ES2319674T3 - Metodo y aparato para proporcionar informacion de integridad para usuarios de un sistema global de navegacion. - Google Patents
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Abstract
Método para determinar el riesgo de integridad de la información de posicionamiento difundida desde vehículos espaciales en un sistema global de navegación, que consta de: Recepción de información de integridad transmitida por vehículos espaciales; cálculo de un riesgo de integridad a partir de dicha información de integridad e información adicional; y activación de una alarma si el riesgo de integridad calculado es mayor que un riesgo de integridad permitido; caracterizado porque: y porque dicha información de integridad consta de: información sobre la calidad de una señal en el espacio SIS emitida por los vehículos espaciales, que se denomina precisión de la señal en el espacio SISA; información sobre la precisión de la monitorización de la señal en el espacio SIS emitida por los vehículos espaciales por un tramo de tierra del sistema global de navegación, que se denomina precisión de la monitorización de la señal en el espacio SISMA; y información de si el sistema global de navegación evalúa el vehículo espacial defectuoso como defectuoso o no; dicha etapa de calcular un riesgo de integridad consta de calcular directamente dicho riesgo de integridad sobre la base de dicha precisión de la señal en el espacio SISA, dicha precisión de la monitorización de la señal en el espacio SISMA y dicha información adicional.
Description
Método y aparato para proporcionar información
de integridad para usuarios de un sistema global de navegación.
La invención se refiere a un método para
proporcionar información de integridad para usuarios de un sistema
global de navegación según la reivindicación 1, un dispositivo para
la detección de posición por medio de un sistema global de
navegación según la reivindicación 7, y un método para determinar el
riesgo de integridad de la información difundida desde vehículos
espaciales en un sistema global de navegación según la
reivindicación 13.
\vskip1.000000\baselineskip
En un sistema global de navegación basado en
satélites, la detección precisa de una posición específica respecto
a la tierra requiere integridad tanto local como global. Integridad
significa por un lado la capacidad de un sistema global de
navegación de avisar a los usuarios dentro de un tiempo
predeterminado si partes del sistema no deberían ser utilizadas
para su uso determinado; por otro lado, integridad significa también
la confianza que un usuario pueda poner en la fiabilidad de la
información recibida desde el sistema, particularmente la precisión
de la información.
Los avisos son necesarios si las señales de un
único satélite para la navegación contienen defectos. Por ejemplo,
tales defectos ocurren si una señal de navegación de un satélite se
crea en un momento equivocado (error de corrección de reloj o de
hora) o en el lugar equivocado (órbita de satélite defectuoso).
Estos defectos tienen influencia en la longitud de ciclo aparente
de la señal desde el satélite al receptor y, por consiguiente,
tienen un fuerte impacto en la precisión de la navegación. Los
errores temporales pueden también considerarse como errores de
longitud de ciclo. Los defectos o errores también se denominan
errores de la señal en el espacio, abreviadamente SISE. El nombre
de señal en el espacio viene de la tarea de un sistema global de
navegación basado en satélites o un sistema de navegación por
satélite que difunde señales en el espacio para permitir la
detección de la posición de un receptor de las señales.
Los conceptos conocidos de integridad se basan
en el supuesto de que es posible detectar errores perfectamente.
Conceptos conocidos de integridad no regional son el Sistema de
Aumento de Área Amplia (WAAS) y el Servicio Europeo de Navegación
por Complemento Geoestacionario (EGNOS). Con estos conceptos, se da
por supuesto que los errores pueden ser siempre detectados. Sin
embargo, este supuesto no es siempre correcto y, por consiguiente,
puede reducirse la precisión de la navegación.
El artículo de M. Hollreiser et al.,
"Galileo User Segment Overview" 10N GPS/GNSS 2003,
9-12 Septiembre 2003, Portland, OR aborda un método
para determinar la integridad de la señal en el espacio comenzando
por los indicadores de integridad y la información de precisión de
la señal en el espacio.
\vskip1.000000\baselineskip
Por consiguiente, es un objeto de la presente
invención proponer un método y un aparato para proporcionar
información de integridad para los usuarios de un sistema global de
navegación que no están basados en el supuesto que los errores
pueden ser siempre detectados.
Este objetivo se alcanza mediante un método para
proporcionar información de integridad para usuarios de un sistema
global de navegación según la reivindicación 1, un dispositivo para
detectar la posición mediante un sistema global de navegación según
la reivindicación 7, y un método para determinar el riesgo de
integridad de la información difundida desde vehículos espaciales
en un sistema global de navegación según la reivindicación 13. Las
formas de realización preferentes de la invención se especifican en
las reivindicaciones dependientes.
\vskip1.000000\baselineskip
La idea subyacente de la invención es difundir
información acerca de la calidad de los errores de señal en el
espacio.
La invención se refiere a un método para
proporcionar información de integridad para usuarios de un sistema
global de navegación, que consta de varios vehículos espaciales como
satélites que transmiten información a un dispositivo para la
detección de la posición, en el que la información transmitida
incluye:
Una primera información del sistema global de
navegación acerca de la precisión de un error de la señal en el
espacio SISE de un vehículo espacial defectuoso y,
Una segunda información de si el sistema global
de navegación evalúa el vehículo espacial defectuoso como
defectuoso o no.
A diferencia de métodos conocidos como el WAAS o
el EGNOS para proporcionar información de integridad en un sistema
global de navegación como Galileo que están basados en el supuesto
de que los fallos pueden ser siempre detectados, la invención se
basa en el supuesto de con qué exactitud puede detectarse un fallo.
De esta manera, puede aumentar el rendimiento del sistema global de
navegación. Además, no se utiliza ningún supuesto infundado lo cual
mejora la calidad del servicio.
En una forma de realización de la invención, la
primera información consta de:
Información acerca de la calidad de una señal en
el espacio SIS emitida por los vehículos espaciales, que se
denomina precisión de la señal en el espacio SISA, y,
Información sobre la precisión de una
monitorización de la señal en el espacio SIS emitida por los
vehículos espaciales por un tramo de tierra del sistema global de
navegación, que se denomina precisión de la monitorización de la
señal en el espacio SISMA.
Además, la segunda información consta de
información acerca de una señal en el espacio SIS emitida por los
vehículos espaciales que no debería ser utilizada, lo que se
denomina indicador de integridad IF.
Generalmente, un mensaje de navegación se
difunde al dispositivo para la detección de la posición que incluye
valores de SISA.
Además, se puede difundir un mensaje de
integridad al dispositivo de detección de la posición que incluye
una tabla que contiene un valor de la SISMA y un indicador de
integridad IF para cada SIS.
En un sistema global de navegación como Galileo,
el mensaje de navegación y de integridad se actualiza cada 30
segundos.
Según un aspecto adicional, la invención se
refiere a un dispositivo para la detección de la posición mediante
un sistema global de navegación que consta de varios vehículos
espaciales que transmiten información al dispositivo para
determinar la posición del dispositivo en el espacio, en el que el
dispositivo consta de:
Un medio de recepción para recibir una
información de integridad proporcionada según el método de la
invención descrito anteriormente,
Un medio de procesamiento para calcular un
riesgo de integridad de la primera y segunda información recibidas
e información adicional, y
Un medio de alarma para activar una alarma si el
riesgo de integridad calculado es mayor que un riesgo de integridad
permitido.
El medio de procesamiento puede ser adaptado
para calcular el riesgo de integridad para un límite de alarma dado
que es la desviación de posición máxima permitida para la que no
debe activarse una alarma.
Para el cálculo del riesgo de integridad debería
suponerse que todas las distribuciones utilizadas para el cálculo
son distribuciones Gaussianas.
Para conseguir resultados precisos, la
información adicional utilizada para el cálculo del riesgo de
integridad puede constar de:
La geometría relativa entre el dispositivo para
la detección de la posición y el vehículo espacial, Márgenes de
error para la señal en el espacio SIS incluyendo errores de
propagación, errores de recepción y errores de la emisión de la SIS
por los vehículos espaciales, y los indicadores de integridad
IFs.
Para errores de la SIS emitida por los vehículos
espaciales se puede suponer que para un vehículo espacial no libre
de error la distribución de la diferencia entre el error de la SIS
emitida por los vehículos espaciales y un umbral del indicador de
integridad está sobrelimitado por una distribución Gaussiana con una
desviación estándar de la precisión de la monitorización de la
señal en el espacio SISMA.
El dispositivo se puede adaptar para calcular el
riesgo de integridad como la suma del riesgo de integridad
horizontal P_{intRisk,H} y el riesgo de integridad vertical
P_{intRisk,V}.
La invención también se refiere a un método para
determinar el riesgo de integridad de la información difundida
desde los vehículos espaciales en un sistema global de navegación
que proporciona información de integridad mediante un método según
el método de la invención descrito anteriormente, que consta de las
siguientes etapas:
- \quad
- Verificar que la información de integridad recibida para cada tren de datos de integridad es la información de integridad generada por la función de integridad de la infraestructura de tierra;
- \quad
- Seleccionar de entre los trenes de datos de integridad redundantes y positivamente verificados el tren de datos de integridad que se va a utilizar;
- \quad
- Determinar a partir de la información de integridad seleccionada y positivamente verificada y de la información de navegación qué señales son válidas;
- \quad
- Computar el riesgo de integridad en el límite de alarma para el período de operación crítica en el que sólo se consideran señales válidas;
- \quad
- Computar el número de vehículos espaciales críticos para el período de operación crítica en el que sólo son considerados los vehículos espaciales que proporcionan señales válidas; y
- \quad
- Generar una señal de alarma para el usuario que indica si la información recibida debería ser o no utilizada para detectar la posición.
En especial, la información de integridad
generada por la función de integridad de la infraestructura de
tierra está firmada de manera que pueda ser validada por un
receptor.
Otras ventajas y características de la invención
se pondrán de manifiesto a partir de la siguiente descripción de
las formas de realización preferentes de la invención.
\vskip1.000000\baselineskip
A continuación se describirá la presente
invención, a modo de ejemplo, en referencia a los dibujos adjuntos,
en los que:
Fig. 1 muestra el plan de frecuencia del sistema
global de navegación Galileo;
Fig. 2 muestra las señales de navegación
utilizadas en Galileo que soportan los Servicios asociados a la
seguridad de la vida humana (SoL);
Fig. 3 ilustra la precisión de la señal en el
espacio (SISA) y la precisión de la monitorización de la señal en
el espacio (SISMA);
Fig. 4 ilustra la asignación de integridad de
alto nivel en Galileo;
Fig. 5 muestra un diagrama de bloques de la rama
del usuario para calcular el riesgo de integridad;
Fig. 6 muestra un diagrama de bloques de la rama
del fallo de difusión;
Fig. 7 muestra un diagrama de bloques de la rama
del fallo de difusión en mayor detalle;
Fig. 8 muestra un diagrama de bloques de la
asignación de continuidad de nivel superior;
Fig. 9 muestra un diagrama de bloques de la
asignación de la pérdida del mensaje de integridad;
Fig. 10 muestra un diagrama de bloques en caso
de fallo SIS o asignación de exclusión;
Fig. 11 muestra un diagrama de flujo del
algoritmo de aviso de navegación
\vskip1.000000\baselineskip
En la siguiente descripción, se explica la
invención como una aplicación en Galileo que será un sistema global
de navegación por satélite controlado europeo independiente.
El Componente Global Galileo constará de una
constelación de satélites monitorizados y controlados por un Tramo
de Tierra que también proporcionará la capacidad de detectar fallos
de funcionamiento de satélites o del sistema y emitir avisos en
tiempo real (mensajes de integridad) a los usuarios.
El Componente Global Galileo proporcionará un
número de servicios de navegación sólo por satélite:
- \bullet
- Servicios Abiertos (OS) que proporcionan navegación y señales temporales;
- \bullet
- Servicios asociados a la seguridad de la vida humana (SoL) que proporcionan mensajes de integridad, incorporados en los mensajes de datos de navegación de las señales de Servicio Abierto;
- \bullet
- Servicios Comerciales (CS) que proporcionan la difusión de información comercial y señales de datos mediante satélites Galileo;
- \bullet
- Servicios Públicos Reguladores (PRS) que proporcionan navegación y señales temporales por medio de señales de navegación de acceso restringido, independientes.
Otros componentes del Sistema Galileo
proporcionarán Servicios Locales para mejorar rendimientos (por
ejemplo, integridad) de manera local.
El sistema Galileo también dará soporte a los
servicios asociados a la búsqueda y rescate (SAR).
Además, Galileo soportará Servicios de
Integridad Regional Externos (ERIS) difundiendo, sobre satélites
Galileo seleccionados, datos de integridad generados por
proveedores de servicio de integridad regional externos
independientes.
De acuerdo con los más exigentes requisitos del
servicio SoL esto conducirá a la asignación de integridad de
Galileo en su conjunto. Por consiguiente se resumen las siguientes
características SoL.
\vskip1.000000\baselineskip
Las Señales de Navegación Galileo se transmiten
en cuatro frecuencias como se indica en la Fig. 1. Las cuatro
frecuencias son E5a, E5b, E6 y L1.
Estas frecuencias han sido seleccionadas de
entre bandas asignadas al Servicio de Radio Navegación por Satélites
(RNSS) por las Regulaciones de Radio ITU.
Las señales que están soportando el servicio SoL
se ilustran en la Fig. 2.
\vskip1.000000\baselineskip
El Tramo Espacial Galileo constará de una
constelación de 27 satélites operacionales más tres satélites
adicionales en órbita (inactivos) en una órbita media terrestre
(MEO). Cada satélite operacional emitirá un conjunto de señales de
navegación que llevan sincronización del reloj, efemérides,
integridad y otros datos, dependiendo de la señal en concreto. Un
usuario equipado con un receptor adecuado con una buena visibilidad
del cielo podrá recibir aproximadamente 11 satélites Galileo para
determinar su posición con una precisión de unos pocos metros.
El Tramo de Tierra de Galileo controlará la
constelación Galileo completa, monitorizará el estado de salud de
los satélites, y cargará los datos para su posterior emisión a los
usuarios mediante las estaciones de enlace ascendente de misión
(ULS). Los elementos clave de estos datos tales como la
sincronización del reloj, las efemérides y los mensajes de
integridad se calcularán a partir de mediciones hechas por una red
mundial de Estaciones de Sensores de Galileo (GSS).
\vskip1.000000\baselineskip
La integridad para los Sistemas Globales de
Navegación por Satélite es una medida de la confianza, que puede
depositarse en la exactitud de la información de la posición
suministrada al usuario por el receptor.
La integridad incluye la capacidad de un sistema
de proporcionar a los usuarios avisos válidos y en el momento
oportuno (alarmas). El problema principal para proporcionar
integridad a diferentes clases de usuarios de Galileo es determinar
qué se considera un servicio seguro, ya que esto depende del tipo de
operación deseada en cada dominio de aplicación. Los siguientes
parámetros son tradicionalmente utilizados para definir si el
servicio es seguro o no para una determinada operación:
- \bullet
- Error máximo tolerable en el dominio de posición sin dar un aviso, llamado Límite de Alarma (AL).
- \bullet
- Tiempo máximo tolerable entre que es excedido el Límite de Alarma y se recibe el aviso, llamado Tiempo para la Alarma (TTA).
- \bullet
- Probabilidad de que el aviso no sea proporcionado dentro del Tiempo para la Alarma después de que el Límite de Alarma haya sido excedido, llamado Riesgo de Integridad (IR).
Los valores aceptables del Límite de Alarma,
Tiempo para la Alarma y Riesgo de Integridad dependen todos ellos
de la operación deseada.
\newpage
El sistema Galileo proporcionará un nivel de
integridad muy exigente para sus señales de navegación. El concepto
de integridad global se ajustará a las necesidades de una variedad
de comunidades de usuarios que requieren diferentes servicios, en
términos de combinaciones de señales, y diferentes niveles de
integridad en términos de Riesgos de Integridad y Límites de
Alarma.
El servicio SoL proporcionará información de
integridad a un nivel global basada en la monitorización de las
señales de Servicio Abierto L1 y E5b. El servicio SoL permitirá
operaciones en diferentes dominios de aplicación, no sólo
transporte (aire, tierra, marítimo y ferroviario) sino también
señales temporales y otras aplicaciones críticas, con un amplio
rango de requisitos en términos de rendimientos de integridad que
imponen diferentes restricciones a nivel de sistema.
Las características de rendimiento de Galileo se
especifican a nivel de usuario (es decir, rendimientos de extremo a
extremo) suponiendo el uso de un receptor adecuado (un receptor
"estándar") con condiciones medioambientales y operacionales
de referencia específicas.
La consulta a comunidades de usuarios ha llevado
a la identificación de las siguientes tres categorías de requisitos
de integridad:
- \bullet
- Nivel A: cubrirá operaciones que requieren guiado horizontal y/o vertical con un tiempo de exposición corto y con condiciones dinámicas muy rigurosas, por ejemplo, en las operaciones de aproximación en el domino de la aviación con guiado vertical (APV II). También cubre algunas aplicaciones ferroviarias (control/monitorización de trenes) y aplicaciones en carretera.
- \bullet
- Nivel B: cubrirá operaciones de mayor duración que requieren menor precisión, lo que en el dominio de la aviación va desde en ruta hasta NPA (Aproximación de no Precisión).
- \bullet
- Nivel C: cubrirá operaciones marítimas incluyendo la navegación oceánica, navegación costera, aproximación a puerto, aguas restringidas y rutas fluviales interiores, que pueden requerir una alta precisión vertical.
La siguiente tabla presenta los requisitos de
rendimiento relacionados con la integridad en la conducción para
los diversos niveles de usuario así como el mapeo de las señales de
Galileo para estas configuraciones.
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
\newpage
(Continuación)
Los requisitos de Nivel A habían sido tenidos en
cuenta para el trabajo de diseño del sistema y han estado
conduciendo el rendimiento del sistema y las asignaciones de los
requisitos consecuentemente. Hay que reseñar que los requisitos del
sistema [RD-7] requieren un HAL de 12 m.
\vskip1.000000\baselineskip
Los errores que afectan la determinación de la
posición utilizando un sistema de navegación por satélite son la
combinación de los siguientes dos factores.
- \bullet
- Los errores que afectan a la medición del alcance de cada satélite individual: estos errores son una función del tiempo de predicción de la órbita del satélite y de la evolución del reloj, de manera que las predicciones a corto plazo con frecuencias de actualización altas mantendrán estos errores pequeños.
- \bullet
- La geometría de los satélites vistos por un determinado usuario: esta geometría es determinista para un tiempo y localización concretos y puede ser computada por cada usuario individual.
El propósito del mecanismo de integridad para
Galileo es asegurar que se proporciona a cada usuario individual
señales que sean seguras para su operación deseada y que se le avisa
a tiempo de si esa condición no puede ser cumplida en un punto
concreto en el tiempo. Sin embargo, sólo se puede responsabilizar al
Operador del Sistema de Galileo por algunas de las fuentes de error
que afectan a los usuarios. Es por lo tanto importante identificar
las diferentes categorías de fuentes de error y explicar cómo cada
uno de esos componentes de error puede ser abordado por el esquema
de integridad global. Hay tres categorías principales de fuentes de
error, que son las siguientes;
- 1.
- Errores atribuibles a la generación de señales de Galileo: esta categoría incluye todos los errores que resultan de las características de la radiofrecuencia de las señales emitidas desde los satélites de Galileo o a partir de los datos de navegación contenidos en las señales de radiofrecuencia. Los principales contribuyentes en esta categoría son los errores del reloj y de las efemérides y del hardware a bordo del satélite.
- 2.
- Errores debidos a la propagación de la señal: por todo el camino desde la antena de emisión del satélite hasta la antena receptora del usuario, la señal sufre perturbaciones por varios fenómenos que afectan a su propagación. Retrasos ionosféricos, retrasos troposféricos, trayectos múltiples e interferencia de radiofrecuencia serán los principales contribuyentes en esta categoría.
- 3.
- Errores debidos al receptor del usuario: el receptor del usuario también contribuirá al rendimiento global del sistema. El ruido termal afectará a las mediciones de alcance en el receptor, al igual que el nivel de potencia de las señales recibidas.
La manera de manejar la contribución a la
integridad de estas tres categorías de errores será muy diferente.
Los datos de integridad de Galileo permitirán que los usuarios estén
protegidos contra la primera categoría de errores. La operación en
frecuencia dual permitirá que los usuarios corrijan los retrasos
ionosféricos. El modelado de error de la propagación permitirá que
los usuarios estén protegidos contra errores debidos a retrasos
troposféricos. La implementación de barreras de equipo del usuario
protegerá a los usuarios contra las interferencias excesivas o los
trayectos múltiples.
\vskip1.000000\baselineskip
Según la infraestructura de tierra descrita que
consiste en estaciones de sensores de Galileo (GSS) y estaciones de
enlace ascendente de misión (ULS), se puede utilizar una red global
para monitorizar el comportamiento del satélite y proporcionar
información de usuario respectivamente.
El número de GSS visibles desde cada satélite
conduce la red de tierra y el correspondiente número de estaciones
necesarias. Los análisis del nivel del sistema actuales muestran que
el rendimiento de integridad SoL requerido puede ser garantizado
con una red de aproximadamente 35 GSS.
Por consiguiente se garantiza un buen
rendimiento para deducir un concepto de monitorización de integridad
útil.
\vskip1.000000\baselineskip
Una primera y tradicional opción para
proporcionar datos al usuario para unas mediciones más precisas para
deducir un concepto de integridad útil podría ser la transmisión de
datos diferenciales, utilizando la red GSS global.
Según la invención, un concepto más adecuado que
es independiente de la posición del usuario es monitorizar cada
satélite mismo y transmitir el correspondiente comportamiento (por
ejemplo, precisión de la señal en el espacio estimada o información
"No OK" si algo está mal en el satélite) al usuario. De esta
manera, el usuario recibe información directa acerca del
rendimiento estimado de cada satélite (reloj y órbita).
Teniendo en cuenta toda la información
transmitida el usuario puede calcular el riesgo de integridad y
decidir si se le permite iniciar su operación según la
invención.
\vskip1.000000\baselineskip
Galileo tiene la posibilidad de monitorizar la
señal en el espacio (SIS) dentro del Tramo de Tierra utilizando las
medidas de las GSSs. Con las posiciones conocidas de las GSSs puede
estimarse la posición real del vehículo espacial (SV) y con esto el
error máximo en el alcance (el error de la señal en el espacio,
SISE).
Si echamos un vistazo a la predicción de la
distribución SISE, suponemos que esta distribución - no
necesariamente Gaussiana - puede estar sobrelimitada por una
distribución Gaussiana no sesgada con la desviación estándar mínima
llamada precisión de la señal en el espacio (SISA). Con esta
distribución se describe la diferencia entre la posición en cuatro
dimensiones real (órbita y reloj) del SV y la posición en cuatro
dimensiones predicha en el mensaje de navegación (cf. Fig.
3).
La estimación del SISE también es un proceso
erróneo. El supuesto hecho en este caso es que la distribución del
SISE real alrededor del valor del SISE estimado puede describirse
con una distribución Gaussiana con la desviación estándar llamada
precisión de la monitorización de la señal en el espacio (SISMA). La
determinación de los valores SISMA es dependiente de la geometría
entre las GSSs disponibles y los SVs. De esta manera, la diferencia
entre el SISE verdadero y el SISE estimado puede describirse con
esta distribución Gaussiana con la desviación estándar SISMA
(cf. 3).
Dentro del concepto de Integridad de Galileo el
sistema estima el SISE utilizando las mediciones de las GSSs para
detectar satélites defectuosos. Si el SISE estimado para un satélite
es mayor que un determinado umbral, se indicará al satélite "no
utilizar". Pero si recordamos el proceso erróneo de la estimación
del SISE, hay que considerar que el SISE estimado de un satélite
podría ser menor que el umbral mientras que el SISE verdadero real
es mayor que el umbral. En este caso se habla de una Detección
Perdida.
El Umbral del Indicador de Integridad TH tiene
que se seleccionado de forma que la probabilidad de una Falsa
Alarma sea menor que un límite requerido. Una Falsa Alarma se
produce siempre que se indica en un satélite "No Utilizar"
aunque no sea necesario hacerlo. Esto significa que, siempre que el
SISE estimado (SISE_{est}) sea mayor que el umbral TH, mientras
que el SISE verdadero real es menor que el umbral TH, habrá una
Falsa Alarma.
\vskip1.000000\baselineskip
La función de integridad de Galileo es el
servicio del sistema para proporcionar a los usuarios avisos en el
momento oportuno si el sistema no va a utilizarse para la
navegación.
\global\parskip0.920000\baselineskip
Además se relaciona con la confianza que el
usuario puede tener en este servicio. Esta confianza se mide
mediante el riesgo de integridad, que es la probabilidad de que el
usuario debería haber sido avisado sin haber sido avisado. Esto se
denomina Información Engañosa Peligrosa (HMI).
La función de integridad del sistema proporciona
información de integridad a los usuarios. Contiene sólo información
sobre:
- \bullet
- La calidad de la SIS emitida por los SVs (es decir, SISA)
- \bullet
- la precisión de la monitorización por el Tramo de Tierra de la SIS emitida por los SVs (es decir, SISMA)
- \bullet
- la SIS emitida por los SVs que no van a ser utilizadas (es decir, indicador de integridad y umbral del indicador de integridad).
A partir de esta información el usuario puede
deducir su riesgo de integridad individual según la invención. Este
riesgo de integridad se calcula siempre para un límite de alarma
dado. El límite de alarma es la máxima desviación de la posición
permitida para la que no debe ser activada la alarma. Siempre que el
riesgo de integridad deducido en el límite de alarma sea mayor que
el riesgo de integridad permitido, el equipo del usuario activará
una alarma.
La computación del riesgo de integridad en el
límite de alarma puede simplificarse si se puede suponer que todas
las distribuciones necesarias para la computación son distribuciones
Gaussianas. El enfoque para justificar este supuesto es
sobrelimitar la distribución con una distribución Gaussiana siempre
que sea posible y necesario.
Los siguientes términos necesarios para computar
el riesgo de integridad en el límite de alarma se explican
nuevamente.
- \bullet
- SISE:
- \circ
- SISE es el error máximo de la SIS en el dominio de alcance causado por el SV, la carga útil del SV, y el mensaje de navegación (es decir, datos de las efemérides, reloj, etc.).
- \bullet
- SISA:
- \circ
- Como la distribución SISE no debe ser una distribución Gaussiana, la metodología de sobrelimitación se aplica para describir la distribución SISE con una distribución Gaussiana sobrelimitante.
- \circ
- La distribución SISE se caracteriza por SISA, que es una predicción de la desviación estándar mínima de una distribución Gaussiana que sobrelimita la distribución SISE para la SIS libre de fallos.
- \bullet
- SISMA:
- \circ
- Como el SISE no puede medirse directamente, se tiene que estimar el SISE a partir de mediciones.
- \circ
- La estimación del SISE da como resultado un SISE estimado (eSISE).
- \circ
- La diferencia entre SISE y eSISE tiene una distribución. Esta distribución será sobrelimitada por una distribución Gaussiana con una desviación estándar llamada SISMA. Este será un valor mínimo de la desviación estándar.
- \bullet
- Indicador de integridad y umbral del indicador de integridad:
- \circ
- Si el eSISE para una SIS es mayor que el umbral del indicador de integridad para esta SIS, el indicador de integridad para esta SIS se establece como no OK.
- \circ
- El umbral del indicador de integridad puede computarse a partir de la distribución SISE, la distribución de la diferencia entre SISE y eSISE, y la probabilidad de Falsa Alarma permitida.
El usuario computa su riesgo de integridad a
partir de los siguientes artículos, que son fijos o emitidos por la
SIS:
- \bullet
- Geometría relativa entre el usuario y los SVs.
- \bullet
- Márgenes de error para la SIS que consisten en
- \circ
- los errores de propagación
- \circ
- los errores de recepción
- \circ
- los errores de la SIS emitida por los SVs.
- \bullet
- indicadores de integridad.
\global\parskip1.000000\baselineskip
La geometría relativa entre el usuario y los SVs
se calcula a partir de la posición estimada del usuario y las
efemérides de los SVs.
Para la distribución de los errores de
propagación y recepción existen modelos acordados. Estos modelos
podrían ser alimentados por mediciones adicionales del
receptor.
Para el error de la SIS emitida por los SVs para
los usuarios específicos se supone que:
- \bullet
- Para los SVs libres de fallos la distribución del error de la SIS emitida por los SVs es sobrelimitada por una distribución Gaussiana con desviación estándar SISA.
- \bullet
- Para los SVs no libres de fallos la distribución de la diferencia entre el error de la SIS emitida por los SVs y el umbral del indicador de integridad es sobrelimitada por una distribución Gaussiana con desviación estándar SISMA.
La información del indicador de integridad es
para excluir la SIS de la solución de integridad y navegación.
\vskip1.000000\baselineskip
Según el concepto de integridad descrito la
siguiente información debería ser difundida al usuario:
- \bullet
- Mensaje de Navegación: además del contenido del mensaje de navegación normal el mensaje incluirá también los valores de SISA para los satélites y será actualizado aproximadamente cada 30 segundos.
- \bullet
- Mensaje de Integridad: al igual que el mensaje de navegación el mensaje de integridad se actualizará aproximadamente cada 30 segundos, incluyendo la tabla de integridad completa que consiste en el valor de SISMA e IF para cada SIS.
- \bullet
- "Checksum" y estado de conectividad: el "checksum" de integridad y el estado de conectividad (cómo la integridad ha sido deducida) serán actualizados aproximadamente cada segundo.
- \bullet
- Alarmas: si es necesario las alarmas pueden ser transmitidas en tiempo real (aproximadamente cada segundo) para todos los satélites.
\vskip1.000000\baselineskip
Los supuestos hechos para la deducción de la
ecuación de integridad del usuario se resumen como sigue:
- \bullet
- En un "Modo Libre de Fallos" el SISE verdadero para un satélite tiene una distribución Gaussiana de media cero con una desviación estándar SISA (SISE\simN(0,SISA)). Por consiguiente el nivel de confianza de SISA se supone igual a 1.
- \bullet
- En general los satélites defectuosos serán detectados y serán señalizados como "no utilizar".
- \bullet
- Para cada instante de tiempo un satélite de los señalizados como "OK" se considera defectuoso pero no detectado ("Modo de Fallo"). Para este satélite el SISE verdadero tiene una distribución Gaussiana con un valor estimado de SISE, SISE_{est}, como valor de expectativa y la desviación estándar SISMA (SISE\simN(SISE_{est},SISMA), es decir se supone que el nivel de confianza de SISMA es también igual a 1. Pero puesto que el SISE estimado SISE_{est} no será conocido por el usuario, una estimación pesimista para el SISE_{est} es el umbral TH. Por consiguiente la distribución para el SISE verdadero de un satélite defectuoso, que no está señalizado como "no utilizar", es Gaussiano con un valor de expectativa TH y desviación estándar SISMA (SISE\simN(TH,SISMA)).
- \bullet
- La probabilidad de que más de un satélite en cada instante de tiempo sea defectuoso pero no detectado es insignificante para la ecuación del usuario. Los fallos múltiples y comunes se localizan en otra rama del árbol de integridad incluyendo SISA no detectada y fallos SISMA (cf. 0). Por consiguiente estos sucesos no son asignados a la ecuación de integridad del usuario.
Con estos supuestos el usuario es capaz de
determinar el riesgo de integridad de su solución de posición en
cualquier sitio global.
\vskip1.000000\baselineskip
Según la invención, hay dos conceptos
principales para calcular la integridad para el usuario:
1. bien puede ser calculada qué magnitud de
error debe suponerse que está en conformidad con un valor de riesgo
de integridad dado (concepto de nivel de protección),
2. o el riesgo de integridad puede ser
directamente calculado en el Límite de Alarma (AL).
Para el primer concepto tienen que establecerse
asignaciones fijas para cada mecanismo de fallo (por ejemplo, 2%
horizontal y 98% vertical como la asignación WAAS) y resultan un
nivel de protección horizontal (HPL) respectivamente vertical
(VPL).
Además, las geometrías del usuario que llevan a
un HPL alto son diferentes de aquellas que llevan a valores de VPL
altos. En el caso de WAAS esto no tiene que ser considerado debido
al hecho de que el 2% son asignados para el caso horizontal.
Además, WAAS tiene unos requisitos de disponibilidad menos rigurosos
en comparación con Galileo, de manera que la disminución de la
disponibilidad debida a esta división fija puede ser tolerada.
En el caso de Galileo deberían considerarse
cuatro mecanismos de fallo: horizontal, vertical y para cada uno de
ellos libre de error y un error no detectado.
Según la invención, el riesgo de integridad para
cada mecanismo de fallo puede ser calculado en el límite de alarma
(AL) y para comparar la suma de las cuatro contribuciones con el
riesgo de integridad requerido. Este enfoque corresponde al segundo
concepto.
\vskip1.000000\baselineskip
Como se describe anteriormente en detalle la
información disponible a nivel de usuario para computar el riesgo
de integridad es:
- \bullet
- Indicador de Integridad
- \bullet
- Valor de SISA para cada satélite
- \bullet
- Valor de SISMA para cada satélite, y
- \bullet
- Umbral vía SISA y SISMA.
Una vez que se conoce la distribución del error
en el marco referencial deseado (distribuciones Gaussianas
sobrelimitantes con SISA respectivamente SISMA), tanto en las
condiciones defectuosas y en las libres de fallos destinadas a las
ecuaciones del usuario, es muy directo deducir el riesgo de
integridad asociado.
Por consiguiente las distribuciones de error
para el caso vertical (distribución Gaussiana unidimensional) y
horizontal (distribución ji-cuadrada con dos grados
de libertad) necesitan ser deducidas y el riesgo de integridad
correspondiente puede ser computado analizando la integral para
ambas distribuciones con los límites dados (Límites de Alarma).
El riesgo de integridad combinado del usuario
puede calcularse mediante
\vskip1.000000\baselineskip
Los extensos análisis de la simulación del
volumen de servicio (SVS) han demostrado que la integridad requerida
global y los rendimientos de disponibilidad pueden alcanzarse si
los valores SISMA están por debajo de la siguiente especificación
para modos nominal y degradado.
Por la presente el sistema está en "modo
nominal" si el tramo de tierra es nominal y el SSgt es nominal
(27 SIS disponibles) y en "modo degradado" si el tramo de
tierra Y/O el SSgt está degradado (26 SIS).
Debería ser reseñado adicionalmente que estos
requisitos de rendimiento clave han sido deducidos por las
Simulaciones de Volumen de Servicio con un ángulo de elevación del
usuario de 10º. Esto significa que la SIS acaba de ser utilizada
por encima de este ángulo de enmascaramiento.
\vskip1.000000\baselineskip
Según el concepto de integridad global las
especificaciones requeridas de integridad, continuidad, y
disponibilidad deberían ser asignadas a nivel de Sistema bajando
hasta los requisitos del Tramo. Esta asignación de arriba abajo se
libera generalmente utilizando un llamado árbol de asignación para
cada requisito.
A continuación se describirá la asignación
superior a abajo de alto nivel para la integridad, continuidad, y
disponibilidad, tomando en cuenta el concepto de integridad
descrito.
\vskip1.000000\baselineskip
La ecuación presentada anteriormente para
calcular el riesgo de integridad a nivel de usuario representa los
modos siguientes y mecanismos de fallo que pueden llevar a un suceso
de integridad.
- 1.
- Todos los satélites son modo libre de fallos.
- 2.
- El peor satélite que está señalizado como "OK" es defectuoso (en el umbral con SISMA).
Esto puede asignarse como una contribución
"HMI Libre de Fallos o de SIS única" al riesgo de HMI global
especificado en el dominio de posición. Este Peligro de Nivel
Máximo concierne a la disposición de una solución de posición bajo
las condiciones de que la Probabilidad de HMI en cualquier período
de operación crítica de integridad excede el valor tolerado y el
usuario no es avisado dentro del TTA especificado.
Además de la mencionada ecuación de integridad
del usuario
- \bullet
- "HMI Libre de Fallos o de SIS única": este suceso representa la situación HMI creada cuando todas las señales utilizadas en la solución de posición se comportan nominalmente (Estocástico Libre de Fallos) o como máximo una señal afectada por un fallo no detectado se utiliza en la solución de posición (1 Fallo SIS Debido al Sistema). Este último fallo no incluye el caso de un fallo SISA único y un fallo SISMA único porque esto está asignado en la rama "Fallo SIS Múltiple" que se describe a continuación.
Contribuciones adicionales al riesgo de
integridad global que podrían llevar a sucesos de integridad son
- \bullet
- "fallo de difusión de la integridad debido a efectos no locales": esta rama cubre todos los sucesos en los que los errores en la difusión de la información de integridad dan como resultado una HMI en el dominio de posición. Estos sucesos sólo pueden ocurrir cuando por lo menos una SIS está fallando.
- \bullet
- "Fallos SIS múltiples": esta rama representa la condición en la que por lo menos una SIS está fallando debido a un fallo en la determinación de los datos de navegación o a fallos de señales independientes múltiples.
- \bullet
- "Fallos del receptor": la contribución del receptor no es parte de la asignación del sistema y se especifica en los requisitos del sistema separadamente. Sin embargo, para una mejor comprensión se ilustra en las figuras siguientes.
La Fig. 4 ilustra la asignación de integridad de
alto nivel.
En las siguientes secciones las ramas de
integridad única se describen brevemente para describir los
mecanismos de fallo que son cubiertos por la asignación de
integridad.
\vskip1.000000\baselineskip
La rama izquierda se asigna a la ecuación del
usuario descrita y se divide adicionalmente como se ilustra en la
Fig. 5.
Cada parte puede encontrarse directamente en las
ecuaciones del usuario deducidas (cf. a 0). Los dos bloques
"Protección Perdida Libre de Fallos" y "Protección Perdida de
Fallo Único" en la sección B respectivamente C en la Fig. 5 en
el lado izquierdo representan la asignación entre los mecanismos
horizontal y vertical libres de fallos y de fallos defectuosos.
El usuario tiene que calcular su riesgo de
integridad en el límite de alarma y se le permite comenzar su
operación si el valor calculado está por debajo de la asignación
"HMI Libre de Fallos o de SIS única" (sección A).
\vskip1.000000\baselineskip
La rama "Fallo de Difusión de Integridad No
Local" cubre todos los sucesos en los que los errores en la
difusión de la información de integridad dan como resultado una HMI
en el dominio de posición. Estos sucesos sólo pueden ocurrir cuando
por lo menos una SIS falla.
La Fig. 6 ilustra la división adicional al nivel
de tramo para la rama de fallo de difusión.
Como se ha mencionado anteriormente esta rama
cubre todos los sucesos en los que una HMI en el dominio de
posición tiene lugar de acuerdo con un fallo en la difusión de la
información de integridad. Por consiguiente representa las
situaciones peligrosas creadas cuando por lo menos una de las SIS
utilizadas en la estimación de la posición está fallando (1 de 11;
11 es el número máximo de satélites visibles) y si la difusión ha
fallado por causa del GMS o del satélite.
En caso de información engañosa OSPF (OSPF MI)
la salida OSPF contiene información engañosa (es decir, SISA no
delimitando adecuadamente la órbita predicha y la precisión del
reloj) para uno o más satélites.
\vskip1.000000\baselineskip
La rama para los fallos SIS múltiples finalmente
cubre todos los sucesos en los que fallos comunes o independientes
múltiples llevan a una HMI en el dominio de posición. Por
consiguiente estos sucesos podrían ocurrir si la SIS única
independiente falla simultáneamente o si un fallo no detectado para
SISA o SISMA conduce a fallos SIS comunes.
Además debería resaltarse que esta rama cubre
además de fallos múltiples también los fallos comunes para por lo
menos una SIS. De esta manera, esta rama también está cubriendo los
fallos SISA y SISMA no detectados que no están incluidos en la
ecuación del usuario.
La Fig. 7 ilustra en un diagrama de bloques más
detallado la rama de fallo de difusión. La contribución de HMI de
los "Fallos Comunes SISA No Detectados" se asigna a fallos GMS
internos, llevando a una computación OD&TS degradada o a una
determinación SISA, de manera que el valor SISA para por lo menos un
satélite no está delimitando apropiadamente la distribución SISE en
el caso libre de fallos.
El "Fallo Común SISMA" representa las
situaciones peligrosas debidas a errores de monitorización. Tal
suceso ocurre cuando por lo menos una SIS de cada 11 está fallando
y si la determinación SISMA falla, o si la información SISMA está
corrompida a causa del GMS o el satélite.
\vskip1.000000\baselineskip
Al igual que la asignación de integridad el
requisito del sistema para la discontinuidad tiene que ser asignado
a nivel de sistema a los tramos.
\vskip1.000000\baselineskip
Para garantizar la discontinuidad requerida del
servicio de integridad se tienen que alcanzar dos condiciones
principales al principio de un tiempo de exposición de
continuidad.
- \bullet
- Enlaces independientes: por lo menos dos enlaces de integridad independientes son recibidas por el usuario. Esto es necesario para asegurar que el usuario recibe información de integridad (alarmas) a lo largo del intervalo de continuidad (15 segundos) incluso si un de los enlaces falla (por ejemplo, satélite, enlace ascendente o fallo IPF).
- \bullet
- Satélites críticos: no más de un número específico de satélites críticos están presentes en la geometría en curso. Un satélite crítico se define como un satélite en la geometría en curso del usuario cuya pérdida o exclusión llevará incondicionalmente a exceder el umbral de probabilidad HMI tolerado en cualquier período de operación crítica de integridad. De esta manera, la pérdida de un satélite crítico llevará a la generación de una alarma de "No Utilizar" de manera que la operación crítica en curso sea inmediatamente interrumpida.
\vskip1.000000\baselineskip
La Fig. 8 ilustra la asignación de nivel
superior para la discontinuidad del servicio requerida.
El peligro de nivel superior "Discontinuidad
del Servicio" representa la condición en la que una operación
crítica tiene que ser interrumpida debido a que tiene lugar un
suceso del sistema impredecible al inicio de una operación
crítica.
Tales condiciones críticas de discontinuidad se
alcanzan si tiene lugar uno de los siguientes temidos sucesos.
- \bullet
- "Discontinuidad debida al Fallo único del Receptor": discontinuidad de acuerdo con un fallo del receptor (al igual que la asignación de integridad sólo ilustrada para una figura completa).
- \bullet
- "Discontinuidad debida a la Pérdida del Mensaje de Integridad": este suceso considera la pérdida de la disposición del mensaje de integridad a un usuario situado en un lugar arbitrario dentro del volumen del servicio.
- \bullet
- "MI en la Determinación de la Navegación": este suceso representa las condiciones en las que señales engañosas son excluidas de la solución de posición (alarmas verdaderas). La frecuencia de estas alarmas verdaderas es conducida por la probabilidad de ocurrencia del temido suceso "MI en la Determinación de la Navegación" en cualquier período de operación crítica de continuidad, ya que se supone que la detectabilidad de este temido suceso por el algoritmo IPF es, siendo conservadores, del 100%.
- \bullet
- "Discontinuidad debida a Fallo SIS no local o Exclusión": este suceso representa la contribución a la discontinuidad debida a fallos no locales que podrían llevar independientemente a la pérdida o exclusión de una única señal, hasta el punto donde la geometría restante es insuficiente para mantener la probabilidad de HMI por debajo del valor permitido.
A continuación se describen las ramas para la
pérdida del mensaje de integridad y del fallo SIS respectivamente
exclusión en mayor detalle para describir los sucesos cubiertos que
podrían llevar a la discontinuidad.
\vskip1.000000\baselineskip
El temido suceso "Discontinuidad debida a la
Pérdida del Mensaje de Integridad" refleja la pérdida de la
disposición del mensaje de integridad a un usuario situado en un
sitio arbitrario dentro del volumen del servicio. Esto aparece si
se pierde el fallo de determinación de los datos de integridad para
múltiples satélites o el enlace de integridad redundante.
La Fig. 9 ilustra la asignación adicional para
la pérdida del mensaje de integridad al nivel de tramo.
La pérdida dentro del período operacional
crítico de la función de determinación de los datos de integridad
ocurre cuando el Tramo de Misión de Galileo (GMS) no proporciona
información de integridad, o el GMS no proporciona información de
integridad con los rendimientos SISMA requeridos.
La rama derecha se asocia a la pérdida del
mensaje de integridad debido a fallos en el enlace.
Se requieren por lo menos dos enlaces al
comienzo de la operación crítica, ya que la probabilidad de perder
un enlace durante una operación crítica es ya mayor que el riesgo de
continuidad total. Si el usuario tiene dos al comienzo se le
permite continuar, incluso si se pierde un enlace. Los enlaces de
integridad son independientes con la condición de que se utilicen
elementos independientes para proporcionar información de integridad
al usuario.
Un fallo de enlace puede ocurrir si falla el GMS
en enlazar ascendentemente los mensajes de integridad o si el
enlace se pierde de acuerdo con los fallos del satélite.
\vskip1.000000\baselineskip
El temido suceso "Discontinuidad debida a
Exclusión o Fallo SIS no local" representa la contribución a la
discontinuidad debida a fallos no locales que podrían
independientemente llevar a la pérdida o exclusión de única señal,
hasta el punto donde la geometría restante es insuficiente para
mantener la probabilidad de HMI en cualquier 150 s por debajo del
valor permitido.
La geometría del usuario por debajo de la cual
el sistema se declara disponible puede contener hasta seis señales
críticas independientes, que son igualmente críticas para mantener
la probabilidad de HMI por debajo del valor tolerado. Cuando una de
las señales críticas se pierde, la probabilidad de HMI excede el
valor especificado y el usuario tiene que interrumpir su operación.
Esto significa que la contribución a la discontinuidad del servicio
tiene que ser computada como 6 veces la frecuencia de fallo asignada
a las señales únicas independientes.
La Fig. 10 ilustra la rama para el fallo SIS o
exclusión que podría llevar a una discontinuidad del servicio. El
concepto de 6 satélites críticos se ilustra debajo de la parte
superior del bloque "Discontinuidad debida a Fallo SIS no local o
Exclusión".
La rama "No se utiliza una buena señal (Falsa
Alarma)" refleja la discontinuidad que ocurre cuando una señal
correcta es excluida impredeciblemente durante una operación
crítica.
La rama "Señal Correctamente Indicada (Alarma
Verdadera)" tiene en cuenta alarmas verdaderas del algoritmo IPF
activadas por los fallos MI de SIS únicas independientes.
El bloque "la Señal no alcanza el receptor"
es igual al FE "no se Recibe la SIS que Contiene el Mensaje IF"
como se ilustra en la Fig. 9.
\vskip1.000000\baselineskip
Para el rendimiento de la disponibilidad media
de servicio el enfoque es definir estados del sistema Galileo
apropiados y caracterizar la probabilidad de que el sistema esté en
cada estado así como la disponibilidad del servicio a nivel de
usuario para cada uno de estos estados. Este último parámetro se
define como el porcentaje de tiempo en el peor sitio de usuario
para el que se satisface un criterio de disponibilidad específico,
de manera que el usuario puede tomar una decisión positiva para
comenzar una operación crítica.
El rendimiento de la disponibilidad media del
servicio se consigue entonces como la suma de la disponibilidad
obtenida para cada estado del sistema, ponderada por la
correspondiente probabilidad de estado. La caracterización del
rendimiento de la disponibilidad media del servicio requiere de esta
manera la evaluación tanto de los rendimientos probabilísticos
relevantes para sucesos impredecibles que determinan las
probabilidades del estado como del rendimiento de disponibilidad
del servicio determinista (predecible) en estados del sistema dados
dependiendo de la geometría de la señal.
La evaluación de los requisitos de rendimiento
del servicio de navegación (en términos de integridad, continuidad
y disponibilidad) se conseguirá finalmente verificando (por
simulación del Volumen de Servicio) que se puede alcanzar el
requisito de disponibilidad media del 99,5% del servicio SoL
especificado. Para declarar en un instante de tiempo y espacio
dados la disponibilidad del servicio a nivel de usuario, tienen que
alcanzarse los rendimientos de continuidad e integridad.
\vskip1.000000\baselineskip
En cada periodo de fijación de la solución de
posición, se permitirá a un usuario iniciar una operación crítica
siempre que se satisfagan simultáneamente las siguientes
condiciones.
- \bullet
- El receptor de Galileo es capaz de proporcionar una Solución de Navegación.
- \bullet
- El receptor de Galileo es capaz de predecir el rendimiento de integridad y el rendimiento de continuidad.
- \bullet
- La probabilidad de HMI predicha a lo largo del siguiente período de operación crítica no excede el valor especificado.
- \bullet
- La probabilidad de discontinuidad del servicio predicha a lo largo del siguiente período de operación crítica no excede el valor especificado.
- \bullet
- El mensaje de integridad se recibe a través de por lo menos dos trayectos de satélite independientes.
La determinación de la disponibilidad del
servicio a nivel de usuario implica que el usuario debe ser capaz
de predecir, en cada periodo de fijación de la solución de posición,
su propio rendimiento de integridad del servicio y rendimiento de
continuidad. A tal efecto, se ejecuta un algoritmo específico dentro
del receptor del usuario. Esto genera los siguientes mensajes de
salida para el usuario.
- \bullet
- Mensaje "Operación Normal" siempre que las condiciones mencionadas anteriormente se satisfacen simultáneamente.
- \bullet
- Mensaje de alarma "No Utilizar" siempre que la probabilidad de HMI predicha excede el valor especificado o no se recibe ningún mensaje de integridad en el receptor del usuario. En este caso el usuario interrumpirá inmediatamente la operación en curso lo que contribuye a la discontinuidad global.
- \bullet
- Mensaje "No Iniciar" siempre que la no integridad está por debajo de un valor especificado pero el riesgo de discontinuidad predicho excede el valor permitido o sólo se recibe un único mensaje de integridad en el receptor del usuario. En este caso no se permitirá al usuario iniciar una operación crítica pero se permitirá a un usuario que ya haya iniciado una operación crítica acabarla.
La regla aplicada por el receptor del usuario
para determinar si el servicio está disponible en un determinado
instante en el tiempo es como sigue.
- 1.
- La probabilidad de HMI computada está por debajo del valor tolerado.
- 2.
- El número de satélites críticos a lo largo del siguiente período de operación crítica de continuidad no es mayor de un valor especificado.
Más detalles sobre el algoritmo de integridad
del usuario pueden encontrarse en la siguiente sección.
\vskip1.000000\baselineskip
Según las funcionalidades necesarias el
algoritmo de integridad del usuario tiene que proporcionar las
siguientes funciones en cada periodo.
- 1.
- verificar que la información de integridad recibida para cada tren de datos de integridad es la información de integridad generada por la función de integridad de la infraestructura de tierra;
- 2.
- seleccionar de entre los trenes de datos de integridad redundantes y verificados positivamente el tren de datos que va a ser utilizado;
- 3.
- determinar a partir de la información de integridad seleccionada y positivamente verificada y de la información de navegación qué señales son válidas;
- 4.
- computar el riesgo de integridad en el límite de alarma para el período de operación crítica; para ello sólo se toman en consideración señales válidas;
- 5.
- computar el número de satélites críticos para el período de operación crítica; para ello sólo se toman en consideración los satélites que proporcionan señales válidas;
\newpage
- 6.
- generar las siguientes alarmas para el usuario
- \bullet
- "Operación Normal" (Se permite al usuario que comience a utilizar el sistema para una operación así como continuar con su uso para una operación que ya ha sido iniciada).
- \bullet
- "No Utilizar" (No se permite al usuario que comience a utilizar el sistema para una operación y tiene que interrumpir su uso para una operación que ya ha sido iniciada).
- \bullet
- "No Iniciar" (No se permite al usuario que comience a utilizar el sistema para una operación pero se le permite continuar utilizándolo para una operación que ya ha sido iniciada).
\vskip1.000000\baselineskip
La información de integridad generada por la
función de integridad del tramo de tierra se firma (autentifica) de
manera que puede ser validada por el receptor del usuario. Esta
validación tiene que realizarse en la función de validación de la
información de integridad. La validación asegurará que sólo la
información de integridad que no ha cambiado en absoluto o que fue
cambiada durante la difusión con la probabilidad asignada será
verificada positivamente.
La información de validación se proporciona al
receptor del usuario en el tren de datos de la información de
integridad en cada periodo, incluso si no se emite al usuario
ninguna otra información de integridad. Esto permite que el usuario
determine en cada periodo si ha sido o no recibida toda la
información de integridad.
La validación se realizará para cada tren de
datos de integridad que el receptor de usuario reciba durante la
operación nominal. Hay por lo menos dos trenes de datos
independientes que el receptor del usuario recibe.
\vskip1.000000\baselineskip
De entre los trenes de datos de información de
integridad verificada positivamente el receptor del usuario tiene
que seleccionar un tren de datos de integridad que será utilizado
para un procesamiento adicional. Éste será normalmente el mismo
tren de datos de integridad utilizado en el periodo anterior.
La información de integridad de uno de los otros
trenes de datos verificados positivamente será utilizado
únicamente, si el tren de datos de integridad seleccionado en el
periodo anterior ya no está disponible o si se predice que el tren
de datos de integridad seleccionado en el periodo anterior no estará
disponible durante por lo menos un periodo durante el tiempo de
exposición de integridad.
Si ambos trenes son verificados positivamente al
comienzo de la operación uno de ellos será seleccionado
arbitrariamente.
\vskip1.000000\baselineskip
Las señales válidas que van a ser utilizadas son
todas las señales que se predice que serán recibidas por encima del
ángulo de enmascaramiento definido, que son recibidas por el
receptor del usuario, y que tienen
- 1.
- el indicador del estado de salud del satélite no indicando "no sano",
- 2.
- el indicador de integridad no indicando "no utilizar" en el tren de datos de integridad seleccionado,
- 3.
- el indicador de integridad no indicando "no monitorizado" en el tren de datos de integridad seleccionado;
- 4.
- el receptor del usuario no ha detectado internamente ninguna de las siguientes condiciones:
- \bullet
- AGC en mal estado (por encima del rango)
- \bullet
- PLL no bloqueado
- \bullet
- Error de paridad del mensaje de navegación
- \bullet
- Emisión de datos inválida
- \bullet
- Error en las efemérides (en excentricidad, anomalía de la media...fuera de rango, efemérides no recibidas,...)
- \bullet
- Almanaque inválido
- \bullet
- "Watch-dog" o perro guardián caducado
- \bullet
- Satélite en malas condiciones de salud
- \bullet
- Resultados de verificación de la integridad de SW ("checksum" SW incorrecta)
- \bullet
- Corrección ionosférica no disponible (para 1 satélite, mediciones sólo a 1 frecuencia)
- \bullet
- Error interno de computaciones (elevación, coordenadas del satélite...)
- \bullet
- Modelos de reloj inválidos
- \bullet
- Interferencia excesiva (configurable por el usuario)
- \bullet
- Trayectos múltiples excesivos (configurable por el usuario).
\vskip1.000000\baselineskip
El riesgo de integridad se computa de acuerdo
con las fórmulas dadas en la sección Ecuación de Integridad del
Usuario y en concordancia con el árbol de asignación de integridad
dado en la sección anterior "Asignación de rendimiento del
sistema".
\vskip1.000000\baselineskip
Un satélite crítico se define como un satélite
en la geometría del usuario que es esencial para mantener el Riesgo
de Integridad en un Límite de Alarma por debajo de la
especificación. De manera que tiene que haber una función en el
receptor del usuario para determinar el número de satélites críticos
en la geometría del usuario.
El número de satélites críticos se evalúa
computando el riesgo de integridad en el límite de alarma para todas
las geometrías del usuario predecibles en las que falta una señal
válida. El número de satélites críticos es el número de satélites
que hace que el riesgo de integridad en el límite de alarma sea
mayor que el riesgo de integridad asignado si se retira este
satélite.
\vskip1.000000\baselineskip
El algoritmo de aviso de navegación
proporcionará la implementación del conjunto de reglas, para decidir
si el servicio de navegación con integridad está disponible o no en
el periodo en curso To, así como para predecir su disponibilidad
para el período crítico venidero Tc. A tal efecto, este algoritmo
proporcionará tres niveles de salida, es decir:
- 1.
- mensaje "Operación Normal" o mensaje "utilizar", que indica que el servicio de navegación está disponible en el periodo To, y previsto de estar disponible durante el siguiente período de operación crítica con el requerido nivel de rendimiento de extremo a extremo. En esta condición se permite al usuario empezar o continuar las operaciones en el periodo To.
- 2.
- mensaje de aviso "no iniciar", que indica que el sistema está disponible en el periodo To, pero no se garantiza que el riesgo de discontinuidad sea aceptablemente bajo durante el siguiente período de operación crítica. Este mensaje de aviso indica que una operación crítica (por ejemplo la aproximación de una aeronave) no debe ser comenzada, pero se permitirá al usuario finalizar su Operación Crítica en curso.
- 3.
- alarma "no utilizar", que indica que el usuario debe abortar inmediatamente su operación crítica en curso porque la probabilidad de HMI excede el valor especificado o porque la solución PVT (posición, velocidad y tiempo) se ha perdido.
\vskip1.000000\baselineskip
El Algoritmo de Aviso de Navegación será capaz
de generar, en cada periodo de fijación de decisión To, un mensaje
"operación normal" siempre que se satisfagan simultáneamente
las siguientes condiciones.
- 1.
- Por lo menos dos trenes de datos de integridad están disponibles en el instante To.
- 2.
- Una solución algorítmica PVT está disponible en el instante To (no está presente ninguna Alarma de Algoritmo PVT).
- 3.
- Una solución de Computación de Probabilidad de HMI está disponible en el instante To (no está presente ninguna Alarma de Algoritmo HMI).
- 4.
- La Probabilidad de HMI en cualquier 150 s predichos en el periodo To a través del algoritmo relevante no excede el umbral de probabilidad de HMI especificado.
- 5.
- Se predice que por lo menos dos mensajes de integridad estarán continuamente disponibles a lo largo del período de la posterior operación crítica.
- 6.
- Se predice que no más de 6 satélites son críticos.
\vskip1.000000\baselineskip
El Algoritmo de Aviso de Navegación será capaz
de generar, en cada periodo de fijación de decisión To, una alarma
al usuario para abortar inmediatamente la operación en curso (alarma
"no utilizar") si se da una de las siguientes condiciones
(OR):
- 1.
- No hay ningún mensaje de enlace de integridad disponible en el periodo To, o se predice que no habrá ningún enlace de integridad disponible en un periodo a lo largo del posterior período de operación crítica.
- 2.
- Alarma de Algoritmo PVT indicando que no hay disponible una solución PVT.
- 3.
- Alarma de Algoritmo de Computación de Probabilidad de HMI indicando que no hay disponible una Probabilidad de HMI.
- 4.
- La Probabilidad de HMI en cualquier 150 s predicho en el periodo To a través del algoritmo relevante excede el umbral de probabilidad de HMI especificado.
- 5.
- Las por lo menos dos alarmas de incremento de SISMA, una alarma de incremento de SISMA múltiple fueron enviadas a través del tren de datos de integridad para un satélite desde el comienzo de la operación crítica y el umbral de la Probabilidad de HMI resultante de la probabilidad de HMI especificada.
\vskip1.000000\baselineskip
Hay que generar un aviso "no iniciar"
cuando se satisfacen simultáneamente las siguientes condiciones, en
un periodo de fijación de posición dado (AND):
- 1.
- Una solución algorítmica PVT está disponible en el instante To (no está presente la Alarma de Algoritmo PVT).
- 2.
- La Probabilidad de HMI está disponible en el instante To (no está presente la Alarma de Computación de HMI).
- 3.
- Si la Probabilidad de HMI en cualquier 150 s predicho en el periodo To a través del algoritmo relevante no excede el umbral de probabilidad de HMI especificado el Algoritmo de Aviso de Navegación será capaz de generar un mensaje "no iniciar" siempre que se verifique una de las siguientes condiciones (OR):
- \bullet
- Sólo está disponible un único mensaje de enlace de integridad en To, y previsto de estar disponible a lo largo del siguiente período de operación crítica.
- \bullet
- El número de satélites críticos no puede determinarse en To (está presente una Alarma de Algoritmo de Predicción del Satélite Crítico).
- \bullet
- Más de seis satélites son críticos a lo largo del siguiente período de operación crítica.
\vskip1.000000\baselineskip
La Fig. 11 ilustra el diagrama de flujo completo
para el algoritmo de aviso de navegación.
Esta figura resume los sucesos que conducen a
los diversos avisos de navegación "No Utilizar", "No
Iniciar" y "Operaciones Nominales" incluyendo las
funcionalidades de algoritmo único.
\vskip1.000000\baselineskip
Según las especificaciones para un receptor de
usuario estándar y el correspondiente ambiente nominal el concepto
de integridad global descrito garantiza los rendimientos requeridos
para las mencionadas especificaciones nominales respectivamente si
el usuario opera en el correspondiente ambiente.
Se tienen que implementar más barreras a nivel
de usuario para la protección contra fenómenos locales excesivos
(por ejemplo algoritmo RAIM) pero esto está fuera del alcance del
presente documento.
\vskip1.000000\baselineskip
La invención propone un sistema global de
navegación por satélite de integridad y un concepto de integridad
que incluye las capacidades de monitorización necesarias. Además de
la capacidad de monitorización que será proporcionada por el
sistema para excluir los satélites defectuosos el concepto de
integridad presentado también considera las capacidades de
monitorización limitadas que están presentes en cualquier sistema de
integridad considerando un satélite defectuoso que no es detectado
por el sistema de monitorización en la computación del riesgo de
integridad a nivel de usuario.
Se han considerado cuatro mecanismos de fallo en
las ecuaciones de integridad del usuario: horizontal, vertical y
para cada una de ellas libre de fallo y un error no detectado.
A diferencia de los actuales conceptos de SBAS
no se podría llevar a cabo ninguna asignación fija entre los
mecanismos de fallo para evitar infraestructuras de tierra demasiado
complejas. El riesgo de integridad combinada puede ser calculado
directamente en el Límite de Alarma y puede ser comparado a la
correspondiente especificación. Este concepto está incluido en la
asignación de integridad global y el impacto del cálculo de riesgo
de integridad combinada ha sido comparado con el típico enfoque de
asignación fija.
Para garantizar la disponibilidad del servicio
se ha introducido un concepto de satélite crítico donde el número
de satélites críticos es el número de satélites que causa que el
riesgo de integridad en el límite de alarma sea mayor que el riesgo
de integridad asignado si se retira este satélite. Además de sucesos
temidos adicionales se ha descrito el árbol de asignación de
continuidad completo.
Según el concepto de integridad descrito el
algoritmo del usuario tiene que implementar diversas funcionalidades
que han sido descritas en detalle.
Para resumir, se ha desarrollado y descrito un
concepto de integridad para la arquitectura de Galileo disponible
que es capaz de garantizar los exigentes requisitos de integridad y
continuidad con una falta de disponibilidad del 0,5% que es un
orden de magnitud mayor que el resto de los conceptos SBAS conocidos
(generalmente una falta de disponibilidad del 5%).
\vskip1.000000\baselineskip
- AL
- Límite de alarma
- CS
- Satélite Crítico
- ERIS
- Servicios de Integridad Regional Externos
- eSISE
- Error Estimado de la Señal en el Espacio
- FE
- Suceso Temido
- GSRD
- Documento de Requisitos del Sistema Galileo
- GCS
- Estación de Control de Galileo
- GMS
- Tramo de Misión de Galileo
- GSS
- Estaciones de Sensores de Galileo
- HMI
- Información Engañosa Peligrosa
- HPL
- Nivel de Protección Horizontal
- IF
- Indicador de Integridad
- IR
- Riesgo de Integridad
- MEO
- Orbita Media Terrestre
- MI
- Información Engañosa
- OS
- Servicio Abierto
- PL
- Nivel de Protección
- PRS
- Servicio Regulado Públicamente
- PVT
- Posición Velocidad Tiempo
- RNSS
- Servicio de Radionavegación por Satélite
- SAR
- Búsqueda y Rescate
- SBAS
- Sistema de Aumentación Basada en el Espacio
- SIS
- Señal en el Espacio
- SISA
- Precisión de la Señal en el Espacio
- SISE
- Error de la Señal en el Espacio
- SISMA
- Precisión de la Monitorización de la Señal en el Espacio
- SoL
- Servicios asociados a la Seguridad de la Vida Humana
- SV
- Vehículo Espacial
- SVS
- Simulación de Volumen de Servicio
- TH
- Umbral
- TTA
- Tiempo para la Alarma
- ULS
- Estación de Enlace Ascendente
- VPL
- Nivel de Protección Vertical
- WAAS
- Sistema de Aumentación de Área Extensa.
\vskip1.000000\baselineskip
\bullet M. HOLLREISER et al.
Galileo User Segment Overview. 10N GPS/GNSS, 09 Septiembre
2003 .
Claims (11)
1. Método para determinar el riesgo de
integridad de la información de posicionamiento difundida desde
vehículos espaciales en un sistema global de navegación, que consta
de:
- \bullet
- Recepción de información de integridad transmitida por vehículos espaciales;
- \bullet
- cálculo de un riesgo de integridad a partir de dicha información de integridad e información adicional; y
- \bullet
- activación de una alarma si el riesgo de integridad calculado es mayor que un riesgo de integridad permitido;
caracterizado porque:
- \bullet
- dicha información de integridad consta de:
- \sqbullet
- información sobre la calidad de una señal en el espacio SIS emitida por los vehículos espaciales, que se denomina precisión de la señal en el espacio SISA;
- \sqbullet
- información sobre la precisión de la monitorización de la señal en el espacio SIS emitida por los vehículos espaciales por un tramo de tierra del sistema global de navegación, que se denomina precisión de la monitorización de la señal en el espacio SISMA; y
- \sqbullet
- información de si el sistema global de navegación evalúa el vehículo espacial defectuoso como defectuoso o no;
y porque
- \bullet
- dicha etapa de calcular un riesgo de integridad consta de calcular directamente dicho riesgo de integridad sobre la base de dicha precisión de la señal en el espacio SISA, dicha precisión de la monitorización de la señal en el espacio SISMA y dicha información adicional.
2. Método según la reivindicación 1, en el que
dicha información de integridad adicional consta de información
sobre una señal en el espacio SIS emitida por los vehículos
espaciales que no debería ser utilizada, que se denomina indicador
de integridad IF, constando el método adicionalmente de tener en
cuenta dicho indicador de integridad IF para calcular dicho riesgo
de integridad.
3. Método según la reivindicación 1 ó 2, en el
que dicha información de integridad incluye una tabla que contiene
un valor de SISMA y un indicador de integridad IF para cada SIS,
constando el método adicionalmente de la utilización de dicha tabla
para calcular dicho riesgo de integridad.
4. Método según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, que consta de calcular dicho riesgo de
integridad para un límite de alarma dado, que es la desviación de
la posición máxima permitida para la que no debe activarse la
alarma.
5. Método según la reivindicación 4, que consta
de calcular dicho riesgo de integridad para dicho límite de alarma
dado como la suma de un riesgo de integridad en una dirección
horizontal P_{intRisK,H} y un riesgo de integridad en una
dirección vertical P_{intRisK,V}.
6. Método según cualquiera de las
reivindicaciones 4 ó 5, que consta de calcular dicho riesgo de
integridad para dicho límite de alarma suponiendo que todas las
distribuciones utilizadas para el cálculo son distribuciones
Gaussianas.
7. Método según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que la información adicional
utilizada por el medio de procesamiento para calcular el riesgo de
integridad consta de la geometría relativa entre el dispositivo
para la detección de la posición y el vehículo espacial, incluyendo
los márgenes de error para la señal en el espacio SIS los errores
de propagación, recepción de errores y errores de la SIS emitida por
los vehículos espaciales, e indicadores de integridad IFs.
8. Método según la reivindicación 7, que consta
de calcular dicho riesgo de integridad para dicho límite de alarma
dado suponiendo que la distribución de la diferencia entre el error
de la SIS emitida por los vehículos espaciales y un umbral del
indicador de integridad es sobrelimitado por una distribución
Gaussiana con una desviación estándar de la precisión de
monitorización de la señal en el espacio SISMA.
9. Método para determinar el riesgo de
integridad de la información difundida desde vehículos espaciales
en un sistema global de navegación, que consta de las siguientes
etapas:
- \bullet
- Recepción de información de integridad transmitida por dichos vehículos espaciales, constando dicha información de integridad de: información sobre la calidad de una señal en el espacio SIS emitida por los vehículos espaciales, que se denomina precisión de la señal en el espacio SISA; información sobre la precisión de la monitorización de la señal en el espacio SIS emitida por los vehículos espaciales por un tramo de tierra del sistema global de navegación, que se denomina precisión de la monitorización de la señal en el espacio SISMA; e información de si el sistema global de navegación evalúa el vehículo espacial defectuoso como defectuoso o no;
- \bullet
- Verificación de que la información de integridad recibida para cada tren de datos de integridad es la información de integridad generada por la función de integridad de la infraestructura de tierra;
- \bullet
- Selección de entre los trenes de datos de integridad verificados positivamente y redundantes los trenes de datos de integridad que van a ser utilizados:
- \bullet
- Determinación de la información de integridad verificada positivamente y seleccionada y la información de navegación, qué señales son válidas;
- \bullet
- Computación del riesgo de integridad en el límite de alarma para el período de operación crítica mediante un método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que sólo se tienen en cuenta señales válidas; y
- \bullet
- Computación del número crítico de vehículos espaciales para el período de operación crítica en el que sólo los vehículos espaciales que proporcionan señales válidas son tenidos en cuenta; y generación de una alarma para el usuario que indique si la información recibida debería o no ser utilizada para la detección de la posición.
10. Método según la reivindicación 9, en el que
la información de integridad generada por la función de integridad
de la infraestructura de tierra es firmada de manera que pueda ser
validad por un receptor.
11. Dispositivo para la detección de la posición
por medio de un sistema global de navegación que consta de varios
vehículos espaciales que transmiten información al dispositivo para
determinar la posición del dispositivo en el espacio, en el que el
dispositivo consta de:
- \bullet
- un medio de recepción para recibir la información de integridad transmitida por dichos vehículos espaciales;
- \bullet
- medios de procesamiento para calcular un riesgo de integridad a partir de dicha información de integridad e información adicional; y
- \bullet
- un medio de alarma para activar la alarma si el riesgo de integridad calculado es mayor que un riesgo de integridad permitido.
caracterizado porque dichos
medios de procesamiento están adaptados para calcular dicho riesgo
de integridad poniendo en práctica un método según cualquiera de
las reivindicaciones
anteriores.
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