guest ::
Design of an integrity support message for offline advanced RAIM
2019
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2019
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak06
Hauptberichter/Gutachter
; ;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-05-13
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-05834
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/762736/files/762736.pdf
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
GNSS integrity (frei) ; avitation (frei) ; safety-of-life (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3
Kurzfassung
Die Modernisierung von GPS mitsamt der Entstehung neuer GNSS-Konstellationen eröffnet neue Möglichkeiten für die Neugestaltung des herkömmlichen RAIM (Receiver Autonomous Integrity Monitoring), um den anspruchsvolleren Navigationsanforderungen gerecht zu werden. Die Weiterentwicklung von Legacy zu Advanced RAIM wird in den nächsten Jahren Realität werden dank redundanter Messungen, welche die Integrität, Kontinuität und Genauigkeit der Navigation auf globaler Ebene garantieren. Damit ARAIM-Benutzer diese Leistungsmetriken auswerten können, müssen Informationen aus dem Bodensegment in der Integrity Support Message (ISM) gekapselt werden. Der erste Parametersatz, der in dieser Nachricht gesendet wird, definiert die einzelnen Satelliten- und Konstellationsfehlerraten, die die betrieblichen Verpflichtungen von GNSS widerspiegeln. Der zweite Parametersatz liefert die notwendigen Parameter, um eine Integritäts- und eine Genauigkeitsschranke für störungsfreie Satellitenentfernungsfehler zu erzeugen, welche durch GNSS-Leistungscharakterisierung bewertet werden müssen. Um diesem Bedarf gerecht zu werden, konzentriert sich die vorliegende Arbeit auf den Entwurf einer ISM unter Verwendung der Theorien und Methoden zur Überwachung der GNSS-Leistung, der Analyse der Fehlerkorrelation, der Stichprobenunabhängigkeit und des Overbounding. In dieser Dissertation wird eine Methode vorgestellt, mit der die derzeit bereitgestellten Multi-GNSS-Experiment-Bodeninfrastrukturen genutzt werden können, um den Aufbau eines zukünftigen Bodennetzes eines Flugsicherungsdienstanbieter (Air Navigation Service Provider) zu emulieren. Eine zentrale Herausforderung dieser Technik ist das Einrichten einer Sicherheitsschicht zwischen Orbit- und Uhrenfehlern und der ISM-Erzeugung. Die Schicht garantiert, dass keine künstlichen Fehler durch die Verarbeitung eingeführt werden und gleichzeitig, dass keine störenden Ereignisse aufgrund von fehlenden Daten übersehen werden. Mit diesem Monitor werden GPS- und Galileo-Serviceverlaufsdaten analysiert. Dadurch werden eine umfassende Ephemeriden- und Uhrenfehlercharakterisierung zur Verfügung gestellt. Eine Neuheit, die in dieser Arbeit vorgestellt wird, ist die zeitabhängige Analyse, welche die hohe Korrelation aufdeckt, die sich direkt auf den Signal-in-Space-Range-Error (SISRE) auswirkt. Basierend auf einer Untersuchung der Schätzungsvarianz präsentiert diese Dissertation eine analytische Methodik zur Bestimmung der Zeit zwischen tatsächlich unabhängigen Stichproben. Die Ergebnisse zeigen, dass GPS und Galileo ein signifikant unterschiedliches Korrelationsverhalten aufweisen und dass die europäische Konstellation von diesem weniger stark beeinflusst wird. Basierend auf Bayes-Inferenz wird in dieser Arbeit gezeigt, dass ein analytischer Ausdruck der Verteilungsfunktion des Fehlers als Funktion der Anzahl unabhängiger Stichproben hergeleitet werden kann. Um den Einfluss der Stichprobenkorrelation auf die Fehlergrenzen zu berücksichtigen, wird in dieser Arbeit der Faktor bestimmt, um den die Overbound-Verteilung erhöht werden muss. Dieser Faktor ist umgekehrt proportional zur Anzahl unabhängiger Stichproben. Diese Beziehung bildet das erhöhte Vertrauen in die Schätzung bei einer höheren Zahl an unabhängigen Daten ab. Die Tatsache, dass der Entfernungsfehler bei Galileo zeitlich weniger stark korreliert ist als bei GPS, impliziert, dass kürzere Überwachungsperioden erforderlich sind, um die nominelle Leistung des europäischen GNSS zu charakterisieren. In dieser Dissertation wird eine Anpassung der Fehlergenauigkeits- und Integritätsmodelle vorgestellt, die dazu dient, effizientere und gleichbleibend sichere Grenzwerte zu generieren. Basierend auf empirischen Erkenntnissen wird in dieser Arbeit die Aufteilung der Fehlerverteilungen in zwei Abschnitte vorgeschlagen: einen quasi-Gaußschen Kern und eine flache Verteilung der Ränder mit hohen Fehlerstärken. Beide Verteilungen sind einzeln durch Gaußsche Funktionen begrenzt, die kombiniert werden, um eine gewichtete Multi-Gaussian-Overbound zu erzeugen. Im Gegensatz zur aktuellen Single-Gaussian-Overbound zeigen die Ergebnisse, dass die Multi-Gaussian-Overbound die Flexibilität bietet, große Fehler am Rand der Verteilung abzuschätzen, ohne auf den schmalen Kern zu verzichten. Um die Multi-Gaussian-Overbound in die aktuelle ARAIM-Architektur einzubeziehen, wird in dieser Dissertation der derzeit verwendete paargebundene Ansatz angepasst. Dabei wird gezeigt, dass es sich auch mit der Modifikation weiterhin um eine sichere Grenze, nach der Faltung, im Positionsbereich handelt. Diese Dissertation modifiziert den aktuellen Multiple-Hypothesis-Solution-Separation-Algorithmus definiert von der US-EU Arbeitsgruppe C. ARAIM-Simulationen zeigen, dass eine signifikante Verbesserung der Dienstverfügbarkeit erreicht werden kann, wenn Multi-Gaussian-Overbounds in den Benutzeralgorithmus einbezogen werden. Schließlich werden in dieser Arbeit drei verschiedene ISM-Designs vorgestellt, um die erforderlichen Parameter für die Benutzer in die Berechnung der Multi-Gaussian-Bounds einzubeziehen. Von diesen drei Möglichkeiten der Verbreitung wird ein optimales Design empfohlen, das dem ISM Generator komplette Flexibilität bei der Ausnutzung der Aufteilung zwischen Kernverteilung und Rand der Verteilung erlaubt.The modernization of GPS along with the emergence of new GNSS constellations opens new opportunities to redesign traditional Receiver Autonomous Integrity Monitoring (RAIM) in order to target more demanding navigation requirements. The evolution from legacy to Advanced RAIM will became a reality within the next years thanks to measurement redundancy that will guarantee navigation integrity, continuity, and accuracy on a global scale. In order for ARAIM users to evaluate these performance metrics, inputs from ground must be encapsulated within the Integrity Support Message (ISM). The first set of parameters broadcast through this message defines the individual satellite and constellation fault rates which reflect GNSS operational commitments. The second set provides the necessary parameters to create an integrity and accuracy bound for satellite unfaulted ranging errors which need to be assessed through GNSS performance characterization. In response to this need, this research focuses on the design of an ISM covering GNSS performance monitoring, error correlation analysis, sample independence, and overbounding theory. This dissertation presents a methodology to make use of the currently deployed Multi-GNSS EXperiment (MGEX) ground infrastructures to emulate the architecture of a future Air Navigation Service Provider (ANSP) ground network. The main scope of this technique is the establishment of a security layer between orbit and clock products and ISM generation. It guarantees that no fabricated errors are introduced at the same time that no integrity events are overlooked due to data unavailability. Using this monitor, GPS and Galileo service history are analyzed providing a comprehensive ephemeris and clock error characterization. A novelty introduced in this work is the time-dependent analysis which exposes the high correlation that inherently affects GNSS Signal-in-Space Range Error (SISRE). Based on an estimation variance study, this dissertation presents an analytical methodology to determine the time between effective independent samples. Results show that GPS and Galileo exhibit significantly different correlation behavior in that the European constellation is less affected by it. Based on Bayesian inference, this work proves that an analytical expression of the error Cumulative Distribution Function (CDF) as a function of the number of independent samples can be derived. In order to account for the impact of sample correlation on the error bounds, this work determines the factor by which the overbounding distribution needs to be inflated. This factor is inversely proportional to the number of independent samples representing the higher confidence that can be placed in the estimation as more independent data are collected. The fact Galileo range error is less correlated in time than GPS implies that shorter monitoring periods are needed to characterize the nominal performance of the European GNSS. This dissertation presents a modification of the error accuracy and integrity models in order to create more efficient and equally safe bounds. Based on empirical evidence, this work proposes the partition of error distributions in two sections; a quasi-Gaussian core and a flat tail distribution with large error magnitudes. Both distributions are individually bounded by Gaussian functions which are combined to create a weighted Multi Gaussian (MG) overbound. Unlike the current Single Gaussian (SG) bound, results show that the MG methodology provides the flexibility to bound large tail errors without sacrificing the narrow core. In order to incorporate the MG bound in the current ARAIM architecture, this dissertation modifies the currently used pair-bound theory proving that it still is a safe overbound in the position domain after convolution. This thesis carries out a modification of the current Multiple Hypothesis Solution Separation (MHSS) baseline algorithm defined by the US-EU Working Group C (WGC). ARAIM simulations show that a significant enhancement on service availability can be achieved with the inclusion of MG bounding within the user algorithm. Finally, this work presents three different ISM designs for incorporating the necessary parameters for the users to perform MG overbounds. Out of these three dissemination options, an optimal design is recommended allowing the ISM generator full flexibility to exploit core-tail partition.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT020112575
Interne Identnummern
RWTH-2019-05834
Datensatz-ID: 762736
Beteiligte Länder
Germany
|
The record appears in these collections: |