Geo-fencing은 무인항공기 운용의 안전성을 위협할 수 있는 문제를 최소화하기 위해, 전체 공역을 둘로 분할하여 운용하는 방식이다. 두 영역 중, 하나는 기체가 운용을 수행하는 영역으로 Stay-in 영역, 다른 하나는 기체가 침범해서는 안 되는 영역으로 Stay-out 영역이다. 미항공우주국 (NASA)에서는 geo-fencing 운용의 안전성을 보장하기 위해 Stay-out 영역으로의 침범을 방지할 수 있는 geo-fencing function의 프로토타입인 SAFEGUARD를 개발하였다. SAFEGUARD는 항법 시스템으로부터 산출된 무인항공기의 위치를 Stay-out 영역과 Stay-in 영역 경계와 비교하여 기체가 Stay-in 영역에서만 운용을 수행하도록 한 다. 따라서 SAFEGUARD 기반 운용의 안전성은 항법 시스템 성능에 크게 의존하기 때문에, 항법 시스템의 불확실성을 반드시 고려해야 한다. 사전연구에서 SAFEGUARD와 같은 geo-fencing function을 사용한 무인항공기의 항법 불확실성을 고려하기 위해 항법 시스템으로부터 산출된 위치해가 아닌 위치 오차 경계 기반의 geo-fencing 운용 방식을 제안하였다. 해당 연구에서는 항법 시스템 오차 (Navigation System Error) 모델과 운용의 위험성 평가를 기반으로 위치 오차 경계를 산출하였으며, 산출된 위치 오차 경계를 Stay-out 영역 경계와 비교하는 방식의 운용을 제안하였다. 하지만 해당 연구에서는 의사거리 측정치를 사용하는 GPS 단일 항법 시스템의 사용을 가정하여 위치 불확실성만을 고려하였다. 따라서 기체의 속도 불확실성에 의한 Stay-out 영역의 침범 가능성에 대한 고려가 부족하다. 본 연구에서는 위치 오차 경계 기반의 geo-fencing function 사용상황에서, 속도 불확실성으로 인한 Stay-out 영역의 침범을 방지하기 위해 속도와 위치를 동시 추정하고, 속도 추정치를 기반으로 위치를 업데이트하는 칼만필터 기반의 종방 향 (Along-Track) 위치 오차 모델을 활용하였다. 또한, GNSS 고장에 대한 안전성 보장을 위해 칼만필터 이노베이션을 검정 통계량으로 사용하는 Receiver Autonomous Integrity Monitor (RAIM)를 적용하였으며, 정확한 속도 산출을 위해 의사거리 측정치와 함께 의사거리 변화율 측정치를 사용하는 경우를 위한 위치 오차 경계 산출 방법론을 제안하였다.

Kalman Filter RAIM Based Along-Track Position Error Bound

GiHun Nam, JunSoo Kim, Jiyun Lee*

Geo-fencing is one method operating Unmanned Aerial Vehicle (UAV) with two specific operational volume to minimize risk of collateral damage. One is stay-in region for hazards outside of the approved operational area, and the other is stay-out region for hazards within the operational area. National Aeronautics and Space Administration (NASA) has developed a prototype of geo-fencing function, SAFEGUARD, which can provide a means of enforcing geospatial stay-in and stay-out regions. SAFEGUARD monitors violation of stay-out region by comparing the UAV position estimate with boundary points designating stay-out regions. Thus, operational safety with SAFEGUARD highly depends on navigation system performance, and SAFEGUARD has to consider navigation system uncertainty. For SAFEGUARD system safety against navigation system uncertainty, prior work has proposed geo-fencing system monitoring violation using position error bound, not position estimate, and the position error bound is computed based on navigation system error model and fatality expectation approach. However, prior work considers uncertainty of position estimate only based on GPS standalone system with pseudorange measurement. Therefore, there are still some hazardous conditions violating stay-out region due to velocity uncertainty which can be critical for high dynamic operation. To address position uncertainty induced by velocity uncertainty, we use Kalman filter based along-track position error model, because Kalman filter estimates position and velocity simultaneously and updates position state with estimated velocity. In addition, for GNSS failure, Receiver Autonomous Integrity Monitor (RAIM), which uses Kalman filter innovation as a test statistic, is applied, and we propose a methodology to compute the position error bound under GNSS failure for the case using the pseudorange rate measurement with the pseudorange measurement.

Keywords: geo-fencing, navigation system error, position error bound, receiver autonomous integrity monitor

Speaker 남기훈 한국과학기술원