저궤도 위성군으로 보강된 한국형 위성항법시스템 설계 :Design of Korean navigation satellite system enhanced by LEO satellites constellation

구상훈

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자료유형: 학위논문

저자정보: 구상훈 (건국대학교, 건국대학교 대학원)

지도교수: 이영재

발행연도: 2020

저작권: 건국대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2020

저궤도 위성군으로 보강된 한국형 위성항법시스템 설계

구상훈 항공우주정보시스템공학과 2020.01 학위논문

2017

궤도 요소 변경을 통한 한국형 위성항법 시스템 설계 개선

구상훈 , 최문석 , 장진혁 외 3명 한국항공우주학회 학술발표회 초록집 2017.11 학술대회자료

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4차 산업혁명의 핵심인 PNT (Positioning, Navigation and Timing)기술의 중요성은 날이 갈수록 중요해지고 있다. PNT 기술의 근간이 되는 것은 위성항법시스템이며, 세계 각국은 일찍이 위성항법시스템의 중요성을 깨닫고 각기 위성항법시스템을 보유, 운용 혹은 개발하고 있다.
우리나라도 이러한 추세에 발맞춰서 한국형 위성항법시스템의 개발을 진행 중이다. 본 논문에서는 한국형 위성항법시스템에 사용될 궤도에 관한 연구를 진행했으며, 궤도 설계 혹은 확장에 필요한 가이드라인을 제시했다. 또한 Kepler 시스템의 개념을 바탕으로 지상 기준국의 역할을 대신할 수 있는 저궤도 위성군의 궤도 설계를 실시하였고, 그 성능을 확인하였다.
궤도별 설계 및 분석 결과, 중심궤적만으로는 모든 위성이 사용가능하고 지형지물이 적은 평지에 위치한 이상적인 경우에만 항법 성능이 양호하였으며, 이에 따라 위성 비가용 상황과 앙각 제한 조건에서의 항법 성능을 향상시키기 위해 중심궤적에 더해 추가 위성군을 구성하는 연구를 진행했고 다음과 같은 결론을 얻었다. 중심궤적이 1개인 경우에는 West GEO와 East GEO가 위치한 경도 80도와 180도에, 중심궤적이 2개인 경우에는 한반도가 위치한 경도 127도에 추가 위성을 배치하는 것이 항법 성능 향상에 도움이 되는 것을 밝혔다. 또한 연구결과를 바탕으로 한국형 위성항법시스템을 설계하는데 가이드라인을 제시하였다.
Kepler 시스템의 개념을 사용한 저궤도 위성에 관한 연구를 수행하였다. Kepler 시스템의 개념을 정리하고, 이를 바탕으로 한국형 위성항법시스템에 적합한 저궤도 위성군을 설계하였다. 그 결과 한국형 위성항법시스템의 모든 위성과 저궤도 위성 간의 위성 간 링크가 지속적으로 이어지는 결과를 얻었고, 저궤도 위성의 비가용 상황을 대비했을 때 위성군 궤도평면을 2개로 하고 각 궤도평면 당 저궤도 위성을 2기 배치하는 형태를 제안했다.

The importance of PNT (Positioning, Navigation and Timing) technology, the core of the 4th industrial revolution, is becoming more and more important. The basis of the PNT technology is the navigation satellite system. Each country in the world realizes the importance and possession of the navigation satellite system and operates or develops the navigation satellite system.
In order to keep pace with this trend, Korea is also developing a Korean Navigation Satellite System. In this paper, I conducted a study on orbits for Korean Navigation Satellite System and suggested guidelines for orbit design or extension. Also, based on the concept of Kepler System, the orbital design of low-earth orbit satellite group that can replace the role of ground reference station was conducted and its performance was verified.
As a result of orbital design and analysis, the navigation performance using 7 satellite ?the basic model of Korean Navigation Satellite System- was good only in the ideal case where all satellites could be used and located on the terrain with few features. In addition to the center trajectory, studies were conducted to construct additional satellite groups. In the case of one central trajectory, it was found that the placement of additional satellites at 80 degrees and 180 degrees of longitude at West GEO and East GEO and at 127 degrees in longitude at two central trajectories would help improve navigation performance. Based on the research results, the guidelines for the design of Korean satellite navigation system were presented.
Also, a study on low-earth orbit satellites using the concept of Kepler System has been carried out. The concept of Kepler System was summarized and based on this, low-earth orbit satellite group suitable for Korean Navigation Satellite System was designed. As a result, the satellite-to-satellite link between all navigation satellites and low-earth orbit satellites of the Korean satellite navigation system is continuously connected. When preparing for the unavailability of low-earth orbit satellites, the satellite group should have two orbital planes and two orbital satellites for each orbital plane.

제1장 서론 1
제1절 위성항법시스템 동향 1
제2절 한국형 위성항법시스템의 필요성 2
제3절 기존 연구와 방법 및 한계점 4
1. 궤도 설계 연구의 한계점 4
2. 성능 유지의 한계점 6
제4절 논문 구성 및 기여도 7
제2장 선행연구 분석 및 성능 분석 기법 8
제1절 선행연구 분석 8
1. QZSS 8
2. NAVIC 10
3. 위 궤도 설계가 한국형 위성항법시스템에 주는 시사점 13
제2절 한국형 위성항법시스템의 성능 분석 14
1. DOP 15
2. 성능 분석을 위해 고려한 상황 18
제3절 항법위성군의 여러 위성궤도 20
1. 중궤도 (Medium Earth Orbit) 20
2. 지구동기궤도와 정지궤도 21
2. 몰니야 궤도 (Molniya Orbit) 21
제3장 항법위성군 설계 및 성능 분석 23
제1절 항법위성군의 성능 평가 항목 및 그 방법 23
제2절 대조군 모델 및 성능 평가 26
1. 한국형 위성항법시스템의 기준 제안궤도 26
2. GPS (32기 모델) 29
3. 두 대조군 모델의 성능 평가 31
4. 항법위성군 모델의 명칭 34
제3절 기준 제안궤도 보완 35
1. 파라미터 변경에 따른 성능 경향성 분석 35
2. KNSS-1-9-2 39
3. KNSS-1-11-4 41
4. KNSS-1-11-4 (63) 44
제4절 다중 주요궤적 설계 46
1. 파라미터 변경에 따른 성능 경향성 분석 46
2. KNSS-2-7 50
3. KNSS-2-9 52
4. KNSS-2-12-H3 55
제5절 한국형 위성항법시스템 설계를 위한 가이드라인 57
제4장 저궤도 위성군을 활용한 항법위성군 보강 58
제1절 한국형 위성항법시스템의 제한점과 해결 방안 58
제2절 Kepler 시스템 60
제3절 한국형 위성항법시스템을 위한 저궤도 위성 설계 62
1. 궤도 설계에 앞서 고려한 사항 62
2. 저궤도 위성 궤도 설계 및 가시성 시뮬레이션 64
3. KNSS-LEO-2-2 모델의 케플러 파라미터에 따른 성능 경향성 분석 70
제5장 결론 75
참고문헌 76
ABSTRACT 79

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