선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 관측모델에 대한 연구는 이미 많은 선진국에서 실시되고 있으나 기술이전에 소요되는 경비가 막대하고 그 범위가 극히 제한적이기 때문에 향후 우리나라의 행성간 탐사 임무에 대비하기 위해서는 관련기술에 대한 독자적인 연구의 선행이 필수적이다. 따라서 본 연구의 궁극적 목표는 선진 우주기술을 국산화 하는데 있으며, 특히 DSN 관측모델 소프트웨어를 개발하는데 있다.
- 이 중 관측모델은 관측시 발생하는 오차항을 모델링하여 실제 관측과 동일한 관측값을 생성하고, 이를 바탕으로 실제 관측 데이터를 처리하여 탐사선의 정밀궤도결정을 가능하게 한다. 본 연구에서는 심우주 추적망(Deep Space Network, DSN)을 이용한 관측모델을 개발하였다. 실제 기술 선진국에서는 오차모델과 관측모델에 관한 연구가 일찍부터 진행되어 왔다.
- 본 연구에서는 향후 우리나라의 행성간 탐사 임무에 대비하여 DSN을 이용한 관측 모델을 개발하였다. 관측시 발생 가능한 오차항 계산을 위해 오차 모델과 파라미터 입력 방법을 사용하였다.
가설 설정
- 본 연구에서는 ESA에서 제공하는 Mars Express 초기궤도요소(Hechler & Yanez 1999)를 이용하 여 2003년 6월 1일 17시 36분 19.5초에 지구를 출발하여 2003년 12월 26일 17시 36분 19.5초에 화성에 도착하는 탐사선을 가정하여 시뮬레이션 하였다. 탐사선의 지구출발 쌍곡선궤도 요소는 표 2와 같다.
제안 방법
- 거리(Range) 관측값은 송신지상국, 탐사선, 수신지상국간의 왕복거리를 의미하며 전자기파 왕복 시간(Round Trip Light Time, RTLT)을 이용하여 계산하였다. 계산시 상하향 구간거리와 상하향 링 크의 상대론적 시간 지연을 고려하였다.
- 거리(Range) 관측값은 송신지상국, 탐사선, 수신지상국간의 왕복거리를 의미하며 전자기파 왕복 시간(Round Trip Light Time, RTLT)을 이용하여 계산하였다. 계산시 상하향 구간거리와 상하향 링 크의 상대론적 시간 지연을 고려하였다. 또한 역표시(Ephemeris time)를 국시(Station time)로 변환하는 과정도 고려하였으며, 이 과정에서 세계 협정시(UTC)와 국시의 차이를 표현하는 (UTC-ST) 항은 시간 바이어스를 이용하여 계산하였다(Nishimura & Hato 1986).
- Cani를 제외한 모든 모델이 JPL에서 제공하는 오차 허용범위 10% 내에 존재함을 검증하였다. 고려된 파라미터는 거리 바이어스, 거리 변화율 바이어스, 시간 바이어 스, 단방향 도플러 옵셋과 단방향 도플러 주파수 변화율이며 경험적 수치 대입방법을 사용하였다. 오차 모델과 파라미터를 고려하여 DSN 관측값을 생성하였으며, 본 연구를 통해 개발된 DSN 관측모델 이 향후 우리나라 행성간 탐사 임무시 탐사선의 정밀궤도 결정에 사용될 수 있음을 확인하였다.
- 본 연구에서 사용한 동력학 모델에는 지구의 중력 포텐셜에 의한 섭동력, 달과 태양 및 지구의 태양계 행성들의 중력에 의한 섭동력, 지구 대기항력에 의한 섭 동력, 태양 복사압에 의한 섭동력, 일반 상대성 이론의 효과에 의한 가속도가 고려되었으며 적분 방 법은 런치쿠타 7, 8계 방법을 사용하였다. 기하학적 데이터 계산 후 전자기파 전파시간 방정식을 통해 신호 송수신시각을 계산하고 각 시각에서의 고도를 결정하였다. 고도 제한 각(Elevation Cutoff Angle)은 10°로 정하여 탐사선의 고도가 10°보다 작을 때는 관측 불가능한 것으로 인식하였다.
- 거리와 도플러 관측값은 전파지연에 의한 효과를 크게 받으며 각도 관측값은 대기굴절에 의한 효과를 크게 받는다(Hofmann-Wellenhof, Lictengger, & Collins 1992). 대류충은 크게 건조공기와 수증기로 구분되기 때문에 지연효과 역시 이에 해당하는 두 부분으로 나누어 계산하였다. 대류층 지연 효과 모델은 사용한 매핑 함수에 따라 구분되며 본 연구에서는 Hopfield 모델(Hofmann-Wellenhof, Lictengger, & Collins 1992), Modified Hopfield 모델(Hofmann-Wellenhof, Lictengger, & Collins 1992), Saastamonien 모델(Mendes 1999), Niell 모델(Mendes 1999), D.
- 두 번째로 오차 모델의 검증을 위해 첫 번째 시뮬레이션을 통해 구한 캔버라 지상국 관측 가능 시 간 2003년 6월 1일 18시 37분 19.5초부터 2003년 6월 2일 00시 20분 19.5초까지 6시간 43분 동안 오차 모델을 시뮬레이션 해보았다. 시뮬레이션을 위한 입력값은 표 3과 같다.
- 본 연구에서는 도플러 관측값 계산시 차분 거리(DiflFerenced-Range) 방법을 사용하였다(Moyer K71). 또한 단방향 도플러 관측값 계산시 단방향 도플러 옵셋과 단방향 도 플러 주파수 변화율 파라미터를 고려하였고, 양방향 도플러 관측값 계산시 거리 변화율 바이어스를 고려하였다. 각도(Angle) 관측값은 지상국에서 탐사선까지의 방향을 나타내는 척도로 방위각과 고 도이다(Nishimura & Hato 1986).
- 계산시 상하향 구간거리와 상하향 링 크의 상대론적 시간 지연을 고려하였다. 또한 역표시(Ephemeris time)를 국시(Station time)로 변환하는 과정도 고려하였으며, 이 과정에서 세계 협정시(UTC)와 국시의 차이를 표현하는 (UTC-ST) 항은 시간 바이어스를 이용하여 계산하였다(Nishimura & Hato 1986). 송수신시각의 안테나 옵셋, 대류층, 이온층 지연효과와 더불어 거리 바이어스도 고려하였다(Moyer 2000).
- 마지막으로 오차모델을 고려하여 탐사선이 지구를 출발하여 화성에 도착할 때까지의 DSN 관측 값을 시뮬레이션 하였다. 시뮬레이션을 위한 입력값은 표 4와 같다.
- 탐사선의 지구출발 쌍곡선궤도 요소는 표 2와 같다. 먼저 각 지상국에서의 탐사선 관측가능 시간을 알아보기 위해 탐사선 지구 출발 후 하루 동안의 고도변화를 시뮬레이션 해보았다. 그림 2는 각 지상국별 탐사선의 고도변화를 보여준다.
- 오차 모델이 적용된 DSN 관측값을 계산하는 과정은 그림 1과 같다. 먼저 동력학 모델을 통해 탐사선의 기하학적 데이터를 계산하였다. 본 연구에서 사용한 동력학 모델에는 지구의 중력 포텐셜에 의한 섭동력, 달과 태양 및 지구의 태양계 행성들의 중력에 의한 섭동력, 지구 대기항력에 의한 섭 동력, 태양 복사압에 의한 섭동력, 일반 상대성 이론의 효과에 의한 가속도가 고려되었으며 적분 방 법은 런치쿠타 7, 8계 방법을 사용하였다.
- 본 연구에서는 오차 구현을 위해 오차 모델링과 파라미터 입력의 방법을 사용하였으며, 고려한 오차항과 각 오차항이 영향을 미치는 관측값은 표 1과 같다. 모델링에 필요한 대기 정보는 각 지상국별로 30분 간격으로 제공되는 DSN 평균 대기정보를 사용하여 원하는 시간의 정보를 내삽을 통해 계산하였다.
- 각각의 DSN 지상국은 26, 34, 70 미터급의 안테나를 갖추었고 상하향 링크에 S, X, Ka 밴드를 사용하며, 안테나를 통해 관측하는 관측값은 거리, 도플러와 각도 관측값이다. 본 연구는 현재 DSN 지상국에 구축된 방위각-고도 마운트 안테나에 대해 이루어졌으며, DSN 관측시 발생하는 오차항을 모델링하고 이를 통해 실제 관측과 동일한 관측값을 생성하는 관측모델을 구현하였다. 관측모델에 대한 연구는 이미 많은 선진국에서 실시되고 있으나 기술이전에 소요되는 경비가 막대하고 그 범위가 극히 제한적이기 때문에 향후 우리나라의 행성간 탐사 임무에 대비하기 위해서는 관련기술에 대한 독자적인 연구의 선행이 필수적이다.
- 이 오차로 인해 탐사선의 정밀궤도 결정이 어려워지므로, 정밀한 오차 구현과정이 필요하다. 본 연구에서는 오차 구현을 위해 오차 모델링과 파라미터 입력의 방법을 사용하였으며, 고려한 오차항과 각 오차항이 영향을 미치는 관측값은 표 1과 같다. 모델링에 필요한 대기 정보는 각 지상국별로 30분 간격으로 제공되는 DSN 평균 대기정보를 사용하여 원하는 시간의 정보를 내삽을 통해 계산하였다.
- 안테나옵셋 지연효과는 지상국과 안테나 2차회전축이 일치하지 않음으로 생기는 오차이며, 기하학적 거리계산시 신호를 받는 안테나 2차 회전축이 지상국과 같다고 가정하기 때문에 기하학적 거리와 실제 관측 거리는 차이가 생기게 된다. 이 효과는 유일하게 음의 값을 갖으며 본 연구에서는 방위각-고도 마운트를 사용하는 안테나만을 고려하였다.
- 그림 2는 각 지상국별 탐사선의 고도변화를 보여준다. 지구 자전에 의해 탐사선의 고도가 사인곡선을 이루며 변하는 모습을 확인하였다. 고도 제한 각(Elevation 그림 3.
- Cani 모델(Nishimura & Hato 1986)을 사용하였다. 지구로부터 50 ~ 1000km 떨어진 거리에 분포되어 있는 이온층에 의한 지연 효과도 고려 하였다. 본 연구에서는 이온층 지연효과 모델로 IRI(International Reference Ionosphere) 모델을 사용하였고, IRI 모델 내에서 수직방향의 총 전자수(Total Vertical Electron Contents, TVEC)< 구하는 방법으로 CCIR(International Radio Consultative Committee) 모델과 URSI(International Union of Radio Science) 모델을 사용하였다.
대상 데이터
- html). 각각의 DSN 지상국은 26, 34, 70 미터급의 안테나를 갖추었고 상하향 링크에 S, X, Ka 밴드를 사용하며, 안테나를 통해 관측하는 관측값은 거리, 도플러와 각도 관측값이다. 본 연구는 현재 DSN 지상국에 구축된 방위각-고도 마운트 안테나에 대해 이루어졌으며, DSN 관측시 발생하는 오차항을 모델링하고 이를 통해 실제 관측과 동일한 관측값을 생성하는 관측모델을 구현하였다.
이론/모형
- Cani 모델(Nishimura & Hato 1986), Chao 모델(Chao 1974)을 사용하였다. DSN 각도 관측값 중에서 대류층 굴절효과의 영향을 받는 것은 고도이며 Lanyi 모델(Moyer 2000)과 D. L. Cani 모델(Nishimura & Hato 1986)을 사용하였다. 지구로부터 50 ~ 1000km 떨어진 거리에 분포되어 있는 이온층에 의한 지연 효과도 고려 하였다.
- 각도(Angle) 관측값은 지상국에서 탐사선까지의 방향을 나타내는 척도로 방위각과 고 도이다(Nishimura & Hato 1986). 각도 관측값 중에서 오차모델을 포함하는 것은 고도로 대류층 굴절모델을 사용하여 계산하였다.
- 본 연구에서는 향후 우리나라의 행성간 탐사 임무에 대비하여 DSN을 이용한 관측 모델을 개발하였다. 관측시 발생 가능한 오차항 계산을 위해 오차 모델과 파라미터 입력 방법을 사용하였다. 고려한 오차모델은 대류층, 이온층과 안테나 옵셋 효과이다.
- 대류충은 크게 건조공기와 수증기로 구분되기 때문에 지연효과 역시 이에 해당하는 두 부분으로 나누어 계산하였다. 대류층 지연 효과 모델은 사용한 매핑 함수에 따라 구분되며 본 연구에서는 Hopfield 모델(Hofmann-Wellenhof, Lictengger, & Collins 1992), Modified Hopfield 모델(Hofmann-Wellenhof, Lictengger, & Collins 1992), Saastamonien 모델(Mendes 1999), Niell 모델(Mendes 1999), D. L. Cani 모델(Nishimura & Hato 1986), Chao 모델(Chao 1974)을 사용하였다. DSN 각도 관측값 중에서 대류층 굴절효과의 영향을 받는 것은 고도이며 Lanyi 모델(Moyer 2000)과 D.
- 먼저 동력학 모델을 통해 탐사선의 기하학적 데이터를 계산하였다. 본 연구에서 사용한 동력학 모델에는 지구의 중력 포텐셜에 의한 섭동력, 달과 태양 및 지구의 태양계 행성들의 중력에 의한 섭동력, 지구 대기항력에 의한 섭 동력, 태양 복사압에 의한 섭동력, 일반 상대성 이론의 효과에 의한 가속도가 고려되었으며 적분 방 법은 런치쿠타 7, 8계 방법을 사용하였다. 기하학적 데이터 계산 후 전자기파 전파시간 방정식을 통해 신호 송수신시각을 계산하고 각 시각에서의 고도를 결정하였다.
- 시뮬레이션을 위한 입력값은 표 4와 같다. 본 연구에서 사용한 파라미터는 경험 적 수치대 입방법을 사용하였으며 그 값은 다음과 같다. 시간 바이어스는 1 sec(Nishimura & Hato 1986), 거리 바이어스는 5m(Thornton & Border 2003), 거리변화율 바이어스는 Om/s, 단방향 도플러 옵셋은 -5 X 10-9Hz(Renshaw & Kallfelz 1998), 단방향 도플러 주파수 변화율은 -5.
- 단방향 도플러(One-way Doppler)는 탐사선에서 송신되어 수신지상국에서 수신된 신호의 도플러 이동값을 나타 내며 양방향 도플러(Twoway Doppler)는 송신지상국에서 송신되어 수신지상국으로 수신된 신호의 도플러 이동값을 나타낸다. 본 연구에서는 도플러 관측값 계산시 차분 거리(DiflFerenced-Range) 방법을 사용하였다(Moyer K71). 또한 단방향 도플러 관측값 계산시 단방향 도플러 옵셋과 단방향 도 플러 주파수 변화율 파라미터를 고려하였고, 양방향 도플러 관측값 계산시 거리 변화율 바이어스를 고려하였다.
- 지구로부터 50 ~ 1000km 떨어진 거리에 분포되어 있는 이온층에 의한 지연 효과도 고려 하였다. 본 연구에서는 이온층 지연효과 모델로 IRI(International Reference Ionosphere) 모델을 사용하였고, IRI 모델 내에서 수직방향의 총 전자수(Total Vertical Electron Contents, TVEC)< 구하는 방법으로 CCIR(International Radio Consultative Committee) 모델과 URSI(International Union of Radio Science) 모델을 사용하였다. 안테나옵셋 지연효과는 지상국과 안테나 2차회전축이 일치하지 않음으로 생기는 오차이며, 기하학적 거리계산시 신호를 받는 안테나 2차 회전축이 지상국과 같다고 가정하기 때문에 기하학적 거리와 실제 관측 거리는 차이가 생기게 된다.
성능/효과
- Cani 모델, Chao모델의 지연값이 JPL에서 허용가능 범위라고 제시한 10% 오차내에서 만족함을 확인하였다. 5개의 모델간 차는 0.05m 이내로 D. L. Cani 모델을 제외한 어느 모델을 사용해도 큰 무리가 없음을 확인하였고 D. L. Cani 모델은 고도가 증가함에 따라 다른 모델들과의 차가 작아지므로 높은 고도에 적합한 모델로 판단하였다. 그림 5는 고도변화에 따른 2개 이온층 지연모델의 지연값 변화를 보여주며, 대류층에 의한 지연과 같은 이유로 고도가 증가함에 따라 지연값이 감소하는 것을 알 수 있다.
- 대기층에 의한 효과는 고도가 높아질수록 통과해야하는 대기층의 길이가 짧아지므로 천정부근에서 가장 작다. 고도 15°에서의 지연값을 JPL 결과값(Moyer 1971)과 비교해 본 결과 D. L. Cani 모델을 제외한 Hopfield 모델, Modified Hopfield 모델, Saastamonien 모델, Niell 모델, D. L. Cani 모델, Chao모델의 지연값이 JPL에서 허용가능 범위라고 제시한 10% 오차내에서 만족함을 확인하였다. 5개의 모델간 차는 0.
- Cutoff Angle)이 10°이므로 각 지상국별로 그림 2에서 고도가 10° 이상인 시각에서만 관측이 가능하며 이를 토대로 각 지상국별 관측 가능 시간을 나타낸 것이 그림 3이다. 시뮬레이션을 실행한 하루 동안 한 개 이상의 지상국에서 대부분 관측 가능함을 확인 하였다.
- 고려된 파라미터는 거리 바이어스, 거리 변화율 바이어스, 시간 바이어 스, 단방향 도플러 옵셋과 단방향 도플러 주파수 변화율이며 경험적 수치 대입방법을 사용하였다. 오차 모델과 파라미터를 고려하여 DSN 관측값을 생성하였으며, 본 연구를 통해 개발된 DSN 관측모델 이 향후 우리나라 행성간 탐사 임무시 탐사선의 정밀궤도 결정에 사용될 수 있음을 확인하였다.
- 고려한 오차모델은 대류층, 이온층과 안테나 옵셋 효과이다. 오차모델 결과를 JPL 결과값과 비교한 결과, 대류층 지연효과 모델인 D. L. Cani를 제외한 모든 모델이 JPL에서 제공하는 오차 허용범위 10% 내에 존재함을 검증하였다. 고려된 파라미터는 거리 바이어스, 거리 변화율 바이어스, 시간 바이어 스, 단방향 도플러 옵셋과 단방향 도플러 주파수 변화율이며 경험적 수치 대입방법을 사용하였다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.