[논문 리뷰] Performances of a GNSS receiver for space-based applications

Arnaud Dion, Vincent Calmettes외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 24.

GNSS positioning and interference참고 문헌 3인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 지구위성궤도(GEO) 응용을 위한 재구성 가능한 GNSS 수신기의 성능을 평가하며, GPS 및 갈릴레오 신호를 동시에 추적할 수 있도록 설계된 수신기가 위치 결정 가능성과 해법 연속성 측면에서 뚜렷한 성능 향상을 이룬다는 것을 입증한다. 이중 시스템 추적 기술을 통해 신호 수신 능력과 항법 해법의 신뢰성이 향상되어 지상 기반 인fra구조 의존도를 줄이고 자율 위성 정렬 유지가 가능해진다.

ABSTRACT

Space Vehicle (SV) life span depends on its station keeping capability. Station keeping is the ability of the vehicle to maintain position and orientation. Due to external perturbations, the trajectory of the SV derives from the ideal orbit. Actual positioning systems for satellites are mainly based on ground equipment, which means heavy infrastructures. Autonomous positioning and navigation systems using Global Navigation Satellite Systems (GNSS) can then represent a great reduction in platform design and operating costs. Studies have been carried out and the first operational systems, based on GPS receivers, become available. But better availability of service could be obtained considering a receiver able to process GPS and Galileo signals. Indeed Galileo system will be compatible with the current and the modernized GPS system in terms of signals representation and navigation data. The greater availability obtained with such a receiver would allow significant increase of the number of point solutions and performance enhancement. For a mid-term perspective Thales Alenia Space finances a PhD to develop the concept of a reconfigurable receiver able to deal with both the GPS system and the future Galileo system. In this context, the aim of this paper is to assess the performances of a receiver designed for Geosynchronous Earth Orbit (GEO) applications. It is shown that high improvements are obtained with a receiver designed to track both GPS and Galileo satellites. The performance assessments have been used to define the specifications of the future satellite GNSS receiver.

연구 동기 및 목표

• 지구위성궤도(GEO) 응용을 위한 자율 항법을 위한 GNSS 수신기의 성능 평가.
• 단일 재구성 가능한 수신기 내에서 GPS 및 갈릴레오 신호 처리를 통합함으로써 얻는 이점 평가.
• 다중 위성 체계 추적을 통한 신호 가용성, 해법 연속성, 위치 결정 정확도 향상 정도 규명.
• 실제 비행용 GNSS 수신기의 기술 사양 정의를 위해 실증적 성능 평가 기반으로 사양 수립.

제안 방법

• GPS 및 갈릴레오 신호를 모두 지원하는 재구성 가능한 GNSS 수신기 아키텍처 설계 및 시뮬레이션.
• GPS 및 갈릴레오 위성 체계의 레거시 및 현대식 신호를 모두 추적하기 위한 신호 처리 체인 구현.
• 도플러 이동 및 신호 대 잡음비 조건을 고려한 실제 GEO 신호 조건 하에서의 성능 평가.
• 모의 및 실제 추적 시나리오를 활용하여 점 해법 가용성 및 항법 해법 연속성 평가.
• 해결률 및 가용성 측면에서 단일 체계(GPS 전용) 운영 대비 수신기 성능 벤치마킹.
• 신호 대 잡음 밀도 추정 및 캐리어 위상 추적과 같은 신호 처리 기법 적용을 통한 추적 강건성 향상.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지구위성궤도(GEO)에서 이중 GPS/갈릴레오 신호 추적은 GNSS 해법의 가용성을 어떻게 향상시키는가?
• RQ2 GPS 전용 수신기 대비 다중 위성 체계 수신기를 사용할 경우 해법 연속성 및 위치 결정 정확도 향상 정도는 어떠한가?
• RQ3 GEO에서 갈릴레오 신호를 추적하는 데 있어 주요 과제는 무엇이며, 재구성 가능한 수신기 설계에서 이를 어떻게 완화할 수 있는가?
• RQ4 다중 위성 체계 기능은 지상 기반 위성 정렬 유지 시스템 의존도를 어느 정도 감소시키는가?
• RQ5 GEO 임무를 대상으로 하는 비행용 GNSS 수신기의 기술 사양은 무엇이 필요한가?

주요 결과

• 이중 GPS/갈릴레오 수신기는 GPS 전용 운영 대비 훨씬 더 많은 가용 점 해법을 확보한다.
• 향상된 신호 가용성 덕분에 더 자주 발생하고 신뢰도가 높은 항법 해법이 가능해져 위성 정렬 유지의 자율성 향상에 기여한다.
• 고도의 도플러 이동 및 낮은 신호 대 잡음비 조건에서도 수신기가 강력한 추적 성능을 보여준다.
• 갈릴레오 신호 통합은 부가성과 내구성을 제공하여 해법 장애 위험을 감소시킨다.
• 성능 평가 결과는 향후 비행용 GNSS 수신기의 사양 개발에 직접적으로 기여하였다.
• 이 연구는 다중 위성 체계 기능이 GEO 항법에서 고가용성과 고신뢰성을 달성하는 데 필수적임을 확인한다.