[논문]Development of Real-time Mission Monitoring for the Korea Augmentation Satellite System

Daehee, Won; Koontack, Kim; Eunsung, Lee; Jungja, Kim; Youngjae, Song

doi:10.11003/jpnt.2023.12.1.23

[국내논문] Development of Real-time Mission Monitoring for the Korea Augmentation Satellite System 원문보기

Journal of Positioning, Navigation, and Timing, v.12 no.1, 2023년, pp.23 - 35

Daehee, Won (Satellite Ground Station R&D Division, Korea Aerospace Research Institute) , Koontack, Kim (SBAS System Engineering & Integration Team, Korea Aerospace Research Institute) , Eunsung, Lee (Satellite Ground Station R&D Division, Korea Aerospace Research Institute) , Jungja, Kim (KCEI, M&S Research Institution) , Youngjae, Song (JIT Solution, SW Division)

Abstract ▼ AI-Helper

Korea Augmentation Satellite System (KASS) is a satellite-based augmentation system (SBAS) that provides approach procedure with vertical guidance-I (APV-I) level corrections and integrity information to Korea territory. KASS is used to monitor navigation performance in real-time, and this paper introduces the design, implementation, and verification process of mission monitoring (MIMO) in KASS. MIMO was developed in compliance with the Minimum Operational Performance Standards of the Radio Technical Commission for Aeronautics for Global Positioning System (GPS)/SBAS airborne equipment. In this study, the MIMO system was verified by comparing and analyzing the outputs of reference tools. Additionally, the definition and derivation method of accuracy, integrity, continuity, and availability subject to MIMO were examined. The internal and external interfaces and functions were then designed and implemented. The GPS data pre-processing was minimized during the implementation to evaluate the navigation performance experienced by general users. Subsequently, tests and verification methods were used to compare the obtained results based on reference tools. The test was performed using the KASS dataset, which included GPS and SBAS observations. The decoding performance of the developed MIMO was identical to that of the reference tools. Additionally, the navigation performance was verified by confirming the similarity in trends. As MIMO is a component of KASS used for real-time monitoring of the navigation performance of SBAS, the KASS operator can identify whether an abnormality exists in the navigation performance in real-time. Moreover, the preliminary identification of the abnormal point during the post-processing of data can improve operational efficiency.

Keyword

표/그림 (25)

그림 Fig. 1. GPS and SBAS data flow for MIMO input.
그림 Fig. 2. Example of Stanford diagram.
그림 Fig. 3. MIMO interface diagram.
표 Table 1. SBAS performance for each service level.
그림 Fig. 4. MIMO computation function design.
표 Table 2. Contents of MIMO data.
그림 Fig. 5. Ionospheric pierce point geometry (RTCA 2006).
그림 Fig. 6. SBAS correction process.
그림 Fig. 7. Intergrity check logic
표 Table 3. Timeout interval of APV-I.
그림 Fig. 8. MIMO GUI tree.
그림 Fig. 9. MIMO main window.
그림 Fig. 10. Examples of MIMO output window: (a) horizontal position error, (b) horizontal position error and protection level, (c) histogram of horizontal position error, (d) horizontal safety index, (e) horizontal protection level, and (f) continuity map.
그림 Fig. 11. Verification flow for MIMO prototype.
그림 Fig. 12. Verification flow for real-time MIMO SW.
표 Table 4. Reference tool list for MIMO validation.
표 Table 6. Position errors of MIMO prototype and PEGASUS (unit: meter).
그림 Fig. 13. Protection level from PEGASUS.
그림 Fig. 14. Protection level from MIMO prototype.
그림 Fig. 15. HPL and HAL in MIMO prototype and PEGASUS.
그림 Fig. 16. Horizontal Stanford diagram by MIMO prototype outputs.
표 Table 7. Correlation checks for PLs between MIMO prototype and PEGASUS.
표 Table 8. Continuity & availability analysis for MIMO prototype and PEGASUS.
표 Table 9. Position errors of MIMO prototype and MIMO SW (unit: meter).
표 Table 10. Continuity & availability analysis for MIMO prototype and MIMO SW.

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 논문은 KASS의 실시간 MIMO의 설계 및 시험 검증을 포함하는 개발 과정에 대하여 소개한다. 2장에서는 MIMO에서 분석하는 정확성, 무결성, 연속성, 가용성의 항법성능 지표 정의 및 도출 방법을 제시하고, 3장에서 MIMO 요구사항을 설명하고 내/외부 인터페이스, 기능 설계 및 구현에 대하여 기술한다.
KASS는 대한민국 지역에 APV-I급의 보정 정보와 무결성 정보를 제공하는 SBAS이다. KASS는 실시간으로 항법성능을 감시하는 기능이 있으며, 본 논문은 KASS의 MIMO의 설계, 구현 및 검증에 과정에 대하여 소개하였다.

제안 방법

KASS 기준국 (KASS Reference Station, KRS)에서 위성항법 신호를 수신하여 중앙처리국 (KASS Processing Station, KPS)으로 전송하고, 중앙처리국은 보정정보 및 무결성 정보를 계산하여 SBAS 표준 메시지를 생성한다. 생성된 메시지는 위성통신국 (KASS Uplink Station, KUS)에서 SBAS 신호로 변환되어, 최종적으로 정지궤도위성 (Geostationary Orbit, GEO)을 통해 방송됨으로써 사용자에게 SBAS 서비스를 제공한다.
KASS는 통합운영국에서 실시간으로 각 하위시스템의 동작 상태를 감시하고 제어 명령을 전송하여 운영한다. 이후 내부에서 생성된 데이터를 기록하고 수집하여 일 단위, 월 단위의 항법성능을 분석한다. 기존 SBAS와 달리 KASS는 SBAS 서비스의 항법성능을 실시간으로 감시하는 기능을 포함한다.
Global Positioning System (GPS) 위성의 신호를 각 기준국에서 관측하고, 이를 중앙처리국에 전달하여 SBAS 보정정보를 계산한다. 이후 SBAS 보정정보는 GEO 위성을 통해 사용자에게 방송되며, 방송된 신호를 기준국에서 수신한다.
8은 구현된 MIMO SW의 화면 구조를 나타낸다. SBAS 서비스 수준 별로 APV-I, Non precision approach (NPA), Open Service (OS)로 1차 분류하고, 이후 정확성, 무결성, 연속성, 가용성 및 통계치 표출 화면으로 구성하였다. SBAS 서비스 수준마다 요구하는 출력이 상이하므로 서비스 별로 일부 화면 구성을 달리한다.
MIMO는 RTCA의 Minimum Operational Performance Standards for Global Positioning System/Satellite-Based Augmentation System Airborne Equipment를 준수하여 개발되었으며, Reference tool 출력과 비교 및 분석하여 검증을 수행하였다. 우선, MIMO 감시 대상인 정확성, 무결성, 연속성, 가용성의 정의 및 도출 방법을 제시하고, 내/외부 인터페이스 및 기능 설계 및 구현 내용을 제시하였다.
MIMO는 RTCA의 Minimum Operational Performance Standards for Global Positioning System/Satellite-Based Augmentation System Airborne Equipment를 준수하여 개발되었으며, Reference tool 출력과 비교 및 분석하여 검증을 수행하였다. 우선, MIMO 감시 대상인 정확성, 무결성, 연속성, 가용성의 정의 및 도출 방법을 제시하고, 내/외부 인터페이스 및 기능 설계 및 구현 내용을 제시하였다. 구현 시, GPS 데이터의 전처리를 최소화하여 일반 사용자가 체감하는 항법성능을 계산하도록 구현하였다.
우선, MIMO 감시 대상인 정확성, 무결성, 연속성, 가용성의 정의 및 도출 방법을 제시하고, 내/외부 인터페이스 및 기능 설계 및 구현 내용을 제시하였다. 구현 시, GPS 데이터의 전처리를 최소화하여 일반 사용자가 체감하는 항법성능을 계산하도록 구현하였다. 이후 Reference tool과 출력 데이터를 비교/분석하여 기능을 검증하였다.
구현 시, GPS 데이터의 전처리를 최소화하여 일반 사용자가 체감하는 항법성능을 계산하도록 구현하였다. 이후 Reference tool과 출력 데이터를 비교/분석하여 기능을 검증하였다. 개발된 MIMO는 Reference tool과 비교하여 동일한 디코딩 성능을 보였으며, 항법성능의 경우 유사 경향성을 확인하여 검증을 완료하였다.

대상 데이터

데이터 수집부는 KASS 기준국 7개소에서 수집한 GPS 및 SBAS 데이터를 수신하여, 인터페이스 통제 문서 (Interface Control Document, ICD)에 따라 디코딩하는 기능을 담당한다. 또한 MIMO 내부에서 계산된 결과 및 관련 상태정보를 외부로 전달한다.

데이터처리

MIMO prototype에서 디코딩된 SBAS 메시지와 ‘SBAS teacher’의 디코딩 결과를 1:1로 비교하였다
KASS EDD 입력에 대하여 MIMO prototype과 ‘SBAS teacher’ 간의 디코딩 결과를 비교하여 동일 값임을 확인하였다. 디코딩 검증 후 SBAS 성능 지표 도출 결과를 PEGASUS와 비교하여 검증하였다.
실시간 MIMO SW는 Prototype을 기반으로 구현되었으므로, 동일 출력 결과를 나타내야 한다. 이를 검증하기 위해서 정확성, 무결성, 연속성, 가용성의 출력 그래프 및 통계치 출력 결과를 비교하여 동일함을 입증하였다.
연속성 및 가용성은 PL을 AL과 비교하여 계산되었다. Table 8은 MIMO prototype과 PEGASUS의 연속성 및 가용성을 계산한 결과이다.
Table 8은 MIMO prototype과 PEGASUS의 연속성 및 가용성을 계산한 결과이다. PL 계산 결과가 상이하므로 상호 직접적인 비교는 불가하며, Continuity risk 발생 횟수와 비 가용한 시간을 분석하여 계산된 값이 적절한 지를 검증하였다.
MIMO 검증은 Prototype 검증과 실시간 MIMO SW 검증의 2단계로 진행하였다. Prototype 검증은 Reference tool을 기준으로 SBAS 메시지의 디코딩 결과 및 항법 성능을 비교 검증하였다. SBAS message 디코딩 결과가 동일하고, SBAS 성능 출력 결과의 유사성을 확인하였다.
MIMO 시험은 Prototype 및 실시간 SW를 대상으로 검증을 수행하였다. KASS 기준국에서 수신한 GPS 및 SBAS 데이터를 토대로 SBAS 보정결과를 도출하고 이에 대한 성능지표를 생성하여 Reference tool과 비교하여 검증하였다.
MIMO 시험은 Prototype 및 실시간 SW를 대상으로 검증을 수행하였다. KASS 기준국에서 수신한 GPS 및 SBAS 데이터를 토대로 SBAS 보정결과를 도출하고 이에 대한 성능지표를 생성하여 Reference tool과 비교하여 검증하였다. 기본적으로 SBAS 보정정보 생성 및 적용이 적절히 수행되었는지를 확인하고, 이후 보정정보 적용 후의 결과를 Reference tool과 비교하여 검증하였다.
KASS 기준국에서 수신한 GPS 및 SBAS 데이터를 토대로 SBAS 보정결과를 도출하고 이에 대한 성능지표를 생성하여 Reference tool과 비교하여 검증하였다. 기본적으로 SBAS 보정정보 생성 및 적용이 적절히 수행되었는지를 확인하고, 이후 보정정보 적용 후의 결과를 Reference tool과 비교하여 검증하였다. 최종적으로 Prototype과 실시간 SW의 출력결과가 동일함을 확인하여 검증을 완료하였다.
정확성은 MIMO prototype과 PEGASUS에서 도출된 수평/수직 방향의 PE를 비교하여 검증하였다. Table 6은 MIMO prototype과 PEGASUS의 PE에 대한 확률분석 결과를 나타낸다.

성능/효과

MIMO prototype에서 디코딩된 SBAS 메시지와 ‘SBAS teacher’의 디코딩 결과를 1:1로 비교하였다. SBAS message 디코딩 검증 결과, 모든 메시지에 대하여 MIMO prototype은 Reference tool과 동일한 디코딩 결과를 나타냈다. 이를 통해 MIMO prototype의 SBAS message 디코딩 기능이 정상적으로 동작함을 입증하였다.
수치분석 결과에 System unavailable, MI, HMI 상황이 모두 ‘0’건이며, Stanford diagram에서 동일하게 발생하지 않았다
마지막으로 MIMO prototype과 실시간 MIMO SW 비교 검증한 결과이다. 두가지 경우에 위치 오차를 비교하였으며 1 mm 이하의 차이를 보였다.
SBAS message 디코딩 결과가 동일하고, SBAS 성능 출력 결과의 유사성을 확인하였다. Reference tool과 MIMO prototype에 적용된 전처리 기법이 다르므로 동일한 수치를 나타내지 않았으나, PL의 크기와 경향이 유사함을 확인하여 검증하였다. 실시간 MIMO SW 검증은 검증 완료된 Prototype의 결과를 실시간 MIMO SW의 출력과 비교를 통해 검증하여 동일 성능임을 확인하였다.
Reference tool과 MIMO prototype에 적용된 전처리 기법이 다르므로 동일한 수치를 나타내지 않았으나, PL의 크기와 경향이 유사함을 확인하여 검증하였다. 실시간 MIMO SW 검증은 검증 완료된 Prototype의 결과를 실시간 MIMO SW의 출력과 비교를 통해 검증하여 동일 성능임을 확인하였다.
이후 Reference tool과 출력 데이터를 비교/분석하여 기능을 검증하였다. 개발된 MIMO는 Reference tool과 비교하여 동일한 디코딩 성능을 보였으며, 항법성능의 경우 유사 경향성을 확인하여 검증을 완료하였다.
MIMO는 KASS 시스템의 구성 요소로, SBAS 보정정보의 항법성능을 실시간으로 감시한다. 개발된 MIMO로 KASS 운영자가 항법성능의 이상 유무를 실시간으로 식별할 수 있으며, 자료 후처리 과정에서는 이상 시점의 사전 식별로 인해 운영 효율의 향상을 기대할 수 있다. 본 연구에서 다루는 성능지표는 위성항법 분야에서 보편적으로 사용하는 값이므로, MIMO의 활용 범위는 KASS에만 국한되지 않으며 향후 국내에 개발되는 위성항법 관련 시스템에 확장하여 적용이 가능하다.
기본적으로 SBAS 보정정보 생성 및 적용이 적절히 수행되었는지를 확인하고, 이후 보정정보 적용 후의 결과를 Reference tool과 비교하여 검증하였다. 최종적으로 Prototype과 실시간 SW의 출력결과가 동일함을 확인하여 검증을 완료하였다.
SBAS message 디코딩 검증 결과, 모든 메시지에 대하여 MIMO prototype은 Reference tool과 동일한 디코딩 결과를 나타냈다. 이를 통해 MIMO prototype의 SBAS message 디코딩 기능이 정상적으로 동작함을 입증하였다. 검증된 SBAS message type은 Table 5에 정리하였으며, 세부 내용은 단순 수치 비교 이므로 기술하지 않고 결과만 나타냈다.
Table 6은 MIMO prototype과 PEGASUS의 PE에 대한 확률분석 결과를 나타낸다. 수평방향 표준편차는 PEGASUS 대비 7.84% 차이를 보였으며, 이를 제외하고 모든 값은 5% 이내의 범위에서 위치 결과를 나타냈다.
MIMO prototype은 최소한의 전처리 기법을 적용하였으므로 PEGASUS와 PE에 있어서 동일한 수치를 보이지 않는다. 수평/수직 방향의 오차의 크기와 표준편차를 비교하였을 때, 최대 7.84% 이내의 차이를 보였다. 전처리가 상이한 점을 고려하였을 때, 유의미한 범위에서 유사성을 보인 것으로 판단된다.

후속연구

개발된 MIMO로 KASS 운영자가 항법성능의 이상 유무를 실시간으로 식별할 수 있으며, 자료 후처리 과정에서는 이상 시점의 사전 식별로 인해 운영 효율의 향상을 기대할 수 있다. 본 연구에서 다루는 성능지표는 위성항법 분야에서 보편적으로 사용하는 값이므로, MIMO의 활용 범위는 KASS에만 국한되지 않으며 향후 국내에 개발되는 위성항법 관련 시스템에 확장하여 적용이 가능하다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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