최근 저궤도 위성을 활용한 위치 결정 기술이 Global Navigation Satellite Systems (GNSS)의 한계를 보완할 수 있는 대안으로 주목받으며, 관련 연구가 활발히 진행되고 있다. Low Earth Orbit (LEO) 위성 을 활용한 연구를 위해서는 시뮬레이터나 저궤도 위성 신호를 수신할 수 있는 장비가 필요하지만, 모든 조건을 갖추기에는 비용이나 연구 환경의 측면에서 제약이 따를 수 있다. 이에 따라 본 연구는 별도의 수신기나 시뮬레이터 없이 MATLAB 내장 함수와 공개된 Two Line Element (TLE) 데이터를 활용하여 LEO 위성 기반 도플러 측위를 수행하는 방법을 제안한다. 연구는 감악산 관측소를 기준으로 수행되 었 으며, 실제 운용 중인 Starlink 위성군의 TLE 데이터를 활용하여 2025년 7월 8일 0시부터 10분간 위성의 위치를 계산하였다. 위성과 지상 관측소의 위치 정보 및 Ku-Band 주파수를 MATLAB 내장 함수에 입 력하여 도플러 편이를 계산하고, 최소제곱법 기반의 도플러 측위 결과를 분석하였다. 분석 결과, LEO 위성을 활용한 측위 결과는 수평 방향 Root Mean Square Error (RMSE) 3.8 m, 수직 방향 RMSE 21.4 m, 3D RMSE 21.7 m로 나타났으며, 실제 도플러 관측값을 이용한 GPS 기반 측위 결과는 수평 방향 RMSE 129.3 m, 수직 방향 RMSE 75.1 m, 3D RMSE 149.5 m로 나타났다. LEO 위성을 활용한 도플러 측위 결과가 모든 방향에서 더 낮은 오차를 보임을 확인하였다.

A Study on Doppler Positioning Using LEO Satellites in the Absence of Receivers and Simulators

Hyung-Seok Lee*, Kwan-Dong Park

In recent years, Low Earth Orbit (LEO) satellite-based positioning techniques have attracted significant attention as a promising alternative to overcome the limitations of Global Navigation Satellite Systems (GNSS), and related research has been actively conducted. However, studies utilizing LEO satellites generally require simulators or specialized receivers capable of acquiring LEO signals, which can pose challenges in terms of cost and research environment. To address this limitation, the present study proposes a method for performing LEO-based Doppler positioning using MATLAB built-in functions and publicly available Two-Line Element (TLE) data, without the need for additional receivers or simulators. The experiment was conducted with Gamaksan Observatory as the reference site, where the positions of operational Starlink satellites were computed for a 10-minute interval starting from 00:00 on July 8, 2025. Using the positional information of both the satellites and the ground station, as well as the Ku-band frequency, Doppler shifts were calculated in MATLAB, and positioning was performed through a least-squares estimation approach. The analysis results showed that LEO Doppler-based positioning achieved a horizontal Root Mean Square Error (RMSE) of 3.8 m, a vertical RMSE of 21.4 m, and a 3D RMSE of 21.7 m, whereas positioning results using actual GPS Doppler observations yielded a horizontal RMSE of 129.3 m, a vertical RMSE of 75.1 m, and a 3D RMSE of 149.5 m. These findings confirm that Doppler-based positioning with LEO satellites demonstrates significantly lower errors in all directions compared to GPS Doppler-based positioning.

Keywords: LEO, doppler, TLE

Speaker 이형석* 인하대학교