Überwachung der autonomen Integrität des Empfängers - Receiver autonomous integrity monitoring

Empfänger autonome Integritätsüberwachung ( RAIM ) ist eine Technologie entwickelt , um die Integrität zu bewerten Global Positioning Systems (GPS) Signale in einem GPS - Empfänger - System. Von besonderer Bedeutung ist es in sicherheitskritischen GPS-Anwendungen, wie zum Beispiel in der Luftfahrt oder der Schiffsnavigation .

GPS enthält keine internen Informationen über die Integrität seiner Signale. Es ist möglich, dass ein GPS-Satellit leicht falsche Informationen sendet, die dazu führen, dass die Navigationsinformationen falsch sind, aber es gibt keine Möglichkeit für den Empfänger, dies mit den Standardtechniken zu bestimmen. RAIM verwendet redundante Signale, um mehrere GPS- Positionsfixes zu erzeugen und zu vergleichen, und eine statistische Funktion bestimmt, ob einem der Signale ein Fehler zugeordnet werden kann oder nicht. RAIM gilt als verfügbar, wenn 24 oder mehr GPS-Satelliten betriebsbereit sind. Wenn die Anzahl der GPS-Satelliten 23 oder weniger beträgt, muss die RAIM-Verfügbarkeit mit einer zugelassenen bodengestützten Vorhersagesoftware überprüft werden.

Mehrere GPS-bezogene Systeme liefern auch Integritätssignale getrennt von GPS. Dazu gehört das WAAS- System, das separate Signale verwendet, die von verschiedenen Satelliten ausgestrahlt werden, um diese Probleme direkt anzuzeigen.

Allgemeine Beschreibung

RAIM erkennt Fehler mit redundanten GPS- Pseudobereichsmessungen . Das heißt, wenn mehr Satelliten zur Verfügung stehen, als zum Erzeugen einer Positionsbestimmung benötigt werden, sollten die zusätzlichen Pseudobereiche alle mit der berechneten Position übereinstimmen. Ein Pseudobereich, der sich signifikant vom erwarteten Wert unterscheidet (dh ein Ausreißer ) kann einen Fehler des zugehörigen Satelliten oder ein anderes Signalintegritätsproblem (zB ionosphärische Dispersion) anzeigen. Herkömmliches RAIM verwendet nur Fehlererkennung (FD), neuere GPS-Empfänger enthalten jedoch Fehlererkennung und -ausschluss (FDE), die es ihnen ermöglichen, auch bei einem GPS-Fehler weiter zu arbeiten.

Die verwendete Teststatistik ist eine Funktion des Pseudobereichsmessrests (der Differenz zwischen dem erwarteten Messwert und dem beobachteten Messwert) und dem Redundanzbetrag. Die Teststatistik wird mit einem Schwellenwert verglichen, der auf Basis der geforderten Fehlalarmwahrscheinlichkeit (Pfa) bestimmt wird.

RAIM

Receiver Autonomous Integrity Monitoring (RAIM) bietet die Integritätsüberwachung von GPS für Luftfahrtanwendungen. Damit ein GPS-Empfänger die RAIM- oder Fehlererkennungsfunktion (FD) ausführen kann, müssen mindestens fünf sichtbare Satelliten mit zufriedenstellender Geometrie für ihn sichtbar sein. RAIM hat verschiedene Arten von Implementierungen; einer von ihnen führt Konsistenzprüfungen zwischen allen Positionslösungen durch, die mit verschiedenen Teilmengen der sichtbaren Satelliten erhalten wurden. Der Empfänger gibt dem Piloten eine Warnung aus, wenn die Konsistenzprüfungen fehlschlagen.

Die RAIM-Verfügbarkeit ist ein wichtiges Thema bei der Verwendung eines solchen Algorithmus in sicherheitskritischen Anwendungen (wie der Luftfahrt); Tatsächlich ist RAIM aufgrund der Geometrie und der Wartung des Satellitendienstes nicht immer verfügbar, was bedeutet, dass die Antenne des Empfängers manchmal weniger als fünf Satelliten im Blickfeld haben kann.

Die Verfügbarkeit ist auch ein Leistungsindikator des RAIM-Algorithmus. Die Verfügbarkeit ist eine Funktion der Geometrie der betrachteten Konstellation und anderer Umgebungsbedingungen. Wenn die Verfügbarkeit auf diese Weise betrachtet wird, ist klar, dass es sich nicht um eine Ein-Aus-Funktion handelt, was bedeutet, dass der Algorithmus verfügbar sein könnte, jedoch nicht mit der erforderlichen Leistung, um einen Fehler zu erkennen, wenn er auftritt. Die Verfügbarkeit ist also ein Leistungsfaktor des Algorithmus und charakterisiert jede der verschiedenen Arten von RAIM-Algorithmen und -Methoden.

Fehlererkennung und -ausschluss

Eine verbesserte Version von RAIM, die in einigen Empfängern verwendet wird, ist als Fehlererkennung und -ausschluss (FDE) bekannt. Es verwendet mindestens sechs Messungen, die mit 6 Satelliten oder 5 Satelliten mit Baro-Aiding erreicht werden können, um einen möglichen fehlerhaften Satelliten nicht nur zu erkennen, sondern ihn von der Navigationslösung auszuschließen, damit die Navigationsfunktion ohne Unterbrechung fortgesetzt werden kann. Das Ziel der Fehlererkennung besteht darin, das Vorhandensein eines Positionierungsfehlers zu erkennen. Bei der Erkennung bestimmt und schließt der richtige Fehlerausschluss die Fehlerquelle aus (ohne notwendigerweise die individuelle Quelle zu identifizieren, die das Problem verursacht), wodurch die GNSS-Navigation ohne Unterbrechung fortgesetzt werden kann. Die Verfügbarkeit von RAIM und FDE wird aufgrund der Beschaffenheit der Umlaufbahnen für Operationen in mittleren Breiten etwas geringer und für äquatoriale und hohe Breitengrade etwas höher sein. Die Verwendung von Satelliten aus mehreren GNSS-Konstellationen oder die Verwendung von SBAS-Satelliten als zusätzliche Ortungsquellen kann die Verfügbarkeit von RAIM und FDE verbessern.

RAIM-Vorhersage

GNSS unterscheidet sich von herkömmlichen Navigationssystemen dadurch, dass die Satelliten und Gebiete mit eingeschränkter Abdeckung ständig in Bewegung sind. Wenn ein Satellit ausfällt oder zu Wartungszwecken außer Betrieb genommen wird, ist daher nicht sofort klar, welche Bereiche des Luftraums gegebenenfalls betroffen sind. Ort und Dauer dieser Ausfälle können mit Hilfe von Computeranalysen vorhergesagt und den Piloten während der Flugvorbereitung gemeldet werden. Dieser Vorhersageprozess ist jedoch nicht vollständig repräsentativ für alle RAIM-Implementierungen in den verschiedenen Empfängermodellen. Vorhersagetools sind normalerweise konservativ und sagen daher eine geringere Verfügbarkeit voraus, als sie tatsächlich im Flug angetroffen wird, um Schutz für die Empfängermodelle des niedrigsten Endes zu bieten.

Da RAIM autonom, also ohne Zuhilfenahme externer Signale arbeitet, benötigt es redundante Pseudorange-Messungen. Um eine 3D-Positionslösung zu erhalten, sind mindestens vier Messungen erforderlich. Um einen Fehler zu erkennen, sind mindestens 5 Messungen erforderlich, und um einen Fehler zu isolieren und auszuschließen sind mindestens sechs Messungen erforderlich, jedoch sind abhängig von der Satellitengeometrie oft mehr Messungen erforderlich. Typischerweise sind sieben bis zwölf Satelliten im Sichtfeld.

Die verwendete Teststatistik ist eine Funktion des Pseudobereichsmessrests (der Differenz zwischen dem erwarteten Messwert und dem beobachteten Messwert) und dem Redundanzbetrag. Die Teststatistik wird mit einem Schwellenwert verglichen, der anhand der Anforderungen an die Wahrscheinlichkeit eines Fehlalarms (Pfa) und des zu erwartenden Messrauschens ermittelt wird. In Luftfahrtsystemen ist der Pfa auf 1/15000 festgelegt.

Die horizontale Integritätsgrenze (HIL) oder horizontale Schutzstufe (HPL) ist eine Zahl, die den Radius eines Kreises darstellt, der auf der GPS-Positionslösung zentriert ist und garantiert die wahre Position des Empfängers innerhalb der Spezifikationen des RAIM enthält (dh die die Pfa und Pmd erfüllt). Die HPL wird als Funktion der RAIM-Schwelle und der Satellitengeometrie zum Zeitpunkt der Messungen berechnet. Der HPL wird mit dem horizontalen Alarmgrenzwert (HAL) verglichen, um festzustellen, ob RAIM verfügbar ist.

RAIM-Vorhersage-Websites

Damit Piloten schnell feststellen können, ob RAIM auf Strecken- oder Anflugebene verfügbar sein wird, haben die FAA und EUROCONTROL Websites auf "Dispatch-Ebene" erstellt, die den RAIM-Status vorhersagen, um die Anforderungen der Vorflugkontrolle zu erfüllen.

  • Die RAIM-Vorhersage-Website der FAA "AC 90-100" deckt US-Territorien im grafischen Kartenformat ab (grün für RAIM verfügbar und rot für RAIM nicht verfügbar)
  • EUROCONTROL bietet internationale Abdeckung für die meisten Wegpunkte in der weltweiten Luftfahrt-Wegpunktdatenbank und zeigt die Ergebnisse in einer "Zeitleiste" an, die Vorhersagen darüber zeigt, ob barogestütztes oder nicht barogestütztes RAIM verfügbar sein wird.
    • EUROCONTROL legt einen Haftungsausschluss für seine Daten fest (der besagt, dass USCG- Daten Vorrang haben), während die FAA seine Website als erfüllt behördliche Anforderungen zertifiziert.
    • Seit dem 1. Juli 2012 ist die AUGUR-Abdeckung nur auf den ECAC-Luftraum beschränkt.
  • Seit 2006 bietet der N-RAIM Prediction Service, gehostet von NAVBLUE, eine weltweite Abdeckung für alle PBN- Anwendungen, einschließlich RNP 10, RNAV 5, RNAV 2, RNAV 1, RNP 4, RNP 1, RNP Approach und RNP AR Approach bis zu 0,1 NM . Das Online-Tool ist eine Alternative zum automatisierten Service, der direkt in die Flugplanungssoftware integriert ist. Es wird in Übereinstimmung mit den neuen Ausgaben des ICAO PBN Manuals und allen weltweiten spezifischen Vorschriften auf dem neuesten Stand gehalten.
  • Das von FLIGHTKEYS entwickelte und gehostete SPACEKEYS RAIM-Vorhersage- und -Vermeidungssystem bietet eine weltweite Abdeckung für jede Art von RAIM-Vorhersage und deckt alle Integritätsstufen von RNP10 (Enroute) bis RNP-Ansatz und RNP-AR-Ansatz (bis hinunter zu 0,1NM) ab. Das Online-Tool ermöglicht RAIM-Vorhersagen für Standorte und vollständige Trajektorien (Routen) sowie flächenbasierte RAIM-Vorhersagen. REST- und SOAP-APIs sind auch für Systemintegrationen von Drittanbietern verfügbar.

Externe Links