TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol.12, No.5, May 2014, pp . 3911 ~ 39 1 9   DOI: http://dx.doi.org/10.11591/telkomni ka.v12i5.4879          3911     Re cei v ed O c t ober 2 0 , 201 3; Revi se d Decem b e r  7, 2013; Accepte d  Jan uary 2, 2014   Fault Detection and Iso l ation for GPS RAIM Based on   Genetic Resampling Particle F ilter Approach         Ershen Wan g *, Tao Pang , Ming Cai, Zhixian Zhan g   Schoo l of Elect r onics a nd Info rmation En gin e e rin g , Shen ya n g  Aerosp ace U n iversit y ,   Sh e n y ang , C h in *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l w e s 2 0 16@s au.ed u.cn       A b st r a ct  An  i n tegrity  mo nitori ng   sy stem is an   in s epar abl part  of g l o bal  p o s itioni ng  syste m  (GPS).  Accordi ng to t he  me asur e m ent n o ise f eat ure of  GPS r e ceiv er a nd th e de ge neracy   phe no me no and   allev i ati ng the  sampl e  i m pov erish m e n t pro b l e m  in p a rt icl e  filter (PF ) . An appr oach to fa ult detecti on a n d   i s o l a t io n (FD I ) fo r GPS re cei v e r  au to nom ou s i n teg r ity  monitor i ng  (RAI M) base d  o n   gen etic res a mplin g   particl e filter  is  pro pose d . T h e g e n e tic a l g o r i thm (GA) is   melted   int o  the  r e -sa m pl in pro c ess of th ba sic  particl e filter  to so lve th pa rticles d e g e n e r a cy a nd  im p o v e r i s hm en t p r ob l e m .  A ma in   GA-a i d ed  pa rticl e   filter (GPF ) is  used  to pr oce ss  all  the    me asure m ents to  prod uce  t he opti m a l   state estimate,  sev e ral   auxil iary GPF s  are us ed to  pr ocess su bsets  of measur e m e n ts to prod uce  the state esti mate  as d e tect ion   referenc es. By setting up th e log-l i ke lih oo d ratio (LL R ) te st to check the c onsiste n cy of test statistics. The  particl es in GP F  are assorted  by w e ights, in  order to  re duc e the co mp utat ion co mpl e xity of the alg o rith m,   only the l o w e r w e ight particl e s  particip a te in  genetic  o per ations. By coll ecting the GPS d a ta from the G P S   reciver, the   fe asibi lity  and  ef fectiveness  of  the RAIM  ap pr oach  is v e rifie d , an d c o mpar ing  w i th exte n d e d   Kal m a n  filter (EKF ) and PF  alg o rith m. T h e  results s how  that the ap proa ch in  the cas e  of non-Gaussi an   me asur e m ent  nois e  ca n est i mate th e stat e acc u rately also c a n  succ essfully  detect  fault sat e ll ite ,   therefore, i m pr ove the rel i a b il i t y of GPS positioni ng.      Ke y w ords :   global positioning system  (GPS),  receiver autonomous integrit y monitoring (RAIM), particle  filter, genetic a l gorith m exten ded Ka l m a n  filter       Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  With the deve l opment of th e global n a vigati on satellite system  (G NSS) and the  gro w of  use r  p e rfo r m ance requi re ments for  G N SS service,   for safety-critical appli c a t ions of  glo b al  navigation  satellite syste m  (G NSS),  su ch a s  ai rcraft and  missile n a vigatio n syste m s, i t  is  importa nt to  be abl e to d e tect an d ex clud e faults  that co uld  ca use  ri sks to t he a c curacy  and   integrity, so  that the  navig ati on  system  ca n o perate  co ntinuo usly  witho u t any  deg rad a tion  in  perfo rman ce  [1, 2]. Becau s e it nee ds a  long time for satellite fault  monitorin g  to alarm th rou g h   controlling the satellite navigation syst em itself, us ually within 15 minutes to a few hours, that  can't me et the dema nd of air navigatio n .  As a resu lt, to monitor th e satellite fau l t rapidly, na mely  the receiver a u tonomo u s in tegrity monito ri ng (RAIM) h a s be en re se arched a lot [3, 4].  In re cent ye a r s, va riou s fai l ure  dete c tion metho d s ha ve bee n di scussed  to imp r ove the   accuracy and reliability of t he systems.The snaps hots algorithm has been widely used at  pre s ent. Thi s  kind  of alg o rithm mai n l y  has Pa rity spa c (Parit y) method, t he sum of l east  Squares  of the Error  (SSE) method, and the larges t i n terval method, etc [5, 6].  Kalman filteri n g   algorith m  is  by usin g hi storical me asure to im p r ove  the pe rform a nce, Kalm an  filter-ba s e d  fault   detectio n  ap proa ch  ha been  used [ 7 ]. For mo st  system s a r e  usu a lly nonl inear  and  sy stem  noise a r e g e nerally  non -Gau ssi an, G N SS mea s u r ement e r ror  doe s not foll ow a  Ga ussi an  distrib u tion p e rfectly. Kalm an filter is  difficult to  obtain  the optimal  state estimatio n . Particle filt er  algorith m  is  suitabl e to a n y non-li nea r, non-G a u ssi an sy stems,  therefo r e,  the  particl e filter for  fault detectio n  has be en  widely use d  [8]. Bu t basi c  parti cle  filter exists the degene racy   phen omen on  and  alleviati ng the  samp le impove r i s hment p r o b le m. In orde to solve  the s probl em, in t he pa prer, g enetic  algo rit h m is melted   into ordi na ry parti cle filtering alg o rithm  by   geneti c  mani pulation to improve the q uality of  particle s , combi n ed with the log-li kelih ood  ratio  (LL R ) te st me thod. By checking the  con s i s ten c y of  the test statistic, f ault satellite i s  dete c ted.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 5, May 2014:  3911 – 39 19   3912 2 Genetic Algorithm  Aid e d   Particle Filter   Particle filter i s  a filter method ba sed on  M onte Ca rlo  simulatio n  an d recursive Bayesia n   estimation. Since Go rd on prop osed the  seque ntial  importa nce re sampli ng (SI R ) pa rticle fil t er  algorith m  based on se que ntial Monte Carlo metho d particl e filter algorith m  becomes a h o tsp o t   of nonline a r non-Gau s si an sy stem  state e s ti mat i on problem,  being  widel y used i n  fault  diagn osi s , sig nal pro c e s sin g , navigati on  and othe r re search a r ea s [9-11].    The  core id e a  of  the part i cle filter i s  t o  use finite  rand om  sam p les  (the se  sampl e referred  to a s  "parti cle s ") a nd thei weig ht to  app roxi mate the  po sterio r p r ob abili ty distributio n  of  state vari able s , thereby obt ain the e s tim a te of the  state. Re sam p lin g pa rticle filte r  can in hibit the   dege neracy o f  weight s, but  also  ma ke t he resample d  parti cle s  no l onge r ind epe ndent. Ge neti c   algorith m  is a search  optimizatio n  algo ri thm  based o n  n a tural  sele ct ion an d ge netic  mec h anis m s .It inc l udes  selec t ion, c r oss o ver a nd mutation operations . In order to obtain  the  optimal solut i on or  sati sfactory  soluti on, t he pro c e ss te rmin ates u n til it meets  ce rtain  perfo rman ce indicators  [12 - 15].   Th e   g e n e tic of parti cl es is m anip u lated in the re al domain, th cod e c of ge netic mani pu lation is avo i ded. T he a d vantage of  the introdu ction of gen etic  algorith m s lie s in:  It ca n im prove  the  efficien cy of  pa rticle s,  g r eatly r edu ce the required num b e of particl es t o  approximat e  the maxim u m poster ior probability distributio n. Secondly, genetic  algorith m  ca n effectively increa se the  diversity  of particl e, and  effectively solve the part i cle   degradatio phen omen a, thus imp r ovi ng the a c cura cy of state  estimation.  Con s id erin the  dynamic  state spa c e mo d e l belo w   kk k - 1 k - 1 kk k k () () X= f X , v Z= h X , n     W h er k x  is a  state vecto r k z is  an output m easure m ent  v e ctor,   f (. , . )  and  h( . , .)  ar e   state tra n sitio n  functio n  an d mea s u r em ent functio n  resp ectively.  1 k v  i s  a  pro c e s noise vecto r   indep ende nt of  cu rrent sta t e,  and   k n is a  measurement  noi se  vecto r  inde pen dent  of  states an the system n o ise.   The detaile d step s of the GPF applie d are a s  follows:  Step 1: Initialization.  Samp le a set of ran dom parti cle s 01 {} S N i i x from the pro b ability density  function (pdf) 0 () p x . The weig ht of each pa rticl e  is set by 1 s N Step 2: Up da te the weight s of p a rticl e s.   Cal c ulatin and u pdatin g  the pa rticle  weig hts  according to t he wei ght cal c ulate fo rmul a. Calc ulating  the weig ht and no rmali z e d  formula  are  as  follows   1 1 0: 1 0 : () ( ) ,   1 , 2 , , (, ) ii i kk kk ii kk s ii kk k pz x p x x iN qx x z                                                                             (1)                1 s N ii i kk k i                                                                                                                                          (2)    Step 3: Asort  the p a rti c les by weight s.T he th re shold   of pa rticle  we ight cl assifica tion at  time k  can be  calcul ated by:    12 ,, , s N kk k As o r t                                                                                                                (3)     (( ) ) 3 s th r N k A r ound                                                                                                               (4)    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Fault Dete ction and Isolati on for GPS RAIM Based o n  Geneti c  Re sam p ling…  (Ersh en Wang 3913   If  the weight  of particle i k x is less than th e threshold () i kt h r k  the particl e will be  cla ssif i e d  as l o w- wei ght  pa rt icle  cla ssif i c a t i on 1 {} L N l kl x .Otherwi se, the particl e  will be put into high- weig ht  part i cl e cla ssif i cat i o n 1 {} H N h kh x , where LH s NN N      Step 4: Genetic m anipul ation. Co ndu ct gen etic m anipul ation o n  pa rticle  set  of low- weig ht cla ssif i cation. Spe c i f ic step s are as follo ws:   a) Cro s sove r.  Select  two  rand om sam p les ,1 (, ) s N mn kk m n xx from the  low-wei ght particle set 1 L N l k l x  accordi ng to the rule s as f o llows:     (1 ) mm n kk k xx x                                                                                                                          (5)    (1 ) nn m kk k xx x                                                                                                                   (6)    Whe r e ~( 0 , ) N  and ~( 0 , 1 ) U . T he guid e line  of cro s sover i s :   If () m a x { () , ( ) } mm n kk k k kk p zx p z x p zx , particle m k x a c cepted. Ot herwise, accept the  particl e with  a pro bability  of () m a x { () , ( ) } mm n kk k k kk p zx p z x p z x .  Accept o r  aban don p a rticle n k x in  the same  wa y.      b) Mutation.  Select o ne  random  sampl e 1 () s N j kj x  from th e lo w-weig ht pa rticle  set 1 L N l k l x   according to the rule s a s  follow s                       ,  ~ ( 0 , ) jj kk xx N        The guid e line  of mutation is as follo w s If () ( ) j j kk k k pz x p z x , particle j k x accepte d . Otherwi se, a c ce pt the parti cle with a   prob ability of () ( ) j j kk kk pz x p z x .                               Through the cro s sover a nd m u tation ope ra tion descri b e d  above, getting a new  se t of  low-wei ght pa rticle s 1 L N l k l x , then merg eing it w i th high-weig ht particle  set   1 H N h k h x  obtained in  step  3, therefore o b taining a n e w  parti cle set '' ' 1 , s N ii kk i x                  Step  4:  Re sampli ng  from  ne particl set '' ' 1 , s N ii kk i x we will obtain   a ne w re sa mpled   particl e set '' ' 1 , s N ii kk i x  ,  ' 1 1 s N i k i                  Step  5:  Predi ctio n.  Cal c ulate  the  state  e s ti mation  by  1 ˆ s N ii kk k i x x , and p r edi cte  the  unkno wn stat us 1 i k x  by using the state eq ua tion  f as 1 (, )  ,   1 , 2 , , ii kk k s xf x i N                   Step 6: Turn to step 2 when 1 kk     3. GPF Algor ithm for RAIM   RAIM incl ud e two fu nctio n s: dete c tion  of  satellite  wheth e r th ere is  a fault, Identify a   faulty satellite, and the navigation calcula t ing pro c e ss  will be re mov ed.  Fault dete c tio n  an d isolati on mo del  ba sed  on  GPF  algorith m  for  receiver auto nomou integrity moni toring sy stem  is as follo ws:   System state  equation:     11 1 kk k k X FX w                                                                                                                                   (7)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, N o . 5, May 2014:  3911 – 39 19   3914         Where, [, , , ] xy z Xr r r   is the  e rro of re ceive r  time  with  re spe c to satellite  tim e F is the  tra n sfe r  mat r ix, whi c h i s   ch aract e risti c  m a trix  in the  statio nary  state,  w i s  th e  pr oc ess   noise.       Measuremen t equation:    () ( ) () () () ii i i i i kR k c T k E k k                                                                         (8)    Whe r e,  i is th e pseud ora n ge bet wee n  receive r (, , ) xy z rr r  and  satellite  (, s , s ) ii i xy z is c stand s for lig htspe ed,   is the time com pen sation,  i E is  the eph eme r i s  erro r,   is the co de   observation  noise.  And   22 2 () ( ) ( ) ii i i xx y y z z Rr s r s r s  stand s for the true distance   betwe en the  satellite i  and the re ceive r  [16].  Measurement  sele cted in clude s: coo r di nates of  sat e llite i (, s , s ) ii i xy z s , pseu do rang e i the comp en sation  at each time.  The flow dia g ram of impl ementing the  satellite fault detection a nd isolatio n method   based on L L R  test and G P F algorithm  sho w s in Figu re 1.       MM ˆ x ,p y AA ˆ x ,p y BB ˆ x ,p y FF ˆ x ,p y SA SB SF     Figure 1. FDI Appro a ch Based o n  LL R Test and GPF  Algorithm       From each input measur ed valu e of  PFs,  it can  be seen that  when a positioning   satellite fails, one of auxiliary PFs will not  contain the measured va l u es from the fault   satellite,  so the consistenc y test can b e  detected.    3.1.   Logarith mic Likelihood Ra tio Tes t  Statis tic   The  L L te st can be define d   as  the ratio of  each a u xiliary PFs and   main PF’ s  p r obability  den sity function[17], and can be expressed a s :       ln q q A p y sy p y                                                                                 (9)     The accu mul a te LLR of m easure m ent s from j y to k y can be  expre s sed a s     1 1 q k ii k j A ij ii py Y Sq l n py Y                                                               (10 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Fault Dete ction and Isolati on for GPS R A IM Based o n  Geneti c  Re sam p ling…  (Ersh en W ang 3915 Becau s e  the  syste m   state e s timation  likeliho od fu n c tion  ca n b e  app roximate d by the   norm a lized weig hts  of particl es, so   the  form ul a 1 q ii py Y and 1 A ii py Y  above  ca n b e   expre s sed a s     1 1 1 N qq ii i m p yY w m N                                                                      (11 )       1 1 1 N AA ii i m p yY w m N                                                                      (12 )     3.2.   RAIM Based on Genetic Particle Filter    The accum u l a ted LLR fun c tion of each  time  by  Equation (10 )  ca n be obtaine d, then  based on th e accumul a te d LLR fun c tion’s featu r e that under n o rmal ci rcum stan ce s, as time  increa se s, the curve i s  a smooth functio n . W hen the  data ch ang es, there will be  a negative d r ift  before the  chang e, and a positive dri ft after t he chang e.Wh en the chan ge i s  refle c ted in  the   c u r v e o f  fu ncti o n k j S , it is a fl uctuatio n quit e  differe nt fro m  the othe r ti me. With thi s  feature  any  faults of syste m  can be d e tected [18, 19] Decision function for FD is:     11 ma x m a x > k kj kU j k d D Sd                                                                     (13 )     Whe r e,  U is th e wi ndo w fu nction  that  contain s  the  e a ch  ob se rvati ons befo r e  current   time, the window  size is selecte d  ba se d on experi e n c e.  is the de ci sion threshol d.  Whe n > k , it means the syste m  has dete c ted a fault, it  sho u ld set al arm and  set the   current time as   a t . Then, fault isol ation  can  be con ducte d by u s ing the follo wing fo rmula  to  determi ne fau l ty satellite ID: obtain the index  g  of the fa ulty subset.    1 ar g m ax  > a k ta dD gS k t                                                                                                                         (14)    In which the para m eter  g  stand s for the index of faulty sub s et of me asu r em ents.    The detaile d algorith m  pro c e s ses  can b e  expre s sed  by:  Step 1. Gen e rate the i n itial parti cle s  from the p r i o r pdf 0 () p x arou nd  the re ceiver’s  coo r din a te for main PF and  auxiliary PFs. The particl e s  are:   Main PF:  0 {( ) , 1 , 2 , , } A s x ii N   Auxiliary PFs:  0 {( ) , 1 , 2 , , } q s x ii N   And  0 () ( ) qA o x ix i Step 2. State  predi ction.   Put 0 {( ) , 1 , 2 , , } A s x ii N and 0 {( ) , 1 , 2 , , } q s x ii N into the sy stem   state Equatio n (7)  re spe c t i vely, t he predicte d  valu es of pa rticl e 1 () A kk x i and 1 () q kk x i  can be  obtaine d.  Step 3.  Cal c ulate p a rti c le  wei ghts.  Pu t parti cle  pre d icted  value s 1 () A kk x i , 1 () q kk x i , the   positio n co ordinate s (, , ) ii i xy z ss s  of satellite i and th e time error into system  measuremen t   equatio n, obt ain the  p r edi cted  pseud orange  value i of satellite i . The normali ze d  particle   weig hts  () A k i and () q k i can b e   cal c ula t ed by p u tting the  pseudo rang e p r e d ict i on value i and   pse udo ran ge measurement   value i into wei ght cal c ulatio n formula.   Step 4. Calcu l ate the LLR.   Calculating t he log-li keli ho od ratio by Equation (15 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, N o . 5, May 2014:  3911 – 39 19   3916 11 11 () l n ( ( ) ( ) ) ss NN k kq A jr r rj i i ss Sq i i NN                                                                                        ( 15)    Step 5. Calcu l ate the deci s i on functio n  b y 11 ma x m a x ( ) k kj kU j k q Q Sq  Step 6. Fault detectio n . De cisi on thre sh old is If k , fault alarm sets at time  a tt   and skip to st ep 6;  If k , there is n o  fault, go to step 7.  Step 7. Faul t isolation.  Compa r ing th e   q cum u lative LLRs () k t Sq for a kt , the fault y   satellite g will be the one that  make s a ccu mulated LL maximum.     Step 8. Statu s  upd ates. Update pa rticle s of parti cle filter by resamp ling.      4. Experiment Re sults a nd Analy s is  Usi ng  N22 0   GPS re ceiver, the GPS da ta wa s colle cted.The o b se rvation dat a i n clu d e s   positio n info rmation  and  th e p s eu do rang e value s  of th e satellite fo PVT sol u tion,  and  the  data   is  colle cted fo r 418  se co nd s. In the  me antime, the r e  are  six  sat e llites fo r P V T sol u tion. The   pse udo ran g e  mea s u r ed v a lue  can  be   expre s sed  a s 13 4 5 6 ( , ,, ,, ) y y y yy yy . In order t o  verify  wheth e r the  prop osed F D I algorithm i s   able to dete c t  and isolate the fault satell ite, intentiona lly,  the pse udo ra nge bia s  was  adde d to the pse udo ran ge  measurement s of satellite 1 9 .   In the experi m ent, EKF, PF and GPF a l gorithm  a r employed to  pro c e ss the  collecte d   experim ental  data, in o r de r to com pare t he pe rf orman c e of th ree  al gorithm whe n  used in  RAI M   algorith m . Figure 2  sho w s the de cisi o n  function fo r fault detect i on und er no rmal conditio n Figure 3 sh o w s the  cumul a tive LLR of EKF, PF and GPF algo rithm unde r normal con d ition .       Figure 2. De cision Statistic  for Fault  Dete ction un der Norm al Condition   Figure 3. Cu mulative LLR  for Fault Isola t ion  unde r No rmal  Conditio n                                                                                               It can be see n  in Figure 2  that GPF-ba sed FDI's deci s ion fun c tion  value at each  time is  less than the  EKF-ba s ed  FDI's  and PF -ba s ed  FDI's  deci s io n function value, which  sho w s that   for the sel e ct ed ala r m thresh old, usi n g  GPF algorit hm FDI sy stem is le ss li kely to rea c h  the   alarm thresh old whe n  the failure did  not occu r, whi c h is to say, the system false al arm  prob ability of FDI sy stem u s ing  GPF alg o rithm i s  le ss than the F D I  method  usi n g EKF algo rithm   and PF algo ri thm. Figure 3  sho w s the  cumulative LL R cu rve s  of each a u xiliary  EKF-ba s ed F D I,  auxiliary PF-based FDI a nd auxilia ry  GPF-b a sed FDI. With re gard to the  cumul a tive LLR  function  curv e of the  same  satellite, EK F-ba se d F D and PF -ba s e d  F D I's  cu mul a tive LL R h a ve a   greate r  fluctu ation ran ge than the cu m u lative LLR o f  FDI based  on GPF, indicating that G P algorith m  ca n  estimate the  system  state more  p r e c isel y than EKF algorithm a nd  PF algorithm.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Fault Dete ction and Isolati on for GPS RAIM Based o n  Geneti c  Re sam p ling…  (Ersh en W ang 3917 Figure 4 a n d  Figure 5  sh ows the exp e r iment  re sults unde r failu re  con d ition s . Figure 4   sho w s the  d e c isi on  statisti cu rves of F D I ba se on  EKF, PF an d  GPF fo r fa ul t deci s io n, a n d   Figure 5 sh o w s the  cumul a tive LLR curves of  each a u xiliary filter for fault isolati on.            Figure 4. De cision Statistic  for Fault De ci sion  unde r Failu re  Conditio n   Figure 5. Cu mulative LLR  for Fault Isola t ion  unde r Failu re  Conditio n                                                                      The p s eu do range m e a s u r ements  of sa tellite No.19 f r om time  20 0 k to time 41 8 k has b een m o dified by addi ng co nsta nt erro rs. As  ca n be se en from  Figure 4  and  Figure 5,  wh en   the fault occu rs, the d e ci si on stati s tic k of three F D I sy stems all jum p  cro ss the ala r m thre sh old  signifi cantly. This m ean s they all set al arm afte r th e  onset of a fault. The FDI  algorithm  using   GPF sets al a r m at the time 20 5 k , the FDI usi ng EKF and FDI usin g PF sets ala r m at the time 21 0 k . In Figure 5, the cumulati ve LLR value () a k t SD of satellite No.19 ha s the greate s t valu e   among  othe r LL Rs,  acco rding to  the f ault dete c tion  prin cipl e a b o ve, the p s e udorang e d a ta of   satellite  No.1 9 do es’t exi s t in auxilia ry P F  D,  so  satelli te No.1 can  be d e termi n e d  to b e  the fa ult   satellite. Fa u l t isolatio can b e   corre c tly ac com p li she d   by discarding   the 19th satellite observation  data for po sition velocity and time  solut i on. Figure 4 and Figure 5 sho w s that all   three   FDI sy stem s can   succe ssfully d e tect  a nd i s olate the  fau l ty satellite.  Und e nomi n al   con d ition, but RAIM algorit hm based on  GPF has  a smalle st pro b ability of setti ng false ala r than EKF and PF. The detection an d isolatio n perf o rma n ce of GPF-b a sed RAIM algorit hm is  better than P F -ba s e d  RAIM algorithm a nd EKF-ba s e d  RAIM algori t hm.       Table 1.  Perf orma nce Co mpari s o n  of Different Algo rithms  Algorithm    Number o f  Parti c les   Average Numbe r  of Effective Part icles   RMSE  EKF      15.63751   PF  100 17.8779   7.45375   300 36.6847   6.85361   GP F   100 28.7612   6.98691   300 59.6315   6.57852       Whe r e, The a v erage n u mb er of effective  particle s  an d  RMSE can b e  cal c ulate d  by:    () 2 1 1( ) s N k ef f i k N                                                                                                                                 (16)    2 1 1 ˆ () s N k ii k s RM SE x x N                                                                                                                (17)  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 5, May 2014:  3911 – 39 19   3918 As sho w n in   Table  1, wh e n  the n u mbe r  of pa rticle selecte d  a s 100 s N , RMSE of GPF   is 6.986 91, RMSE of PF is 7.45375, a n d  RMSE of EKF is 15.63 7 51, whi c h in d i cate s that G P has the  optim al a c curacy  o f  state  estima tion. Th e  ave r age  n u mbe r   of effective  p a rticle s of GP is 2 8 .761 2, which  is mo re  than PF,  indi cates  GPF  do  better i n   sup p r essin g   sam p le de gra datio n.  Whe n  the nu mber of pa rticle s ch osen as 30 0 s N , RMSE of GPF and PF both red u ced, the   averag e num ber of effe ctive particl es  o f  GP F and P F  both in cre a s ed, me an unde r the  sa me   con d ition s , the more p a rticl e s, the more accurate of the estimation.        4. Conclusio n   The  app roa c h of fault  de tection  and  i s olatio n (FDI ) for GPS  receive r  a u to nomou integrity moni toring  (RAIM) based on  g enetic al go ri thm-a s siste d  particl filter (GPF) algo rithm  and the  log - l i kelih ood  rati o (L LR) te st method  wa s p r op osed.  Comp ared  wi th PF and  EKF  estimation,  th e a c cura cy  of improved  pa rticle  filt er e s t i mation i s  im proved  by a p p lying  sele cti on,  cro ssove r  an d mutation of  genetic  algo rithm into the  basi c  pa rticle  filter. The qu ality of particl es  after resampl i ng i s  im prov ed. Th RAIM alg o rithm   prop osed  are  co mpa r ed  wi th PF-b ased  and   EKF-ba s ed   RAIM alg o rit h m a nd ve rified by  mea s u r ed  data  coll ected  from  t he GPS  re ce iver  experim ent platform, the  simulation  results sho w  that in environme n t of non-G a u ssi an   measurement  noise, the F D I app ro ach   usin g GPF i s  sup e ri or to P F -ba s e d  F D I and EKF-ba s ed  FDI. Applying  GPF algorith m  in FDI for  RAIM also   re duce the false alarm  rate  of fault detect i on,  sho r ten th e ti me of  setting   alarm s . Th geneti c  al gori t hm-a ssi sted   particl e filter (GPF)  algo rith improve s  th e  state  estima tion a c cura cy , improve s  th e reli ability of  fault dete c tion. It is fea s i b le  and  effective  to  combi ne  GPF alg o rith m with  log - likelihoo d ratio  test meth d fo r GPS  re ceiv er  autonom ou s i n tegrity monit o ring  (RAIM)  in non -G au ssian me asure m ent noi se  e n vironm ent, a nd  the  detection and  isol ation perfo rman ce of  GP F-ba se d RAIM method is better t han EKF-b ased  RAIM ap proa ch  and  PF-b ase d   RAIM a ppro a ch.  Th e  GPF-ba sed   RAIM alg o rit h m p r op osed  in   this pap er  ha s a certai n si gnifica nce value for the  stu d y of Beidou  se con d -g ene ration navigati on  receiver a u to nomou s integ r ity monitorin g .         Ackn o w l e dg ements   The wo rk wa s su ppo rted  by the National Natu ral Scien c e Fou ndation of China (No.   6110 1161 ), t he Ae ron auti c al S c ien c e  F ound ation  of  Chin a (No.  2 011Z C54 010 ), the Joint F u nds   of the Natural  Science Fou ndation of Lia oning Province (No. 20 130 2400 3).       Referen ces   [ 1 ]   Mat h ie u J,  F a ng-C hen g C,   St even  L,  et   al.   RAI M  d e t e ct or an d est i mat o r d e sig n  t o  mini mi z e  t h e   integr ity risk.  P r oceedings of  the 25th  Intern ational T e chni cal M eeting  of  the Satellit e Di vision of t h I n st it ut e of  Navigat i on.  Nas hvil le.  201 2;  385 6- 386 7.   [2]  Binj ammaz T ,   Al-Bay atti A, Al -Hargan A.  GPS integr ity monitoring for  an  i n telli gent trans port system .   Procee din g s of  t he 10t h Workshop o n  Posit i oni ng  Nav ig at i on an d Comm unic a t i on.  Dres den.  20 13;  1- 6.   [ 3 ]   Xu  Xia oha o,   Yang  Chu ans en,  Li u Ru ihu a .  Revi e w  a n d  pros pect  of  GNSS receiv er aut o nomo u s   int egr it y  Mo nit o ring.   Act a  Aero naut ic a et  Ast r ona ut ica Si nica .  2013;  34( 3):  451-4 63.   [ 4 ]   Sun Qia n ,  Ju n Z han g,  ed it ors.   RAI M  me t hod f o i m pro v ement  o n  G N SS rel i ab ilit y  and  int e grit y.   Procee din g s o f  28t h  Digit a l  Avionics S y st ems Conf ere n c e: Moder nizat i on of  Avionics  and AT M- Perspect i v e s f r om t he Air and  Ground. Orla nd o,  F L .  2009;  7( 3):  1-11.   [5]  Yang Jing, Zhang Hongy u e.  Optimal  Parit y  V e ctor M e thod for  Satellit e Fault Di agnosis.  Ch ine s Journ a l of  Aero naut ics.  20 02;   23(2):  18 3-6.   [ 6 ]   Sun Gu oli a n g ,  Sun M i n gha n,  Che n Ji np ing.  A st ud on t i me an d s e t  co mbin ed m e t h o d  f o r rec e iv e r   int egr it y  a u t o n o mous mo nit o r i ng.   Act a  Aero naut ic a et  Ast r ona ut ica Si nica .   2006;  27( 6):  1171- 117 5.   [7 Ma th ieu  J, Bo ris P.  I n t egrit y risk of  kal m a n  f ilt er-bas ed R A I M .  Proceedi ng s of  t he 24t h I n t e rnat i o n a l   T e chnical Meet ing of  T he Sat e llit e Div i sio n  of  t he I n st it ut e of  Navig at io n.  Na shvill e.  201 1;  3 856- 386 7.   [ 8 ]   Yun Yo ungs un ,  Do yoon K i m.   I n t egrit y Moni t o ring Al gorit h m s Usi ng F ilt e r ing Ap pro a ch es f o r Hig h e r   Navig at io n Per f orma nce:  C o n s ider at ion  of  t he N on-Gauss i an Gnss M e a s ure m e n t s .  Procee din g s o f   t he 20t h I n t e rn at ion a l T e chnic a l Meet i ng of  t he Sat e l lit e.  F o rt  Wort h,   T X .  2 007;  30 70- 308 1.   [ 9 ]   Arulam pal am  MS,  Maskell  S ,  Gordon  N,  et  al.  A t u t o r i al  on p a rt icl e  f ilt e r s f o r on lin e n onli n e a r/ no n- Gaussia n  Ba ye sian t r acki ng.   IEEE Transacti ons on Si gnal  Processi ng .  20 02;  50(2):  1 74- 188.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Fault Dete ction and Isolati on for GPS RAIM Based o n  Geneti c  Re sam p ling…  (Ersh en W ang 3919 [ 10]  Gust af sson F ,   F r edrik G.  Part icle F ilt ers f o Posit i o n in g,  Na vigat i on,  an d T r ackin g .   IEEE Transactions   on Sig nal Pr oc essin g .  200 2;  50(2):  425- 37.   [ 11]   Wu Mei,  F u jun  Pei.  I m proved  Dist ribut e d  Pa rt icle F ilt er f o r Simult a neo us  Loca lizat i on a n d  Mapp in g.   T E LKOMNI KA I ndon esi an Jou r nal of  Elect r ic al Eng i ne eri n g .  2013;  1 1 (12):   152 6-15 30.   [ 12]   Yang Y ang,   Xue  Xia o zh on g.  Appl icat io n of   GA-aid e d  part i cle f ilt er i n  t i gh t  coupli ng GPS / I N S s y st em.   Journ a l of  PLA  Universit y of  S c ienc e an T e chno logy (N at ur al Scie nce Edit ion).  20 11;  12( 4):  322-3 27.   [ 13]   F  Jianch e n g ,  Xi ao lin  N.  Aut onom ous C e l e st ial N a vig a t i o n  f o r Lu nar E x p l or er Base d  on Gen e t i c   Algorit hm Parti c le Filter.  Jour nal  of  Beij ing  Univers it y of  Aeron aut ics a n d  Ast r onaut ics .  200 6;   32(1 1 ) :   127 3-12 79.   [ 14]   Yan  Xues ong,  Wu Qin g h ua,  Li u H a mmin.   An I m prov ed   Rob ot  Pat h  Pl ann ing  Al gorit hm Bas e d  on   Genet ic Al gorit hm.   T E LKOMNI KA I ndon esi an Jo urna l of   Elect r ical E n g i neer ing.  2 0 1 2 ;  10(8):  19 48- 195 5.   [ 15]   Yang  Nin g ,  F eng Qia n ,  Rui  Z hu.  I m proved   Part icle F ilt e r  Based  on G enet ic A l gor it h m .   Journa l o f   Shan gh ai Jia o t ong U n ivers i t y .  2011;  4 5 (10):   152 6-15 30.     [ 16]   Kapl an E,  H e g a rt y   C.  Un ders t andi ng GPS:   Princip l es an d Appl icat io ns. S econ Ed it ion.  USA:   Art e c h   Hous e,  I n c.  2006:  239- 26 4.   [ 17]   Rosih an R,  A I ndri y at m o ko,  S  Chun.   Part ic le  F ilt ering A ppr oach t o  F a u l t  Det ect i o n  an I s olat io n f o GPS I n t egrit Monit o ri ng.  Pr oceedings of the 19th  International T e chni cal  Meeting of  the Satellite  Divisi on of  T he I n st it ut e of  Navigat i on.  F o rt  Wort h,   T X .  200 6;  873-8 81.   [ 18]   Li Pin g ,  Visaka n K.  Part icle F ilt erin g Base d L i keli ho od R a t i o  Approac h t o  F ault  Di agn osis  in No nli n e a r   St ochast i c S y s t ems.  I EEE Tr ansacti ons on System s, Man,  and Cy berneti cs, Part C: Ap plicati ons and  Review .  200 1;  31(3):  33 7-3 4 5 .   [19] VASWANI  N.  Boun d o n  error s  in p a rt icle f ilt erin g w i t h  incor r ect  mo de l ass u mpt i o n s an d i t s imp licat i o n   f o r cha n g e   det ect i on.  Pr oceedings of  IEEE I n ternati o nal  Conf erenc on Ac oustics, Speec h and signal  process i ng.  Mo nt real.  20 04:  I I 729-I I  732.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.