단일 스테이션 기반 항법 시스템은 위성항법시스템(GNSS)을 사용할 수 없는 환경에서 유효한 대체항법 솔루션으로 활용될 수 있다. 본 시스템은 하나의 송신 모듈에 연결된 복수의 안테나 배열을 통해 신 호를 송신하고, 정밀한 반송파 위상 측정치를 이용하여 사용자의 3차원 위치를 결정한다. 특히 도심항공교통(UAM) 운용 시, 버티포트에 정밀 접근하는 과정에서 GNSS 부재 또는 열악한 수신 환경에 직 면할 수 있으며, 이러한 운용 조건에서는 단일 스테이션 기반의 독립적 항법 시스템이 유효한 대안이 될 수 있다. 본 연구에서는 기존 문헌에서 제시된 UAM 사용자의 위치 정확도 요구조건을 기반으로, 2022 EASA 버티포트 설계 가이드라인을 참고하여 사용자 위치 환경을 설정하고, 이에 적합한 단일 스테이션 기반 항법 시스템을 설계 및 최적화하였다. 제안된 시스템은 복수의 송신 안테나로 구성되며, 유 전 알 고리즘을 활용하여 수평 및 수직 위치 정확도 지표(WHDOP, WVDOP)의 최대값과 안테나 간 최대 간격을 동시에 최소화하는 최적 안테나 배치를 도출한다. 또한, 정지 상태 사용자에서 발생할 수 있는 미 지 정수 결정의 불확실성을 개선하기 위해 스테이션 회전 개념을 도입하였으며, 회전 타이밍 오차가 사용자 위치 정확도에 미치는 영향을 시뮬레이션 기반으로 정량적으로 분석하였다.

Optimization of Antenna Placement and Analysis of Rotation Errors in a Single-Station-Based Positioning System for UAM Vertiports

Sunhwan Gwon, O-Jong Kim*

A single-station-based positioning system can serve as an effective alternative solution in environments where Global Navigation Satellite System (GNSS) signals are unavailable. This system estimates a user's three-dimensional position using precise carrier-phase measurements from signals transmitted through an antenna array connected to a single transmission module. In particular, during urban air mobility (UAM) operations, GNSS-denied or degraded signal conditions may arise when performing precision approaches to vertiports. Under such circumstances, a single-station-based independent positioning system offers a viable alternative. In this study, a single-station-based navigation system was designed and optimized based on the positioning accuracy requirements for UAM users proposed in previous literature, with the user location environment configured in accordance with the 2022 EASA vertiport design guidelines. The proposed system comprises multiple transmitting antennas, and the optimal antenna configuration is derived using a genetic algorithm to simultaneously minimize the maximum values of the horizontal and vertical dilution of precision (WHDOP and WVDOP) as well as the maximum inter- antenna distance. In addition, to mitigate ambiguity resolution challenges for stationary users, a station rotation concept is introduced. The impact of rotation timing errors (RTE) on user positioning accuracy is quantitatively analyzed through simulation.

Keywords: single-station-based positioning system, antenna placement optimization, ambiguity resolution, rotation timing error

Speaker 권순환 세종대학교