본 논문에서는 대표적인 Low Earth Orbit (LEO) 위성 중 하나인 Starlink 위성 궤도와 5G 이동통신 동기신호인 Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) Synchronization Signal Block (SSB) Burst 기 반의 LEO 모의 동기 신호를 구성하고, LEO-SSB 동기 신호를 사용한 저정밀 시간 기반 측위 시스템의 측위 성능을 분석하고 가용성을 평가한다. 수신기는 수신된 SSB 신호의 도플러 주파수와 송수신 시 간 지연을 추정해 최대 우도 함수를 통해 획득한다. 그 후 획득된 SSB 신호에 대하여, 각 위성의 저정밀 시간 정수부 추정 방식을 통해 동일한 주기에 전송된 신호를 추정한 후 동일한 정수부를 갖는 신호들 을 활용해 수신기의 위치를 계산한다. 제안된 LEO-SSB 저정밀 시간 기반 측위 시스템의 가용성 분석을 위해 잡음이 고려되지 않은 Noise Free 환경, Starlink Direct-to-Device (D2D) 신호 전력과 수신기의 열 잡 음만을 고려한 Starlink D2D 환경에 대하여 1주기 SSB 신호를 활용한 반복 측위 실험을 100회 진행한다. Noise Free 환경에서 Peak-Noise Ratio (PNR) 39.4 dB 이상의 위성 신호를 통해 측위한 결과, 100회 실 험 중 100회 특정 위치해가 도출되었으며 측위해의 95%에 대한 3차원 근평균 제곱거리 오차율(Distance Root Mean Square, 3D-RMS95%)은 2.47 m이다. Starlink D2D 환경에서 PNR 13.0 dB 이상의 위성을 통 해 측위한 결과, 100회 실험 중 97회 특정 위치해가 도출되었으며 3D-RMS95%는 4.72 m이다.

LEO-SSB Based Coarse Time Positioning System Feasibility Analysis

Jae Duk Yoo, Seungsoo Yoo, Ju Hyun Maeng, Jae Hee Noh, Seung-Hoon Hwang, Gyu-In Jee, Sun Yong Kim*

In this paper, we construct a simulated LEO synchronization signal based on the Starlink satellite orbit, a representative Low Earth Orbit (LEO) constellation, and the Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) Synchronization Signal Block (SSB) burst, which is a 5G mobile communication synchronization signal. We then analyze the positioning performance and evaluate the feasibility of a coarse-time based positioning system using LEO-SSB synchronization signal. The receiver estimates the Doppler frequency and the transmission-reception time delay from the received SSB signal using a Maximum Likelihood function. Subsequently, for the acquired SSB signals, it identifies signals transmitted in the same period through a coarse time integer estimation method for each satellite and then calculates the receiver's position using the signals that share the same integer part. To analyze the feasibility of the proposed LEO-SSB low-precision time-based positioning system, 100 repeated positioning experiments were conducted using a single cycle of the SSB signal under a Noise Free environment and a Starlink Direct-to-Device (D2D) environment. In the Noise Free environment, positioning with satellite signals having a Peak-Noise Ratio (PNR) of 39.4 dB or higher resulted in a specific position solution in all 100 out of 100 experiments, with a 3D Distance Root Mean Square 95% (3D-RMS95%) error of 2.47 m. In the Starlink D2D environment, positioning with satellites having a PNR of 13.0 dB or higher resulted in 97 successful position solutions out of 100 experiments, and the 3D-RMS95% was 4.72 m.

Keywords: low earth orbit, coarse time positioning, synchronization signal block, direct-to-device signal

Speaker 유재덕 건국대학교