중궤도에 배치된 위성항법시스템(Global Navigation Satellite System, GNSS)은 다양한 핵심 인프라의 기반이 되고 있으나, 신호 세기가 약해 전파 간섭에 매우 취약하다. 이에 대한 보완 또는 대체 방안으 로 상대적으로 강한 신호를 제공하는 저궤도(Low Earth Orbit, LEO) 위성이 주목받고 있으며, 저궤도 기반 Positioning, Navigation, Timing (PNT) 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 연구는 Dedicated 방식에 기반한 지역 LEO-PNT 운용에 초점을 두고, 안정적인 Signal in Space User Range Error (SIS-URE)를 보장하기 위한 운용 전략 및 설계 요소를 도출하고자 한다. 우선, 운용 궤도는 관심 지역 내에 서 동시에 관측·제어 가능한 위성 수를 결정하는 핵심 요인으로, LEO의 낮은 고도를 고려할 때 연속적인 서비스를 위해 충분한 위성 수 확보가 필요하다. 다음으로, 탑재 시계의 선택은 시스템 동기화와 측 정 정밀도에 직접적인 영향을 미친다. 고정밀 원자시계는 성능을 향상시키지만 비용과 전력 소모가 커지므로 임무 요구사항과 운용 제약에 따른 신중한 선택이 요구된다. 또한, 위성 간 링크(Inter Satellite Link, ISL)의 활용 여부 역시 중요한 요소이다. ISL이 없을 경우 각 위성은 독립적으로 지상국과 통신하여 궤도결정 및 시간 동기를 수행해야 하므로 지상 의존도가 높고 서비스 연속성이 제한된다. 반면 ISL을 활 용하면 지상국과 접속된 위성이 획득한 데이터를 다른 위성에 분배할 수 있어 지상 인프라 의존도를 낮출 수 있으나, 이를 위해서는 고도화된 통신 장치와 정밀한 링크 유지가 필요하다. 마지막으로, LEO 위 성에 GNSS 수신기를 탑재하면 궤도결정과 시스템 시각 동기화에 도움을 줄 수 있으나, 이는 완전한 독립형 PNT 체계 구축에 한계가 따른다. 본 연구는 이러한 요소들을 종합적으로 분석하여 지상 의존 도를 최소화하면서도 안정적이고 신뢰할 수 있는 서비스를 제공할 수 있는 지역 LEO-PNT 아키텍처에 대한 분석 결과를 제시한다.

Operational Scheduling and Analysis of Ground Segment for Regional LEO-PNT Architecture

Kihyun Kim, Sunjin Kim, O-Jong Kim*

Global Navigation Satellite Systems (GNSS) operating in Medium Earth Orbit (MEO) are the foundation of many critical infrastructures, yet their weak signal strength makes them highly vulnerable to radio frequency interference. As a complementary or backup solution, Low Earth Orbit (LEO) satellites, which provide stronger signals, have gained significant attention, and research on LEO for Positioning, Navigation, and Timing (PNT) is actively progressing. This study focuses on the Dedicated approach with an emphasis on regional LEO-PNT operations, aiming to identify operational strategies and design elements that ensure stable Signal-in-Space User Range Error (SIS URE). Several key factors are considered. First, satellite orbit design determines how many satellites can be simultaneously observed and controlled within the region of interest. Because of their lower altitude, LEO systems require sufficient constellation size to secure continuous service. Second, the choice of onboard clock directly affects system synchronization and ranging accuracy. While high-precision atomic clocks enhance performance, they increase cost and power consumption, making careful selection essential according to mission requirements and operational constraints. Third, Inter-Satellite Links (ISL) represent another critical factor. Without ISL, each satellite must independently communicate with ground facilities for orbit determination and time synchronization, resulting in high ground dependency and limited-service continuity. With ISL, however, a satellite in contact with a ground station can distribute acquired data to other satellites, reducing reliance on ground infrastructure while demanding advanced communication hardware and precise link maintenance. Lastly, GNSS receivers on LEO satellites can support orbit determination and synchronization, easing the burden on ground facilities. However, using GNSS signals may impose limitations on establishing a fully independent PNT system, and their utilization may be restricted in GNSS-denied environments. By comprehensively analyzing these factors, this study presents analysis results on regional LEO-PNT architectures that minimize ground reliance while ensuring stable and reliable service.

Keywords: regional, LEO-PNT, SIS-URE

Speaker 김기현 세종대학교