星を眺める: マルチを使ったナビゲーション

Sep 22, 2023

Starlink、OneWeb、Orbcomm、および Iridium LEO 衛星群からの実験結果とシミュレーション結果が提示され、提案されている LEO に依存しないブラインド日和見ナビゲーション フレームワークの有効性と大きな可能性が実証されています。

Zアヘル（ザック）・M・カッサス、シャーベル・コザヤ、ジョー・サロフィム、ハイサム・カーンジ、サメル・ハエック

オハイオ州コロンバス、オハイオ州立大学、自律システム知覚、知能、ナビゲーション (ASPIN) 研究所

私たちは新たな宇宙開発競争を目の当たりにしています。 テクノロジー大手から新興企業、政府に至るまで、誰もが独自の地球低軌道 (LEO) 衛星群の打ち上げへの利権を主張しています。 これらの星座は、地球上のどこにでもブロードバンド接続を提供することで私たちの日常生活を変革し、リモートセンシングなどの分野での科学的研究に利益をもたらすことを約束しています。 ただし、そのようなコンステレーションがすべて同じように作成されるわけではありません。 数万個の衛星からなるいわゆるメガコンステレーションが現実になりつつあります。 SpaceX の Starlink は、12,000 基近くの LEO 衛星を配備するという野心的な計画を立てており、明らかに最有力候補です。 これらの星座は、しし座に生息する現在の星座によって歓迎され、集合的に測位、航法、タイミング（PNT）の新時代の到来を告げる可能性があります。

この記事では、4 つの LEO 衛星コンステレーション (Starlink、OneWeb、Orbcomm、および Iridium) からのマルチコンステレーション LEO 衛星機会信号 (SOP) を使用した現在の最先端の PNT 結果を示し、LEO に依存しない日和見ナビゲーションの概要を提供します。受信機は、LEO ダウンリンク信号についての事前知識がないことを前提としています。 受信機は未知の LEO 衛星信号をブラインド方式で捕捉および追跡することができ、Hz レベルの精度でドップラー航法観測値を生成します。 差分同時追跡および航法 (DSTAN) フレームワークは、あまり知られていない LEO 衛星暦と未知の時計エラーの性質に対処するために開発されました。

固定受信機と地上車両での実験的なナビゲーション結果も示されています。 固定受信機の場合、Starlink 4 基、OneWeb 2 基、Orbcomm 1 基、および Iridium 1 基からの信号を活用することで、約 3,600 km 離れたところにある初期推定から開始し、最終的な 2D 位置誤差は 5.1 m に達しました。 産業グレードの慣性計測装置 (IMU) と高度計を備えたこの地上車両は、1.03 km を 110 秒で移動しました (GNSS 信号は最初の 0.11 km のみ利用可能でした)。 4 つの Starlink、1 つの OneWeb、2 つの Orbcomm、および 1 つの Iridium からの信号を活用することにより、DSTAN の 3D 位置二乗平均平方根誤差 (RMSE) と最終 3D 誤差は、それぞれ 9.5 m と 4.4 m でした。 これらの結果は、未知の OneWeb LEO 衛星信号を PNT 目的で初めて活用したこと、および Starlink、OneWeb、Orbcomm、および Iridium 衛星を使用した初のマルチコンステレーション LEO PNT を表しています。

この記事は、Starlink と OneWeb コンステレーションが展開される将来のピークとなるシミュレーション結果を提示して締めくくっています。 DSTAN は、GNSS なしで 23 km の軌道にわたって、擬似距離測定とドップラー測定でそれぞれデシメートル レベルとメートル レベルの精度を達成できます。

LEO 衛星のメガコンステレーション (例: Starlink、OneWeb、Kuiper) が誕生し、既存の LEO コンステレーション (例: Orbcomm、Globalstar、Iridium など) に加わっています [1]。 これらの衛星は、周波数や方向が多様な大量の信号を地球に浴びせ、専用の方法で、または日和見的に PNT に使用できる可能性があります。図1は、この記事で検討する 4 つの LEO 衛星星座を示しています。

GNSS の限界を補うために、研究者たちは過去 10 年間にわたって PNT 用の地上 SOP の活用を研究してきました [2]。 最近、LEO衛星が潜在的なSOPとしてかなりの注目を集めているため、SOPの悪用は地球上にとどまりませんでした。 LEO ベースの PNT に関して、いくつかの理論的および実験的研究が行われています [3-5]。