[논문]통신해양기상위성에서의 태양광 반사점(SUN-GLINT) 위치예측

박재익; 최규홍; 박상영; 유주형; 안유환; 박재우; 김병수

doi:10.5140/jass.2005.22.3.263

[국내논문] 통신해양기상위성에서의 태양광 반사점(SUN-GLINT) 위치예측
PREDICTION OF THE SUN-GLINT LOCATIONS FOR THE COMMUNICATION, OCEAN AND METEOROLOGICAL SATELLITE 원문보기

韓國宇宙科學會誌 = Journal of astronomy & space sciences, v.22 no.3, 2005년, pp.263 - 272

박재익 (연세대학고 천문우주학과) , 최규홍 (연세대학고 천문우주학과) , 박상영 (연세대학고 천문우주학과) , 유주형 (한국해양연구원) , 안유환 (한국해양연구원) , 박재우 (한국전자통신연구원) , 김병수 (한국과학기술기획평가원)

초록
AI-Helper

2008년 발사 예정인 통신해양기상위성의 해양 관측자료 분석에 적용할 해수면에 나타나는 태양광 반사점의 위치를 찾아주는 알고리즘을 연구하였다. 태양-위성-지구의 기하학적 위치를 고려한 위성과 태양의 방위각과 고도각의 계산을 통해 비선형 방정식을 유도하였고, 뉴톤-랩슨 수치 방법을 이용하여 해를 구하였다. 통신해양기상위성이 동경 $116.2^{\circ}E$ 혹은 $128.2^{\circ}E$에 위치하게 될 경우 위도 ${\pm}10^{\circ}(N-S)$와 경도 사이에 태양광 반사점이 분포하는 것을 알 수 있었다. 남반구의 낮 동안 태양광 반사점의 경로는 북극을 향해 휘어있고 반대로 북반구의 태양광 반사점의 경로는 남극을 향하는 분포 패턴을 도출해 내었다. 다양한 영상 센서를 가진 정지궤도 위성들의 태양광 반사점의 위치예측과 그와 관련된 연구를 수행하는데 있어 본 논문에서 연구한 알고리즘을 이용할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

For the Communication, Ocean and Meteorological Satellite (COMS) which will be launched in 2008, an algorithm for finding the precise location of the sun-glint point on the ocean surface is studied. The precise locations of the sun-glint are estimated by considering azimuth and elevation angles of Sun-satellite-Earth geometric position and the law of reflection. The obtained nonlinear equations are solved by using the Newton-Raphson method. As a result, when COMS is located at $116.2^{\circ}E$ or $128.2^{\circ}E$ longitude, the sun-glint covers region of ${\pm}10^{\circ}(N-S)$ latitude and $80-150^{\circ}(E-W)$ longitude. The diurnal path of the sun-glint in the southern hemisphere is curved towards the North Pole, and the path in the northern hemisphere is forwards the south pole. The algorithm presented in this paper can be applied to predict the precise location of sun-glint region in any other geostationary satellites.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그동안의 태양광반사 효과에 관한 연구는 저궤도 위성의 해양관측 임무에 국한되어 연구가 되어 왔기 때문에, 정지궤도 위성인 통신해양기상위성에서 해양관측 임무 운용 시 나타날 수 있는 태양광 반사를 예측할 수 있는 알고리즘이 필요하게 되었다. 그러므로 본 논문에서는 정지궤도 위성에서 지구 관측시 해수면에 나타날 수 있는 태양광 반사점의 위치를 계산하는 알고리즘을 연구하였다. 또한 통신해양기상위성 해양탑재체 운용의 성공적인 임무에 기여하기 위해 개발된 알고리즘을 적용하여 통신해 양기상위성의 위치 및 연중 태양의 위치에 따른 해수면 태양광 반사점의 위치를 계산하고 분석하였다.
본 논문은 2008년 발사 예정인 통신해양기상위성 해양탑재체의 임무인 해양관측 시 발생할 수 있는 태양광 반사점의 위치를 계산할 수 있는 알고리즘에 대해 연구하였다. 검증된 알고리즘을 이용하여 2008년 발사되어 경도 116.

가설 설정

태양광 반사점의 위치는 몇 가지 가정모델로부터 구할 수 있다. 첫 번째가정은, 해수면은 평평하다는 가정이다. 일반적인 환경하에 해수면은 평평할 수 없지만, 태양광 반사가 발생되는 지역에서는 일반적인 환경보다는 해수면이 평평하여 작은 거울과 같은 반사의 성질을 가지기 때문이다.
일반적인 환경하에 해수면은 평평할 수 없지만, 태양광 반사가 발생되는 지역에서는 일반적인 환경보다는 해수면이 평평하여 작은 거울과 같은 반사의 성질을 가지기 때문이다. 두 번째가정은, 대기에 의한 효과는 무시했다는 가정이다. 대기 중에는 태양으로부터 입사하는 빛을 반사하거나 흡수하는 영향을 가지는 요인들이 많이 존재한다.
(i) 세 단위벡터 GO, GN, GS은 같은 평면에 존재한다. 여기서 GO는 정지위성과 태양광 반사점을 연결해 준 벡터이고, GN은 반사 평면의 법선벡터, GS는 태양과 태양광 반사점을 연결해 준 벡터이다.
(ii) 태양의 고도각(elevation angle)과 위성의 고도각은 같다.
2008년 발사되어 동경 116.2% 혹은 128.2°에 위치하게 된다는 가정 하에, 통신해 양기상위 성(COMS)의 태양광 반사점 위치를 계산하였다. 표2와 표3은 통신해양기상위성에서 해양원격탐사 임무운용 시 나타날 수 있는 태양광 반사점의 위치를 계산한 결과이다.
통신해양기상위성의 해양탑재체의 경우 매 1시간마다 위성촬영을 할 수 있는 시스템 설계를 요구하고 있다. 하루 동안 주간 10:00부터 17:00(LT)까지 8회, 야간 22:00부터 02:00(LT)에 2회를 촬영할 예정이기 때문에, 시간은 주간 10:00부터 17:00(LT)까지, 관측 날짜는 2008년 2월부터 6월까지 가정하여 계산하였다. 여 기 서 LT는 Local Time을 표기한다.
2°E에 위치하게 될 경우, 2008년 1월부터 12월까지 낮 시간 동안의 영상 촬영 시 나타날 수 있는 태양광 반사점의 연중 분포 변화 그래프이다. 촬영시간은 통신해 양기상위성의 촬영 요구 시간인 10:00부터 17:00(LT)까지라고 가정하였다. 그림8은 통신해 양기상위성이 경도 128.
이러한 요인들을 모두 고려하게 된다면 복잡한 계산이 요구되기 때문에 계산의 단순화를 위해 무시한다. 세 번째 가정은, 태양광 반사가 발생하는 영역에서 반사의 법칙을 만족한다는 가정 이다.

제안 방법

그러므로 본 논문에서는 정지궤도 위성에서 지구 관측시 해수면에 나타날 수 있는 태양광 반사점의 위치를 계산하는 알고리즘을 연구하였다. 또한 통신해양기상위성 해양탑재체 운용의 성공적인 임무에 기여하기 위해 개발된 알고리즘을 적용하여 통신해 양기상위성의 위치 및 연중 태양의 위치에 따른 해수면 태양광 반사점의 위치를 계산하고 분석하였다.
002º밖에 차이가 나지 않는다(그림1). 이와 같이 위 성 직하점의 거리오차가 작기 때문에 태양광 반사점을 계산하는 데 영향이 미치지 않기 때문에 본 논문에서는 정지궤도위성의 직하점 은 고정된 값을 입력하여 태양광 반사점을 계산하였다.
2°E 혹은 128.FE에 위치하게 될 통신해양기상위성에서 위성영상 촬영 시 관측될 수 있는 낮 동안과 계절에 따른 태양광 반사점의 위치를 계산해 보았다. 통신해양기상위성의 2008년 발사 운용 시 태양광 반사점의 위치는 위도 ±10°(N-S)와 경도 80 - 150°(E-W) 사이에서 발생하는 것을 알 수 있으며, 태양광 반사점의 중심 위치를 점선으로 연결했을 경우 남반구의 경로는 북극을 향하였고, 반대로 북반구의 경로는 남극을 향하는 분포 패턴을 알 수 있었다.

대상 데이터

그림 1. 무궁화 3호(116.2°E) 위성의 위성직하점 변화 (Subsatellite point).

데이터처리

본 논문에서 연구된 알고리즘의 신뢰도 검증을 위해 동경 83.5°E에 위치하고 있는 인도의 정지궤도 관측위성인 INSAT-1D 에서 관측한 태양광 반사점의 하루 및 연중 분포 그래프(Prakash et al. 1994)와 본 논문에서 연구한 알고리즘을 통해 계산한 결과 그래프를 비교해 보았다 (그림 3, 4).표 1의 결과에서 보듯 태양광 반사점은 위도 ±15°(N-S)와 경도 40- 100°(E-W) 사이에 발생하였고, 동일한 태양광 반사점의 위치분포와 방향성을 보여주어 알고리즘을 검증할 수 있다.

이론/모형

인공위성의 매 순간지구 표면상의 위치인 위성직하점(Sub-Satellite Point)을 위도와 경도로 표현할 수 있다. 본 논문에서는 태양광 반사점 계산 알고리즘을 위하여 NORAD 에서 제공되는 TLE(Two- Line Elements) 정보를 이용한 MSGP4(Merged Simplified General Perturbations) 알고리즘을 사용하였다. MSGP4 알고리즘은 SGP4와 SDP4(Simplified Deep-space Perturbation) 알고리즘이 합쳐진 형태로 저궤도 위성에 국한되지 않고 정지궤도 위성의 궤도를 예측하는데 이용될 수 있다(Hoots & Roehrich 1980).
MSGP4 알고리즘은 SGP4와 SDP4(Simplified Deep-space Perturbation) 알고리즘이 합쳐진 형태로 저궤도 위성에 국한되지 않고 정지궤도 위성의 궤도를 예측하는데 이용될 수 있다(Hoots & Roehrich 1980).임의의 시간에서 위성의 위치를 구하여 지구중심관성 좌표계에서의 위성의 위치와 속도를 계산하여 이를 지구중심고정 좌표계로 변환하여 위 성 직하점을 구하는 방법(Pritchard et al. 1993)과 위성직하점을 고정하는 방법으로 태양광 반사점의 위치를 계산하였다.
정지궤도 위성의 태양광 반사점 위치 예측 알고리즘은, 태양-지구-위성 사이의 기하학적인 형상(그림2)과 반사의 법칙을 적용하여 계산한다. 태양광 반사점의 위치는 몇 가지 가정모델로부터 구할 수 있다.
비선형 방정식 인식(14, 15)의해 Øg,λg은 수치해석방법 중에 하나인 뉴톤-랩슨(Newton-Raphson) 방법(Press et al. 1992)을 이용하여 계산하였다. 뉴톤-랩슨 방법은 해를 찾는 속도가 상당히 빠르고 중근도구할 수 있다.

성능/효과

1994)와 본 논문에서 연구한 알고리즘을 통해 계산한 결과 그래프를 비교해 보았다 (그림 3, 4).표 1의 결과에서 보듯 태양광 반사점은 위도 ±15°(N-S)와 경도 40- 100°(E-W) 사이에 발생하였고, 동일한 태양광 반사점의 위치분포와 방향성을 보여주어 알고리즘을 검증할 수 있다.
통신해양기상위성의 임무운용 시 태양광 반사가 나타날 수 있는 위치를 계산하여 그래프를 그려본 결과, 태양광 반사점의 위치분포는 위도 ±10°(N-S)와 경도 80 - 150°(E-W) 사이에서 발생하는 것을 알 수 있다 (그림 5, 6). 태양광 반사점 위치의 중심을 실선으로 연결했을 경우 남반구 쪽의 태양광 반사점 위치 분포는 북극 쪽을 향해 굽어 있고, 반대로 북반구 쪽의 태 양광 반사점의 위치 분포는 남극 쪽을 향해 굽어 있는 패턴을 볼 수 있다.

후속연구

이와 같이 연구된 알고리즘에 의한 태양광 반사점의 위치분포 패턴을 고려하여 통신해 양기상위 성의 운용에 적용할 수 있다. 그리고 본 논문에서 연구한 태양광 반사점 위치 예측 알고리즘은 다양한 영상센서를 가진 인공위성에서 태양광 반사점의 위치 예측과 그와 관련된 연구를 수행하는 데 이용될 수 있을 것이다.

참고문헌 (10)

Benny, A. H. & Dawson, G. J. 1983, The Cartographic Journal, 20, 5

상세보기
Cracknell, A. P. 1990, Microwave remote sensing for oceanographic and marine weather-forecast models, ed. R. A. Vaughan (Netherlands: Kluwer Academic Pub.), p.125
Fraser, R. S. & Curran, R. J. 1976, Effects of the atmosphere on remote sensing in Remote sensing of Environment (California: Addison-Wesley Pub.), pp.34-84
Hoots, F. R. & Roehrich, R. L. 1980, Spacetrack Report No.3, http://www.celestrak.com/NORAD/documentation/spacetrk.pdf
Khattak, S. 1989, Ph.D. dissertation, The University of Dundee, UK
Kosik, J. C. & Paci, G. 1981, International Journal of Remote Sensing, 2, 265

상세보기
Prakash, W. K., Varma, A. K., & Bhandari, S. M. 1994, Computer & Geoscience, 20, 1467

상세보기
Press, W. H., Teukolsky, S. A., Vetterling, W. T., & Flannery, B. P. 1992, Numerical Recipes in FORTRAN 2nd. (UK: Cambridge University Press), pp.355-362
Pritchard, W. L., Suyderhoud, H. G., & Nelson, R. A 1993, Satellite Communication Systems Engineering 2nd Edition (NJ: Prentice Hall PTR), pp.97-147
Smart, W. M. 1962, Text-Book on Spherical Astronomy (UK: Cambridge University Press), pp.1-56

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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