지역 항법시스템인 Korean Positioning System (KPS)는 8개의 위성으로 구성되어 있어, 가시위성 수가 부족하고 정확한 궤도결정을 위해 다수의 해외 지상국이 필요하다는 문제를 가지고 있다. 이에 대한 효 율적인 해결방안으로 Low Earth Orbit (LEO) 위성 사용이 제시되고 있다. 사용자의 Dilution Of Precision (DOP)와 KPS 위성의 궤도 결정 정확도를 모두 개선할 수 있지만 위성 수 증가에는 한계가 있으므 로, 최소한의 저궤도 위성으로 최대의 성능 향상을 이끌어내는 최적의 궤도 설계가 필요하다. 이는 여러 목표가 서로 상충하는 전형적인 다중목표 최적화 문제로, 파레토 최적화 기법을 적용하여 해결할 수 있 다. 본 연구에서는 '사용자 위치 정밀도(DOP) 향상'과 'KPS 위성 궤도 결정 오차 최소화'를 각각의 목표로 설정하여 최적화를 통한 궤도 설계를 수행하였다. 서로 상충하는 목표들 사이에서 최적의 균형 점을 나타내는 파레토 전선(Pareto front)을 도출하여 가장 효율적인 위성 궤도군을 제시했으며, 특정 궤도 제약 조건하에서도 최적의 궤도 설계를 선택할 수 있도록 하였다.

Low Earth Orbit Satellite Constellation Design for Enhancing KPS Navigation System Performance

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

The Korean Positioning System (KPS), a regional navigation system, consisting of eight satellites faces some challenges, including an insufficient number of visible satellites and the need for numerous overseas ground stations for accurate orbit determination. The addition of a Low Earth Orbit (LEO) satellite constellation has been proposed as an effective solution. While adding LEO satellites can improve both the user's Dilution of Precision (DOP) and the accuracy of KPS satellite orbit determination, the number of satellites that can be added is limited. Therefore, it is crucial to design an optimal constellation that achieves the maximum performance enhancement with the minimum number of LEO satellites. This is a classic multi-objective optimization problem with inherent trade-offs, making it well-suited for a Pareto optimization approach. In this study, optimization was performed with two distinct objectives: minimizing user DOP and minimizing the KPS satellite orbit determination error. By deriving the Pareto front, which represents the optimal trade-offs between these conflicting objectives, the most efficient satellite constellations are proposed. This methodology allows for the selection of an optimal constellation design, even under specific orbital constraints.

Keywords: KPS, LEO satellite constellation, multi-objective optimization, Pareto optimization

Speaker 지규인* 건국대학교