전 세계적으로 우주 탐사에 대한 관심이 급증하는 가운데, 그 첫걸음으로 달 탐사에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 이에 따라, 달 궤도 및 표면에서의 안정적인 항법 인프라 확보가 주요 과제로 대 두 되고 있으며, 이를 지원하기 위한 위성 시스템의 설계 및 성능 검증 연구가 활발히 진행 중이다. 본 연구에서는 Augmented Forward Signal (AFS) 위성과 Inter Satellite Link (ISL)을 활용하는 큐브 위성으로 구 성된 Multi-Layered Lunar PNT 아키텍쳐 하에서 큐브 위성의 정밀 궤도 결정을 수행하는 시뮬레이션을 진행하였다. 상위 계층에는 AFS 위성군을, 하위 계층에는 달 항법 큐브 위성을 배치하고, AFS 및 ISL 측정치를 융합한 Extended Kalman Filter (EKF)를 통해 하위 계층 큐브 위성의 궤도 결정 성능을 분석하였다. 시뮬레이션에서는 NASA, ESA, JAXA의 AFS 위성군을 모사하고, 하위 계층 큐브 위성의 양방 향 의 사거리 및 도플러 측정치를 생성하여 다양한 시나리오에 대해 항법 성능을 평가하였다. 그 결과, AFS와 양방향 ISL 측정치를 활용하는 큐브 위성군이 자율적으로 궤도를 결정할 수 있음을 확인하였다. 본 연 구는 향후 달 궤도 내 PNT 체계 구축을 위한 위성군 구성 및 항법 알고리즘 설계에 있어 현실적인 방향성을 제시함과 동시에, ISL 기반 항법 시스템의 달 공간 확장 가능성에 기여할 수 있을 것으로 기대 된 다.

Orbit Determination Simulation for Multi-Layered Lunar Navigation Satellites Using Augmented Forward Signal and Inter-Satellite Link

Jisung Oh, Sungik Kim, Byungwoon Park*

Amid the rapidly growing global interest in space exploration, research on lunar exploration has become an active first step. Consequently, securing a stable navigation infrastructure for both lunar orbit and surface operations has emerged as a key challenge, and extensive studies are underway on the design and performance validation of supporting satellite systems. In this study, we conducted simulations of precise orbit determination for CubeSats within a multi-layered Lunar PNT architecture composed of Augmented Forward Signal (AFS) satellites and CubeSats utilizing Inter-Satellite Links (ISL). In the proposed architecture, an upper layer is composed of AFS satellites, while a lower layer consists of lunar navigation CubeSats. The orbit determination performance of the lower-layer CubeSats was analyzed using an Extended Kalman Filter (EKF) that integrates AFS and ISL measurements. The simulation modeled AFS constellations from NASA, ESA, and JAXA, and generated two-way pseudorange and Doppler measurements for the lower-layer CubeSats utilizing ISL to evaluate navigation performance under various scenarios. Results demonstrated that CubeSats utilizing AFS and two-way ISL measurements are capable of autonomously determining their orbits. This study is expected to provide practical guidance for the design of satellite constellations and navigation algorithms for future lunar orbit PNT systems, while also contributing to the potential expansion of ISL-based navigation systems in lunar space.

Keywords: lunar PNT, multi-layered, augmented forward signal, inter-satellite link

Speaker 오지성 세종대학교