[논문 리뷰] Pulsar Navigation in the Solar System

Jiang Dong|arXiv (Cornell University)|2008. 12. 14.

Inertial Sensor and Navigation참고 문헌 54인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 심우주, 항공, 해양 및 지상 항법을 위한 저비용, 자율적이고 전날 조건에 관계없이 작동하는 GNSS의 대안으로 방사성 펄서 기반 항법을 제안한다. 기술적으로 현재 기술로 2미터 지름 안테나가 36분 이내에 안정적인 5:1 신호 대 잡음비(SNR)로 펄서 신호를 추적할 수 있음을 입증하며, 지상 기반 시스템(DSN)에 의존하지 않고도 지속적인 위치 결정이 가능하다.

ABSTRACT

The X-ray Navigation and Autonomous position Verification (XNAV) is tested which use the Crab pulsar under the Space Test Program that use starlight refraction. It provide the way that the spacecraft could autonomously determine its position with respect to an inertial origin. Now we analysis the sensitivity of the exist instrument and the signal process that use radio pulsar navigation and discuss the integrated navigation which use radio pulsar, then give the different navigation mission analysis and design process basically which include the space, the airborne, the ship and the land of the planet or the lunar. Our analysis show that we will have the stability profile (signal-to-noise is 5) that use a 2 meters antenna observe some strong sources of radio pulsar in 36 minutes which based on the today's technology. So the pulsar navigation can give the continuous position in deep space, hat means we can freedom fly successfully in the solar system use celestial navigation that include pulsar and traditional star sensor. It also can less or abolish the dependence to Global Navigation Satellite System (GNSS) which include GPS, GRONSS, Galileo and BeiDou et al.

연구 동기 및 목표

• 심우주 및 지상 임무를 위한 지상 기반 추적 및 GNSS에 대한 의존도를 줄이는 저비용, 자율 항법 시스템을 개발하는 것.
• 기존의 광학 및 전파 천체 항법의 한계(기상 조건 의존성, 낮은 정확도 등)를 극복하기 위해 전파, 광학 및 적외선 대역에서의 펄서 신호를 활용하는 것.
• 작은 개구구경 안테나(예: 2m)를 사용해 심우주 및 행성 환경에서 안정적인 펄서 신호 탐지를 위한 실현 가능성 입증하는 것.
• 항공우주, 항공, 해양 및 육상 플랫폼 전반에 걸쳐 펄서를 자연 천체 빔으로 활용해 지속적이고 실시간 항법을 가능하게 하는 것.
• 민간 및 정부 우주 임무를 위한 확장 가능하고 신뢰성 있으며 간섭에 강한 항법 솔루션을 제공함으로써 새로운 행성 탐사의 시대를 이끌어내는 비전을 뒷받 undering 하는 것.

제안 방법

• 정밀한 타이밍 측정을 통해 자율적인 위치 및 시계 결정을 위한 안정적인 주기적 천체 빔으로 방사성 펄서를 활용한다.
• 소형 개구구경 전파 안테나(예: 2m 지름)를 사용해 펄서 펄스를 탐지하고 추적하기 위한 신호 처리 기법을 적용함으로써 크기와 비용을 최소화한다.
• 정밀 항법 정확도와 연속성 향상을 위해 펄서 항법을 관성항법시스템(INS) 및 항성추적기와 통합한다.
• X선 펄서 항법 원리를 전파 대역으로 적응 적용한 단계별 잠금 루프(PLL) 알고리즘을 사용해 타이밍 동기화 및 자세 결정을 수행한다.
• 기존 장비와 신호 처리 체인의 민감도를 분석하여 신뢰할 수 있는 항법을 위한 최소 탐지 가능한 신호 대 잡음비(SNR)를 도출한다.
• X선 펄서 항법(XNAV) 개념을 전파 및 광학/적외선 대역으로 확장함으로써 비우주 플랫폼에까지 적용 가능성을 넓힌다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재 기술로 2미터 전파 안테나가 강한 전파 펄서를 추적할 때 36분 이내에 안정적인 5:1 신호 대 잡음비(SNR)를 확보할 수 있는가?
• RQ2 심우주 및 지상 환경에서 전통적 GNSS 및 관성 항법 시스템과 비교해 펄서 항법은 성능 및 신뢰성 면에서 어떻게 다른가?
• RQ3 펄서 기반 항법은 우주를 초월해 항공, 해양 및 육상 항법 시스템에까지 얼마나 널리 확장될 수 있는가?
• RQ4 실제 구현을 위해 X선 기반 펄서 항법에서 전파 대역 펄서 항법으로 전환할 때 발생하는 기술적 및 운영적 과제는 무엇인가?
• RQ5 펄서 항법은 DSN이나 GNSS와 같은 지상 기반 인프라에 의존하지 않고 지속적이고 전날 조건에 관계없이 자율적 위치 결정을 제공할 수 있는가?

주요 결과

• 현재 기술로 2미터 전파 안테나는 강한 전파 펄서를 추적할 때 36분 이내에 안정적인 5:1 신호 대 잡음비(SNR)를 확보할 수 있다.
• 전파 펄서 항법은 심우주 임무에 실현 가능하며, 지상 기반 시스템에 의존하지 않고도 지속적인 자율적 위치 결정을 가능하게 한다.
• 이 방법은 항공우주, 항공, 해양 및 육상 플랫폼 전반에 걸쳐 전날 조건에 관계없이 간섭에 강한 항법을 가능하게 하며, 광학 및 전파 천체 항법의 한계를 극복한다.
• 펄서 항법을 관성항법 시스템 및 항성추적기와 통합함으로써 고운동성 또는 신호 열화 환경에서 항법 정확도와 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
• 이 접근법은 DSN과 GNSS에 대한 의존도를 줄이며, 민간 우주 사업 및 향후 행성 탐사에 적합한 저비용이고 확장 가능한 솔루션을 제공한다.
• 펄서 항법은 광학 및 적외선 대역으로도 확장 가능하므로 태양계 전반과 지상 영역 전반에 걸쳐 더 넓은 응용 가능성을 지닌다.