최근 Federal Aviation Administration (FAA)을 주축으로 2028년까지 미국 도심에서 Advanced Air Mobility (AAM) 운용 시행을 목표로 한 Innovate28 (I28)이 진행 중에 있다. I28에서 FAA의 주된 역할은 상 용항공기에 요구되는 가장 높 은 수준의 안전성을 AAM 운용에서 보장하는 것으로, 이를 위해서는 환경 변화에 강건한 고신뢰성 항법 시스템이 기반이 되어야 한다. 칼만필터 기반 GNSS/INS 융합 항법 시스템은 건물, 장애물이 산 재한 도심 운용에 취약할 수 있는 GNSS의 한계점을 INS로 보완하여 강건한 항법해를 제공한다. 하지만 INS의 자체적인 불확실성에 취약하여 이를 완화하기 위해 다중 INS 기반의 분산형 칼만필터 시스템이 제안되었다. 해당 시 스템은 단일 INS를 사용하는 복 수의 병렬필터로 구성되어 있으며, 모든 필터가 동일한 GNSS 측정치를 공유한다. 따라서 병렬적으로 INS 고장을 검출하기 위한 모니터를 수행할 수 있으며, 해당 모니터들은 GNSS 측정치 공유로 발 생하는 연관성을 갖는다. 본 연 구에서는 고신뢰성 분산형 칼만필터 기반 항법 시스템을 위한 무결성 알고리즘의 효율적 설계를 목표로 병렬 INS 고장 모니터 간의 연관성을 고려한 연속성 최적 분배 방법론을 제안한다. INS 고장 검 출을 위한 이노베이션 벡터 모 니터 기반의 사전연구를 바탕으로 벡터 모니터보다 덜 보수적인 위치 영역 모니터를 사용한 시스템의 연속성 위협확률을 정의하며, 연속성 요구조건을 충족하면서 모니터의 미검출 고장에 의한 위치 바이어스를 목적함수로 갖는 연속성 최적 분배 문제를 정의한다. 해당 최적화 문제에 대한 분석을 기반으로 최적해가 만족해야 하는 이론적 조건을 도출하며, 이를 만족하는 해를 연속성 위협확률에 대한 일차원 탐색을 통해 산출 하는 방법론을 제안한다.

Optimal Continuity Allocation for a Decentralized Kalman Filter-based GNSS/Multi INS Integrated Navigation System

Gihun Nam, Jiyun Lee*

Innovate28 (I28) is currently underway in collaboration with the FAA, aiming to initiate Advanced Air Mobility (AAM) operations flying between multiple origins and destinations at one or more locations in the United States by 2028. The FAA's primary role in I28 is to ensure the highest level of operational safety, which defines the standards for commercial aviation in AAM operations. To achieve this, a reliable and robust navigation system is essential. Kalman filter (KF)-based GNSS/INS integrated navigation system can provide a robust navigation solution by supplementing GNSS with an INS to address the vulnerability of GNSS in urban environments such as signal loss. However, the uncertainties of INS can pose potential threats to users. To alleviate these uncertainties, a decentralized KF system utilizing multiple INS has been introduced. This system comprises parallel filters that share the same GNSS measurements, enabling the implementation of parallel monitors for INS fault detection. These monitors are correlated due to their reliance on GNSS measurements. In this study, we propose an optimal continuity allocation method addressing the correlation between parallel INS fault monitors to design an efficient integrity algorithm for a reliable decentralized KF-based navigation system. We define the continuity risk of the system using a position domain monitor, which is less conservative than the vector monitor used in previous work on innovation vector monitoring for INS fault detection. To identify the optimal continuity allocation method, we formulate an optimization problem that minimizes the position bias caused by an undetected fault while meeting the continuity requirement. We derive the theoretical conditions that the optimal solution must satisfy and propose a calculation method that determines the solution through a one-dimensional (1-D) search for assessing the continuity risk.

Keywords: advanced air mobility, decentralized filter, INS, innovation, continuity allocation

Speaker 남기훈 한국과학기술원