Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Технология оценки целостности сигналов GPS
Technology to assess the integrity of GPS signals
Автономный мониторинг целостности приемника (RAIM) – это технология, разработанная для оценки целостности отдельных сигналов, принимаемых и обрабатываемых приемными устройствами глобальной навигационной спутниковой системы (GNSS). Целостность принимаемых сигналов и, как следствие, корректность и точность определения местоположения приемника особенно важны в GNSS-приложениях, критичных к безопасности, таких как авиация или морская навигация. Глобальная система позиционирования (GPS) не содержит внутренней информации о целостности своих сигналов. GPS-спутник может передавать незначительно неверные данные, что приведет к ошибкам в навигационной информации, однако стандартными методами приемник не может это определить. RAIM использует избыточные сигналы для вычисления нескольких определений местоположения GPS и их сравнения, а статистическая функция определяет, можно ли связать ошибку с каким-либо из сигналов. RAIM считается доступным при наличии 24 или более работающих GPS-спутников. Если количество GPS-спутников составляет 23 или меньше, доступность RAIM необходимо проверять с помощью утвержденного наземного программного обеспечения для прогнозирования. Ряд систем, связанных с GPS, также предоставляют сигналы целостности, независимые от GPS. Среди них система WAAS, которая использует отдельные сигналы, передаваемые с различных спутников, для прямого указания на наличие проблем.
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.
Общее описание
RAIM обнаруживает неисправности посредством избыточных измерений псевдодальности GPS. То есть, когда доступно больше спутников, чем необходимо для определения местоположения, дополнительные псевдодальности должны быть согласованы с вычисленным местоположением. Псевдодальность, значительно отличающаяся от ожидаемого значения (то есть являющаяся выбросом), может указывать на неисправность соответствующего спутника или другую проблему целостности сигнала (например, ионосферную дисперсию). Традиционный RAIM использует только обнаружение неисправностей (FD), однако более современные GPS-приемники реализуют обнаружение и исключение неисправностей (FDE), что позволяет им продолжать работу при возникновении сбоя GPS. Тестовая статистика является функцией остатка измерения псевдодальности (разницы между ожидаемым и фактическим измерением) и степени избыточности. Тестовая статистика сравнивается с пороговым значением, определяемым на основе требуемой вероятности ложного срабатывания (Pfa).
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).
РАИМ
Автономный приемник контроля целостности (RAIM) обеспечивает контроль целостности GPS для авиационных приложений. Для выполнения функцией RAIM или обнаружения неисправностей (FD) GPS-приемнику необходимо, чтобы в его поле зрения находилось не менее пяти видимых спутников с удовлетворительной геометрией. RAIM имеет различные реализации; одна из них выполняет проверки согласованности между всеми решениями по определению местоположения, полученными с использованием различных подмножеств видимых спутников. Приемник выдает предупреждение пилоту в случае неудачной проверки согласованности. Доступность RAIM является важным фактором при использовании данного алгоритма в приложениях, критичных к безопасности (например, в авиации); поскольку из-за геометрии спутников и проведения технического обслуживания спутниковой системы, RAIM не всегда доступен, что означает, что антенна приемника может видеть менее пяти спутников. Доступность также является показателем производительности алгоритма RAIM. Доступность зависит от геометрии видимого созвездия спутников и других условий окружающей среды. Если рассматривать доступность таким образом, становится ясно, что это не бинарная характеристика (включено/выключено), а скорее показатель, означающий, что алгоритм может быть доступен, но не обеспечивать требуемую производительность при обнаружении неисправности. Таким образом, доступность является фактором, определяющим производительность алгоритма, и характеризует различные типы алгоритмов и методологий RAIM.
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.
Выявление и исключение неисправностей
Улучшенная версия RAIM, используемая в некоторых приемниках, известна как обнаружение и исключение неисправностей (FDE). Для выполнения функции RAIM приемнику необходимо видеть как минимум один спутник, в дополнение к тем, которые требуются для навигации; таким образом, RAIM требует минимум пять спутников в поле зрения или четыре спутника и барометрический высотомер (baro aiding – метод повышения целостности решения GPS с использованием неспутникового источника данных). Для обнаружения нарушения целостности. Для приемников, обладающих такой возможностью, RAIM требуется шесть спутников в поле зрения (или пять спутников с использованием baro aiding) для изоляции поврежденного сигнала спутника и исключения его из навигационного решения. При обнаружении неисправности, корректное исключение неисправности определяет и исключает источник сбоя (не обязательно идентифицируя конкретный источник проблемы), тем самым обеспечивая непрерывность GNSS-навигации. Доступность RAIM и FDE будет несколько ниже при работе на средних широтах и несколько выше в экваториальных и высоких широтах из-за особенностей орбит спутников. Использование спутников из нескольких созвездий GNSS или спутников SBAS в качестве дополнительных источников дальности может повысить доступность RAIM и FDE.
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.
Прогноз RAIM
ГНСС отличается от традиционных навигационных систем тем, что спутники и области ухудшенного покрытия постоянно находятся в движении. Поэтому, если спутник выходит из строя или отключается для технического обслуживания, не сразу становится ясно, какие участки воздушного пространства могут быть затронуты. Местоположение и продолжительность этих сбоев можно предсказать с помощью компьютерного анализа и информировать пилотов в процессе предполетного планирования. Однако этот процесс прогнозирования не полностью отражает все реализации RAIM в различных моделях приемников. Инструменты прогнозирования обычно консервативны и, следовательно, предсказывают меньшую доступность, чем фактически наблюдается в полете, чтобы обеспечить защиту для приемников с наименьшими характеристиками. Поскольку RAIM работает автономно, то есть без использования внешних сигналов, он требует избыточных измерений псевдодальности. Для получения трехмерного решения о местоположении требуется не менее четырех измерений. Для обнаружения ошибки требуется не менее пяти измерений, а для ее изоляции и исключения – не менее шести, однако часто требуется больше измерений в зависимости от геометрии спутников. Обычно в поле зрения находится от семи до двенадцати спутников. Тестовая статистика является функцией остатка измерения псевдодальности (разницы между ожидаемым и фактическим измерением) и степени избыточности. Тестовая статистика сравнивается с пороговым значением, которое определяется на основе требований к вероятности ложной тревоги (Pfa) и ожидаемому уровню шума измерений. В авиационных системах Pfa фиксируется на уровне 1/15000. Горизонтальный предел целостности (HIL) или уровень горизонтальной защиты (HPL) – это величина, представляющая радиус круга, центр которого находится в решении GPS о местоположении, и который гарантированно содержит истинное положение приемника в пределах спецификаций схемы RAIM (то есть соответствует Pfa и Pmd). HPL рассчитывается как функция порога RAIM и геометрии спутников в момент измерения. HPL сравнивается с горизонтальным порогом тревоги (HAL) для определения доступности RAIM.
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.