정밀동역학모델과 의사거리 관측값을 사용한 GPS와 QZSS 궤도결정필터 개발 및 방송궤도력 생성 :Development of GPS and QZSS Orbit Determination Filter using Precise Dynamic Model and Pseudo-Range Measurements and Generation of Broadcast Ephemeris

김범수

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김범수 (한국항공대학교, 한국항공대학교 일반대학원)

지도교수: 김정래

발행연도: 2023

저작권: 한국항공대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수6

이 논문의 연구 히스토리 (2)

2023

IGS 정밀궤도력을 사용한 GPS 방송궤도력 Fitting 알고리즘 검증

김범수 , 박세림 , 부성춘 외 1명 한국항공우주학회 학술발표회 초록집 2023.06 학술대회자료

정밀동역학모델과 의사거리 관측값을 사용한 GPS와 QZSS 궤도결정필터 개발 및 방송궤도력 생성

김범수 항공우주및기계공학과 2023.01 학위논문

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위성항법시스템을 운용할 때 지상 부분의 주요 임무는 항법위성의 궤도를 정확히 결정하고 항법메시지를 생성하여 전송하는 것이다. 사용자에게 항법위성의 위치정보를 제공하는 방송궤도력은 항법메시지의 중요한 구성요소이며, 방송궤도력의 정확도와 안정성이 사용 부분의 성능에 직접적인 영향을 미친다. 따라서 정밀한 궤도결정 수행을 통한 방송궤도력의 생성이 필수적이다.
본 연구에서는 정밀동역학모델과 확장칼만필터를 결합한 항법위성 궤도결정필터를 개발하였다. IGS (international gnss service) 지상국 관측값을 사용하여 GPS (global positioning system)와 QZSS (quasi-zenith satellite system)의 궤도결정을 수행하고 성능 분석을 수행하였다. 궤도결정 성능 분석은 항법위성 궤도 및 시계오차 성분을 표현하는 URE를 기준으로 수행되었다. URE는 의사거리 방향의 오차를 나타내며 사용자 위치추정 성능에 직접적인 영향을 미친다. 항법위성의 시계오차 추정 여부에 따라 각 위성별로 두 번씩 궤도결정 시험이 수행되었으며, 시계오차를 추정하는 경우 radial 방향의 궤도오차와 시계오차가 높은 역상관 관계를 가지며 URE 계산 과정에서 서로 상쇄되어 URE는 상당히 낮은 수준을 유지하였다. 항법위성 시계오차를 추정하는 대신 항법메시지의 시계오차를 모델링한 값으로 대체하여 궤도결정을 수행하고 URE와 지역적 상관관계 및 지상국 배치에 의한 영향을 분석하였다. 또한 항법메시지를 주로 구성하고 있는 방송궤도력 생성 기법에 대한 연구를 수행하였다. 본 연구에서 개발한 궤도결정필터로 수행한 GPS와 QZSS 위성의 궤도결정 정보를 관측궤도로 사용하여 각 위성에 대한 방송궤도력을 생성하고 이를 RINEX (receiver independent exchange) V.3 형식의 항법메시지로 변환하였다. 생성된 항법메시지와 원본 항법메시지를 각각 사용하여 지상국 위치추정을 수행하고 성능 분석을 수행했으며, GPS와 QZSS 위성에 대해 생성된 항법메시지는 원본 항법메시지와 유사한 성능을 보였다. 이 결과를 통해 낮은 URE를 가지는 궤도결정 정보를 사용한 방송궤도력 생성 및 항법메시지 변환이 잘 수행 되었으며, 본 연구에서 개발한 궤도결정필터의 성능이 사용자 위치추정에 충분히 적용될 수 있는 것을 확인하였다.

When operating a satellite navigation system, the main task of the ground segment is to accurately determine the orbit of the navigation satellite and generate and transmit navigation messages. Broadcast ephemeris, which provide orbit and clock information from navigation satellites to users, is an important part of navigation messages, and the accuracy and stability of broadcast ephemeris directly affect the performance of the user segment. Therefore, it is essential to generate broadcast ephemeris through precise orbit determination.
In this study, a navigation satellite orbit determination filter was developed that combines an accurate dynamics model with an extended Kalman filter. Global Positioning System (GPS) and Quasi-zenith Satellite System (QZSS) orbit determination was performed using International GNSS Service (IGS) ground station observations and performance analysis was performed. Orbit determination performance analysis was performed based on URE, which expresses the orbit and clock error components of the navigation satellite. URE represents the pseudo-range direction error and directly affects user positioning performance. The orbit determination was performed twice for each satellite, depending on whether or not the navigation satellite clock error was estimated. When estimating the clock error, the radial orbit error and the clock error had a high inverse correlation and cancel each other out in the URE calculation process, keeping URE at a reasonably low level. Instead of estimating the navigation satellite clock error, orbit determination was performed by replacing the clock error with the modeled value, and the regional correlation with URE and the effect of ground station deployment were analysed. In addition, research has been done on the broadcast ephemeris generation technique, which mainly forms the navigation message. The orbit information from the GPS and QZSS satellites output by the orbit determination filter developed in this study is used as the observed orbit to generate a broadcast ephemeris for each satellite and converts it into a navigation message in the form of RINEX V.3. converted. The ground station positioning and performance analysis were performed using the generated navigation message and the original navigation message, respectively. The generated navigation message for GPS and QZSS satellites showed performance similar to that of the original navigation message. This result confirmed that the generation of broadcast ephemeris and conversion of navigation messages using low URE orbit information were performed well, and that the performance of the orbiting filter developed in this study can be sufficiently applied to the user position estimation.

#GNSS #GPS #QZSS #Orbit Determination #Broadcast Ephemeris

제1장 서 론 1
1.1 연구 배경 및 목적 1
1.2 연구 내용 및 방법 3
1.3 연구 결과의 기여도 4
제2장 항법위성 궤도결정필터 6
2.1 위성동역학 모델 6
2.1.1 정밀지구중력 7
2.1.2 삼체중력 8
2.1.3 태양복사압 9
2.1.4 경험가속도 10
2.1.5 정밀좌표변환 10
2.1.6 위성동역학 모델 결과 13
2.2 확장칼만필터 17
2.3 User Range Error 20
제3장 항법위성 궤도결정 23
3.1 GPS 데이터 처리 23
3.1.1 GPS 궤도결정 조건 24
3.1.2 GPS 위성시계오차 모델링 25
3.2 GPS 궤도결정 결과 27
3.3 QZSS 데이터 처리 33
3.3.1 QZSS 궤도결정 조건 34
3.3.2 QZSS 위성시계오차 모델링 35
3.4 QZSS 궤도결정 결과 37
3.5 항법위성 궤도결정 GUI S/W 49
제4장 항법메시지 생성기법 51
4.1 GPS 항법메시지 사용자 알고리듬 51
4.2 방송궤도력 생성 알고리듬 56
4.3 항법메시지 생성 및 성능분석 59
4.3.1 방송궤도력 생성 및 항법메시지 변환 60
4.3.2 항법메시지 위치추정 성능분석 65
제5장 결 론 70
참 고 문 헌 72
부 록 74
부록.A 궤도요소에 대한 위성 위치 편미분식 74
부록.B 항법위성 궤도결정 및 분석 GUI S/W 78
ABSTRACT 84

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