GPS сигналдарының қауіпсіздігін бағалау технологиясы
Receiver autonomous integrity monitoring
GPS сигналдарының дұрыстығын бағалау технологиясы – RAIM. Бұл жүйе қателерді анықтап, навигацияның қауіпсіздігін арттырады. Әсіресе авиация мен теңіз навигациясында маңызды.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
GPS сигналдарының тұтастығын бағалау технологиясы
Technology to assess the integrity of GPS signals
Ресивердің автономды тұтастығын бақылау (RAIM) – бұл ғарыштық навигациялық спутниктік жүйеде (GNSS) қолданылатын қабылдағыш құрылымдары жинаған және өңдеген жеке сигналдардың тұтастығын бағалау үшін жасалған технология. Алған сигналдардың тұтастығы және одан шығарылған қабылдағыш орнының дұрыстығы мен қатесіздігі авиация немесе теңіз навигациясы сияқты қауіпсіздікке маңызды GNSS қолданбаларында ерекше маңызды. Глобалдық позициялау жүйесі (GPS) өзінің сигналдарының тұтастығы туралы ешқандай ішкі ақпаратты қамтымайды. GPS спутнигі навигациялық ақпаратты қате көрсетуі мүмкін, бірақ стандартты әдістерді қолдану арқылы қабылдағыш үшін мұны анықтау мүмкін емес. RAIM артық сигналдарды пайдаланып бірнеше GPS орнын анықтайды және оларды салыстырады, ал статистикалық функция кез келген сигналмен байланысты ақау бар-жоғын анықтайды. RAIM 24 немесе одан көп GPS спутнигі жұмыс істесе қолжетімді деп есептеледі. Егер GPS спутниктерінің саны 23 немесе одан аз болса, RAIM қолжетімділігін мақұлданған жердегі болжам бағдарламалық жасақтамасын қолдану арқылы тексеру қажет. GPS-ке қатысты бірнеше жүйелер GPS-тен бөлек тұтастық сигналдарын да ұсынады. Олардың бірі – WAAS жүйесі, ол осы мәселелерді тікелей көрсету үшін әртүрлі спутниктерден таратылатын жеке сигналдарды пайдаланады.
Receiver autonomous integrity monitoring (RAIM) is a technology developed to assess the integrity of individual signals collected and integrated by the receiver units employed in a Global Navigation Satellite System (GNSS). The integrity of received signals and resulting correctness and precision of derived receiver location are of special importance in safety critical GNSS applications, such as in aviation or marine navigation. The Global Positioning System (GPS) does not include any internal information about the integrity of its signals. It is possible for a GPS satellite to broadcast slightly incorrect information that will cause navigation information to be incorrect, but there is no way for the receiver to determine this using the standard techniques. RAIM uses redundant signals to produce several GPS position fixes and compare them, and a statistical function determines whether or not a fault can be associated with any of the signals. RAIM is considered available if 24 GPS satellites or more are operative. If the number of GPS satellites is 23 or fewer, RAIM availability must be checked using approved ground based prediction software. Several GPS related systems also provide integrity signals separate from GPS. Among these is the WAAS system, which uses separate signals broadcast from different satellites to indicate these problems directly.
Жалпы сипаттама
RAIM GPS псевдоқашықтықтарының артықтығын өлшеу арқылы қателерді анықтайды. Яғни, позицияны анықтау үшін қажетті спутниктер санынан көп болғанда, қосымша псевдоқашықтықтардың барлығы есептелген позициямен сәйкес келуі керек. Күтілетін мәннен айтарлықтай өзгешетін псевдоқашықтық (яғни, аномалия) байланысты спутниктің ақаулығын немесе сигнал сапасының басқа да мәселесін (мысалы, ионосфералық шашырау) көрсетуі мүмкін. Традициялық RAIM тек қателерді анықтауды (FD) пайдаланады, бірақ жаңа GPS қабылдағыштары қателерді анықтау және жою (FDE) мүмкіндігін қамтиды, бұл GPS қатесі болған жағдайда да жұмысын жалғастыруға мүмкіндік береді. Тесттік статистикалық көрсеткіш псевдоқашықтық өлшеудің қалдықтарының (күтілетін өлшем мен алынған өлшем арасындағы айырмашылық) және артықтықтың деңгейіне байланысты болады. Тесттік статистикалық көрсеткіш жалған дабыл ықтималдығына (Pfa) негізделген шектік мәнмен салыстырылады.
RAIM detects faults through redundant GPS pseudorange measurement. That is, when more satellites are available than needed to produce a position fix, the extra pseudoranges should all be consistent with the computed position. A pseudorange that differs significantly from the expected value (i. e., an outlier) may indicate a fault of the associated satellite or another signal integrity problem (e. g., ionospheric dispersion). Traditional RAIM uses fault detection (FD) only, however newer GPS receivers incorporate fault detection and exclusion (FDE) which enables them to continue to operate in the presence of a GPS failure. The test statistic used is a function of the pseudorange measurement residual (the difference between the expected measurement and the observed measurement) and the amount of redundancy. The test statistic is compared with a threshold value, which is determined based on the required probability of false alarm (Pfa).
RAIM
Қабылдаушының автономды тұтастығын бақылау (RAIM) авиациялық қолданбалар үшін GPS тұтастығын бақылауды қамтамасыз етеді. GPS қабылдағышы RAIM немесе ақауларды анықтау (FD) функциясын орындауы үшін, оған қанағаттанарлық геометриясы бар кемінде бес көрінетін спутник көрінуі тиіс. RAIM-нің әртүрлі іске асырылу түрлері бар; олардың бірі көзге көрінетін спутниктердің әртүрлі топтамаларымен алынған барлық позициялық шешімдердің сәйкестігін тексереді. Егер сәйкестікті тексеру сәтсіз болса, қабылдағыш ұшқышқа ескерту жібереді. RAIM қолжетімділігі, қауіпсіздікке маңызды қолданбаларда (мысалы, авиациялық) мұндай алгоритмдерді қолдану кезінде маңызды мәселе болып табылады; шындығында, геометрия мен спутниктік қызметтің күтімі салдарынан RAIM әрдайым қолжетімді бола бермейді, яғни қабылдағыш антеннасында кейде бес спутниктен аз көрінуі мүмкін. Қолжетімділік – RAIM алгоритмінің өнімділік көрсеткіші. Қолжетімділік – көрінетін шоқжұлдыздың геометриясы және басқа да қоршаған орта жағдайларының функциясы. Егер қолжетімділік осылай қарастырылса, алгоритм қолжетімді болуы мүмкін, бірақ ол пайда болған кезде ақауды анықтау үшін қажетті өнімділікпен емес екені анық. Осылайша, қолжетімділік – алгоритмнің жұмыс істеу факторы және әртүрлі RAIM алгоритмдері мен әдістемелерін сипаттайды.
Receiver autonomous integrity monitoring (RAIM) provides integrity monitoring of GPS for aviation applications. In order for a GPS receiver to perform RAIM or fault detection (FD) function, a minimum of five visible satellites with satisfactory geometry must be visible to it. RAIM has various kinds of implementations; one of them performs consistency checks between all position solutions obtained with various subsets of the visible satellites. The receiver provides an alert to the pilot if the consistency checks fail. RAIM availability is an important issue when using such kind of algorithm in safety critical applications (such as the aeronautical ones); in fact, because of geometry and satellite service maintenance, RAIM is not always available at all, meaning that the receiver's antenna could have sometimes fewer than five satellites in view. Availability is also a performance indicator of the RAIM algorithm. Availability is a function of the geometry of the constellation which is in view and of other environmental conditions. If availability is seen in this way it is clear that it is not an on–off feature meaning that the algorithm could be available but not with the required performance of detecting a failure when it happens. So availability is a performance factor of the algorithm and characterizes each one of the different kinds of RAIM algorithms and methodologies.
Ақауларды анықтау және жою
RAIM-нің кейбір қабылдағыштарда қолданылатын жетілдірілген нұсқасы ақауларды анықтау және жою (FDE) деп аталады. RAIM функциясын орындау үшін қабылдағышқа навигацияға қажетті спутниктерге қоса кем дегенде бір спутник көрінуі керек; демек, RAIM-ға кем дегенде бес спутник немесе төрт спутник және барометрлік биіктік өлшегіш (барометрлік көмек, спутниктік емес кіріс көзін пайдалану арқылы GPS тұтастығын арттыру әдісі) тұтастық аномалиясын анықтау үшін қажет. Мұндай мүмкіндігі бар қабылдағыштар үшін RAIM-ға бұзылған спутниктік сигналды оқшаулап, навигациялық шешімнен шығарып тастау үшін алты спутник (немесе барометрлік көмекпен бес спутник) қажет. Анықталғаннан кейін, дұрыс ақауды жою ақау көзін анықтап, жоққа шығарады (мәселеге себеп болған нақты көзді анықтау міндетті емес), соның арқасында GNSS навигациясы үзіліссіз жалғасуы мүмкін. Орбиталардың ерекшеліктеріне байланысты RAIM және FDE қолжетімділігі ортаңғы ендіктерде сәл төмен, ал экваторлық және жоғары ендіктерде сәл жоғары болады. Бірнеше GNSS жүйелерінің спутниктерін пайдалану немесе SBAS спутниктерін қосымша қашықтық өлшеу көздері ретінде қолдану RAIM және FDE қолжетімділігін арттыруы мүмкін.
An enhanced version of RAIM employed in some receivers is known as fault detection and exclusion (FDE). At least one satellite, in addition to those required for navigation, must be in view for the receiver to perform the RAIM function; thus, RAIM needs a minimum of five satellites in view or four satellites and a barometric altimeter (baro aiding, a method of augmenting the GPS integrity solution by using a non satellite input source) to detect an integrity anomaly. For receivers capable of doing so, RAIM needs six satellites in view (or five satellites with baro aiding) to isolate the corrupt satellite signal and remove it from the navigation solution. Upon detection, proper fault exclusion determines and excludes the source of the failure (without necessarily identifying the individual source causing the problem), thereby allowing GNSS navigation to continue without interruption. The availability of RAIM and FDE will be slightly lower for mid latitude operations and slightly higher for equatorial and high latitude regions due to the nature of the orbits. The use of satellites from multiple GNSS constellations or the use of SBAS satellites as additional ranging sources can improve the availability of RAIM and FDE.
RAIM болжамы
ГНСС дәстүрлі навигациялық жүйелерден спутниктік аппараттар мен нашар жағдай көрсеткіші бар аймақтардың үнемі қозғалыста болуымен ерекшеленеді. Сондықтан, егер спутник жұмысын тоқтатса немесе техникалық қызмет көрсету үшін қызметтен алынса, әуе кеңістігінің қай аймақтарына әсер ететіні бірден анықталмайды. Мұндай тоқтап қалудың орналасуы мен ұзақтығы компьютерлік талдау көмегімен болжанып, ұшуды жоспарлау кезінде ұшқыштарға хабарланады. Алайда, бұл болжау процесі әртүрлі қабылдағыштардың модельдеріндегі барлық RAIM жүзеге асырылымдарын толыққанды көрсетпейді. Болжам жасау құралдары көбінесе консервативті болады, сондықтан ең төменгі деңгейдегі қабылдағыштарды қорғау үшін ұшу кезінде кездесетін нақты қолжетімділіктен төмен көрсеткіштерді болжайды. RAIM автономды түрде жұмыс істейтіндіктен, яғни сыртқы сигналдардың көмегінсіз, ол псевдоқашықтық өлшемдерінің артықтығын қажет етеді. 3D-позицияны анықтау үшін кемінде төрт өлшем, ақауды анықтау үшін кемінде бес өлшем, ал ақауды оқшаулау және жою үшін кемінде алты өлшем қажет, бірақ спутниктердің геометриясына байланысты одан да көп өлшемдер қажет болуы мүмкін. Әдетте, 7-ден 12-ге дейін спутниктер көрінеді. Тест статистикасы псевдоқашықтық өлшемінің қатесінен (күтілетін және байқалған өлшемдер арасындағы айырмашылық) және артықтықтың мөлшерінен туындайды. Тест статистикасы жалған дабыл ықтималдығын (Pfa) және күтілетін өлшеу шуын ескере отырып, белгіленген шектік мәнмен салыстырылады. Авиациялық жүйелерде Pfa 1/15000-ға тең. Көлденең тұтастық шегі (HIL) немесе көлденең қорғау деңгейі (HPL) – GPS позициялық шешімінің ортасынан өтетін және RAIM схемасының талаптарына сәйкес қабылдағыштың нақты орналасуын қамтитынына кепілдік беретін шеңбердің радиусын көрсетеді (яғни Pfa және Pmd-ге сәйкес). HPL өлшеулер кезінде RAIM шегі мен спутниктердің геометриясына байланысты есептеледі. RAIM қолжетімділігін анықтау үшін HPL деңгейі горизонтальдық дабыл шегімен (HAL) салыстырылады.
GNSS differs from traditional navigation systems because the satellites and areas of degraded coverage are in constant motion. Therefore, if a satellite fails or is taken out of service for maintenance, it is not immediately clear which areas of the airspace will be affected, if any. The location and duration of these outages can be predicted with the aid of computer analysis and reported to pilots during the pre flight planning process. This prediction process is, however, not fully representative of all RAIM implementations in the different models of receivers. Prediction tools are usually conservative and thus predict lower availability than that actually encountered in flight to provide protection for the lowest end receiver models. Because RAIM operates autonomously, that is without the assistance of external signals, it requires redundant pseudorange measurements. To obtain a 3D position solution, at least four measurements are required. To detect a fault, at least 5 measurements are required, and to isolate and exclude a fault, at least six measurements are required, however often more measurements are needed depending on the satellite geometry. Typically there are seven to 12 satellites in view. The test statistic used is a function of the pseudorange measurement residual (the difference between the expected measurement and the observed measurement) and the amount of redundancy. The test statistic is compared with a threshold value, which is determined based on the requirements for the probability of false alarm (Pfa) and the expected measurement noise. In aviation systems, the Pfa is fixed at 1/15000. The horizontal integrity limit (HIL) or horizontal protection level (HPL) is a figure which represents the radius of a circle which is centered on the GPS position solution and is guaranteed to contain the true position of the receiver to within the specifications of the RAIM scheme (i. e. which meets the Pfa and Pmd). The HPL is calculated as a function of the RAIM threshold and the satellite geometry at the time of the measurements. The HPL is compared with the horizontal alarm limit (HAL) to determine if RAIM is available.