교차 연결 GNSS를 위한 연락 계획 설계: 확장 응용을 위한 ILP 접근법

초록

본 논문은 GNSS 위성 간 인터링크(ISL)를 활용해 내부 측위·통신 요구와 외부 사용자(예: 달 궤도선, LEO 보강 위성)의 확장 서비스 요구를 동시에 만족시키는 연락 계획(Contact Plan) 설계 방안을 제시한다. 폴링 시간분할 복식(PTDD) 구조를 전제로, 정수선형계획법(ILP) 모델을 구축해 시간 슬롯 자원을 효율적으로 배분하고, 연속적인 ISL 제공을 위한 서비스 절차를 정의한다. 베이두(BeiDou) 위성군을 대상으로 한 시뮬레이션에서 핵심 GNSS 기능을 유지하면서 확장 서비스를 베스트‑에포트 방식으로 제공함을 검증했으며, 특히 지구‑달 라그랑주 점(LP) 별자리의 궤도 결정 및 시계 동기화 성능 향상을 확인하였다.

상세 분석

이 연구는 기존 GNSS 연락 계획 설계(CPD) 연구가 내부의 레인지·통신 요구만을 최적화해 왔던 한계를 극복하고, 외부 사용자에게 ISL을 제공하는 ‘확장 응용’이라는 새로운 차원을 도입한다. 핵심 기술적 기여는 세 가지로 요약된다. 첫째, 저자들은 GNSS 위성 네트워크와 외부 사용자를 하나의 통합 토폴로지 모델로 표현하고, 각 사용자의 서비스 요구(연속적인 ISL 필요 여부, 최소 연결 횟수 등)를 정량화한 ‘서비스 절차’를 설계하였다. 이 절차는 사용자가 GNSS가 제안하는 ISL을 수락·거부할 수 있도록 하여, GNSS 운영에 대한 독립성을 유지하면서도 외부 서비스 제공을 가능하게 한다. 둘째, PTDD(폴링 시간분할 복식) 프레임워크 하에서 단일 안테나 터미널이 한 번에 하나의 링크만을 지원한다는 물리적 제약을 고려해, 시간 슬롯별 가능한 연락(contact) 집합을 정의하고, 연속적인 서비스 제공을 위해 다중 슬롯에 걸친 ‘연속 연락’ 변수와 ‘시작·종료 슬롯’ 제약을 ILP에 포함시켰다. 목표 함수는 GNSS 내부의 총 시스템 스루풋을 최대화하면서, 사용자 요구를 우선순위 가중치로 반영해 가능한 한 많은 외부 서비스를 할당하도록 설계되었다. 셋째, 시뮬레이션에서는 베이두 3세대 위성군을 기반으로 7일 간의 시나리오를 실행했으며, 파라미터 튜닝을 통해 ILP 해의 계산 복잡도를 제어하였다. 결과는 (1) 내부 레인지·통신 요구를 100 % 충족하면서도 평균 30 % 수준의 슬롯을 외부 사용자에 할당할 수 있었고, (2) 지구‑달 라그랑주 점(LP) 별자리와의 ISL 연동을 통해 궤도 결정 오차가 평균 15 % 감소하고, 시계 동기화 정확도가 20 ns 수준으로 향상됨을 보여준다. 특히, Ka‑밴드(26.5–40 GHz)에서 450 000 km 거리까지 C/N₀ ≥ 34 dB‑Hz를 달성함으로써, 달 궤도선과의 통신 가능성을 실증하였다. 이러한 결과는 GNSS가 단순한 지구 기반 PNT 인프라를 넘어, 심우주 탐사와 같은 고부가가치 서비스 제공 플랫폼으로 전환될 수 있음을 시사한다.