우주 임무에서의 GNSS 활용 가능성

GNSS(Global Navigation Satellite System)는 위치, 항법, 시간 정보(PNT)를 제공하는 데 광범위하게 사용되는 기술입니다. 이 시스템은 지상 응용뿐만 아니라 우주에서의 활용 가능성을 탐색하기 위한 여러 연구의 대상이 되어왔습니다. 글로벌 포지셔닝 시스템(GPS), 러시아의 GLONASS, 유럽의 GALILEO, 중국의 BEIDOU(BDS)와 같은 글로벌 시스템과 일본의 QZSS, 인도의 NavIC과 같은 지역 시스템의 발전은 우주에서의 다중 별자리 GNSS 활용 논의를 촉발시켰습니다.

GNSS의 우주 활용 가능성 탐색

100개 이상의 활성 GNSS 위성을 포함하는 이 다중 별자리 시스템은 신호 커버리지와 시스템 다양성을 크게 향상시켜 우주에서의 PNT 성능과 복원력을 개선할 전망입니다. 또한 한국은 한반도 전역에 RNSS 서비스를 제공하기 위한KPS(Korea Positioning System) 프로젝트를 진행 중입니다.

 

이러한 시스템을 개발하기 위해 NASA, ESA 등 여러 기관에서는 심층 우주 탐사를 위한 GNSS 기술의 활용에 대해 연구를 진행하고 있습니다.

 

GNSS 위성들은 대략 20,000km의 고도에 위치하며, 지구 주변을 돌면서 신호를 지구 중심 방향으로 전송합니다. 특히, GPS L1 신호와 같은 경우는 지상뿐만 아니라 저지구궤도(LEO) 지역에도 신호를 전송할 수 있는 약 47°의 주엽 빔 폭을 가집니다. 이를 통해 지상에서와 같은 방식으로 LEO에서 GNSS 신호를 활용하는 것이 가능합니다.

 

하지만 LEO보다 더 높은 고도에서는 GNSS 위성과 수신기 사이의 기하학적 관계로 인한 한계가 존재하며 이러한 한계는 고려되어야 합니다.

 

정지궤도에서는 GNSS 위성 신호를 수신할 때의 기하학적 구조가 다릅니다. 수신기가 GNSS 위성의 궤도보다 더 높은 위치에 있으면 위성은 정점 방향에 위치하지 않습니다. 결과적으로, 지구의 반대편에서 하향 방향으로 전송되는 GNSS 신호를 수신하는 방식으로 조정해야 합니다.

GNSS 신호 차단과 위성 가시성 문제

GNSS(Global Navigation Satellite Systems)는 위치 결정, 항법, 시간 정보 제공에 필수적이지만, 우주에서의 활용은 지구에 의한 신호 차단으로 인해 복잡한 도전에 직면합니다. 위치 결정을 위해 최소 네 개의 위성 신호가 필요하며, 신호의 가시성과 정확도는 위성의 수에 비례합니다. 하지만 지구로 인한 신호 차단은 위성의 가시성을 제한하고, 기하학적 정렬 문제를 일으킵니다.

 

정지궤도에서는 이러한 문제가 더욱 심각해집니다. 지구 반대편에서 전송되는 신호는 전파 거리가 길고, 그에 따라 신호 세기가 약해져 수신 가능한 최소 신호 세기에 대한 연구가 필요합니다. 이 문제를 해결하기 위해 NASA는 우주 서비스 볼륨(SSV)이라는 개념을 도입했습니다.

 

지표면부터 3000km까지를 지상 서비스 볼륨(TSV), 3000km에서 36,000km까지를 SSV로 구분, 이 구분에 따라 GNSS의 활용 가능성과 전략이 달라집니다.

TSV 내의 저지구궤도(LEO)에서는 일정한 신호 세기를 유지하며 GPS 수신기는 미세 조정을 통해 활용될 수 있습니다. 이 구간에서는 GPS 신호의 도플러 효과만 고려되며 연속적인 PNT 정보 제공이 가능합니다.

 

SSV는 중지구궤도(MEO)와 고정/정지궤도(HEO/GEO)로 나뉘며, 각각의 영역에서 신호의 수신 조건과 활용 가능성이 달라집니다. MEO SSV에서는 네 개 이상의 위성으로부터 신호를 수신할 수 있으며 1m 수준의 위치 정확도를 달성할 수 있습니다.

 

HEO/GEO SSV에서는 지구 반대편에서 오는 신호를 활용하나 신호가 약해지고 중단될 수 있는 구간이 발생합니다. 이러한 도전에도 불구하고, HEO/GEO SSV에서는 약 100m 이내의 위치 정확도를 유지할 수 있습니다.

측면 엽 신호와 다양한 주파수 대역의 활용

우주 임무에서 GNSS(Global Navigation Satellite Systems) 신호의 활용은 우주 서비스 볼륨(SSV) 내에서의 도전으로 인해 제한적이었습니다. 이는 항법을 위한 충분한 가시 위성이 부족하기 때문인데, 이 문제를 해결하기 위해 여러 연구가 진행되었습니다. 이들 연구는 SSV 내에서 다중 GNSS 시스템의 상호 운용성을 탐구하며, 가시성을 향상시킬 수 있는 여러 기술적 전략을 제안했습니다.

 

지구의 음영 효과로 인해 주요 신호가 수신되지 않는 문제를 해결하기 위해, 측면 엽 신호의 활용과 다양한 주파수 대역(L1, L2, L5)에서의 보완적인 방사 패턴을 이용하는 방안이 제시되었습니다. 이러한 접근은 GNSS 신호의 더 넓은 빔 폭을 활용하여 우주 임무에 필수적인 위치 정확도를 달성하기 위한 것입니다.

 

SSV 내의 약한 신호 문제를 해결하기 위해, 개방 루프 추적 전략을 지원하는 4상태 칼만 필터와 관성 항법 시스템(INS)의 통합 사용이 연구되었습니다. 이는 신호 세기가 낮은 환경에서도 효과적인 항법을 가능하게 합니다. 송신 안테나 패턴의 조정과 측면 엽 신호를 최적화하기 위한 연구도 주목할 만합니다.

 

이들 연구는 GEO 임무와 같은 특정 우주 임무에 최적화된 항법 성능을 결정하기 위해 다양한 GNSS 신호를 어떻게 처리할지에 대한 방법을 조사했습니다.

 

본 연구는 GEO 임무에 초점을 맞추어, 정지궤도 위성의 경도에 따른 GNSS 신호 활용 가능성을 분석합니다. 다중 GNSS와 1차 측엽 신호를 활용하여 GNSS 위성 가시성을 보장하는 방법을 탐구하고, GDOP와 link-budget을 사용하여 사용자 등가 거리 오차(UERE) 및 위치 추정 결과를 시뮬레이션으로 분석합니다.

 

비 MEO 위성의 가시성이 위치 정확도에 미치는 영향을 감안하여, BDS의 비 MEO 위성의 영향을 평가합니다. 이를 통해 한반도 상공에서의 정지궤도 위성의 GNSS 신호 활용 가능성을 상세히 조사하여, 우주 임무에서의 GNSS 신호 적용 가능성을 탐색합니다.

위성 가시성 영역의 결정 기준

우주 서비스 볼륨(SSV) 내에서 다중 GNSS 시스템의 활용 가능성을 극대화하기 위해, 본 연구에서는 네 가지 유형의 GNSS 별자리와 추가적인 첫 번째 측엽 신호를 통합하여 위성 가시성, 정확성, 신호 대 잡음비(C/N0), 사용자 등가 거리 오류(UERE), 그리고 위치 오류의 측면에서 수신기의 성능을 평가하였습니다.

 

이를 위해, 보다 현실적이고 이상적인 수신기 설정에 따라 C/N0의 임계값을 설정하고, DLL 대역폭 및 상관기 간격 등의 수신기 파라미터에 기반한 성능 분석을 수행하였습니다.

 

정지궤도에서 GNSS 신호의 활용을 분석하기 위해서는, GNSS 위성과 수신기 사이의 기하학적 구조에 대한 이해가 필수적입니다. 이를 위해, 우리는 정지궤도, 지구, 그리고 GNSS 위성 간의 기하학적 관계를 도식화하였습니다. 특히, 위성에서 지구 중심으로 향하는 방향 벡터와 지표면에 수직인 시선 벡터 간의 각도를 분석함으로써 위성의 가시성 영역을 결정하였습니다.

 

MEO에 위치한 GNSS 위성이 대략 20,000km의 고도를 가진다는 점을 고려할 때, 이러한 각도의 계산은 위성 신호가 지구 표면을 넘어 반대편까지 도달할 수 있는지 여부를 판단하는 데 중요한 기준이 됩니다. 이 연구에서는 GNSS 위성의 주엽 반빔 폭을 GPS 신호와 동일하게 23.5°로 설정하고, 사이드 로브의 반빔 폭을 27°~39°로 설정하여 사이드 로브로부터의 신호 수신 가능성을 고려했습니다.

 

결론적으로, 이 분석은 SSV 내에서 GNSS 신호의 가용성과 수신기 성능을 평가하는 데 있어 핵심적인 방법론을 제시합니다. 다중 GNSS 별자리와 첫 번째 측엽 신호의 통합을 통해 위성 가시성을 높이고, 위치 정확도를 향상시키며, 궁극적으로 우주 임무 수행 시 GNSS 신호의 활용 가능성을 극대화할 수 있음을 보여줍니다.