Navigation System Integrity Assurance for Safety-Critical Autonomous Operations

Utvikling av autonome systemer på tvers av sikkerhetskritiske applikasjoner som for eksempel autonom operasjon av selvkjørende biler, overflatefartøyer (f.eks. ubemannede passasjerferger) og luftfartøy (f.eks. flyvende drosjer og luftambulanser), øker etterspørselen etter navigasjonssystemer med høy nøyaktighet og høy integritet. For å garantere trygge og sikre operasjoner av sikkerhetskritiske autonome systemer, er integritet, det vil si evnen til å oppdage og varsle om et system ikke oppfyller den spesifiserte nøyaktigheten, det mest kritiske og utfordrende ytelsesmålet. Selv om prosessen med å definere kravspesifikasjonene for autonome systemer er pågående, kan det likevel forventes at navigasjonssystemer for autonome farkoster vil kreve et nøyaktighetsnivå innenfor centimeter eller desimeter, og med svært høy pålitelighet. Selv om dette nøyaktighetskravet potensielt kan oppfylles ved hjelp av nettverksbasert RTK eller PPP-RTK-teknikker, kan det forventede integritetsnivået foreløpig bare støttes av rom- og bakkebaserte GNSS-støttesystemer (SBAS og GBAS) designet hovedsakelig for luftfartssektoren. For øyeblikket er ingen av de tilgjengelige GNSS-støttesystemene i stand til å oppfylle de forventende integritets- og nøyaktighetskravene samtidig. Hovedmålet med NSIA prosjektet er å utforske muligheten for integritetsstøtte innenfor eksisterende GNSS støttesystemer med høy nøyaktighet (NRTK/PPP-RTK), for å sikre pålitelighet og sikkerhet for autonome operasjoner. Så langt har hovedtemaene i prosjektet vært å: - Identifisere eksisterende og forventede brukerkrav til navigasjonssystemytelsen for autonome sikkerhetskritiske operasjoner i forskjellige transportsektorer, samt utarbeide en foreløpig definisjon av operasjonelle systemkonsepter. - Identifisere og karakterisere mulige integritetstrusler rettet mot både nettverket av referansestasjoner og på brukernivå. Truslene som så langt er analysert, inkluderer ionosfære- og troposfæregradienter på korte baselinjer, ionosfærescintillasjon, multipath og RF interferens i L-båndet i urbane områder. - Utvikle og teste en multi-sensor navigasjonsplattform som kan brukes til testing og verifikasjon av integritetsytelsen, samt design, implementering og validering av metoder for feildeteksjon på en slik plattform.

Development of autonomous capabilities across safety-critical applications such as autonomous operation of unmanned cars, surface vessels (e.g. unmanned passenger ferries) and aerial vehicles (e.g. air-taxies and air ambulances) is increasing the demand for navigation system integrity and accuracy. To ensure safe operation of safety-critical autonomous systems, integrity – detecting and alerting if a system has failed to meet the required accuracy, is the most critical and challenging performance parameter to meet. Although the process of requirements definition for autonomous systems/operations is still on-going, it can be anticipated that navigation system performance at cm to dm level accuracy with very stringent integrity error bounds will be a prerequisite. While this accuracy requirement can potentially be met by network-RTK, or PPP-RTK techniques, the expected integrity level can currently be supported only by space and ground based GNSS augmentation systems (SBAS and GBAS) designed mainly for the aviation sector. At the current moment, none of the existing systems/technologies available is capable to support such stringent integrity and accuracy requirements at the same time. A wide area GNSS augmentation infrastructure providing high accuracy and extremely reliable positioning service has strong potential to advance the development, introduction and acceptance of autonomous systems to urban areas allowing society to benefit from the known advantages of autonomy as e.g. safer and more efficient/greener transportation. While it is still unclear when safe autonomous systems will enter the mass market, it is important to ensure that the infrastructure responding to the sector's safety needs is in place. This project will investigate the path towards ensuring safety for autonomous operations in Norway by leveraging prior work in aviation.