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문제 정의
- 본 기술논문에서는 정밀궤도결정 자동화 시스템 (KASPOD) 개발 내용 및 시험결과에 대해 기술하였다. 개발된 시스템은 일상적인 정밀도를 요구하는 궤도데이터를 처리하기 위한 궤도결정 프로세스보다 상대적으로 복잡한 정밀궤도결정 작업들을 자동으로 처리하고, 정밀도 평가를 통해 안정적인 정밀궤도데이터 생성 및 제공이 가능함을 확인하였다.
- 본 논문에서는 저궤도위성인 아리랑위성의 정밀궤도결정을 자동으로 처리하기 위한 시스템(KASPOD, Kompsat Autonomous System for Precise Orbit Determination) 개발 내용에 대해 기술하였다. 구현된 KASPOD 시스템은 위성 관제를 위한 비행역학시스템의 일부로써 활용할 수 있으며, 기존에 개발된 궤도운용 자동처리 시스템과 연계하여 다중 위성 정밀궤도결정 시스템으로 응용이 가능하다.
제안 방법
- 워크스테이션 모델명은 Blade 1000으로 CPU 성능은 2xUSPARC III Cu 900MHz/8MB이고, 메모리는 광학메모리 4GBx2개를 장착한 워크스테이션이다. KASPOD 시스템의 사용자 인터페이스(GUI, Graphical User Interface)는 설치 플랫폼인 SUN 워크스테이션에서 구현하기 위해 QT로 구현하였으며, 프로그램 제어 및 인터페이스는 C++로 구현하였다.
- MicroCosmⓇ은 각 단계별로 필요한 기준파일(Setup file)을 사전에 설정해야 하는데, 본 시스템에서는 적용하고자 하는 기준파일들을 사전에 지정해두면 향후 자동 처리과정마다 동일하게 사용되도록 하였다(그림 1의 오른쪽 ‘File Path Setting' 참고).
- 개발된 정밀궤도결정 자동화 프로그램은 2.2절에서 기술한 바와 같이 처리하고자 하는 저궤도 위성의 GPS 원시데이터와 GPS 항행해 데이터만을 지정하면 되므로, 특정 디렉토리에 해당 데이터들이 위성과의 교신을 통해 다운로드 되었는지를 확인하는 프로세스 A, IGS로부터 해당 GPS 위성의 원시데이터를 일정 시각에서 다운로드 받는 프로세스 B, 정밀궤도결정 각 Step 마다 처리상의 오류 발생 시 이를 수정하거나 오류를 제거하는 프로세스 C, 처리하고자 하는 궤도데이터의 문제 혹은 위성과의 교신이 불가하거나 수신이상으로 정상적인 궤도데이터를 입수하지 못하는 경우 이전 결정된 궤도에 의해 궤도를 예측하여 제공하기로 한 각종 궤도정보를 생성하는 프로세스 D, 그리고 마지막으로 정밀궤도결정이 최종 수행된 후 중첩법 (Overlapping method)의 간접적인 방법으로 궤도정밀도를 평가한 후 현재 궤도를 갱신할지 여부를 판단하는 프로세스 E를 추가적으로 구현한 다음 그림 7과 같이 기존 자동화 시스템의 프로세스에 별도의 응용 유틸리티 (Other Utilities)로 등록하기만 하면 그림 8에서 보는 바와 같이 외부연동을 통해 정밀궤도결정 시스템을 충분히 자동화된 다중 비행역학시스템의 일환으로 응용 및 활용할 수 있다.
- 따라서, 본 시스템에서는 궤도 결정에 사용할 위성의 원시 GPS 데이터 (저궤도 위성 S/C RINEX File)와 위성의 GPS 항행해(S/C ECEF File)를 지정하는 것만으로 정밀궤도 결정을 위한 모든 초기셋팅 작업이 종료되도록 구성하였다 (그림 1에서 ’File Setting' 메뉴 참고).
- 정밀궤도결정 자동화 시스템을 이용하여 아리랑 2호의 정밀궤도결정을 수행하였다. 정밀궤도 결정은 2009년 8월 15일부터 2009년 8월 19일까지 5일간의 데이터를 이용하였고, IGS 데이터는 약 20여개의 지상국을 이용하였다.
대상 데이터
- 개발된 시스템의 시험을 위해 2007년 1월 10일 획득한 24시간 아리랑 2호의 GPS 원시데이터와 GPS 항행해를 사용하였다. DGPS 차분을 위한 IGS는 총 20곳을 선택했다. 프로그램 수행소요시간은 총 75분으로, 이는 운용자가 처리하고자 하는 GPS 원시데이터 및 IGS 파일에 따라 각 단계마다 소요되는 기준파일들을 수정하면서 수동적으로 처리하는 경우 소요되는 작업 총 시간인 약 4시간에 비하면 매우 효율적임을 알 수 있다.
- 개발된 시스템의 시험을 위해 2007년 1월 10일 획득한 24시간 아리랑 2호의 GPS 원시데이터와 GPS 항행해를 사용하였다. DGPS 차분을 위한 IGS는 총 20곳을 선택했다.
- 8 버전 OS에서 개발되었다. 워크스테이션 모델명은 Blade 1000으로 CPU 성능은 2xUSPARC III Cu 900MHz/8MB이고, 메모리는 광학메모리 4GBx2개를 장착한 워크스테이션이다. KASPOD 시스템의 사용자 인터페이스(GUI, Graphical User Interface)는 설치 플랫폼인 SUN 워크스테이션에서 구현하기 위해 QT로 구현하였으며, 프로그램 제어 및 인터페이스는 C++로 구현하였다.
- 정밀궤도결정 자동화 시스템을 이용하여 아리랑 2호의 정밀궤도결정을 수행하였다. 정밀궤도 결정은 2009년 8월 15일부터 2009년 8월 19일까지 5일간의 데이터를 이용하였고, IGS 데이터는 약 20여개의 지상국을 이용하였다. 그림 9에 사용된 IGS 데이터의 지상국 분포를 나타내었다.
데이터처리
- 정밀궤도결정 자동화 시스템의 결과를 검증하기 위해 GPS 항행해를 이용한 OOD(Operational Orbit Determination)결과와 POD 결과를 상호 비교하였다. 그림 10은 2009년 8월 15일부터 2009년 8월 19일까지 5일 동안 각 날짜에 대하여 OOD한 결과와 POD한 결과의 각 방향(x, y, z) 차이를 도시한 것이다.
- 결론적으로, 정밀궤도결정 작업의 자동화를 통해 전문적인 비행역학 엔지니어의 일일 수동작업 소요시간을 크게 줄일 수 있음을 보였다. 최종 수행 결과 얻은 정밀궤도의 정밀도를 판단하기 위해 GPS 항행해만을 이용한 궤도결정 결과와 비교해보았다. 아리랑 위성의 탑재 GPS 수신기로부터 획득한 GPS 항행해를 이용한 지상 궤도결정의 정밀도는 약 5m 수준임을 감안할 때 상호간의 위치 차이가 약 3m 수준이므로 [10,11] 상호간의 정밀도 차이가 기대한 바와 일치함을 알 수 있었으며, 간접적으로 정밀궤도결정 작업이 정상적으로 이루어졌음을 확인하였다.
이론/모형
- 임무계획 및 위성추적을 위해 10m 이하의 정밀도를 요구하는 일상적인 궤도데이터의 경우 아리랑 위성에 탑재한 GPS 항행해를 관측데이터로 사용하고 있으며, 1m(1σ) 정밀도를 요구하는 정밀궤도결정은 코드 (Code) 및 반송파 (Carrier Phase) 와 같은 GPS 원시데이터를 관측데이터로 사용하여 DGPS (Differential GPS) 방식으로 궤도결정을 수행하고 있다. 개발된 KASPOD 시스템에서는 아리랑 위성의 일상적인 궤도운용을 위한 자동처리 시스템 (KOOPS, KGS automated Operational Orbit Processing System) [2]에서 궤도결정 소프트웨어로 사용 중인 MicroCosmⓇ[9]을 이용하였다. 이 소프트웨어는 처리하고자 하는 궤도데이터의 종류에 따라 수십 m에서 수 cm 수준의 궤도결정이 가능하다.
성능/효과
- 본 기술논문에서는 정밀궤도결정 자동화 시스템 (KASPOD) 개발 내용 및 시험결과에 대해 기술하였다. 개발된 시스템은 일상적인 정밀도를 요구하는 궤도데이터를 처리하기 위한 궤도결정 프로세스보다 상대적으로 복잡한 정밀궤도결정 작업들을 자동으로 처리하고, 정밀도 평가를 통해 안정적인 정밀궤도데이터 생성 및 제공이 가능함을 확인하였다. 개발된 시스템은 향후 기 개발되어 사용 중인 자동 궤도운용시스템(KOOPS)에 연계하는데 어려움이 없을 것으로 사료되며, 두 시스템을 연계할 경우 위성 임무운용 중 운용비용과 숙련된 엔지니어를 필요로 하는 비행역학시스템 운용비용을 크게 절감함과 동시에 운영안정성을 높일 수 있을 것으로 사료된다.
- 현재 아리랑 2호 임무계획 및 분석시스템에 구현된 정밀궤도결정 모듈의 경우에는 전처리 등의 각 단계 종료 시까지 운용자가 모니터링하고, 정상 종료 여부를 확인한 후 다음 단계를 수행하기 위한 기본적인 셋팅작업들이 필요한데, 이러한 과정상에 소요되는 상당량의 인적 작업시간 역시 약 2시간 정도 소요된다. 결론적으로, 정밀궤도결정 작업의 자동화를 통해 전문적인 비행역학 엔지니어의 일일 수동작업 소요시간을 크게 줄일 수 있음을 보였다. 최종 수행 결과 얻은 정밀궤도의 정밀도를 판단하기 위해 GPS 항행해만을 이용한 궤도결정 결과와 비교해보았다.
- 참고문헌 [2]에서 소개한 바와 같이 기 개발된 시스템의 주요 특징은 그림 7에서 보는 바와 같이 ‘프로세스 설정부’의 구현이며[12], 이를 통해 궤도운용에 필요한 모든 응용 프로그램 혹은 프로세스를 별도의 소스 수정이나 컴파일 없이 Add-On 방식으로 시스템과 연동하여 구동함으로써 매우 가변적이고 범용적인 시스템으로 구현되었다. 따라서, 본 논문에서 소개하는 정밀궤도결정 자동화 시스템을 일종의 응용프로그램으로 연동함으로써 다중 비행역학시스템의 궤도데이터 처리 및 획득 가능한 궤도정밀도의 범위를 대폭 확장시킬 수 있다.
- 최종 수행 결과 얻은 정밀궤도의 정밀도를 판단하기 위해 GPS 항행해만을 이용한 궤도결정 결과와 비교해보았다. 아리랑 위성의 탑재 GPS 수신기로부터 획득한 GPS 항행해를 이용한 지상 궤도결정의 정밀도는 약 5m 수준임을 감안할 때 상호간의 위치 차이가 약 3m 수준이므로 [10,11] 상호간의 정밀도 차이가 기대한 바와 일치함을 알 수 있었으며, 간접적으로 정밀궤도결정 작업이 정상적으로 이루어졌음을 확인하였다.
- DGPS 차분을 위한 IGS는 총 20곳을 선택했다. 프로그램 수행소요시간은 총 75분으로, 이는 운용자가 처리하고자 하는 GPS 원시데이터 및 IGS 파일에 따라 각 단계마다 소요되는 기준파일들을 수정하면서 수동적으로 처리하는 경우 소요되는 작업 총 시간인 약 4시간에 비하면 매우 효율적임을 알 수 있다. 처리에 소요되는 시간은 플랫폼의 성능에 따라 더욱 향상될 수 있을 것으로 사료된다.
후속연구
- 개발된 시스템은 일상적인 정밀도를 요구하는 궤도데이터를 처리하기 위한 궤도결정 프로세스보다 상대적으로 복잡한 정밀궤도결정 작업들을 자동으로 처리하고, 정밀도 평가를 통해 안정적인 정밀궤도데이터 생성 및 제공이 가능함을 확인하였다. 개발된 시스템은 향후 기 개발되어 사용 중인 자동 궤도운용시스템(KOOPS)에 연계하는데 어려움이 없을 것으로 사료되며, 두 시스템을 연계할 경우 위성 임무운용 중 운용비용과 숙련된 엔지니어를 필요로 하는 비행역학시스템 운용비용을 크게 절감함과 동시에 운영안정성을 높일 수 있을 것으로 사료된다. 또한, 향후 아리랑 3호, 5호 및 통해기 등 여러 기의 위성들을 운용함에 있어 다중 비행역학시스템으로서 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
- 또한, 개발된 시스템을 임무운용에 적용할 경우 정밀궤도 데이터 처리, 결정 및 제공에 필요한 비행역학시스템의 운용비용을 크게 절감할 수 있으며, 운영자에 의한 데이터 처리 및 검증이 불필요하므로 고해상도 영상처리 및 생산에 소요되는 시간을 크게 단축할 수 있을 것으로 기대된다.
- 개발된 시스템은 향후 기 개발되어 사용 중인 자동 궤도운용시스템(KOOPS)에 연계하는데 어려움이 없을 것으로 사료되며, 두 시스템을 연계할 경우 위성 임무운용 중 운용비용과 숙련된 엔지니어를 필요로 하는 비행역학시스템 운용비용을 크게 절감함과 동시에 운영안정성을 높일 수 있을 것으로 사료된다. 또한, 향후 아리랑 3호, 5호 및 통해기 등 여러 기의 위성들을 운용함에 있어 다중 비행역학시스템으로서 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
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