Low Earth Orbit Positioning, Navigation and Timing (LEO-PNT) 시스템은 위성체, 신호, 목표 서비스별로 독자형, 복합형(통신·항법 혼합), Global Navigation Satellite System (GNSS) 보강형 등 다양한 형태 로 연구 개발되고 있다. 궤도, 주파수, 신호, 궤도 결정, 지상국 등 여러 측면에서 새로운 항법 체계를 지향하는 독자적 LEO-PNT 시스템 개발 및 실제 위성을 통한 성능 검증(in-orbit 검증)을 위해선 시험용 저궤 도 위성군 설계가 필요하다. 본 논문에서는 항법 수행을 위한 최소 위성수인, 4개의 저궤도 위성으로 구성된 실험용 LEO-PNT 시스템의 위성 궤도 설계 문제를 다룬다. LEO 위성은 500~1500 km 사이 고 도에 배치되기 때문에 특정 지역에서 위성이 보이는 시간이 짧고, 4개 이상 동시 관측이 필요한 항법 조건에서는 그 순간이 더 제한적이다. 이때 필요한 궤도 설계의 주요 목적은 특정 지역에서 4개 위성이 동 시에 관측되어서 LEO 위성만으로 항법이 가능한 시간을 최대화하면서, 가능하면 항법 성능을 높이는 것이다. 설계 변수는 위성의 궤도 파라미터이고, 목적함수는 항법가능 시간과 항법 성능 지표인 Dilution Of Precision (DOP)이다. 본 논문의 궤도 설계 결과는 향후 국내 LEO-PNT 연구 및 성능 검증을 위한 실험 위성군 구축 시 활용될 수 있을 것으로 기대한다.

LEO-PNT Constellation Design: A Case Study for Experimental Systems

JinHyeok Jang, Chulsoo Lee, Byunggi Jung, Young Jae Lee, Gyu-In Jee*

Low Earth Orbit Positioning, Navigation and Timing (LEO-PNT) systems are being researched and developed in various forms, including independent, hybrid (communication and navigation combined), and Global Navigation Satellite System (GNSS) augmentation systems, depending on the satellites, signals, and target services. To develop and validate novel navigation architectures in multiple aspects such as orbit, frequency, signal, orbit determination, and ground station, the design of experimental LEO satellite constellations is essential. In this paper, we address the satellite constellation design problem for an experimental LEO-PNT system consisting of four LEO satellites, the minimum number required for standalone navigation performance testing. LEO satellites are typically placed in altitude ranges of 500 to 1500 km, resulting in relatively short visibility periods for a specific region, and even shorter intervals when four satellites need to be simultaneously observable for navigation. The primary objective of this design problem is to maximize the time during which four satellites are simultaneously observable in a specific region, allowing standalone LEO navigation, while also maximizing navigation performance. The design variables are the orbital parameters of the satellites, and the objective functions are the achievable navigation time and Dilution Of Precision (DOP). The results from this orbit design are expected to be useful for future domestic LEO-PNT research and the construction of experimental satellite constellations for performance verification.

Keywords: KPS, LEO satellite constellation, Kepler system

Speaker 장진혁 LIG넥스원