지역 LEO-PNT 아키텍처의 지상국 스케줄링 최적화 및 URE 성능분석 = Optimized Ground Segment Scheduling and URE Performance Analysis for Regional LEO-PNT Architecture

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Medium Earth Orbit Global Navigation Satellite Systems (GNSS) support a wide range of critical infrastructures. However, because GNSS signals are received with very low power, they are vulnerable to radio frequency interference. To mitigate this limitation, navigation systems based on Low Earth Orbit (LEO) satellites have drawn attention as complementary or backup solutions to conventional GNSS, since LEO satellites can provide higher received signal power. As a result, research on architectures for LEO based Positioning, Navigation, and Timing (LEO-PNT) systems has been actively conducted. This study focuses on the operation of a dedicated regional LEO PNT system and examines its operational strategies and key design considerations.
This work investigates the conditions required to maintain stable Signal In Space User Range Error (SIS-URE), while considering major operational factors such as the satellite constellation, onboard clock type, the use of Inter Satellite Links (ISL), and the availability of an onboard GNSS receiver. The constellation determines how many satellites can be simultaneously observed and controlled over a target region. Due to the low altitude and rapid motion of LEO satellites, maintaining stable service requires securing a sufficient number of satellites. The onboard clock directly affects system time synchronization and ranging accuracy. Although high performance atomic clocks provide superior stability, they also impose constraints related to power consumption and cost. Therefore, selecting an appropriate clock must reflect mission objectives and operational conditions. The use of ISL is another key factor. When ISL is not used, each satellite must communicate with the ground segment independently to support ranging, orbit information delivery, and time synchronization, which increases reliance on ground infrastructure and limits service continuity. In contrast, when ISL is employed, data acquired by a satellite connected to a ground station can be shared with other satellites, improving system level efficiency and significantly reducing dependence on the ground segment. This operational approach, however, requires high performance communication payloads and precise link maintenance. In addition, equipping LEO satellites with a GNSS receiver can reduce the operational burden on the ground segment by enabling autonomous orbit determination and time synchronization. Nevertheless, if a LEO PNT system is intended to serve as a backup system, it must also be capable of independent operation without relying on GNSS.
By integrating these considerations, this study establishes an operational concept for the ground segment of a dedicated regional LEO PNT system. Multiple operational scenarios are constructed based on combinations of onboard clock type, ISL availability, and Global Positioning System (GPS) receiver capability. The feasibility of ground segment operation is then comparatively evaluated across scenarios. Under the constrained assumption that only a single uplink ground station antenna is available, this study performs uplink scheduling optimization using a genetic algorithm. The resulting scheduling efficiency and SIS URE performance are analyzed in comparison with a greedy scheduling baseline. Based on these results, this study proposes a regional LEO PNT system architecture and a ground segment operational strategy that account for the scale of ground infrastructure and practical operational constraints.
By integrating these considerations, this study establishes an operational concept for the ground segment of a dedicated regional LEO PNT system. Multiple operational scenarios are constructed based on combinations of onboard clock type, ISL availability, and Global Positioning System (GPS) receiver capability. The feasibility of ground segment operation is then comparatively evaluated across scenarios. Under the constrained assumption that only a single uplink ground station antenna is available, this study performs uplink scheduling optimization using a genetic algorithm. The resulting scheduling efficiency and SIS URE performance are analyzed in comparison with a greedy scheduling baseline. Based on these results, this study proposes a regional LEO PNT system architecture and a ground segment operational strategy that account for the scale of ground infrastructure and practical operational constraints.

국문 초록 (Abstract)

중궤도에서 운용되는 위성항법시스템(Global Navigation Satellite System, GNSS)은 다양한 핵심 인프라의 기반으로 활용되고 있으나, 낮은 신호 세기로 인해 전파 간섭에 취약하다는 기술적 한계가 존재한다. 이에 따라 높은 신호 세기를 제공하는 저궤도(Low Earth Orbit, LEO) 위성을 기반으로 구성된 항법 시스템이 기존 GNSS를 보완하거나 백업시스템으로서 주목받고 있으며, 이를 위한 LEO-PNT(Positioning, Navigation, and Timing) 시스템 아키텍처에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 본 연구는 그중에서도 Dedicated 방식의 지역 LEO-PNT 시스템 운용을 중심으로 운용 전략과 설계 요소를 분석하고자 한다.
특히 Signal In Space User Range Error(SIS-URE)를 안정적으로 유지하기 위한 조건을 중심으로, 위성 constellation, 탑재 시계, 위성 간 링크(Inter Satellite Link, ISL), GNSS 수신기 탑재 여부 등 주요 운용 요소들을 고려하였다. 위성 constellation은 특정 지역에서 동시에 관측 및 제어할 수 있는 위성 수를 결정하는 요소이며, 고도가 낮은 LEO 위성의 특성상 안정적인 서비스를 위해 충분한 위성 수 확보가 요구된다. 위성에 탑재되는 시계는 시스템의 시각 동기화 및 거리 정확도에 직접적인 영향을 미치며, 고정밀 원자시계는 우수한 성능을 제공하지만, 전력 소모 및 비용 증가와 같은 제약이 따른다. 따라서, 위성의 임무와 운용 환경을 고려한 적절한 시계 선택이 필수적이다. ISL 활용 여부는 주요 운용 요소 중 하나로, ISL이 적용되지 않는 경우 각 위성은 지상국과 독립적으로 통신하며 거리 측정, 궤도 정보, 시각 동기화 등을 개별적으로 수행해야 하므로 지상 인프라에 대한 의존도가 높아지고 서비스 연속성 확보에 한계가 발생한다. 반면, ISL을 활용하는 경우 1기의 위성이 지상국과 연결되어 있을 때 획득한 데이터를 다른 위성들과 공유할 수 있어, 시스템 전체의 효율성을 높이고 지상국 의존도를 크게 줄일 수 있다. 단, 이러한 운용 방식은 고성능 통신장비와 정밀한 링크 유지 기술이 요구된다. 또한, LEO 위성에 GNSS 수신기를 탑재하면 궤도 결정과 시각 동기화를 자체적으로 수행할 수 있어 지상국 운용 부담을 완화시킬 수 있다. 다만, LEO-PNT가 백업시스템으로 운용되기 위해서는 기존 GNSS와 독립적으로도 운용할 수 있어야 한다.
본 연구에서는 다양한 운용 요소들을 통합적으로 고려하여 Dedicated 기반 지역 LEO-PNT 지상시스템의 운용 개념을 정립한다. 이를 위해 탑재 시계의 종류, ISL 활용 여부, GPS 수신기 가용성 조합에 따라 여러 운용 시나리오를 구성하고, 각 시나리오별 지상시스템 운용 타당성을 비교 분석하며, 단일 업링크 지상국 안테나만을 운용하는 제약된 환경을 가정하여 유전 알고리즘 기반 업링크 스케줄링 최적화를 수행한다. 분석 결과를 통해 탐욕 알고리즘 스케줄링과 대비한 업링크 스케줄링 효율 및 SIS-URE 성능 변화를 분석하고, 도출된 결과를 바탕으로 지상 인프라 규모와 운용 제약 조건을 고려한 지역 LEO-PNT 시스템 아키텍처와 지상시스템 운용 전략을 제시한다.

목차 (Table of Contents)

• 목차
• 국문 초록 ⅰ
• 그림 목차 ⅴ
• 표 목차 ⅶ
• 제 1장 서론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구 동향 3
• 1.3 연구 목적 5
• 제 2장 지역 LEO-PNT 아키텍처 설계 7
• 2.1 위성 Constellation 7
• 2.1.1 Walker Constellation 8
• 2.1.2 지역 LEO-PNT Constellation 선정 11
• 2.1.3 한반도 가시성 및 DOP 분석 13
• 2.2 항법 메시지 규격 15
• 2.2.1 항법 메시지 포맷 15
• 2.2.2 항법 데이터 구성 17
• 2.3 지상국 제원 18
• 2.3.1 지상국 운용 18
• 2.3.2 송수신기 및 안테나 19
• 2.4 Inter-Satellite Link 제원 20
• 2.4.1 Inter-Satellite Link 구성 21
• 2.4.2 Inter-Satellite Link 전송 지연 모델 22
• 제 3장 Signal-In-Space User Range Error 25
• 3.1 Signal-In-Space User Range Error 개요 및 구성요소 25
• 3.1.1 Signal-In-Space User Range Error 정의 25
• 3.1.2 항법 정보 오차 구성요소 27
• 3.2 Satellite Clock Prediction Error 28
• 3.3 Satellite Ephemeris Prediction Error 29
• 3.4 GPS 수신기 기반 시각 및 궤도 동기화 31
• 3.5 Signal-In-Space User Range Error 그래프 32
• 제 4장 지상국 운용 스케줄링 및 성능분석 34
• 4.1 시뮬레이션 환경 및 문제 정의 34
• 4.2 Case 분석 36
• 4.2.1 Case: ISL 탑재 36
• 4.2.1.1 탐욕 알고리즘 기반 업링크 스케줄링 방법 37
• 4.2.1.2 탐욕 알고리즘 기반 업링크 스케줄링 결과 39
• 4.2.2 Case: ISL 미탑재 43
• 4.2.2.1 탐욕 알고리즘 기반 업링크 스케줄링 방법 44
• 4.2.2.2 탐욕 알고리즘 기반 업링크 스케줄링 결과 45
• 4.2.2.3 유전 알고리즘 기반 업링크 스케줄링 방법 49
• 4.2.2.4 유전 알고리즘 기반 업링크 스케줄링 결과 51
• 4.2.3 Case: ISL 미탑재/GPS Rcv. 가용/지상국 업링크 미운용 56
• 제 5장 결론 및 향후 연구계획 58
• 5.1 결론 58
• 5.2 향후 연구계획 59
• 참고문헌 60
• Abstract 64