위성 간 통신 (Inter-Satellite Link)은 Galileo와 BeiDou Satellite System (BDS)를 포함하여 대부분의 다음 세대 Global Navigation Satellite System (GNSS) 위성들에 적용되고 있다. 최초 로 위성간 통신 기술을 적용한 GNSS는 GPS Block IIR이다. 중국의 BDS는 BDS-3부터 위성간 통신 기술을 적용하고 있고, Galileo는 다음 세대 위성에 적용할 예정이다. 위성간 통신 기 술의 장점은 지상 시설의 간소화, 향상된 위성 생존력 그리고 향상된 정밀 궤도 결정 등이 있다. 1990년에 GPS Block IIR의 자동항법 기능에 관해서 최초의 위성간 통신 기반 궤도 결정 시뮬레이션이 수행되었다. 자동항법은 위성이 운영 제어 영역 (Operational Control Segment)의 도움 없이 스스로 항법 서비스를 제공하는 능력을 의미한다. 해당 시뮬레이션의 결과는 Block IIR의 자동항법이 운영 제어 영역의 도움 없이도 180일 동안 운영 제어 영역의 도움을 받았을 때와 상응하는 수준의 정확도를 가진 항법 성능을 제공할 수 있음을 보여주었다. 정 확도는 User Range Error (URE) 영역에서 1 sigma 값으로 6 m를 기록하였다. 또한 최근 Ka-band phased-array 안테나를 사용한 위성간 통신 기반 BDS-3 위성의 궤도 결정에 관한 연구 는 정밀궤도결정 능력이 3차원 영역에서 약 1.5 m가 가능함을 시사하였다. 하지만 두 연구 모두 위성간 측정치를 사용할 때, 운영 제어 영역에서 제공되는 방송 궤도력을 사용하였다. 그러므로 본 연구에서는 운영 제어 영역에서 제공되는 시계 및 궤도력 정보에 대한 예측 값을 사용하지 않고 정밀궤도결정을 수행하는 것에 집중하였다. 대신 본 연구에서는 위성들 이 특정 시점에 자신의 순간 속도 값을 정확하게 알고 있다고 가정하였다. 해당 가정 하에서 여러 시나리오에 대해서 시뮬레이션을 진행하였고, 현실적인 위성간 측정치를 생성하기 위해서 신호 전파 시간동안 위성의 변위를 고려하였다. 시뮬레이션은 9개의 GPS 위성과 3개의 지상 기준국을 최초로 진행되었고 어떤 사전 궤도 정보 없이 수행한 궤도결정이 3차원 영역에서 RMS 값으로 약 15 m 정확도 오차임을 확인하였다. 본 논문에서는 위성간 통신 기반 궤도결정에 관한 개념과 시뮬레이션에서 고려되어야 하는 사항을 설명하고 궤도결정 성 능이 다른 조건들을 고려함으로써 향상될 수 있음을 보일 것이다.

A Simulation Study on GNSS Orbit Determination Based on Inter-Satellite Links

Sung-Ik Kim, Byungwoon Park*

The Inter-Satellite Link (ISL) is being applied to most next generation GNSS including BDS and Galileo. The first GNSS which used ISL is GPS Block IIR. BDS implements ISL from BDS-3 and Galileo will apply it to next generation Galileo satellites. The advantages of using ISL are reduced ground facilities, improved satellite survivability and enhanced precise orbit determination (POD) etc. The first ISL simulation study had been conducted for GPS Block IIR’s autonomous navigation (AUTO NAV) in 1990. AUTO NAV is the ability to navigate without Operational Control Segment (OCS). Its result showed that Block IIR’s AUTO NAV can provide navigation accuracy comparable to performance with OCS available for 180 days. The accuracy was 6m in URE for one sigma. Also, recent research on orbit determination of BDS-3 with ISL using Ka-band phased-array antennae demonstrated that POD precision was about 1.5 m in three dimensionally. However, both studies took advantage of broadcast ephemeris which supplied by OCS, when they used ISL measurements for satellite positioning. In this study, therefore, we focused on precise orbit determination of satellites without using satellite’s ephemeris navigation message provided by OCS for predicted clock and ephemeris information. Instead, we assumed that satellites know their velocity accurately at that time. With this assumption, we conducted POD simulation for several scenarios. Moreover, we tried to generate ISL measurements close to reality in simulation by considering satellite’s movement and displacement during signal transient time. The simulation was composed of 9 GPS satellites and 3 ground stations for normal case. This paper includes concept of Inter-satellite Link, several considerations necessary to simulation, simulation results for each scenario and discussion on ISL performance. For practical scenario, the result was about 15 m for RMS residual error in 3 dimensions without any pre-processed information such as ephemeris data. The results are expected to be improved by considering other conditions or constraint.

Keywords: ISL, AUTO NAV, POD, reduced ground facilities

Speaker 김성익 세종대학교