항공분야에서 위성항법시스템 (GNSS : Global Navigation Satellite System)을 활용하기 위해서는 정확성 (Accuracy), 무결성 (Integrity), 연속성 (Continuity) 및 가용성 (Availability) 요구조건 충족 가능한 보강시스템 (Augmentation System) 운용이 필수적이다. 가용범위, 보강정보 종류, 전송형태에 따라 보강시스템이 분류가 되는데, 공항 주변의 항공기가 CAT-I급 이상의 정밀접근 및 착륙을 위해서는 위성항법 지역보강시스템 (GBAS : Ground Based Augmentation System) 운용이 필요하다. 하지만, CAT-I급 이상의 높은 요구조건을 만족시킬 수 있는 반면, 가용범위가 공항 주변 23NM 이내로 한정되어 있는 단점이 있다.
본 논문에서는 가용범위 확장과 무결성 보장을 목표로 인근 공항의 GBAS 및 지상 기준국과 연계한 확장 위성항법 지역보강시스템 (EGBAS : Extended GBAS)의 국지적 고장 요인 (전리층 폭풍, 궤도력)에 대한 무결성 기법을 제안하고, 우리나라에서 EGBAS 가용성을 분석하였다.
전리층 폭풍 검출 기법은 확장된 각 GBAS 공항 상공의 전리층 수직지연변화율을 이중주파수 기반 (DFCD : Dual Frequency Carrier Divergence)으로 추정하였다. 이를 주변 공항과 공유, 상호 비교 (I-Value)하여 전리층의 국지적인 상태를 감시하게 된다. 또한 항공기 위치해 관점에서 제안된 기법들의 운용으로 기대되는 위치해 오차 추정할 수 있는 수식 (보호수준)을 제안하였다.
궤도력 고장 검출 기법은 EGBAS의 각 지상 기준국 안테나간의 기저선 (Baseline) 길이가 사용된다. 기저선은 정확/정밀하게 측위된 안테나 위치 좌표로 생성되므로, 고장 검출 관점에서 기준값으로 역할을 할 수 있다. 구현을 위해 확장된 공항 GBAS 간에 수신된 동일 위성의 코드 측정값 및 지상 수신기 시계를 상호 공유하고, 복수의 GBAS 지상안테나와 위성이 이루는 삼각형 기하조건을 구성하게 된다. 이를 삼각함수법칙 (코사인 제 1법칙) 기반으로 기저선 길이 추정 후, 실제 기저선 길이와 차분하여 고장 검출을 수행하였다. 구현 결과, 기저선과 위성간의 기하조건에 따라 검출 성능이 다르게 나타남에 따라 기법 성능 향상을 위한 기하조건 민감도 분석도 함께 수행하였다. 또한, 본 기법을 EGBAS에 적용하였을 때 예상되는 위치해 오차 추정 수식 (보호수준)을 제안하였다.
마지막으로 국내 공항을 확장 (인천국제공항-김포국제공항-서울공항-오산공항)하여 EGBAS의 CAT-I급의 정확성 및 가용성을 분석하였다.
정확성의 경우, CAT-I의 수평, 수직 위치 정확도는 모두 만족하는 것을 확인하였다. 보호수준 기반의 가용성 분석의 경우, 다양한 가설 및 고장 Worst Case 시나리오 (전리층 폭풍, 궤도력 고장)을 기반으로 수행하였으며, 분석 결과 GBAS 운용 범위에 있는 공항간의 상호 운용이 가능할 것으로 판단된다. 가용성을 위한 CAT-I의 수직 방향 위치오차 한계 (Vertical Alert Limit) 만족을 위해서는 전리층 폭풍이 우리나라 지리적 특성상 동남방향에서 발생함을 고려하고, 궤도력 고장 검출 성능 향상 (다양한 방향 기저선 확보)을 위해서는 서울공항 및 오산공항의 추가 배치가 중요하다.
이를 통해 EGBAS는 우리나라와 같이, 협역 지역에 복수의 공항이 운용되는 환경에 가용한 보강시스템 형태로 판단되어, 향후에는 장기간 데이터를 기반으로 무결성 연구가 진행될 예정이다.

It the aviation society, the GNSS (Global Navigation Satellite System) augmentation system is essential for performance requirements (accuracy, integrity, continuity, and availability). The augmentation systems are categorized according to service area, broadcasted information, and broadcasting facilities. The GBAS (Ground Based Augmentation System) is the only approved augmentation system for precise approach and landing of aircraft under CAT-I requirement.
In this study, to extend of GBAS service area and guarantee integrity, we proposed the EGBAS (Extended GBAS), which is in a closed network with GBAS airports and its integrity algorithms (ionospheric storm and ephemeris fault) and analyzed its availability in Korea.
Ionospheric storm detection is based on DFCD (Dual Frequency Carrier Divergence) shows the change rate of ionospheric delay conditions above each GBAS airports. The DFCDs were shared and compared with each GBAS, and then the ionospheric local condition was monitored using I-Value. The equation of vertical protection level, which derives the estimated vertical position error of an aircraft, was proposed.
Ephemeris fault detection is based on the estimated baseline length between each antenna of EGBAS. Because the baseline is derived from an accurate antenna position, it can be used as a reference value (fault free and error free properties) for fault detection.
For realization, L1 C/A code measurements and receiver clock bias are shared with each GBAS and triangular geometries are consisted with EGBAS reference stations antennas and common satellites.
Using trigonometric functions, baseline length is estimated and the residual for fault detection is calculated according to the difference from the true baseline length.
Results showed that, detection depends on geometry condition. Therefore, a geometry sensitivity analysis was performed for accurate detection performance. Then, equation of vertical protection level is also proposed for aircraft integrity.
Finally, the prototype of EGBAS was installed in the airports at Incheon, Gimpo, Seoul, and Osan in Korea and the position accuracy as well as availability of EGBAS were analyzed according to the requirement for CAT-I. From the perspective of accuracy, the results showed that horizontal and vertical position accuracy were satisfactory for CAT-I. From the perspective of availability based on vertical protection level, multiple hypotheses and worst case fault scenarios were applied in simulation. The results showed that, the Seoul and Osan airports require ionospheric storm and ephemeris fault detection for CAT-I.