최근 저궤도(LEO) 위성항법 시스템에 대한 관심이 전 세계적으로 높아지면서, LEO 위성이 지닌 다양한 장점이 주목받고 있다. LEO 위성은 낮은 고도에서 비롯된 강한 신호 세기를 제공하며, 비교적 저 렴한 비용으로 다수의 위성군을 구축하여 사용자 가시성을 획기적으로 높일 수 있어 차세대 GNSS의 핵심적인 보조 시스템(backbone)으로 평가받는다. 이러한 잠재력을 바탕으로, LEO 위성을 기존 GNSS와 통 합하는 Multi-Layered 항법 시스템 구축 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 Multi-Layered 환경에서 정밀 측위를 위한 핵심 기법인 Precise Point Positioning (PPP)는 LEO 위성을 통해 성능이 크게 향상 될 수 있다. PPP는 정밀한 위성 궤도 및 시각 정보를 이용하여 단일 수신기에서 cm 수준의 측위 정확도를 얻는 기법으로, 수신기 위치, 시각 오차, 대류층 지연, 그리고 반송파 위상 미지정수(carrier phase ambiguity) 등 다양한 매개변수를 동시에 추정한다. 기존 GNSS 단독 PPP는 위성의 느린 기하학적 구조 변화로 인해 이러한 매개변수 간의 상관관계가 천천히 해소되므로, 미지정수가 안정적으로 결정되 고 측위 오차가 수렴하는 데 약 30분 이상이 소요된다. 하지만 빠른 동적 특성을 지닌 LEO 위성을 추가하면, 위성-수신기 간 기하학적 구조가 급격히 변하여 위치와 미지정수 매개변수 간의 상관관계를 신 속하 게 해소할 수 있다. 이는 결과적으로 PPP의 핵심 과제인 미지정수 결정 시간을 단축시켜 전체적인 수렴시간을 획기적으로 개선하는 원리가 된다. 기존의 LEO 위성을 활용한 PPP 수렴 시간 개선 연구는 대 부분 순수 시뮬레이션 데이터에 의존하였다. 본 논문에서는 기존 연구와 달리 실제 GNSS 관측 데이터를 기반으로 추정한 대류층 지연(tropospheric delay) 값을 LEO 위성 시뮬레이션 데이터 생성에 반영 함 으로써 보다 현실적인 환경을 구축하였다. 이 결합 데이터를 통해 GNSS/LEO 통합 PPP를 수행하였으며, 그 결과 LEO 위성의 기하학적 다양성이 PPP 수렴 시간을 유의미하게 단축시킬 수 있음을 확인 하였 다.

Improving Precise Point Positioning Convergence Time with Low Earth Orbit Satellites

Hyunwoo Kim, Yongrae Jo, Byungwoon Park*

With growing global interest in Low Earth Orbit (LEO) satellite navigation systems, the various advantages of LEO satellites have drawn significant attention. Due to their low orbital altitude, LEO satellites offer stronger signal power and enable the deployment of large satellite constellations at relatively low cost, greatly enhancing satellite visibility for users. As a result, LEO satellites are increasingly regarded as a key backbone system for next-generation Global Navigation Satellite System (GNSS). Based on this potential, research on Multi-Layered navigation systems that integrate LEO satellites with existing GNSS is actively underway. In particular, Precise Point Positioning (PPP), a core technique for high-precision positioning in Multi-Layered environments, can benefit greatly from the inclusion of LEO satellites. PPP is a positioning technique that utilizes precise satellite orbit and clock information to achieve centimeter-level accuracy using a single receiver. It simultaneously estimates several parameters including receiver position, clock bias, tropospheric delay, and carrier phase ambiguities. However, traditional PPP using only GNSS satellites requires more than 30 minutes for convergence, mainly due to the slow-changing satellite geometry, which delays the decorrelation of these parameters—especially the resolution of carrier phase ambiguities. The addition of LEO satellites, which exhibit rapid dynamic motion, significantly enhances the satellite-receiver geometry. This rapid variation accelerates the decorrelation between position and ambiguity parameters, thereby enabling faster resolution of carrier phase ambiguities. Consequently, the overall PPP convergence time can be substantially reduced—addressing one of the key limitations of the technique. Most previous studies on improving PPP convergence using LEO satellites, GNSS have relied on purely simulated data. In contrast, this study constructs a more realistic simulation environment by incorporating tropospheric delay values estimated from actual GNSS observation data into the generation of LEO satellite simulation data. Using this combined dataset, we performed GNSS/LEO integrated PPP and verified that the geometric diversity provided by LEO satellites can significantly shorten PPP convergence time.

Keywords: LEO-PNT, precise point positioning, convergence time

Speaker 김현우 세종대학교