受信機の自律的な整合性監視

受信機自律整合性監視( RAIM ) は、全地球航法衛星システム(GNSS)で使用される受信機ユニットによって収集および統合された個々の信号の整合性を評価するために開発された技術です。受信信号の整合性と、その結果得られる受信機の位置の正確性と精度は、航空や海洋航行などの安全性が重要なGNSS アプリケーションでは特に重要です。

全地球測位システム(GPS) には、信号の整合性に関する内部情報は含まれていません。GPS 衛星がわずかに不正確な情報を放送してナビゲーション情報が不正確になることはありますが、受信機が標準的な技術を使用してこれを判断することはできません。RAIM は冗長信号を使用して複数の GPS位置修正を生成し、それらを比較し、統計関数によって信号のいずれかに障害が関連しているかどうかを判断します。RAIM は、24 個以上の GPS 衛星が動作している場合に使用可能とみなされます。GPS 衛星の数が 23 個以下の場合は、承認された地上ベースの予測ソフトウェアを使用して RAIM の可用性を確認する必要があります。

GPS 関連システムの中には、GPS とは別に整合性信号を提供するものもあります。その 1 つがWAASシステムで、異なる衛星からブロードキャストされる個別の信号を使用して、これらの問題を直接示します。

RAIM は、冗長 GPS疑似距離測定によって障害を検出します。つまり、位置の決定に必要な数よりも多くの衛星が利用できる場合、余分な疑似距離はすべて計算された位置と一致するはずです。期待値と大幅に異なる疑似距離 (外れ値) は、関連する衛星の障害または別の信号整合性の問題 (電離層分散など) を示している可能性があります。従来の RAIM は障害検出 (FD) のみを使用しますが、新しい GPS 受信機には障害検出および排除 (FDE) が組み込まれており、GPS 障害が発生しても受信機は動作を継続できます。

使用される検定統計量は、疑似距離測定残差（予測測定値と観測測定値の差）と冗長性の量の関数です。検定統計量は、必要な誤報確率（Pfa）に基づいて決定されるしきい値と比較されます。

受信機自律整合性監視 (RAIM) は、航空アプリケーション用の GPS の整合性監視を提供します。GPS 受信機が RAIM または障害検出 (FD) 機能を実行するには、少なくとも 5 つの適切なジオメトリを持つ可視衛星が受信機から見える必要があります。RAIM にはさまざまな実装方法があり、そのうちの 1 つは、可視衛星のさまざまなサブセットで取得されたすべての位置ソリューション間の整合性チェックを実行します。整合性チェックが失敗すると、受信機はパイロットに警告を発します。

RAIM の可用性は、安全性が重要なアプリケーション (航空用アプリケーションなど) でこのようなアルゴリズムを使用する場合に重要な問題となります。実際、ジオメトリと衛星サービスのメンテナンスにより、RAIM は常に利用できるとは限りません。つまり、受信機のアンテナから見える衛星の数が 5 個未満になることもあります。

可用性は、RAIM アルゴリズムのパフォーマンス指標でもあります。可用性は、視野内のコンステレーションのジオメトリとその他の環境条件の関数です。可用性をこのように考えると、オン/オフ機能ではないことは明らかです。つまり、アルゴリズムは使用可能ですが、障害が発生したときにそれを検出するために必要なパフォーマンスは備えていません。したがって、可用性はアルゴリズムのパフォーマンス要因であり、さまざまな種類の RAIM アルゴリズムと方法論のそれぞれを特徴づけます。

一部の受信機で採用されている RAIM の強化版は、障害検出および排除 (FDE) として知られています。受信機が RAIM 機能を実行するには、ナビゲーションに必要な衛星に加えて、少なくとも 1 つの衛星が視界内になければなりません。したがって、RAIM が整合性の異常を検出するには、少なくとも 5 つの衛星、または 4 つの衛星と気圧高度計 (気圧高度計補助、衛星以外の入力ソースを使用して GPS 整合性ソリューションを拡張する方法) が視界内に必要です。これが可能な受信機の場合、RAIM は破損した衛星信号を分離してナビゲーション ソリューションから除去するために、6 つの衛星 (または気圧高度計補助付き 5 つの衛星) を視界内に必要とします。^[1]

障害が検出されると、適切な障害除外によって障害の原因が特定され、除外されます (問題の原因となっている個々の原因を必ずしも特定する必要はありません)。これにより、GNSS ナビゲーションが中断することなく継続されます。軌道の性質上、RAIM と FDE の可用性は中緯度での動作ではわずかに低くなり、赤道および高緯度地域ではわずかに高くなります。複数の GNSS コンステレーションの衛星を使用したり、SBAS 衛星を追加の測距ソースとして使用したりすると、RAIM と FDE の可用性が向上します。

GNSS は、衛星と劣化したカバレッジ領域が常に移動している点で、従来のナビゲーション システムとは異なります。したがって、衛星が故障したり、メンテナンスのために使用停止になったりしても、空域のどの領域が影響を受けるかはすぐにはわかりません。これらの停止の場所と期間は、コンピューター分析の助けを借りて予測でき、飛行前の計画プロセス中にパイロットに報告されます。ただし、この予測プロセスは、さまざまな受信機モデルの RAIM 実装のすべてを完全に代表するものではありません。予測ツールは通常、保守的であるため、最もローエンドの受信機モデルを保護するために、飛行中に実際に遭遇するよりも低い可用性を予測します。

RAIM は外部信号の支援なしに自律的に動作するため、冗長な疑似距離測定が必要です。3D 位置ソリューションを取得するには、少なくとも 4 つの測定が必要です。障害を検出するには少なくとも 5 つの測定が必要であり、障害を分離して除外するには少なくとも 6 つの測定が必要ですが、衛星の形状によってはさらに多くの測定が必要になることがよくあります。通常、視野内には 7 から 12 個の衛星があります。

使用される検定統計量は、疑似距離測定残差 (予測される測定値と観測された測定値の差) と冗長性の量の関数です。検定統計量は、誤報確率 (Pfa) と予測される測定ノイズの要件に基づいて決定されるしきい値と比較されます。航空システムでは、Pfa は 1/15000 に固定されています。

水平整合性限界 (HIL)または水平保護レベル (HPL)は、GPS 位置ソリューションを中心とし、受信機の実際の位置が RAIM スキームの仕様の範囲内 (つまり、Pfa と Pmd を満たす) に含まれることが保証される円の半径を表す数値です。HPL は、測定時の RAIM しきい値と衛星ジオメトリの関数として計算されます。HPL は、RAIM が使用可能かどうかを判断するために、水平アラーム限界 (HAL)と比較されます。

パイロットが経路レベルまたは進入レベルの RAIM が利用可能かどうかを迅速に判断できるように、FAAとEUROCONTROL は、飛行前チェックの要件を満たすために RAIM ステータスを予測する「ディスパッチ レベル」の Web サイトを作成しました。

• FAA の RAIM 予測ウェブサイト「AC 90–100」は、米国領土をグラフィック マップ形式で表示します (RAIM が利用可能な場合は緑色、RAIM が利用できない場合は赤色で表示されます)
• EUROCONTROL は、世界中の航空ウェイポイント データベースのほとんどのウェイポイントを国際的にカバーし、圧力補助または非圧力補助 RAIM が利用可能かどうかの予測を示す結果を「タイムライン」バーに表示します。
  • EUROCONTROL は自社のデータに免責事項（USCG のデータが優先される）を記載していますが、FAA は自社の Web サイトが規制要件を満たしていると認定しています。
  • 2012 年 7 月 1 日現在、AUGUR のカバー範囲は ECAC 空域のみに限定されています。
• 2006 年以来、NAVBLUE がホストする N-RAIM 予測サービスは、RNP 10、RNAV 5、RNAV 2、RNAV 1、RNP 4、RNP 1、RNP アプローチ、RNP ARアプローチなど、0.1NM までのあらゆるPBNアプリケーションを世界中でカバーしています。オンライン ツールは、フライト プランニング ソフトウェアに直接統合された自動サービスの代替手段です。ICAO PBN マニュアルの新版や世界中の特定の規制に合わせて最新の状態に保たれています。
• FLIGHTKEYS が開発し、ホストする SPACEKEYS RAIM 予測および回避システムは、あらゆる種類の RAIM 予測を世界中でカバーし、RNP10 (経路) から RNP アプローチ、RNP AR アプローチ (0.1NM まで) までのすべての整合性レベルをカバーします。オンライン ツールでは、場所と完全な軌道 (ルート) の RAIM 予測だけでなく、エリア ベースの RAIM 予測も可能です。REST APIおよびSOAP API は、サード パーティ システム統合にも利用できます。

• ADS-B および RAIM 予測: FAA ADS-B および AC90-100A GPS RAIM サービス可用性予測ツール (SAPT)。
• FAA による全世界の報道。
• AUGUR: Eurocontrol GPS RAIM 予測ツール。
• N-RAIM: NAVBLUE 予測ツール。
• GPSEasysuite II KaI ボーレ・オールボー大学の論文。
• SPACEKEYS RAIM 予測と回避: SPACEKEYS RAIM 予測および回避システム (FLIGHTKEYS によって開発)。