저궤도 (Low Earth Orbit, LEO)는 해수면으로부터 약 200~2000 km 고도의 궤도를 의미하며, 저궤도 위성을 활용하면 낮은 비용으로 통신 지연 및 신호 세기 손실을 최소화하는 위성통신이 가능하다. 이러한 저궤도 위성 신호는 재밍 (Jamming), 스푸핑 (Spoofing)과 같은 신호교란에 강건하고, 도심과 같이 신호단절이 빈번하게 발생하는 환경에서도 안정적인 수신이 가능하다. 또한, 광대역 저궤도 위성군의 경우 기존 GNSS 위성군보다 약 10배에서 30배에 달하는 가시 위성 수를 보장할 수 있다. 따라서 최근 광대역 저궤도 통신 위성군을 항법에 활용하여 항법 정확도 및 강건성을 개선하기 위한 Signal of Opportunity (SOP) 연구가 활발하게 수행되고 있다. SOP는 항법 서비스를 목적으로 개발되지 않은 위성을 항법에 활용하는 개념으로 위성 신호의 도플러 천이 (Doppler shift)를 기반으로 하는 다양한 항법 알고리즘들이 제안되고 있다. 이에 본 연구에서는 광대역 저궤도 위성을 활용한 SOP 항법의 효용성 평가를 위해 도플러 천이 측정치 기반 항법 시뮬레이터를 개발하고, 이를 활용하여 측정치 오차에 따른 정확도 민감도 분석을 수행하였다. 저궤도 위성의 도플러 천이와 GNSS 위성의 의사거리 및 의사거리 변화량 측정치를 사용하는 최소자승법 (least square) 기반의 항법 시뮬레이터를 구현하였으며, Two-Line Element Set (TLE)으로 제공되는 실제 광대역 저궤도 위성군의 궤도 정보 를 반영하였다. 위치 추정 성능은 측정치의 오차 수준에 따라 크게 달라진다. 따라서, 본 연구에서는 저궤도 위성 도플러 천이 측정치 오차에 따른 항법 정확도 민감도 분석을 수행하였다.

Development of LEO Communication Satellites and GNSS MEO Satellites-based Navigation Simulator and Accuracy Sensitivity Analysis

Ji-Min Do, Gihun Nam, Jiyun Lee*

Low Earth orbit (LEO) refers to the orbit at an altitude between 200km and 2000km above mean sea level. This proximity allows LEO satellites to provide satellite communication services with much stronger signals than the GNSS constellation like GPS in medium Earth orbit. As a result, LEO signals are robust to jamming and spoofing and enables stable signal reception in environments with high GNSS occlusion. Although a single LEO satellite has a much smaller footprint, a broadband communication LEO satellite constellation with more than thousands of satellites, such as Starlink of SpaceX, can guarantee 10 to 30 times number of visible satellites compared to GNSS constellations. Therefore, a LEO signal-based navigation system can add robustness in augmenting the GNSS constellation or it can also be used as a standalone backup in many applications. To leverage this benefit, numerous studies have recently been conducted to use signals from LEO communication satellites as signal of opportunity (SOP). SOP is a concept that utilizes signals from satellites not originally developed for navigation services as navigation signals. The navigation algorithms proposed for SOP use Doppler shift measurements from LEO signals for positioning. In this study, we develop a Doppler-based navigation simulator and evaluate the position accuracy of a SOP navigation service. The developed navigation simulator estimates navigation states from Doppler shift of LEO signals and pseudorange and pseudorange rate measurements of GNSS satellites by using the least square method. The position and velocity of LEO satellites are computed using publicly available Two-Line Element Set (TLE) files. Positioning accuracy highly depends on measurement quality. Therefore, we conduct a sensitivity analysis of position performance with respect to the quality of Doppler shift measurements.

Keywords: LEO, Doppler, GNSS, least squares

Speaker 도지민 한국과학기술원