background, the higher the TEC value. Yellow triangles indicate the location of each ground station. The circle represents the position of the IPS (Ionospheric Pierce Point) between the ground stations connected to each satellite and the line, and the color of the IPP represents the magnitude of the time difference slope at that time. Here, IPP is the intersection of 350km, the altitude of which TEC represents the maximum value, and the hypocrisy vector.

도 5와 6을 종합적으로 분석한 결과, 해당 현상은 북서쪽에서 남동쪽 방향으로 사선으로 형성된 플라즈마 버블이다. 플라즈마 버블은 브라질 지역과 같은 저위도 지역에서 주로 밤에 발생하며 극심한 TECU 고갈을 동반하고, 서에서 동으로 이동한다는 특성이 있다. 해당 현상은 동쪽으로 이동하면서, BATF 지상국을 시작으로 SSA1, SAVO, CRAT, SEAJ까지 순차적으로 영향을 주어 급격한 전자량 변화를 유발시켰음을 유추할 수 있음. 또한, 추가적으로 해당 플라즈마 버블은 약 170m/s의 속도로 동쪽으로 이동하였음을 추정하였다. 결론적으로 도 4의 SAVO-SSA1 (PRN 21) 지상국 간에 발생한 극심한 크기의 전리층 공간 기울기는 본 발명에서 제안된 검증 시스템을 통해 수신기/후처리 오차에 의한 것이 아닌 실제 전리층 이상현상에 의해 발생한 것임을 검증할 수 있다.As a result of comprehensive analysis of FIGS. 5 and 6, the phenomenon is a plasma bubble formed diagonally from the northwest to the southeast. Plasma bubbles occur mainly at night in low latitudes, such as Brazil, with extreme TECU depletion, and move from west to east. It can be inferred that the phenomenon moved to the east and caused a sudden change in electron quantity by sequentially affecting SSA1, SAVO, CRAT, and SEAJ, starting from the BATF ground station. In addition, it was estimated that the plasma bubble moved eastward at a speed of about 170 m / s. In conclusion, it can be verified that the magnitude of the ionospheric spatial gradient of the extreme magnitude generated between the SAVO-SSA1 (PRN 21) ground stations of FIG. 4 is caused by the actual ionospheric anomaly and not by the receiver / post-processing error through the verification system proposed in the present invention. Can be.

도 7은 본 발명에 따른 전리층 측정치 검증 시스템(300)의 구성을 나타내는 도면이다.7 is a diagram showing the configuration of the ionospheric measurement verification system 300 according to the present invention.

제어부(301)는 전리층 측정치 검증 시스템(300)의 이하 각 모듈을 제어하여 전리층 측정치의 변화가 실제 전리층에서 일어난 현상인지를 검증하는 일련의 과정을 수행하도록 한다.The controller 301 controls each module below of the ionospheric measurement verification system 300 to perform a series of processes for verifying whether a change in the ionospheric measurement is actually a phenomenon in the ionosphere.

전리층 이상 발생 모니터링부(302)는, 데이터베이스(307) 상의 각 지상국들의 전리층을 모니터링하여, 전리층에 이상이 발생하였는지, 즉 극심한 전리층 공간 기울기가 발생하였는지 등을 모니터링한다.The ionospheric fault occurrence monitoring unit 302 monitors the ionosphere of each ground station on the database 307 to monitor whether an anomaly has occurred in the ionosphere, that is, an extreme ionospheric space tilt occurs.

인접 지상국 탐색부(303)는 전리층에 이상이 발생한 경우, 지상국으로부터 제한 반경(혹은 거리 제한)을 두어 주변 지상국의 리스트를 자동으로 탐색하는 역할을 수행한다. 제한 반경은 GNSS 네트워크 별 지역별 특성에 맞게 사용자 임의로 설정이 된다.The neighboring ground station search unit 303 automatically searches for a list of neighboring ground stations by setting a limit radius (or distance limitation) from the ground station when an error occurs in the ionosphere. The limit radius is arbitrarily set by the user according to the regional characteristics of each GNSS network.

유사 전리층 이상 양상 지상국 분류부(304)는 위 이상이 발생한 지상국-위성 조합과 유사한 전리층 이상 양상을 보이는 지상국-위성 조합을 분류해낸다. 전리층 이상 양상은, 관측된 위성-지상국의 조합의 TEC 변화와 비슷한 양상을 보이는지로 판단할 수 있으며, 또한 유사여부 판단은 패턴인식 알고리즘, 예를 들어 'K-means' 기법 등을 적용하여 극심한 기울기가 관측된 위성-지상국의 조합의 TEC 변화와 비슷한 양상을 보이는 위성-지상국 조합들을 분류한다.Similar ionospheric fault pattern The ground station classification unit 304 classifies a ground station-satellite combination exhibiting a similar ionosphere fault pattern to the ground station-satellite combination in which the abnormality has occurred. The ionospheric anomaly can be judged by the similarity of the observed TEC change of the satellite-ground station combination, and the similarity can be determined by applying a pattern recognition algorithm such as the 'K-means' technique. Classify the satellite-ground station combinations that are similar to the observed TEC change in the observed satellite-ground station combination.

전리층 기울기 추정부(305)는 비슷한 양상인 것으로 분류된 위성-지상국 조합에 대하여, time-step 방법을 적용하여 분류된 후보들의 전리층 기울기를 변환하고, 미리 설정된 임계값과 비교하여 위협 시각화를 위한 최종 후보군을 분류한다.The ionospheric slope estimator 305 converts the ionospheric slopes of the classified candidates by applying a time-step method to the satellite-ground station combinations classified as being similar, and compares them with a preset threshold for final visualization of the threat. Classify candidate groups.

전리층 측정치 검증부(306)는 극심한 기울기가 관측된 위성-지상국 조합과, 극심한 전리층 기울기 후보군과의 비교를 통하여, 관측된 전리층 기울기가 실제 현상인지 여부를 검증하여 판단하거나, 또는 GNSS 측정치 기반으로 구축된 전리층 지도를 활용하여 이상이 발생한 위성-지상국 조합과, 극심한 전리층 후보군의 전리층 이상현상을 시각화함으로써, 관측자로 하여금 이상현상을 직접 판단할 수 있는 자료를 제공할 수도 있다. 이때, 제공하는 시각화 자료에는, 최종 선정된 위성-지상국의 시선벡터를 지도에 표시하여 동일한 현상에 의해서 큰 기울기를 보였는지 확인할 수 있도록 할 수 있다.The ionospheric measurement verification unit 306 verifies whether the observed ionospheric slope is a real phenomenon or compares the satellite-ground station combination where the extreme slope is observed with the extreme ionospheric slope candidate group, or builds on the basis of the GNSS measurement. By using the previous ionospheric map, the satellite-ground station combination with anomalies and the ionospheric anomalies of the extreme ionosphere candidates can be visualized to provide the data for the observer to directly determine the anomalies. At this time, in the visualization data provided, the gaze vector of the finally selected satellite-ground station may be displayed on a map so that it may be checked whether a large inclination is exhibited by the same phenomenon.

지금까지 도 1 내지 도 7을 참조하여 설명한, GNSS 전리층 측정치 검증 방법 및 그 검증 시스템은, 이하에서 도 8 내지 도 14를 참조하여 설명하는, 전리층 위협 완화를 위한 무인항공기 탑재 위성기하 분별 방법 및 장치 모델을 신뢰성 있게 구축하기 위해서 필수적으로 선결되어져야 하는 발명이다. 그와 같은 관점에서 GNSS 전리층 측정치 검증 방법 및 그 검증 시스템 발명은, 전리층 위협 완화를 위한 무인항공기 탑재 위성기하 분별 방법 및 장치 발명과 밀접하게 연관되는 발명이며, 그에 따라 도 1 내지 도 14 및 그에 대한 설명으로부터, 그 2 발명을 서로 결합시킨 시스템을 구축할 수 있다. The method and apparatus for verifying the GNSS ionospheric measurement value and the verification system, which have been described with reference to FIGS. 1 to 7 so far, are described below with reference to FIGS. 8 to 14. In order to build a model reliably, it is an invention that must be preemptively selected. In view of the above, the invention of GNSS ionospheric measurement verification method and verification system thereof is an invention that is closely related to the invention of the unmanned aerial vehicle-based satellite geometry classification method and apparatus for mitigating ionospheric threats. From the description, a system combining the two inventions can be constructed.

즉, 이하에서는 도 8 내지 도 14를 참조하여 전리층 위협 완화를 위한 무인항공기 탑재 위성기하 분별 방법 및 장치 모델 발명을 별도의 시스템으로 설명하지만, 그러한 도 8 내지 도 14의 전리층 위협 완화를 위한 무인항공기 탑재 위성기하 분별 방법 및 장치 모델에, 그 모델을 신뢰성 있게 구축하기 위하여 먼저 전리층 측정치의 검증을 수행하기 위하여 전술한 도 1 내지 도 7의 GNSS 전리층 측정치 검증 방법 및 그 검증 시스템을 결합시키는 것은, 도 1 내지 도 14의 설명을 통하여 충분히 도출해낼 수 있고 또한 구현 가능한 것임은 충분히 알 수 있다.That is, the following describes the invention of an unmanned aerial vehicle-mounted satellite geometry classification method and device model for mitigating the ionospheric threat as a separate system with reference to FIGS. 8 to 14, but such an unmanned aerial vehicle for mitigating the ionospheric threat of FIGS. Incorporating the GNSS ionospheric measurement verification method and the verification system described above with reference to FIGS. 1 to 7 to perform verification of the ionospheric measurement first in order to reliably construct the onboard satellite geometric classification method and device model, FIG. It can be fully understood that the description of FIGS. 1 to 14 can be sufficiently derived and implemented.

도 8은 GBAS의 전리층 의사거리 오차 산출 시뮬레이션 흐름도이다.8 is a simulation flowchart of ionospheric pseudorange error calculation of GBAS.

기존 GBAS의 위성기하 분별 기법에 대한 설명은 다음과 같다. 사전의 전리층 위협 시뮬레이션을 통해 최대 의사거리 오차를 산출하고, 이를 이용해 수직 전리층 위치 오차를 계산한다. 아래는 이에 대한 설명을 순서대로 기술하였다.The description of the conventional geometric classification technique of GBAS is as follows. Prospective ionospheric threat simulations yield maximum pseudorange errors and use them to calculate vertical ionospheric position errors. The following describes the explanation in order.

먼저 전리층 기울기로 인해 발생하는 의사거리 오차는 위 그림과 같은 도식으로 계산된다. GBAS에서는 신호 잡음을 완화하기 위해 평활화 과정을 거친 CSC (Carrier Smoothed Code) 측정치를 사용한다. 항공기와 지상국에서 100초의 동일한 시상수를 적용한 측정치의 차이값이 오차가 되며, CCD 모니터에 감지되는지 여부를 같이 확인한다. 이러한 시나리오의 시뮬레이션을 전리층 기울기의 크기, 폭, 이동속도, 초기 위치를 조절해가며 변수들의 조합으로 발생할 수 있는 모든 케이스의 시뮬레이션을 시행한 후, 각 △v 별 최대값을 찾는다First, the pseudorange error caused by the ionospheric slope is calculated as shown in the above figure. GBAS uses smoothed Carrier Smoothed Code (CSC) measurements to mitigate signal noise. The difference between the measured values using the same time constant of 100 seconds in the aircraft and the ground station becomes an error and checks whether or not it is detected by the CCD monitor. In the simulation of this scenario, the magnitude, width, movement speed, and initial position of the ionosphere slope are adjusted, and all cases that can be generated by the combination of variables are simulated, and then the maximum value for each Δv is found.

다음으로 수직 전리층 위치 오차를 계산하기 위해 최악의 전리층 이상 현상 시나리오로 두 개의 위성이 전리층 경사면에 동시에 영향을 받는 상황을 가정한다. 이 때, 수직 위치 오차는 다음 식과 같이 표현된다.Next, to calculate the vertical ionospheric position error, we assume a situation where two satellites are simultaneously affected by the ionospheric slope as the worst ionospheric anomaly scenario. At this time, the vertical position error is expressed by the following equation.

Figure 112017126178333-pat00005
Figure 112017126178333-pat00005

IEVi,j는 i, j번째 위성의 수직 전리층 위치 오차를 말하며, R은 전리층 기울기로 인해 발생할 수 있는 최대 의사거리 오차를 의미한다. 이는 사전에 시뮬레이션을 통해 테이블화된 값을 사용하며, 전리층 기울기의 속도와 위성의 이동속도 차이인 △v에 대한 함수로 표현된다. Sv,i는 i번째 위성의 수직 위성 기하 계수이며, 의사거리 오차 영역에서 위치 오차 영역으로 변환하는 상수이다.IEV i, j is the vertical ionospheric position error of the i, j th satellite, and R is the maximum pseudorange error that can occur due to the ionospheric slope. It uses the tabled values from the simulation in advance and is expressed as a function of Δv, which is the difference between the velocity of the ionospheric slope and the moving speed of the satellite. S v, i is the vertical satellite geometric coefficient of the i-th satellite and is a constant that converts from the pseudorange error region to the position error region.

수직 위성 기하 계수를 설명하면 다음과 같다.The vertical satellite geometric coefficients are explained as follows.

수신기의 위치를 기준점으로 하는 NED (North, East, Down) 좌표계에 위성의 위치를 나타내면, 기하학적인 정보인 위성의 앙각(El, Elevation)과 방위각(Az, Azimuth)을 얻을 수 있다.이렇게 획득한 N개의 위성에 대한 앙각과 방위각을 이용하여 아래 식과 같이 행렬 G (크기:N by 4)를 계산한다.행렬 G는 위성의 분포 정보를 포함하는 행렬로 GPS 위치해 산출 과정에 필수적으로 계산되는 행렬이다.By indicating the position of the satellite in the NED (North, East, Down) coordinate system with reference to the position of the receiver, the geometrical information of the satellites, El, Elevation, and Azimuth, can be obtained. Using the elevation and azimuth angles for the N satellites, the matrix G (size: N by 4) is calculated as shown in the following equation: The matrix G is a matrix containing the distribution information of the satellites, which is essential for GPS positioning calculation. .

Figure 112017126178333-pat00006
Figure 112017126178333-pat00006

행렬 W (크기: N by N)는 가중치 행렬로,각 위성 별 의사거리오차 확률분포의 분산값으로 구성된다.The matrix W (size: N by N) is a weighting matrix and consists of the variance of the pseudorange error probability distribution for each satellite.

Figure 112017126178333-pat00007
Figure 112017126178333-pat00007

수직 위성 기하 계수는 행렬 G와 행렬 W를 최소자승법으로 조합한 아래 행렬 S의 수직 방향 성분에 해당하는 원소를 의미한다.The vertical satellite geometric coefficients refer to elements corresponding to the vertical components of the matrix S below by combining the matrix G and the matrix W in the least squares method.

Figure 112017126178333-pat00008
Figure 112017126178333-pat00008

특정 위성 기하 중 구해진 가능한 모든 위성 쌍 중 유도된 IEV 중 가장 큰 값을 MIEV 라고 정의한다. 특정한 시점에 GBAS 지상 시스템으로부터 위성 N개가 관측되고 있을 때, 아래 식과 같이 위성의 Subset 기하는 N개에서 N-2개까지의 조합으로 생성된다. Subset 기하 당 모든 위성 쌍을 고려해 하나의 MIEV가 계산된다.The largest of the derived IEVs among all possible satellite pairs obtained from a particular satellite geometry is defined as MIEV. When N satellites are observed from the GBAS terrestrial system at a given point in time, the subset geometry of the satellite is generated from N to N-2 combinations as shown below. One MIEV is calculated taking into account all satellite pairs per subset geometry.

Figure 112017126178333-pat00009
Figure 112017126178333-pat00009

위와 같이 최악의 전리층 이상현상 시나리오에서 유도된 위치오차 MIEV는 TEL을 넘지 말아야 한다. TEL은 항공기의 정밀 접근을 위해 OCS (Obstacle Clearance Surface)로부터 유도되었으며, 예시로 200ft의 결정 고도에서는 28.79m로 계산된다. MIEV 값이 TEL 값을 넘었을 경우, GBAS에서는 잠재적 무결성 위협이 존재한다고 판단하게 된다.In this worst case ionospheric anomaly scenario, the location error MIEV derived should not exceed the TEL. The TEL was derived from the Obstacle Clearance Surface (OCS) for precise aircraft access, for example, at 28.79m at a 200ft altitude. If the MIEV value exceeds the TEL value, GBAS determines that a potential integrity threat exists.

GBAS에서는 이러한 잠재적 무결성 위협 완화를 위해 수직보호수준(VPL, Vertical Position Level)을 팽창한다. GBAS 지상 장치는 특정 시점, 위치에서 모든 Subset 위성 기하에 대해 아래와 같은 과정으로 보호 수준을 결정하게 된다.GBAS expands the Vertical Position Level (VPL) to mitigate these potential integrity threats. GBAS terrestrial devices determine the level of protection for all subset satellite geometries at a given point in time and location by:

Figure 112017126178333-pat00010
Figure 112017126178333-pat00010

Kffmd는 측정치 고장이 없는 가정 하에 미검출 확률의 계수를 의미하고, σi는 위성 i에 대한 오차 분포의 표준편차를 의미한다. 위의 값들을 통해 도출된 VPLHo는 모든 위성 기하의 Subset에 대해 계산되어 사전에 요구조건으로 정립된 수직경보한계와 비교된다. 수직경보한계를 넘는 Subset 기하들은 GBAS 지상 시스템에 의해 사용 승인을 불허 받는다. K ffmd is the coefficient of undetected probability under the assumption that there is no measurement failure, and σ i is the standard deviation of the error distribution for satellite i. The VPL Ho derived from the above values is calculated for every subset of satellite geometries and compared with the preliminarily established vertical alarm limits. Subset geometries above the vertical alarm limit are not approved for use by the GBAS ground system.

Figure 112017126178333-pat00011
Figure 112017126178333-pat00011

수직보호수준 계산에 이용되는 통계치는 위 식과 같이 네 개의 오차 요소로 순서대로, 지상 시스템 오차항, 대류층과 관련된 잔류 오차에 대한 오차항, 위성의 항공기 내 수신기의 측정치에 대한 오차항, 전리층 정적 상태하의 Spatial decorrelation에 기인한 잔류오차에 대한 오차항으로 구성된다. The statistics used to calculate the vertical protection level are in the order of four error elements as above, in order of the ground system error term, the error term for the residual error associated with the convective layer, the error term for the measurement of the satellite in-air receiver, and the spatial under the ionospheric static state. It consists of error terms for residual errors due to decorrelation.

GBAS 지상 시스템은 최악의 전리층 이상현상에서 잠재적 무결성 위협이 된다고 판단된 Subset 기하, 즉 MIEV가 TEL값 보다 큰 모든 Subset 기하들에 대하여 기존의 σvig에 팽창계수를 곱함으로써 수직보호수준 전체를 팽창시켜 수직경보한계보다 큰 값을 갖게 만든다. 수직보호수준이 수직경보한계 값보다 크게 만드는 Ivig를 결정하여 팽창된 무결성 파라미터를 방송한다. 항공기는 팽창된 이용하여 계산한 수직보호수준이 수직경보한계를 넘게 함으로써 위 조건(MIEV > TEL)에 해당하는 Subset 기하의 사용을 허가하지 않게 된다. 이러한 방법으로 최악의 전리층 이상현상 시나리오에서 발생하는 잠재적 무결성 위협을 완화시킨다.The GBAS terrestrial system expands the overall level of vertical protection by multiplying the expansion coefficient by the existing σ vig for all subset geometries determined to be potential integrity threats in the worst ionosphere anomalies, i.e. all subset geometries whose MIEV is greater than the TEL value. Make the value larger than the vertical alarm limit. Broadcast the expanded integrity parameter by determining I vig , which makes the vertical protection level greater than the vertical alarm limit value. The aircraft will not permit the use of the subset geometry corresponding to the above conditions (MIEV> TEL) by causing the vertical protection level calculated using the expanded to exceed the vertical alarm limit. In this way, it mitigates the potential integrity threats that occur in the worst ionospheric anomaly scenarios.

도 9는 본 발명의 LAD-GNSS(Local-Area Differential GNSS)의 전리층 의사거리 오차 산출 시뮬레이션 매개변수가 적용되는 상황을 도시한 도면이다.FIG. 9 is a diagram illustrating a situation in which an ionospheric pseudo-range error calculation simulation parameter of a Local-Area Differential GNSS (LAD-GNSS) of the present invention is applied.

이하에서, LAD-GNSS란 GNSS를 이용한 무인항공기 운항 시스템, 즉 지상국 시스템과 무인항공기 탑재 시스템을 포괄하는 용어로 사용하기로 한다.Hereinafter, LAD-GNSS will be used as a term encompassing an unmanned aerial vehicle navigation system using GNSS, that is, a ground station system and an unmanned aerial vehicle mounted system.

앞에서 기술한 기존 GBAS의 복잡한 위성기하 분별 기법을 보다 무인기 항법 시스템에 적합하도록 아래와 같이 크게 세 가지 변화를 적용한다.The following three major changes are applied to the conventional GBAS complex satellite classification technique to better suit the unmanned aerial navigation system.

1. 지상장치에서 탑재 항법장치로의 시스템 아키텍쳐 변경1. System Architecture Change from Ground Equipment to Onboard Navigation System

- 탑재 항법장치(사용자)는 자신의 측위에 사용되는 위성 기하의 조합을 알고 있기 때문에 많은 위성 조합에 대한 연산 과정이 필요하지 않다.-The onboard navigation system (user) knows the combination of satellite geometries used for its location, and does not require computation for many satellite combinations.

2. 최악의 전리층 이상현상 시나리오 변경2. Worst case of ionospheric anomaly scenario

- 두 개의 위성이 전리층 기울기에 동시에 영향 받는 기존 GBAS에서의 시나리오와 달리, LAD-GNSS에서는 하나의 위성만이 영향을 받는다고 정의한다.Unlike the scenario in GBAS, where two satellites are simultaneously affected by ionospheric slope, LAD-GNSS defines that only one satellite is affected.

3. 수직보호수준 팽창이 아닌 MIEV와 경보한계 값과의 직접 비교3. Direct comparison of MIEV and alarm limit values, not vertical protection level expansion

- 수직보호수준 팽창을 통해 특정 위성 기하의 Subset의 사용 가능 여부를 판가름했던 GBAS에서와 달리, 하나의 위성 기하에 대해서만 수행되는 LAD-GNSS에서는 MIEV 값을 경보한계 값과 직접 비교함으로써 가용여부를 판단함으로써 더욱 신속한 무인항공기에 대한 항법 제어가 가능하게 된다.-Unlike in GBAS, which determines the availability of a subset of a particular satellite geometry by expanding the level of vertical protection, LAD-GNSS, which is performed only for one satellite geometry, determines the availability by directly comparing the MIEV value with the alarm limit value. This enables faster navigation control for unmanned aerial vehicles.

이하는, 간소화된 LAD-GNSS의 탑재 위성기하 분별 알고리즘에 대한 설명이다. 먼저, GBAS에서와 마찬가지로 사전에 시뮬레이션을 기반으로 모니터에 감지되지 않은 최대 의사거리 오차를 산출한다.The following is a description of the simplified satellite geometry classification algorithm of LAD-GNSS. First, as in GBAS, the maximum pseudorange error that is not detected by the monitor is calculated based on the simulation in advance.

도 9는 의사거리 오차 시뮬레이션의 매개변수들을 나타낸 그림이다. 방향성을 고려하지 않는 GBAS에서의 시뮬레이션과 달리, 방향성에 영향을 받는 DSIGMA가 포함된 LAD-GNSS에서는 지상국의 방향각, 경사면의 이동방향, 무인기의 이동방향이 시뮬레이션 변수에 추가적으로 포함되었다. 9 is a diagram illustrating parameters of pseudo range error simulation. Unlike simulation in GBAS, which does not consider directionality, LAD-GNSS with DSIGMA affected by directionality includes the direction angle of ground station, the direction of inclined plane and the direction of drone.

도 10은 전리층 의사거리 오차 산출 시뮬레이션 매개변수 조사 범위를 나타내는 표이고, 도 11은 무인기 운용 환경에 따른 시나리오 별 최대 의사거리 오차 결과의 실시예이다.FIG. 10 is a table illustrating an investigation range of simulation parameter for ionospheric pseudorange error calculation, and FIG. 11 is an example of a maximum pseudorange error result for each scenario according to an unmanned aerial vehicle operating environment.

도 10의 표는 각 매개변수 별 설정된 조사범위인 최솟값과 최댓값, 그에 따른 간격을 나타낸다. 도 9에 나타나있지 않은 변수인 △W는 시뮬레이션 마지막 시각에 놓이는 무인기와 전리층 경사면의 상대거리를 의미하고, β는 무인기의 이동방향과 전리층 경사면의 이동방향의 차이값을 의미한다. 도 10의 표의 조사 범위에 대해 두 가지 시나리오에 대한 최대 의사거리 오차의 예시 결과를 나타내면 도 11의 표와 같다.The table of FIG. 10 shows the minimum and maximum values, the intervals according to the irradiation range set for each parameter. 9, which is not shown in FIG. 9, represents a relative distance between the drone and the ionospheric slope at the end of the simulation, and β denotes a difference value between the moving direction of the drone and the direction of the ionospheric slope. Example results of the maximum pseudorange errors for the two scenarios for the irradiation range of the table of FIG. 10 are shown in the table of FIG. 11.

도 12는 LAD-GNSS의 무인항공기에 탑재된 위성기하 분별 장치(500)가 본 발명의 위성기하 분별 방법을 수행하는 순서도이고, 도 13은 무인항공기 탑재 위성기하 분별 장치(500)의 구성을 나타내는 도면이다.FIG. 12 is a flowchart in which a satellite geometry classification apparatus 500 mounted on an unmanned aerial vehicle of LAD-GNSS performs the satellite geometry classification method of the present invention, and FIG. 13 illustrates a configuration of the satellite geometry classification apparatus 500 mounted on an unmanned aerial vehicle. Drawing.

이하에서는 도 12 및 도 13을 참조하여, 수직 전리층 위치 오차를 계산하기 위한 과정을 설명한다. Hereinafter, a process for calculating the vertical ionospheric layer position error will be described with reference to FIGS. 12 and 13.

의사거리 오차란 무인항공기 탑재 항법장치에서 구한 위치정보에, 지상국으로부터 받은 보정정보를 적용하더라도, 전리층 이상 등에 의해 여전히 남아있는 오차를 말한다.The pseudorange error refers to an error still remaining due to an ionospheric error or the like even when the correction information received from the ground station is applied to the position information obtained from the unmanned aerial vehicle equipped navigation system.

먼저 무인항공기 탑재 위성기하 분별 장치(500)에서 제어부(501)는 이하 설명하는 각 모듈을 제어하여 위성기하 분별과 관련된 일련의 처리를 수행한다. 위성기하 분별이란, 무인항공기 탑재 항법장치 또는 지상국 등, 항법 시스템으로부터의 정보에 의해 산출된 무인항공기의 현재 위치 정보가 올바른지 판단하는 것을 의미한다.First, in the unmanned aerial vehicle equipped satellite classification device 500, the controller 501 controls each module described below to perform a series of processes related to satellite geometry classification. The satellite geometry classification means determining whether the current position information of the unmanned aerial vehicle calculated by the information from the navigation system such as the unmanned aerial vehicle-equipped navigation system or the ground station is correct.

최대 의사거리 오차 산출 매개변수 수집부(502)에 의해 매개변수를 수집한다(S510). 여기의 매개변수에는, 도 9를 참조하여 전술한 바와 같이, 방향성에 영향을 받는 매개변수들인 지상국의 방향각, 경사면의 이동방향, 무인기의 이동방향 등이 포함될 수 있다. 이외에도 매개변수가 될 수 있는 것들은 도 9 및 도 10을 참조하여 설명한 바와 같다.The parameter is collected by the maximum pseudo range error calculation parameter collecting unit 502 (S510). As described above with reference to FIG. 9, the parameters may include the direction angles of the ground stations, the moving direction of the inclined plane, the moving direction of the drone, and the like, which are parameters affected by the directionality. In addition, the parameters may be the same as those described with reference to FIGS. 9 and 10.

이로부터 최대 의사거리 오차 산출부(503)는 최대 의사거리 오차를 산출한다(S520). 이러한 최대 의사거리 오차 산출은 실시간으로 매개변수들의 연산을 통해 구할 수도 있으나(S520), 도 10과 같은 매개변수 테이블을 데이터베이스(506)에 구비하여, 수집되는 매개변수들에 해당하는 최대 의사거리 오차를 데이터베이스(506)에서 찾아서 구할 수도 있다(S520).The maximum pseudo distance error calculation unit 503 calculates the maximum pseudo distance error (S520). The maximum pseudorange error calculation may be obtained through calculation of parameters in real time (S520), but the maximum pseudorange error corresponding to the collected parameters is provided in the database 506 with a parameter table as shown in FIG. 10. It may be found by finding in the database 506 (S520).

LAD-GNSS에서는 최악의 전리층 이상 현상 시나리오로 하나의 위성이 전리층 경사면에 영향받는 상황을 가정한다. 이때, 수직 위치 오차는 수학식 1과 같이 표현되며, 이에 의해 수직 전리층 위치오차 산출부(504)가 수직 전리층 위치오차를 산출한다(S530).In LAD-GNSS, the worst ionospheric anomaly scenario assumes that one satellite is affected by the ionospheric slope. At this time, the vertical position error is expressed as Equation 1, whereby the vertical ionospheric position error calculator 504 calculates the vertical ionospheric position error (S530).

Figure 112017126178333-pat00012
Figure 112017126178333-pat00012

IEVi는 i번째 위성의 수직 전리층 위치 오차를 말하며, R은 전리층 기울기로 인해 발생할 수 있는 최대 의사거리 오차를 의미한다. 이는 사전에 시뮬레이션을 통해 테이블화된 값을 사용한다. Sv,i는 i번째 위성의 수직 위성 기하 계수이며, 의사거리 오차 영역에서 위치 오차 영역으로 변환하는 상수이다. 이는 수학식 1의 S의 수직 방향 성분에 해당하는 원소임은 전술한 바와 같다.IEV i is the vertical ionospheric position error of the i-th satellite, and R is the maximum pseudorange error that can occur due to the ionospheric slope. It uses values that have been tabled in advance by simulation. S v, i is the vertical satellite geometric coefficient of the i-th satellite and is a constant that converts from the pseudorange error region to the position error region. This is an element corresponding to the vertical direction component of S of Equation 1 as described above.

LAD-GNSS의 무인항공기 탑재 항법장치(사용자)는 자신의 위성 기하를 알고 있으므로, GBAS와 같이 위성 기하의 Subset에 대한 전리층 수직 위치 오차를 구할 필요가 없다. 수직 전리층 위치오차 산출부(504)는, 위성 기하 중 구해진 가능한 모든 위성 중 유도된 IEV 중 가장 큰 값(이하 'MIEV'라 한다)을 선택한다(S540).Since the LAD-GNSS's unmanned aerial vehicle navigation system (user) knows its satellite geometry, there is no need to find the ionospheric vertical position error with respect to the subset of the satellite geometry, like GBAS. The vertical ionospheric position error calculation unit 504 selects the largest value (hereinafter referred to as 'MIEV') of the derived IEVs among all possible satellites obtained from the satellite geometries (S540).

Figure 112017126178333-pat00013
Figure 112017126178333-pat00013

특정한 시점에 GBAS 지상 시스템으로부터 위성 N개가 관측되고 있을 때, MIEV는 N개의 IEV 중 가장 큰 값으로 결정된다. 항법 시스템 가용여부 판단부(505)는 실시간으로 산출되는 MIEV 값과 운용 중인 영역에서 요구되는 위치 오차 한계(이하 '경보한계'라 한다)와의 직접 비교를 통해 실시간으로 현재 가동중인 항법 시스템(예를 들어 무인항공기 탑재 항법장치 등)의 가용 여부를 판단하여(S550), 경보한계를 넘어갈 경우 해당 항법 시스템의 사용을 중지하여 전리층 위협으로부터 사용자의 안전성을 확보한다.When N satellites are being observed from the GBAS terrestrial system at a particular point in time, the MIEV is determined to be the largest of the N IEVs. Navigation system availability determination unit 505 is a navigation system that is currently operating in real time through a direct comparison between the MIEV value calculated in real time and the position error limit (hereinafter referred to as 'alarm limit') required in the operating area (for example, For example, it is determined whether or not the unmanned aerial vehicle navigation device (S550) is available (S550), and if the alarm limit is exceeded, the use of the corresponding navigation system is stopped to secure the safety of the user from the ionosphere threat.

도 14는 GBAS에서의 최대 의사거리 오차 산출 시뮬레이션 결과(a)와 본 발명의 LAD-GNSS의 최대 의사거리 오차 산출 시뮬레이션 결과(b)를 대비하여 나타낸 도면이다.FIG. 14 is a view showing the maximum pseudo range error calculation simulation result (a) in GBAS compared with the simulation result (b) of the maximum pseudo distance error of LAD-GNSS according to the present invention.

도 14(a)에서, 기존 GBAS에서 시행된 최대 의사거리 오차 산출 시뮬레이션의 결과는 아래 그림과 같이 상대 속도로 표현된다. 파란선은 실제 시뮬레이션을 통해 계산된 최대 의사거리 오차의 최대값이고, 빨간선은 계산을 용이하게 하기 위해 선형으로 모델링된 수식이다.실제 운용 시에는 빨간선의 값을 사용하게 된다. 상대속도가 0에 가까울수록GBAS 지상국에서 작동하는 CCD 모니터에 전리층 경사면이 감지되기 어렵기 때문에, 대체로 0 근처에서 최대 의사거리 오차는 최대값을 갖는다.In FIG. 14 (a), the results of the simulation of calculating the maximum pseudo distance error performed in the existing GBAS are represented by relative speed as shown in the following figure. The blue line is the maximum pseudo-range error calculated by the actual simulation, and the red line is a model modeled linearly to facilitate the calculation. In actual operation, the red line value is used. The closer the relative speed is to zero, the less likely the ionospheric slope is to be detected by CCD monitors operating in GBAS ground stations, so the maximum pseudorange error near zero usually has a maximum value.

도 14(b)에서, 반면,UAV(무인항공기)용 간소화된 시스템인 본 발명의 LAD-GNSS에서는 단 하나의 위성이 전리층 경사면에 영향 받는 상황을 최악의 상황으로 가정한다. 기존 GBAS는 사람이 탑승하는 유인항공기의 항법을 지원하는 시스템이므로 발생 확률이 미미한 두 개 위성이 동시에 영향받는 상황을 최악의 시나리오로 선정하였지만, UAV의 경우 유인항공기에 비해 상대적으로 인명 피해의 위험이 적고 시스템의 가용성 및 활용성을 높이기 위해 단 하나의 위성이 영향받는 상황만을 고려하는 것이다.In FIG. 14 (b), on the other hand, in the LAD-GNSS of the present invention, which is a simplified system for UAV (unmanned aerial vehicle), it is assumed that the worst case is a situation where only one satellite is affected by the ionospheric slope. Since GBAS is a system that supports the navigation of manned manned aircraft, the worst case scenario is the situation where two satellites with a small probability of occurrence are affected at the same time.However, UAV is more dangerous than human aircraft. It only considers the situation where only one satellite is affected in order to increase the availability and usability of the system.

이때, 하나의 위성이 영향받는 시나리오에서는 GBAS에서처럼 전리층 경사면의 이동방향을 결정할 근거가 없으므로 임의의 모든 방향에 대해 수직 전리층 위치 오차 계산을 수행하게 된다. 상대 속도는 경사면의 이동방향에 따라 다른 값을 갖게 될 것이다.In this scenario, since there is no basis for determining the direction of movement of the ionosphere inclined plane as in GBAS, the vertical ionospheric position error is calculated for all directions. The relative speed will have a different value depending on the direction of movement of the inclined plane.

수학식 2에서, i번째 위성에 대한 수직 전리층 위치 오차 계산식을 살펴보면,sv,i는 전리층 경사면의 이동방향에 무관하게 현재 수신되는 전체 위성의 분포에 따라 결정되는 파라미터이다. 따라서,모든 이동방향에 대한 최대 수직 전리층 위치 오차를 구하는 과정은 최대 의사거리 오차의 최대값을 찾는 과정과 동일하다. 즉, 최대 의사거리 오차가 최대값을 갖는 때의 상대속도를 갖도록 전리층 경사면이 움직이고 있는 상황이 최악의 시나리오가 되는 것이다. 이러한 이유로 LAD-GNSS에서는 최대 의사거리 오차를 상수 모델로 적용하여 사용하고 있다.In Equation 2, when looking at the vertical ionospheric position error calculation formula for the i-th satellite, s v, i is a parameter that is determined according to the distribution of all satellites currently received regardless of the direction of movement of the ionospheric slope. Therefore, the process of finding the maximum vertical ionospheric position error for all the moving directions is the same as the process of finding the maximum value of the maximum pseudorange error. In other words, the worst case scenario is a situation in which the ionospheric slope is moved to have a relative speed when the maximum pseudorange error has a maximum value. For this reason, LAD-GNSS uses the maximum pseudo distance error as a constant model.

아래 그림은 LAD-GNSS에서 산출된 최대 의사거리 오차 시뮬레이션의 결과 그래프를 나타낸다.각 색깔 선들은 전리층 경사면의 크기(g)에 다라 계산된 최대 의사거리 오차이고,검은 선은 모든 잠재적 전리층 위협 범위에 대해 계산된 상수 형태의 최대 의사거리 오차 모델을 나타낸다. GBAS에서와 마찬가지로, 상대 속도가 0에 가까울수록 지상국에서 작동하는 CCD 모니터와 탑재장치에서 작동하는 DSIGMA가 경사면을 감지하기 어려워 최대 의사거리 오차가 크게 나타난다.The figure below shows a graph of the results of the simulation of the maximum pseudorange error calculated from LAD-GNSS, where each colored line is the maximum pseudorange error calculated according to the size of the ionospheric slope (g), and the black lines cover all potential ionospheric threat ranges. It represents the maximum pseudorange error model of the constant form calculated for. As with GBAS, the closer the relative speed is to zero, the larger the pseudorange error is, as the CCD monitors operating at ground stations and DSIGMAs operating on payloads are less likely to detect slopes.

10,20: 지상국
100: 지상국
200: 위성
300: 전리층 측정치 검증 시스템
500: 무인항공기 탑재 위성기하 분별장치
10,20: ground station
100: ground station
200: satellite
300: ionospheric measurement verification system
500: satellite geometry classification device

Claims (14)

GNSS 전리층 측정치 검증 시스템이, GNSS 전리층 측정치에 대하여 실제 발생한 전리층 이상인지 여부에 대한 검증을 수행하는 방법으로서,
(a) 특정 지상국으로부터 전리층 이상 발생을 감지하는 단계;
(b) 상기 지상국 주변의, 기 설정된 거리 내에 있는 지상국 리스트를 탐색하는 단계;
(c) 상기 이상이 발생한 지상국-위성 조합의 이상과 비교하여 기 설정된 기준 범위 내에 있는 양상을 보이는 위성-지상국 조합들을 분류하는 단계;
(d) 상기 단계(c)에서 분류된 위성-지상국 조합 후보들의 전리층 기울기를 구하고, 미리 설정된 임계값과 비교하여 상기 이상이 발생한 지상국-위성 조합과 대비하기 위한 최종 후보군을 선정하는 단계; 및
(e) 이상이 관측된 위성-지상국 조합과, 상기 단계(d)에서 선정된 상기 최종 후보군과의 비교를 통하여, 관측된 전리층 기울기가 실제 현상인지 여부를 검증하거나, GNSS 측정치 기반으로 구축된 전리층 지도를 활용하여 이상이 발생한 위성-지상국 조합과, 극심한 전리층 후보군의 전리층 이상현상을 시각화함으로써, 관측자로 하여금 이상현상을 직접 판단할 수 있는 시각화 자료를 제공하는 단계
를 포함하는 GNSS 전리층 측정치 검증 방법.
A method in which a GNSS ionospheric measurement verification system performs verification on whether GNSS ionospheric measurement is actually an abnormal ionosphere or more.
(a) detecting the occurrence of an ionospheric fault from a particular ground station;
(b) searching a list of ground stations within a predetermined distance around the ground station;
(c) classifying satellite-ground station combinations exhibiting an aspect within a predetermined reference range compared to the abnormality of the ground station-satellite combination in which the abnormality has occurred;
(d) determining an ionospheric slope of the satellite-ground station combination candidates classified in step (c), and selecting a final candidate group for comparison with the ground station-satellite combination in which the abnormality has occurred by comparing with a preset threshold value; And
(e) by comparing the observed satellite-ground station combination with the final candidate group selected in step (d) to verify whether the observed ionospheric slope is a real phenomenon, or an ionospheric layer constructed based on GNSS measurements. Using the map to visualize the satellite-ground station combination where the abnormality occurred and the ionospheric anomaly of the extreme ionosphere candidate group, providing the viewer with visualization data to directly determine the anomaly.
GNSS ionospheric measurement verification method comprising a.
청구항 1에 있어서,
상기 단계(a)의 전리층 이상은,
전리층 기울기가 기 설정된 정상값의 범위보다 큰 것을 의미하는 것
을 특징으로 하는 GNSS 전리층 측정치 검증 방법.
The method according to claim 1,
More than the ionizing layer of the step (a),
Means that the ionospheric slope is greater than the preset normal range
GNSS ionospheric measurement verification method characterized in that.
청구항 1에 있어서,
상기 단계(c)의 전리층 이상 양상의 유사여부 판단은,
패턴인식 알고리즘을 적용하여 TEC(Total Electron Content) 변화 양상이 서로 기 설정된 기준 범위 내에 있는지 여부로써 판단하는 것
을 특징으로 하는 GNSS 전리층 측정치 검증 방법.
The method according to claim 1,
Determination of similarity of the ionospheric abnormality phase of step (c),
The pattern recognition algorithm is applied to determine whether changes in TEC (Total Electron Content) are within a predetermined reference range.
GNSS ionospheric measurement verification method characterized in that.
삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 단계(d)에서의 전리층 기울기는,
각 지상국에서, 특정 위성을 추적하는 해당 단일 지상국을 조합으로 활용하여 time-step 방법을 통하여 구해지며,
상기 time-step 방법에 의한 기울기는,
연속된 시각 t 1 , t 2 의 전리층 측정치 TECi ,k(t1)와 TECi ,k(t2)를 차분하고, 해당 시간 동안 TEC 최대 밀도 고도에서의 시선 벡터 이동 거리를 나누어 계산하는 것
을 특징으로 하는 GNSS 전리층 측정치 검증 방법.
The method according to claim 1,
The ionospheric slope in step (d) is
In each ground station, it is obtained through the time-step method by using the combination of a single ground station that tracks a specific satellite.
The slope by the time-step method,
Sequential time t 1 , t 2 To calculate the ionospheric measurements of TEC i , k (t 1 ) and TEC i , k (t 2 ) and divide by the line of sight vector travel at the TEC maximum density altitude during that time.
GNSS ionospheric measurement verification method characterized in that.
청구항 1에 있어서,
관측된 전리층 기울기가 실제 현상인지 여부에 대한 상기 단계(e)에서의 검증은,
극심한 기울기가 관측된 위성-지상국 조합과, 극심한 전리층 기울기 후보군과의 비교를 통하여, 관측된 전리층 기울기가 실제 현상인지 여부를 검증하여 판단하여 결과를 제공하는 방식으로 수행되는 것
을 특징으로 하는 GNSS 전리층 측정치 검증 방법.
The method according to claim 1,
The verification in step (e) of whether the observed ionospheric slope is a real phenomenon,
By comparing the satellite-ground station combination where the extreme slope is observed with the extreme ionospheric slope candidate group, verifying whether the observed ionospheric slope is a real phenomenon, and determining and providing the result.
GNSS ionospheric measurement verification method characterized in that.
청구항 6에 있어서,
상기 시각화 자료에는,
최종 선정된 위성-지상국의 시선벡터를 지도에 표시하여 동일한 현상에 의해서 기 설정된 기준값보다 큰 기울기를 보였는지 확인할 수 있는 내용을 포함하는 것
을 특징으로 하는 GNSS 전리층 측정치 검증 방법.
The method according to claim 6,
In the visualization data,
The line of sight of the last selected satellite-ground station is displayed on the map and includes information that can confirm whether the slope is greater than the preset reference value by the same phenomenon.
GNSS ionospheric measurement verification method characterized in that.
GNSS 전리층 측정치에 대하여 실제 발생한 전리층 이상인지 여부에 대한 검증을 수행하는 장치로서,
데이터베이스 상의 각 지상국들의 전리층을 모니터링하여, 전리층에 이상이 발생하였는지 여부를 모니터링하는 전리층 이상 발생 모니터링부;
전리층에 이상이 발생한 경우, 전리층 이상이 발생한 지상국 주변의, 기 설정된 거리 내에 있는 지상국의 리스트를 탐색하는 역할을 수행하는 인접 지상국 탐색부;
상기 이상이 발생한 지상국-위성 조합의 이상과 비교하여 기 설정된 기준 범위 내에 있는 양상을 보이는 지상국-위성 조합을 분류해내는 유사 전리층 이상 양상 지상국 분류부;
분류된 위성-지상국 조합 후보들의 전리층 기울기를 구하고, 미리 설정된 임계값과 비교하여 상기 이상이 발생한 지상국-위성 조합과 대비하기 위한 최종 후보군을 선정하는 전리층 기울기 추정부;
이상이 관측된 위성-지상국 조합과, 상기 전리층 기울기 추정부에 의해 선정된 상기 최종 후보군과의 비교를 통하여, 관측된 전리층 기울기가 실제 현상인지 여부를 검증하거나, GNSS 측정치 기반으로 구축된 전리층 지도를 활용하여 이상이 발생한 위성-지상국 조합과, 극심한 전리층 후보군의 전리층 이상현상을 시각화함으로써, 관측자로 하여금 이상현상을 직접 판단할 수 있는 시각화 자료를 제공하는 전리층 측정치 검증부; 및
전리층 측정치 검증 시스템의 상기 각 모듈을 제어하여 전리층 측정치의 변화가 실제 전리층에서 일어난 현상인지를 검증하는 일련의 과정을 수행하도록 하는 제어부
를 포함하는 GNSS 전리층 측정치 검증 시스템.
A device for verifying whether an anomalous anomalous occurrence actually occurs with respect to GNSS ionospheric measurement.
An ionospheric fault occurrence monitoring unit for monitoring an ionospheric layer of each ground station on a database to monitor whether an anomaly occurs in the ionosphere;
A neighboring ground station search unit for searching for a list of ground stations within a predetermined distance around the ground station where the ionospheric fault has occurred, when an abnormality occurs in the ionosphere;
A similar ionospheric fault pattern ground station classification unit for classifying a ground station-satellite combination exhibiting an aspect within a preset reference range compared to the abnormality of the ground station-satellite combination in which the abnormality has occurred;
An ionospheric slope estimator for determining an ionospheric slope of classified satellite-ground station combination candidates and selecting a final candidate group for comparison with the ground station-satellite combination in which the abnormality occurs by comparing with a preset threshold;
By comparing the observed satellite-ground station combination with the final candidate group selected by the ionospheric gradient estimator, it is possible to verify whether the observed ionospheric slope is a real phenomenon or to construct an ionospheric map constructed based on GNSS measurements. An ionospheric measurement verification unit which visualizes an anomalous satellite-ground station combination and an ionospheric anomaly of an extreme ionosphere candidate group, thereby providing a visualization data that allows an observer to directly determine an anomaly; And
Controlling each module of the ionospheric measurement verification system to perform a series of steps to verify whether a change in the ionospheric measurement is actually a phenomenon in the ionosphere.
GNSS ionospheric measurement verification system comprising a.
청구항 8에 있어서,
상기 전리층 이상은,
전리층 기울기가 기 설정된 정상값의 범위보다 큰 것을 의미하는 것
을 특징으로 하는 GNSS 전리층 측정치 검증 시스템.
The method according to claim 8,
The ionospheric layer or more,
Means that the ionospheric slope is greater than the preset normal range
GNSS ionospheric measurement verification system, characterized in that.
청구항 8에 있어서,
상기 전리층 이상 양상의 유사여부 판단은,
패턴인식 알고리즘을 적용하여 TEC(Total Electron Content) 변화 양상이 서로 기 설정된 기준 범위 내에 있는지 여부로써 판단하는 것
을 특징으로 하는 GNSS 전리층 측정치 검증 시스템.
The method according to claim 8,
Determination of similarity of the ionospheric abnormality phase,
The pattern recognition algorithm is applied to determine whether changes in TEC (Total Electron Content) are within a predetermined reference range.
GNSS ionospheric measurement verification system, characterized in that.
삭제delete 청구항 8에 있어서,
상기 전리층 기울기는,
각 지상국에서, 특정 위성을 추적하는 해당 단일 지상국을 조합으로 활용하여 time-step 방법을 통하여 구해지며,
상기 time-step 방법에 의한 기울기는,
연속된 시각 t 1 , t 2 의 전리층 측정치 TECi ,k(t1)와 TECi ,k(t2)를 차분하고, 해당 시간 동안 TEC 최대 밀도 고도에서의 시선 벡터 이동 거리를 나누어 계산하는 것
을 특징으로 하는 GNSS 전리층 측정치 검증 시스템.
The method according to claim 8,
The ionospheric slope is
In each ground station, it is obtained through the time-step method by using the combination of a single ground station that tracks a specific satellite.
The slope by the time-step method,
Sequential time t 1 , t 2 To calculate the ionospheric measurements of TEC i , k (t 1 ) and TEC i , k (t 2 ) and divide by the line of sight vector travel at the TEC maximum density altitude during that time.
GNSS ionospheric measurement verification system, characterized in that.
청구항 8에 있어서,
관측된 전리층 기울기가 실제 현상인지 여부의 검증은,
극심한 기울기가 관측된 위성-지상국 조합과, 극심한 전리층 기울기 후보군과의 비교를 통하여, 관측된 전리층 기울기가 실제 현상인지 여부를 검증하여 판단하여 결과를 제공하는 방식으로 수행되는 것
을 특징으로 하는 GNSS 전리층 측정치 검증 시스템.
The method according to claim 8,
Verification of whether the observed ionospheric slope is a real phenomenon is
By comparing the satellite-ground station combination where the extreme slope is observed with the extreme ionospheric slope candidate group, verifying whether the observed ionospheric slope is a real phenomenon, and determining and providing the result.
GNSS ionospheric measurement verification system, characterized in that.
청구항 13에 있어서,
상기 시각화 자료에는,
최종 선정된 위성-지상국의 시선벡터를 지도에 표시하여 동일한 현상에 의해서 기 설정된 기준값보다 큰 기울기를 보였는지 확인할 수 있는 내용을 포함하는 것
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The method according to claim 13,
In the visualization data,
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