[논문 리뷰] LEO-PNT With Starlink: Development of a Burst Detection Algorithm Based on Signal Measurements

Winfried Stock, Christian A. Hofmann외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 04. 19.

GNSS positioning and interference인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 성간 신호를 이용한 도플러 이동 기반 저궤도 위성항법(LEO-PNT)을 가능하게 하기 위해 스타링크 신호에 대한 새로운 상관 기반 버스트 탐지 및 주파수 추정 알고리즘을 제안한다. 측정된 스타링크 업링크 신호를 사용하여 표준 패치 안테나를 사용할 경우 4분 동안의 추적에서 1km 이내의 정밀도를 달성하며, 상용 저궤도 위성 대량군집을 활용한 운영용 항법의 가능성을 입증한다.

ABSTRACT

Due to the strong dependency of our societies onGlobal Navigation Satellite Systems and their vulnerability to outages, there is an urgent need for additional navigation systems. A possible approach for such an additional system uses the communication signals of the emerging LEO satellite mega-constellations as signals of opportunity. The Doppler shift of those signals is leveraged to calculate positioning, navigation and timing information. Therefore the signals have to be detected and the frequency has to be estimated. In this paper, we present the results of Starlink signal measurements. The results are used to develope a novel correlation-based detection algorithm for Starlink burst signals. The carrier frequency of the detected bursts is measured and the attainable positioning accuracy is estimated. It is shown, that the presented algorithms are applicable for a navigation solution in an operationally relevant setup using an omnidirectional antenna.

연구 동기 및 목표

• 성간 신호를 통한 기회적 LEO-PNT를 가능하게 하기 위해 스타링크 신호에 대한 신뢰할 수 있는 버스트 탐지 및 주파수 추정 알고리즘을 개발한다.
• 스타링크 사용자 업링크 신호를 분석하여 다운링크 신호와의 구조적 유사성을 규명한다.
• 도플러 이동 기반 LEO-PNT 시스템에서 주파수 추정 오차가 정밀도 정확도에 미치는 영향을 평가한다.
• 스타링크 신호를 활용한 운영용 LEO-PNT에 있어 전방향 안테나의 가능성을 입증한다.
• 현실적인 신호 및 노이즈 조건 하에서 Cramér-Rao 하한(CRB)을 사용하여 정밀도 오차의 하한을 설정한다.

제안 방법

• 저자들은 측정된 스타링크 업링크 신호를 사용하여 반복되는 8회 반복 동기화 서열을 식별하며, 이는 다운링크 구조를 그대로 반영한다.
• 알려진 동기화 서열을 활용하여 미리 알 수 없는 캐리어 주파수 오프셋 또는 도플러 이동에 대해 저항력 있는 버스트 탐지 알고리즘을 개발한다.
• 수신된 신호와 알려진 프리앰블 서열 간의 교차상관을 사용하여 주파수 추정을 수행함으로써 고정밀 캐리어 주파수 추정이 가능하다.
• 도플러 이동된 캐리어 주파수를 사용하여 단일 위성 통과 동안의 이론적 정밀도 오차 분산 하한을 계산하기 위해 Cramér-Rao 하한(CRB)을 적용한다.
• 위성의 운동을 구형 지구 모델을 사용하여 모델링하고, 피셔 정보 행렬을 계산하여 위도 및 경도 추정에 대한 CRB를 유도한다.
• 수신기의 정적 상태를 가정하고 고도를 사전에 알 수 있다고 가정하며, 스펙트럼 플럭스 밀도 및 안테나 이득을 사용하여 신호 대 잡음비와 추정 분산을 모델링한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 알려진 동기화 서열을 사용하여 스타링크 업링크 신호를 신뢰성 있게 탐지하고 캐리어 주파수를 추정할 수 있는가?
• RQ2 모르는 캐리어 주파수 오프셋 및 도플러 이동 조건 하에서 제안된 버스트 탐지 알고리즘이 어떻게 성능을 발휘하는가?
• RQ3 도플러 이동 측정을 통한 스타링크 신호를 이용한 LEO-PNT에서 정밀도 오차의 이론적 하한은 무엇인가?
• RQ4 추적 지속 시간과 수신기 안테나 이득은 달성 가능한 정밀도 정확도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 표준 전방향 안테나가 스타링크 신호를 활용한 운영용 LEO-PNT에 얼마나 잘 기여할 수 있는가?

주요 결과

• 스타링크 업링크 신호는 다운링크와 동일한 동기화 서열을 포함하며, 이는 8회 반복되는 서브서열로 구성되어 있어 신뢰성 있는 탐지 및 추정이 가능하다.
• 제안된 상관 기반 탐지 알고리즘은 알려지지 않은 캐리어 주파수 오프셋 및 도플러 이동에 대해 강건하여 실제 환경 조건에서도 신뢰성 있는 버스트 탐지가 가능하다.
• 동기화 서열을 사용한 주파수 추정은 이론적 하한에 매우 가까운 추정 분산을 달성하여 고정밀도를 입증한다.
• 8 dBi 패치 안테나를 사용한 4분 추적 간격에서, 수신기-위성 거리가 200km에서 700km 사이일 경우 정밀도 오차의 하한이 1km 이하이다.
• 200km 이하의 거리에서는 횡방향 오차로 due to 오차가 급격히 악화되고, 700km 이상의 거리에서는 종방향 추정 오차로 인해 정밀도가 빠르게 떨어진다.
• 측정 지속 시간을 연장하면 정밀도가 향상되지만, 빔스위칭 프로토콜로 인해 한 위성당 최대 추적 가능 신호 지속 시간이 제한될 수 있다.