Monitoreo autónomo de la integridad del receptor

El sistema de monitorización autónoma de la integridad del receptor (RAIM) proporciona monitorización de la integridad del GPS para aplicaciones aeronáuticas y marítimas. Para que un receptor GPS pueda realizar la función RAIM o de detección de fallos (FD), debe tener visibles al menos cinco satélites con una geometría satisfactoria. RAIM cuenta con diversas implementaciones; una de ellas realiza comprobaciones de coherencia entre todas las soluciones de posición obtenidas con distintos subconjuntos de los satélites visibles. El receptor alerta al piloto si las comprobaciones de coherencia fallan.

La disponibilidad de RAIM es un aspecto importante al utilizar este tipo de algoritmos en aplicaciones críticas para la seguridad (como las aeronáuticas); de hecho, debido a la geometría y al mantenimiento del servicio satelital, RAIM no siempre está disponible, lo que significa que la antena del receptor podría tener a veces menos de cinco satélites a la vista.

La disponibilidad es también un indicador de rendimiento del algoritmo RAIM. Depende de la geometría de la constelación visible y de otras condiciones ambientales. Si se considera la disponibilidad de esta manera, queda claro que no se trata de una función binaria, es decir, que el algoritmo podría estar disponible pero no con el rendimiento necesario para detectar un fallo cuando este se produzca. Por lo tanto, la disponibilidad es un factor de rendimiento del algoritmo y caracteriza a cada uno de los diferentes tipos de algoritmos y metodologías RAIM.

El estadístico de prueba utilizado es una función del residuo de medición de pseudodistancia (la diferencia entre la medición esperada y la observada) y la cantidad de redundancia. Este estadístico se compara con un valor umbral, que se determina en función de los requisitos de probabilidad de falsa alarma (Pfa) y el ruido de medición esperado. En los sistemas de aviación, la Pfa se fija en 1/15000.

El límite de integridad horizontal (HIL) o nivel de protección horizontal (HPL) es un valor que representa el radio de un círculo centrado en la solución de posición GPS, el cual garantiza que la posición real del receptor se encuentre dentro de las especificaciones del esquema RAIM (es decir, que cumpla con los requisitos Pfa y Pmd). El HPL se calcula en función del umbral RAIM y la geometría del satélite en el momento de las mediciones. El HPL se compara con el límite de alarma horizontal (HAL) para determinar si RAIM está disponible.

En aviación, los receptores GPS pueden "armarse" en el modo de aproximación al aeropuerto de destino, de modo que cuando la aeronave se encuentra a 30 nm (56 km; 35 mi) , el umbral HAL ("sensibilidad del receptor") cambiará automáticamente de en ruta (±5 nm) y RAIM (±2 nm) a terminal (±1 nm), y volverá a cambiar a ±0,3 nm a 2 nm (3,7 km; 2,3 mi) antes de alcanzar el punto de referencia de aproximación final. ^{[ 2 ]}          

Una versión mejorada de RAIM empleada en algunos receptores se conoce como detección y exclusión de fallos (FDE). Para que el receptor realice la función RAIM, debe tener a la vista al menos un satélite, además de los necesarios para la navegación; por lo tanto, RAIM necesita un mínimo de cinco satélites a la vista o cuatro satélites y un altímetro barométrico (baro-ayuda, un método para aumentar la solución de integridad del GPS mediante una fuente de entrada no satelital) para detectar una anomalía de integridad. Para los receptores capaces de realizar FDE, RAIM necesita seis satélites a la vista (o cinco satélites con baro-ayuda) para aislar la señal satelital corrupta y eliminarla de la solución de navegación. ^{[ 3 ]}

Tras la detección, la exclusión adecuada de fallos determina y excluye la fuente del fallo (sin necesidad de identificar la fuente individual que lo causa), lo que permite que la navegación GNSS continúe sin interrupciones. A continuación, se realiza la identificación y corrección de errores (RAIM) en las señales restantes.

La disponibilidad de RAIM y FDE será ligeramente menor para operaciones en latitudes medias y ligeramente mayor para regiones ecuatoriales y de altas latitudes debido a la naturaleza de las órbitas. El uso de satélites de múltiples constelaciones GNSS o el uso de satélites SBAS como fuentes de medición de distancia adicionales puede mejorar la disponibilidad de RAIM y FDE.

Para que los pilotos puedan determinar rápidamente si el sistema RAIM estará disponible durante la ruta o la aproximación, la FAA y EUROCONTROL han creado sitios web a nivel de despacho que predicen el estado del RAIM para cumplir con los requisitos de verificación previos al vuelo.

• El sitio web de predicción RAIM de la FAA, "AC 90–100", cubre los territorios de EE. UU. en formato de mapa gráfico (mostrando verde para RAIM disponible y rojo para RAIM no disponible).
• EUROCONTROL proporciona cobertura internacional para la mayoría de los puntos de referencia en la base de datos mundial de puntos de referencia de aviación y muestra los resultados en una barra de "línea de tiempo" que muestra predicciones sobre si estará disponible el sistema RAIM con o sin asistencia barométrica.
  • EUROCONTROL incluye una cláusula de exención de responsabilidad en sus datos (indicando que los datos de la Guardia Costera de EE. UU. tienen prioridad), mientras que la FAA certifica que su sitio web cumple con los requisitos reglamentarios.
  • A partir del 1 de julio de 2012, la cobertura de AUGUR se ha limitado únicamente al espacio aéreo de la ECAC.
• Desde 2006, el Servicio de Predicción N-RAIM, alojado por NAVBLUE, ofrece cobertura mundial para todas las aplicaciones PBN , incluyendo RNP 10, RNAV 5, RNAV 2, RNAV 1, RNP 4, RNP 1, RNP Approach y RNP AR Approach hasta 0,1 NM. Esta herramienta en línea es una alternativa al servicio automatizado integrado directamente en el software de planificación de vuelo . Se mantiene actualizada de acuerdo con las nuevas ediciones del Manual PBN de la OACI y cualquier normativa específica a nivel mundial.
• El sistema de predicción y evitación RAIM SPACEKEYS, desarrollado y alojado por FLIGHTKEYS, ofrece cobertura mundial para cualquier tipo de predicción RAIM y abarca todos los niveles de integridad, desde RNP10 (en ruta) hasta RNP Approach y RNP AR Approach (hasta 0,1 NM). La herramienta en línea permite realizar predicciones RAIM para ubicaciones y trayectorias completas (rutas), así como predicciones RAIM basadas en áreas. También dispone de API REST y SOAP para la integración con sistemas de terceros.

Los sistemas RAIM de aviación civil generalmente están diseñados para detectar y excluir una única fuente anómala (tras una posible FDE) mediante la separación de soluciones. Sin embargo, se han diseñado sistemas RAIM generalizados que detectan y excluyen múltiples anomalías. ^{[ 4 ]}

RAIM se considera una clase de Sistema de Aumento Basado en Aeronaves (ABAS), un tipo de aumento GNSS que mejora la integridad al modificar el proceso de toma de decisiones en la aeronave. ABAS incluye RAIM y el Monitoreo Autónomo de Integridad Aerotransportado (AAIM), este último combinando sensores a bordo y otras mediciones con GNSS. Otras técnicas de aumento GNSS, como SBAS y GBAS, se utilizan comúnmente para proporcionar tanto integridad como precisión. ^{[ 5 ]}

El sistema avanzado de RAIM (ARAIM) describe un plan de 2010 para garantizar el rendimiento del LPV-200 en todo el mundo para 2030. Esto requeriría la aplicación de RAIM a la guía vertical, además del uso actual para la guía lateral ( LNAV ), con niveles de protección y límites de alarma análogos para el componente vertical. ^{[ 6 ]} Se recomienda que ARAIM incorpore receptores de doble frecuencia (L1/L5), múltiples constelaciones y el uso de un Mensaje de Soporte de Integridad (ISM) recibido de la agencia reguladora que proporciona información sobre la fiabilidad de las constelaciones. Se sabe que una constelación conjunta de 24 satélites Galileo y 21 satélites GPS es suficiente para ARAIM. ^{[ 6 ]}

ARAIM utiliza un algoritmo de separación de soluciones. Se basa en el uso de residuos de pseudodistancia, en este caso escalados al dominio de la posición. Se deben considerar fallas múltiples en el caso vertical. ^{[ 6 ]}

La versión de ARAIM exclusivamente horizontal (H-ARAIM) no requiere ISM, ya que puede utilizar los compromisos de rendimiento de las constelaciones GNSS (su pérdida es de gravedad "Mayor"). V-ARAIM sí requiere ISM porque su pérdida sería de gravedad "Peligrosa": se necesita otra fuente de información que indique si se siguen límites más estrictos. El contenido preciso y el intervalo de actualización de ISM siguen en estudio a fecha de 2022. ^{[ 7 ]}

La Navipedia de la ESA describe en detalle los algoritmos RAIM. Además de los algoritmos de Enfoque de Rechazo de Medición (MRA) utilizados en aviación, también existe un Enfoque de Caracterización de Errores (ECA) que proporciona mayor disponibilidad en tierra y menor coste computacional a costa de estimaciones de PL infladas. ^{[ 8 ]}