저궤도 위성 기반 위치결정 및 관측 응용에서는 궤도 예측 정확도가 최종 측위 성능에 직접적으로 영향을 미친다. 그러나 Low Earth Orbit (LEO) 위성은 궤도 고도가 낮고 주기가 짧아 대기 항력, 태양복 사압 등 외력의 영향을 크게 받으며, 단순화된 궤도력 모델을 사용할 경우 수십 m에서 수백 m 수준의 예측 오차가 발생한다. 특히 Two-Line Element (TLE) 데이터를 이용한 Simple General Perturbations 4 (SGP4) 모델 기반 궤도 예측은 경과 시간에 따라 오차가 주기적으로 변하며, 이러한 주기 성분은 위성 궤도 주기와 그 고조파 등 복합적인 형태로 나타난다. 본 연구에서는 정밀 궤도력 데이터를 제공하는 LEO 위성 을 기준으로, TLE와 SGP4 모델 기반 예측 궤도와의 차이를 Radial-Transverse-Normal (RTN) 좌표계에서 산출하여 오차 특성을 분석하였다. 이어서 Fourier Transform 분석을 통해 오차의 주기 성분과 지 배 주 기를 추출하고, 이를 활용해 궤도 주기 기반의 오차 모델을 구성하였다. 분석 결과, 제안한 모델은 LEO 기반 측위·관측 시스템에서 궤도 오차 예측과 보정을 통해 측위 성능 향상에 기여할 수 있음을 확인 하 였다.

Low Earth Orbit Satellite Orbit Error Analysis and Modeling Method

Wonwoo Park, Hyunwoo Kim, Byungwoon Park*

In positioning and observation applications based on Low Earth Orbit (LEO) satellites, the accuracy of orbit prediction has a direct impact on the final positioning performance. However, LEO satellites, due to their low altitude and short orbital period, are significantly affected by external forces such as atmospheric drag and solar radiation pressure. When a simplified force model is used, the prediction error can range from several tens to several hundreds of meters. In particular, orbit predictions based on the Simple General Perturbations 4 (SGP4) model using Two-Line Element (TLE) data exhibit periodic variations in error over time, with these periodic components appearing as a combination of the satellite’s orbital period and its harmonics. In this study, using LEO satellites with precise orbit data (SP3) as the reference, we computed the differences between TLE/SGP4-based predicted orbits and the reference orbits in the Radial-Transverse-Normal (RTN) coordinate frame to analyze the error characteristics. A Fourier Transform analysis was then applied to extract the periodic components and dominant periods of the errors, which were subsequently used to construct an orbit period–based error model. The results demonstrate that the proposed model can contribute to improving positioning performance in LEO-based positioning and observation systems by enabling orbit error prediction and correction.

Keywords: LEO satellite, TLE/SGP4 accuracy, orbit error modeling

Speaker 박원우 세종대학교