Exploring ‘New Space’ positioning using Low Earth Orbit (LEO) satellites

Wout Van Uytsel
Persbericht

Wat verandert er aan de algoritme van GNSS satellieten wanneer we deze 20 000km laten zakken?

Abstract

Voor tientallen jaren zijn Global Navigation Satellite Systems (GNSS) satellieten dominant geweest in de positionering navigatie en timing markt. Denk hierbij bijvoorbeeld aan het Amerikaanse GPS en Europese Galileo. Deze constellaties hebben door hun grote afstand van de aarde enkele tekortkomingen zoals een hoog energie verbruik en zwakke bescherming tegen spoofing en jamming. Deze tekortkomingen kunnen mogelijks verholpen worden door Low Earth Orbit satellieten te gebruiken in plaats van Medium Earth Orbit satellieten. In dit onderzoek wordt er gekeken naar wat er verandert als we deze GNSS satellieten laten dalen naar de hoogte van LEO satellieten. Dit op vlak van pseudorange calculaties alsook het algoritme om aan lokalisatie te doen.

Introductie

Een groot aantal services waar we vandaag de dag gebruik van maken gebruiken GNSS. Dit om een accurate tijd te ontvangen, de wereld rond te navigeren of om materieel te lokaliseren. Hoewel GNSS satellieten doorheen de jaren verschillende verbeteringen zijn ondergaan, blijven de tekortkomingen eigen aan het systeem. 

Om aan lokalisatie te doen maken GNSS satellieten gebruik van het multi-lateratie principe. Hierbij zijn 4 satellieten nodig om de locatie te bepalen. Deze satellieten bevinden zich op een altitude van rond de 20 000km. Om de afstand te bepalen van elke satelliet tot de ontvanger wordt er gekeken naar de tijd die het signaal nodig heeft om van de satelliet naar de ontvanger te reizen. Dit heet een pseudorange. Dit is de afstand tussen een satelliet en ontvanger en is essentieel om aan lokalisatie te doen. Wanneer 4 van deze pseudoranges beschikbaar zijn kunnen we met behulp van multi-lateratie de locatie van de ontvanger bepalen.

In dit onderzoek was het doel om te bestuderen wat het verschil zou zijn mochten deze GNSS satellieten van 20 000km altitude naar een LEO altitude gebracht worden. Dit betekent dat de satellieten zich onder de 2 000km altitude bevinden.

Onderzoeks omgeving

Om dit te simuleren werd MATLAB gebruikt alsook .tle files van de North American Aerospace Defense Command (NORAD). Dit gaf de mogelijkheid om een realistische simulatie omgeving te creëren. Als locatie voor te lokaliseren werd Campus Groenenborger van de Universiteit Antwerpen gekozen.

De LEO omgeving bestond uit 4 Starlink satellieten van het bedrijf Space X.

LEO simulation environment

De GNSS omgeving bestond uit 4 Galileo Satelieten van de Europese unie.

GNSS environment

Pseudorange calculaties

In een werkelijke omgeving worden de pseudoranges berekent uit de tijd dat het signaal onderweg is. In deze studie moet dit dus gesimuleerd worden om de pseudoranges te bekomen.

Om de pseudoranges te bekomen moet een berekening gemaakt worden per satelliet. Omdat de pseudoranges zo realistisch mogelijk moeten zijn moet er rekening gehouden worden met de rotatie van de aarde gedurende de transmissie van het signaal alsook met atmosferische verschijnselen. Deze atmosferische verschijnselen kunnen worden benaderd als willekeurige Gaussiaanse ruis. Voor de rotatie van de aarde wordt een rotatiematrix opgesteld.

Dit zorgt ervoor dat per satelliet een realistische pseudorange bekomen wordt. Deze wordt verder gebruikt om aan lokalisatie te doen.

Voor de berekeningen van pseudoranges konden we besluiten uit dit onderzoek dat er geen verschillen zijn in de berekening ervan.

Positionering gebruik makende van pseudoranges

Met behulp van 4 pseudoranges kan er aan lokalisatie gedaan worden. Hierbij wordt gebruik gemaakt van een Least-Squares Positioning algoritme. Dit is een iteratief algoritme dat start van een initieel startpunt en in elke sequentie dichter bij het doel probeert te raken. 

Voor de GNSS omgeving wordt als initieel startpunt het centrum van de aarde gekozen. Dit resulteert in een convergerend resultaat. Zoals verwacht want dit is ook de manier waarop het huidige GNSS systeem aan lokalisatie doet.  Dit is niet het geval voor de LEO omgeving. Het startpunt van het algoritme kiezen als het centrum van de aarde resulteert in divergentie. Dit betekent dat de locatie van de ontvanger niet kan worden gevonden. Het algoritme kan dus niet bepalen waar Campus Groenenborger is gelegen op de aarde.

Een belangrijke bevinding van deze studie is dat dit kan worden opgelost door een start locatie te kiezen voor het algoritme in de buurt van de ontvanger. Dit hoeft niet erg nauwkeurig te zijn. In de studie resulteerde initiële locaties tot 200km tot goede resultaten. 

Conclusie

LEO is een erg populaire orbit. Er is onderling tussen bedrijven veel competitie om een deel markt aandeel van deze 'New Space' economie te bemachtigen. Bedrijven zoals Space X, OneWeb en Amazon voorzien nog geen positionering functionaliteit in hun satellieten maar het bedrijf Xona Space is bezig met het onderzoek en de ontwikkeling van een LEO positionering constellatie.

In dit onderzoek werd er gekeken naar pseudorange lokalisatie. Dit om de verschillen tussen een LEO constellatie en MEO constellatie te evalueren. Hierbij kwam de conclusie naar voren dat lokalisatie mogelijk is met een LEO constellatie maar dat hiervoor een betere initiële locatie nodig was om het algoritme te doen convergeren. Deze initiële locatie kan bijvoorbeeld komen uit een vorige locatie of een ruwe lokalisatie die wordt verworven uit een mobiel netwerk.

Bibliografie

Albulet, M. (2017). SpaceX Non-Geostationary Satellite System (Vol. 148). https://fcc.report/IBFS/SAT-LOA20170301-00027/1190019.pdf Albulet, M. (2020). SpaceX Non-Geostationary Satellite System Modified constellation (Vol. 148). https://fcc.report/IBFS/SAT-MOD-20200417-00037/2274316.pdf Bassa, C. G., Hainaut, O. R., & Galadí-Enríquez, D. (2022). Analytical simulations of the effect of satellite constellations on optical and near-infrared observations. Astronomy and Astrophysics, 657, 1–19. https://doi.org/10.1051/0004-6361/202142101 Del Portillo, I., Cameron, B. G., & Crawley, E. F. (2018). A Technical Comparison of Three Low Earth Orbit Satellite Constellation Systems to Provide Global Broadband. 69th International Astronautical Congress (IAC), October, 15. Groves, P. (2013). Principles of GNSS, Inertial, and Multisensor Integrated Navigation Systems, Second Edition (2nd ed., Issue 2). Artech. Herbert J. Kramer. (2022). Iridium NEXT - Satellite Missions - eoPortal Directory. Eo Portal Directory. https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/i/iridiu… Hindin, J. D., & Murphy, D. (2016). Iridium NEXT Engineering Statement. https://earth.esa.int/web/eoportal/satellite-missions/i/iridium-next Janssen, T., Van Gorp, N., Van Uytsel, W., Baek, C., Blankers, G., Halili, R., & European Space Agency. (2022). Low Earth Orbit Navigation Analysis , Reporting and Design D1 : State-of-the-art and Study Methodology. Jones, H. W. (2018). The Recent Large Reduction in Space Launch Cost. 48th International Conference on Environmental Systems, July 2018, 81. https://ttu-ir.tdl.org/handle/2346/74082 Kaufman, D. (2021). Application of Kuiper Systems LLC for Authority to Launch and Operate a NonGeostationary Satellite Orbit System in V-band and Ku-band Frequencies. https://fcc.report/IBFS/SATLOA-20211104-00145/13337528 Kulu, E. (2022). Satellite Constellations - NewSpace Index. https://www.newspace.im/ ONEWEB. (2016). ONEWEB non-geostationary satellite system - Attachment A - Technical Information to Supplement Schedule S. In Federal Communications Commission [FCC] (Vol. 5366, Issue Ib 2016). https://fcc.report/IBFS/SAT-MPL-20200526-00062/2379706.pdf Van Uytsel, W. (2022a). Calculating pseudoranges utilizing satellite and receiver coordinates (pp. 1–5). Van Uytsel, W. (2022b). Comparison of pseudoranges between LEO and GPS satellites. 1–6. Van Uytsel, W. (2022c). Localization for LEO satellites using pseudoranges. 1–5. Weimer, B., Svor, D., & Hastings, T. (2021). Amendment to Modification Application for U.S. Market Access Grant for the OneWeb Ku- and Ka-Band System (Vol. 20006, Issue 202). https://fcc.report/IBFS/SAT-MPL20210112-00007/3495551.pdf

Universiteit of Hogeschool
Industrieel Ingenieur Elektronica-ICT
Publicatiejaar
2022
Promotor(en)
Rafael Berkvens
Kernwoorden
Share this on: