넓은 영역에서 대기 관측, 통신 및 항법 서비스 제공 등 다양한 임무 수행을 위해 다수의 위성이 동시에 운용되는 군집위성 시스템에 대한 연구가 활발하게 수행되고 있다. 군집 위성 시스템의 정밀한 임무 수행을 위해 실시간으로 위성 간 상대 벡터를 추정하는 상대 항법 시스템이 필수적이다. 이때, 기 탑재된 GNSS 센서를 활용한 상대 벡터 산출은 추가 센서 설치를 최소화하면서 상대 벡터를 산출할 수 있기 때문에, 시스템을 간소 화하고 경제적으로 운용하기에 용이하다. 본 연구에서는 GNSS 측정치와 위성간 상대 거리 측정치를 활용한 상대 항법 시스템의 정확성 민감도 분석을 수행한다. 각 위성은 GNSS 수신기를 탑재하고 있으며, 위성간 상 대 거리는 Inter-Satellite Link를 통해 측정하고, 확장 Kalman 필터를 이용한 동적 항법 알고리즘을 활용하였다. 측정치 정확도를 다변화하여, 다양한 상황에서 상대 벡터 정확도 민감도 분석을 수행하였으며, 실제 운용 중인 저궤도 위성의 Two Line Elements 정보를 활용하여 시뮬레이션 하였다.

Sensitivity Analysis of the Accuracy of GNSS and Relative Distance Measurement-Based Relative Navigation Systems for Satellite Cluster Missions

Minseong Kim, Noah Minchan Kim, Dongchan Min, Jiyun Lee*

Research on satellite constellation systems, where multiple satellites operate simultaneously to perform tasks such as atmospheric observation, communication, and navigation services over wide areas, is actively being conducted. For precise mission execution in satellite constellation systems, a relative navigation system that estimates inter-satellite relative vectors in real-time is essential. The use of existing GNSS sensors for relative vector computation minimizes additional sensor installation, simplifies the system and makes it feasible to operate robustly. This study conducts an accuracy sensitivity analysis of a relative navigation system using GNSS measurements and inter-satellite range measurements. Each satellite is assumed to be equipped with a GNSS receiver, and the inter-satellite range is measured through the Inter-Satellite Link. A dynamic navigation algorithm using an extended Kalman filter is employed. By varying the measurement accuracy, the relative vector accuracy sensitivity analysis is performed in various scenarios. A simulation is conducted using the Two Line Elements information of low Earth orbit satellites currently in operation.

Keywords: relative navigation, inter-satellite link, GNSS, distributed spacecraft missions

Speaker 김민성 한국과학기술원