본 논문에서는 큐브위성 랑데부 임무수행을 위한 Real-Time Kinematic (RTK) 기반 상대항법 시스템의 효과적 미지정수 해결 기법을 제안한다. 큐브위성 플랫폼은 공간적 한계로 인해 탑재되는 하드웨어의 성능적 한계 점이 존재한다. 특히 On-Board Computer (OBC) 연산 속도 성능한계는 실시간 RTK 상대항법을 수행하기 위한 미지정수 해법에 도달하는 문제를 야기시키므로 큐브위성 정밀 상대항법을 수행하기 위해서는 연산량 개 선 문제는 반드시 선결되어야 한다. 전술한 문제를 해결하기 위해 본 논문에서는 단일주파수 기반의 Differential GPS (DGPS) 상대항법로부터 미지정수 검색범위를 줄이는 것으로 그 해법에 접근한다. 의사거리 기반의 DGPS 상대항법은 미터급의 오차를 보이지만 측정치에 미지정수를 내포하지 않으므로 정확성이 보장된다. 다음으로 미지정수를 효과적으로 결정하기 위해, 본 논문에서는 순차적 가중 최소자승법을 활용한 Recursive Ambiguity Filter (RAF)를 제안한다. RAF는 반송파 측정치의 잡음 특성과 미지정수가 상수라는 공분산 특성을 반영하여, 유동해를 효과적으로 추정하고 이를 통해 미지정수의 검색후보 범위를 효과적으로 개선한다. 뿐 만 아니라 기존 지상기반 RTK 시스템에서 주로 활용되었던 확장 칼만 필터을 대체함으로써 연산량 부담을 획기적으로 감소시킨다. 이는 실시간 미지정수 결정 문제를 해결하면서 궁극적으로 큐브위성 플랫폼을 활용 하여 센티미터급의 상대항법을 가능하도록 한다. 제안된 기법의 유용성을 검증하기 위해 본 논문에서는 저궤도 시뮬레이터 및 지상 기반 실험을 활용하여 그 유용성을 보인다. 그 결과 제안된 기법을 통해 미지정수 도 출 성공률을 100%를 만족하면서 초기 미지정수 결정 시간 (TTFF) 1초를 만족함을 보였다.

Efficient Integer Ambiguity Resolution Techniques for RTK-Based Relative Navigation in the SNUGLITE-III CubeSat Rendezvous Mission

Hanjoon Shim, Bu-Gyeom Kim, Yonghwan Bae, Changdon Kee*

This paper presents an effective integer ambiguity resolution technique for an RTK-based relative navigation system tailored for CubeSat rendezvous missions. Due to the spatial limitations inherent in CubeSat platforms, there are performance constraints on the onboard hardware. In particular, the computational speed limitations of the On-Board Computer (OBC) present challenges for real-time integer ambiguity resolution, which is essential for RTK relative navigation. To achieve centimeter-level relative navigation using only GPS on CubeSats, this issue must be addressed. Initially, the search range for integer ambiguities is reduced using single- frequency-based Differential GPS (DGPS) relative navigation. While DGPS precision is limited due to its pseudorange-based approach, it is unaffected by integer ambiguities, thus maintaining accuracy. To effectively determine integer ambiguities, we propose a recursive ambiguity filter (RAF) employing a sequential weighted least squares technique. The RAF estimates float solutions by incorporating the noise characteristics of carrier phase measurements and the covariance properties of constant integer ambiguities, thereby refining the search candidate range for ambiguities. Furthermore, it significantly reduces computational load by replacing the conventional EKF-based ambiguity estimation method commonly used in ground-based RTK systems. This approach allows for real-time ambiguity resolution, ultimately enabling centimeter-level relative navigation on CubeSat platforms. The utility of the proposed technique is validated through simulations of low-earth orbit scenarios and ground-based experiments. Results demonstrate that the proposed method achieves a 100% success-fix rate with a Time to First Fix (TTFF) of 1 second.

Keywords: GPS, CubeSat, real-time kinematics (RTK), relative navigation, integer ambiguity resolution (IAR)

Speaker 심한준 서울대학교