Real-time relative navigation for autonomous formation flying satellites

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Relative navigation system is presented using GPS measurements from a single-channel global positioning system (GPS) simulator. The objective of this study is to provide the real-time inter-satellite relative positions as well as absolute positions for two formation flying satellites in low earth orbit. To improve the navigation performance, pseudo-relative dynamic model and modified relative measurement model are developed. This modified method prevents non-linearity of the measurement model from degrading precision by applying linearization about absolute navigation solutions not about the priori estimates. Furthermore, absolute states are estimated using ion-free GRAPHIC (group and phase ionospheric correction) pseudo-ranges and precise relative states are determined using double- differential carrier-phase data and singled-differential C/A code data based on the extended Kalman filter and unscented Kalman filter. The software-based simulation has been performed and the steady state accuracies of 1m and 6mm (1σ of 3-dimensional difference errors) are achieved for the absolute and relative navigation, respectively. In addition, the performances of the two filters are compared and the integer ambiguity resolution using LAMBDA method improves the relative navigation performances.

국문 초록 (Abstract)

단일 주파수 GPS 시뮬레이터로부터 GPS 관측 데이터를 이용한 상대 위치 결정 시스템이 구현되었다. 본 연구의 목적은 저궤도 위성의 편대비행 임무 수행을 위한 위성의 절대위치와 편대 위성간 상대위치를 실시간으로 결정하는 것이다. 정밀한 위치 결정을 위하여, 두 위성의 상대적인 의사 동역학 모델과 변형된 상대 관측 모델을 구성하였다. 이러한 변형방법은 관측모델을 이전단계의 추정치가 아닌, 절대 위치 항법 해에 대하여 선형화 함으로써 관측 모델의 비선형성이 정밀도를 떨어뜨리는 것을 막는다. 더불어, 확장 칼만 필터와 Unscented 칼만 필터를 기반으로 이온오차가 제거된 GRAPHIC (group and phase ionospheric correction) 의사거리를 사용하여 절대위치를 결정하고, 공통오차가 상쇄된 이중 차분 반송파와 단일 차분 C/A 부호(code)를 이용하여 정밀한 상대위치를 추정하고자 하였다.소프트웨어 기반의 시뮬레이션을 통하여, 수렴 이후 절대위치를 1m (3 차원 차분 오차의 표준편차) 이내로 얻을 수 있었고, 6mm의 정밀한 상대 위치 오차를 얻을 수 있었다. 또한 확장 칼만 필터와 Unscented 칼만 필터의 성능을 비교하였고 모호 정수의 결정은 LAMBDA (least-squares ambiguity decorrelation adjustment) 알고리즘을 사용하여 상대 궤도 결정의 정밀도를 향상시키고자 하였다.