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B-평면 조준법을 이용한 화성 탐사선의 궤적 보정을 위한 최적의 기동 설계
OPTIMAL TRAJECTORY CORRECTION MANEUVER DESIGN USING THE B-PLANE TARGETING METHOD FOR FUTURE KOREAN MARS MISSIONS 원문보기

韓國宇宙科學會誌 = Journal of astronomy & space sciences, v.22 no.4, 2005년, pp.451 - 462  

송영주 (연세대학교 천문우주학과) ,  박은서 (연세대학교 천문우주학과) ,  유성문 (연세대학교 천문우주학과) ,  박상영 (연세대학교 천문우주학과) ,  최규홍 (연세대학교 천문우주학과) ,  윤재철 (한국항공우주연구원) ,  임조령 (한국항공우주연구원) ,  최준민 (한국항공우주연구원) ,  김병교 (한국항공우주연구원)

초록
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향후 우리나라의 화성 탐사선 개발을 대비하여 B-평면 조준법(B-plane targeting method)을 이용한 최적 궤적 보정 기동(Optimal Trajectory Correction Maneuver, TCM)의 설계에 대한 연구를 수행하였다. 궤적 보정 기동을 설계하기 위하여 요구되는 화성 탐사 임무의 각 단계별 비행 궤적 및 궤도 정보 역시 이 연구를 통해 개발된 알고리즘을 이용하여 산출 할 수 있으며, 관련 정보는 임무 설계시 필요로 하는 최소의 섭동력들을 고려한 상황에서 산출되었다. 항행 단계에서의 탐사선은 다양한 섭동력에 의한 영향 또는 순간 기동의 오차로 기인된 비행 궤적의 오차로 인하여 목표한 위치에 도달하지 못할 수 있다. 따라서 탐사선의 적절한 비행 궤적을 유지하고 목표하고자 한 지점에 정확하게 도달시키기 위하여 도착 행성의 위치에 대하여 설정된 B-평면 좌표계를 이용하여 탐사선의 방향을 조준하여 줄 필요가 있다. NPSOL 소프트웨어를 사용하여 관련 최적해를 도출하였으며 임무동안 수행되는 기동의 총 크기를 최소화 시키도록 목적함수를 설정하였다. 수행되는 기동의 횟수는 설계자가 임의로 설정($1\~5$회)할 수 있도록 하였으며 그 시기 역시 조정 변수로 설정 할 수 있다. 마지막으로 화성 도착시 설정된 B-평면 좌표의 위치가 최종 구속조건으로 적용되어 최적화 문제를 완성하게 된다. 이 연구를 통하여 지구 출발에서부터 화성 도착, 그리고 임무 수행을 위한 포획궤도에 이르기까지 전반적인 임무 설계 및 해석이 가능하게 되었으며, 항행 단계에서 이루어지는 궤적 보정 기동의 최적 시기 및 크기 또한 분석이 가능하게 되었다. 이 연구를 통하여 개발된 알고리즘을 이용하여 향후 우리나라의 화성 탐사 임무의 설계, 분석이 가능하다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Optimal Trajectory Correction Maneuver (TCM) design algorithm has been developed using the B-plane targeting method for future Korean Mars missions. For every-mission phase, trajectory informations can also be obtained using this developed algorithms which are essential to design optimal TCM strateg...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 이 논문에서는 향후 우리나라의 화성 탐사 임무에 대비하여 최적 궤적 보정 기동 설계에 대한 연구를 실시하였다. 기동 설계를 위하여 필요한 좌표계인 화성 중심의 B-평 면 좌표계에 대한 분석을 완료 하였으며, 각각의 임무 단계별로 요구되는 모든 좌표계를 설정하여 임무를 설계 하였다.
  • 또한 항행 단계에서 이루어지는 궤적의 보정을 위한 기동의 설계를 B-평면 조준법을 이용하여 실시하였다. 연구의 목표는 지구 출발부터 화성 도착 단계에 이르는 모든 임무 단계에서의 비행 궤적 및 궤도에 대한 설계와 해석을 독자적으로 가능하게 한다는데 있다.
  • 있어서 간과할 수 없는 필수적인 요소들이다. 이에 이 연구를 통해서 개발된 알고리즘은 지구 출발 쌍곡선 비행 궤적을 비롯한 화성 도착 쌍곡선 비행궤적 그리고 임무 수행을 위한 포획궤도에 대한 설계가 가능하도록 하였다. 또한 항행 단계에서 이루어지는 최적 궤적 보정 기동을 설계하는 기능도 포함하고 있다.

가설 설정

  • 2026년 10월 31일, 2027년 9월 6일이다. 그림 4와 5는 각각 앞서 산출된 2026년 화성 탐사 임무 설계 결과를 바탕으로 그려진 지구 출발 및 화성 도착 쌍곡선 비행 궤적의 모습이며, 지구 출발의 주차궤도 및 화성 도착시 임무 수행을 위한 포획궤도는 각각의 쌍곡선 비행 궤적과 동일한 궤도 경사각을 갖는 원궤도로 가정하였다. 이때 각 궤도의 장반경은 지구의 경우 6, 578km, 화성의 경우 5, 000km로 가정하였다.
  • 그림 4와 5는 각각 앞서 산출된 2026년 화성 탐사 임무 설계 결과를 바탕으로 그려진 지구 출발 및 화성 도착 쌍곡선 비행 궤적의 모습이며, 지구 출발의 주차궤도 및 화성 도착시 임무 수행을 위한 포획궤도는 각각의 쌍곡선 비행 궤적과 동일한 궤도 경사각을 갖는 원궤도로 가정하였다. 이때 각 궤도의 장반경은 지구의 경우 6, 578km, 화성의 경우 5, 000km로 가정하였다. 추가적으로 이러한 가정 하에서 근지점 및 근화점 에서 임무를 수행하기 위하여 요구되는 순간 기동의 속도 크기는 각각 3.
  • 이룬다는 가정 하에 산출된 결과임을 참고하기 바란다. 항행 단계에서의 보정 기동을 실시하는 횟수의 경우, 총 4회를 실시하는 것으로 가정하였다. 그림 7은 지구 출발 10일 후와 50일 후, 화성 도착 50일 전과 5일 전에 각각 4번의 보정 기동을 한다는 가정 하에 산출된 천이 비행 궤적의 모습이다.
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참고문헌 (17)

  1. 김해연, 박은서, 송영주, 유성문, 노경민, 박상영, 최규홍, 윤재철, 임조령, 최준민, 김병교 2004, 한국우주과학회지, 21, 361 

  2. 백지훈 2001, 석사학위논문, 연세대학교 

  3. 송영주, 유성문, 박은서, 박상영, 최규홍, 윤재철, 임조령, 김방엽, 김한돌, 최준민, 김병교 2004a, 한국우주과학회지, 21, 153 

  4. 송영주, 박은서, 유성문, 박상영, 최규홍, 윤재철, 임조령, 김한돌, 최준민, 김학정, 김병교 2004b, 한국우주과학회지, 21, 351 

  5. 유성문, 송영주, 박은서, 박상영, 최규홍, 윤재철, 임조령, 김방엽, 김한돌, 최준민, 김병교 2003, 한국우주과학회지, 20, 299 

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  8. Brown, C. D. 1998, Spacecraft Mission Design Second Edition (Virginia: AIAA), pp.95-122 

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  11. Hechler, M. 2004, private communication 

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  17. Vallado, D. A., McClain, W. D., & Larson, W. J. 1997, Fundamentals of Astrodynamics and Applications (New York: McGraw-Hill), pp.421-445 

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