도심항공교통(Urban Aerial Mobility, UAM)은 사람이 탑승하는 특성상 생명안전(Safety-of-Life) 보장이 요구되는 항법이 필수적이며, 이는 높은 위치 정확도와 무결성 감시를 필요로 한다. 도심을 비행하 는 UAM의 운용환경을 고려하였을 때 위성항법을 항법 솔루션으로 활용하였을 때 가장 큰 위협요인은 다중경로 오차이다. 도심에 존재하는 고층 빌딩에 의해 위성 가시성이 제한되고 위성항법 신호 반사에 의 해 극심한 다중경로 오차가 발생하여 의사거리 측정치에 큰 오차를 발생시킬 수 있다. 한편, 반송파 위상의 경우 수 십 m에 이를 수 있는 의사거리 측정치 내 다중경로 오차에 비해 그 영향이 최대 ¼ 파장 정 도로 작다고 알려져 있다. 기존의 반송파 위상 기반 항법은 미지정수 결정을 필요로 하며, 고정확도 항법 및 무결성 보장을 위해서는 정확한 미지정수의 결정이 보장되어야 한다. 본 논문에서는 반송파 위상 기반 항법을 수행하면서도 미지정수 결정이 필요하지 않은 시간차분 반송파 위상을 활용한 고정확도 항법 및 무결성 감시 알고리즘인 Accumulated Time Difference Carrier Phase Receiver Autonomous Integrity Monitoring (ATDCP RAIM)을 제안한다. 기존의 Relative RAIM에 비해 위성 가시성 변화가 극심한 환경에서도 급격한 변화 없이 연속적인 항법해 및 보호수준 제공이 가능하다. 제안된 알고리즘은 기 존 TDCP RAIM과 항법해 계산 방법은 동일하나, 고장 상황 가설에서 고장 감시 가능한 time window를 UAM 착륙전 접근 비행단계 전체 영역으로 증가하여 보다 현실적인 가정을 사용하였다. 시뮬레이션 을 통한 성능 검증 결과 ATDCP RAIM 및 TDCP RAIM은 위성 가시성에 상관없이 일관된 보호수준 결과를 제공하며, 도심 환경에서 위성 가시성이 감소된 상황에서도 lateral precision with vertical guidance at 200 feet (LPV-200) 요구조건을 만족함을 확인하였다.

Accumulated Time-Difference Carrier Phase RAIM for Urban Aerial Mobility

Junesol Song, Hojoon Jeong, Changdon Kee*

Due to the human-carrying nature of Urban Aerial Mobility (UAM), the navigation system used must ensure Safety-of-Life, necessitating high positioning accuracy and integrity monitoring. A major challenge of applying satellite navigation in urban environments is multipath error, which becomes particularly severe due to limited satellite visibility and signal reflections caused by high-rise buildings. These reflections can lead to significant errors in pseudorange measurements. On the other hand, the multipath error in carrier-phase measurements is known to be relatively small—typically no more than a quarter of a wavelength—compared to the several-meter errors in pseudorange. However, carrier-phase-based navigation methods such as Real-Time Kinematic require integer ambiguity resolution, which is computationally intensive and difficult to validate. Float solutions from Precise Point Positioning (PPP) suffers from long convergence times (20–30 minutes), limiting its practical use unless the filter is pre- converged before mobility operations. To address these limitations, this paper proposes a high-accuracy navigation and integrity monitoring algorithm based on time-differenced carrier phase measurements, Accumulated Time Difference Carrier Phase Receiver Autonomous Integrity Monitoring (ATDCP RAIM). Compared to existing Relative RAIM (RRAIM) methods, the proposed approach offers continuous navigation solutions and protection level even under severe satellite visibility changes. While the navigation solution method of the proposed algorithm is the same as traditional TDCP RAIM, it extends the fault monitoring time window across the entire UAM approach and landing phase, adopting more realistic fault assumptions. Simulation results demonstrate that both ATDCP RAIM and TDCP RAIM meet the LPV- 200 (Lateral Precision with Vertical Guidance at 200 feet) performance requirements even in urban environments with reduced satellite visibility.

Keywords: GPS, time difference carrier phase, integrity monitoring, UAM

Speaker 송준솔 수원대학교