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문제 정의
- 따라서 본 논문에서는 아리랑 2호의 정밀궤도, 예측궤도 및 CSM의 궤도를 비교·분석함으로써 CSM 궤도데이터의 궤도예측 정밀도를 분석하였다.
- 본 논문은 아리랑 2호의 정밀궤도와 예측궤도, CSM궤도 및 TLE의 오차를 분석하기 위해서 RIC 오차를 그래프로 도시하였고, RIC 요소별 오차값을 정량적으로 구하기 위해 RMS를 산출하였다. 또한 각 궤도의 조합을 이용한 충돌분석 결과를 정리하면 정밀궤도, CSM궤도 및 예측궤도와의 조합으로 구성된 충돌분석 결과는 최소근접거리의 요소별로 상당히 유사한 결과를 보였다.
제안 방법
- 궤도전파를 수행하기 위해 STK/HPOP®(High Precision Orbit Propagator)를 이용하였고, 궤도 섭동력은 지구 중력장, 대기항력, 태양과 달의 인력, 태양 복사압까지 고려하였으며, 이와 관련한 파라미터를 Table 4에 정리하였다.
- 또한 충돌분석을 위해 사용된 궤도데이터(POE, OP, TLE) 종류에 따른 충돌분석 결과와 CSM 궤도정보를 이용한 충돌분석 결과를 비교·분석하고자 한다.
- 먼저 앞에서 기술한 바와 같이 GPS 항법해를 일괄처리 최소자승 처리기법을 이용하여 결정된 궤도를 본 논문에서는 정밀궤도(POE)라 부르며 이를 실재궤도와 가까운 기준궤도(Reference Orbit)로 한다. 향후 3일간의 궤도예측을 수행한 궤도와의 오차를 분석하는 것이 적절할 것으로 판단하여 매일 결정한 정밀궤도 24시간 데이터 아크(Arc) 3개를 묶어 기준궤도로 삼았다.
대상 데이터
- CSM은 자동화된 툴을 활용하여 궤도정보를 사용하는 것을 용이하게 하기위해 xml 형식으로 되어 있다. JSpOC가 CSM을 제공하기 시작한 2011년부터 현재(2012년 8월)까지 아리랑 2호의 CSM을 총 26회 수신하였으며, 이중 연속 3번 이상 수신한 경우의 CSM 내용을 Table 3과 같이 정리하였다.
- 궤도의 오차를 분석하기 위해서 최소 근접거리 시간이 ‘2011-12-15 22:19:34.075’인 경우에 대한 궤도데이터들을 이용하였고, 궤도오차 분석을 위한 기간은 2011년 12월 13일 00시 ~ 16일 00시(총 3일)로 정하였다.
데이터처리
- 실제 궤도로 정의한 정밀궤도와의 궤도오차 경향성을 분석하기 위해서 총 3건의 CSM 데이터를 이용하여 오차분석을 수행 하였으며, 그 결과를 아래의 Table 6에 정리하였다.
이론/모형
- 각 궤도를 비교하고 각각의 RIC오차 및 거리(Range)오차를 정량화하기 위해 RMS(Root Mean Square) 개념을 도입하였으며, RIC 오차의 RMS를 계산하기 위해 아래의 수식 (1~3)을 이용하였고, 거리오차를 계산하기 위해 수식(4)를 이용하였다.
- 궤도예측은 아리랑 2호와 마찬가지로 STK HPOP 모델을 이용하였으며, 궤도 섭동력은 CSM에서 제공하는 모델을 사용하였고 그 파라미터들을 Table 5에 정리하였다. 단, CSM의 경우 대기밀도 모델은 Jacchia 70DCA를 사용하도록 되어 있지만, 이 모델은 Jacchia 1970 대기밀도 모델을 미공군이 자체적으로 개선한 모델로써 STK에서 제공하지 않는 모델이다.
- 단, CSM의 경우 대기밀도 모델은 Jacchia 70DCA를 사용하도록 되어 있지만, 이 모델은 Jacchia 1970 대기밀도 모델을 미공군이 자체적으로 개선한 모델로써 STK에서 제공하지 않는 모델이다. 따라서 CSM의 궤도전파를 수행하기 위해 대기밀도는 Jacchia 1970 모델이 적용되었다.
- 일반적으로 관측데이터의 종류에는 레이더(Radar) 추적 데이터, 레이저(Laser) 추적 데이터 그리고 GPS 위성 신호(pseudo-range)를 획득하여 최소자승해 기법으로 처리한 GPS 항법해(Navigation Solution) 등이 있다[7]. 아리랑 2호의 경우에는 GPS 수신기가 탑재되어 있어 GPS 항법해를 사용할 수 있으며, 위성의 궤도결정을 수행하기 위해 일괄처리 최소자승 추정기법(Batch Least Square Estimation, BLSE)을 적용한다.
성능/효과
- CSM궤도의 정밀도를 판단하기 위해 항우연에서 결정한 3일간의 정밀궤도와 비교한 결과, 두 궤도의 RIC 및 거리오차의 RMS값이 0.5km이상이 되는 요소가 있음에도 두 궤도를 이용한 충돌 분석 결과가 상당히 유사함을 확인하였다. 따라서 CSM궤도가 상당히 정밀한 궤도데이터라고 판단할 수 있고, 우주물체의 궤도를 TLE를 사용하면 충돌분석을 수행하는데 있어 False Alarm을 일으킬 가능성이 높음을 알 수 있었다.
- 1km 이상의 차이를 보였는데, 이는 향후 충돌회피기동을 수행하는데 있어서 Go/NoGo를 판단하는데 많은 영향을 미치는 수준이다. TLE 궤도의 사용여부에 의한 최소 근접거리 시간의 차이가 곧 RIC 및 거리오차 결과로 나타남을 알 수 있다.
- 또한 각 궤도의 조합을 이용한 충돌분석 결과를 정리하면 정밀궤도, CSM궤도 및 예측궤도와의 조합으로 구성된 충돌분석 결과는 최소근접거리의 요소별로 상당히 유사한 결과를 보였다. 결과적으로 CSM궤도와 정밀궤도의 3일간의 오차가 상당히 작기 때문에 CSM궤도는 우주파편과의 충돌 분석을 수행하는데 있어서는 상당히 정밀한 결과를 제공하는 데이터라고 할 수 있다. 따라서 아리랑 2호의 예측궤도 및 CSM궤도가 정밀궤도 대비 요소별로 약간의 오차가 있지만 충돌분석을 수행한 결과가 유사함에 따라 CSM에서 제공하는 아리랑 2호 및 우주물체의 궤도가 아리랑 2호의 정밀궤도 및 예측궤도와 유사한 정밀도를 갖는다고 판단할 수 있다.
- 5km이상이 되는 요소가 있음에도 두 궤도를 이용한 충돌 분석 결과가 상당히 유사함을 확인하였다. 따라서 CSM궤도가 상당히 정밀한 궤도데이터라고 판단할 수 있고, 우주물체의 궤도를 TLE를 사용하면 충돌분석을 수행하는데 있어 False Alarm을 일으킬 가능성이 높음을 알 수 있었다. 따라서 향후 충돌회피 기동을 고려할 경우 충돌회피 기동 이전 단계인 상세분석 단계에서 CMS 궤도를 활용하는 것이 적절할 것으로 사료된다.
- 결과적으로 CSM궤도와 정밀궤도의 3일간의 오차가 상당히 작기 때문에 CSM궤도는 우주파편과의 충돌 분석을 수행하는데 있어서는 상당히 정밀한 결과를 제공하는 데이터라고 할 수 있다. 따라서 아리랑 2호의 예측궤도 및 CSM궤도가 정밀궤도 대비 요소별로 약간의 오차가 있지만 충돌분석을 수행한 결과가 유사함에 따라 CSM에서 제공하는 아리랑 2호 및 우주물체의 궤도가 아리랑 2호의 정밀궤도 및 예측궤도와 유사한 정밀도를 갖는다고 판단할 수 있다. TLE가 포함된 궤도정보를 이용하여 충돌분석을 수행할 경우에는 그렇지 않은 경우에 비해 충돌회피기동에 영향을 줄 수 있을 정도의 오차가 포함되어 False Alarm을 일으킬 수 있으므로 정밀한 충돌분석을 수행하기 위해서는 CSM궤도를 활용하는 것이 필요하고, CSM이가용하지 않을 경우에는 TLE를 사용하되 경향성 분석정도로 활용해야 할 것이다.
- 본 논문은 아리랑 2호의 정밀궤도와 예측궤도, CSM궤도 및 TLE의 오차를 분석하기 위해서 RIC 오차를 그래프로 도시하였고, RIC 요소별 오차값을 정량적으로 구하기 위해 RMS를 산출하였다. 또한 각 궤도의 조합을 이용한 충돌분석 결과를 정리하면 정밀궤도, CSM궤도 및 예측궤도와의 조합으로 구성된 충돌분석 결과는 최소근접거리의 요소별로 상당히 유사한 결과를 보였다. 결과적으로 CSM궤도와 정밀궤도의 3일간의 오차가 상당히 작기 때문에 CSM궤도는 우주파편과의 충돌 분석을 수행하는데 있어서는 상당히 정밀한 결과를 제공하는 데이터라고 할 수 있다.
- 각 궤도를 이용하여 충돌분석을 수행한 결과를 Table 7에 정리하였다. 먼저 운영위성(Primary)과 우주물체(Secondary)의 궤도 조합별로 최소 근접거리 시간을 분석한 결과, 우주물체의 궤도정보를 CSM을 사용할 때와 TLE를 사용할 때의 결과별로 유사한 최소 근접시간 결과가 도출됐다. Fig.
- 오차의 분석결과 정밀궤도-예측궤도 및 정밀궤도-CSM궤도의 반경방향 오차의 RMS는 모두 0.01km 내외였고, 정밀궤도-TLE의 반경방향 오차의 RMS는 0.2km 이내의 값을 보였다. 그리고 정밀궤도-예측궤도의 진행방향 오차의 RMS는 첫번째 경우를 제외하고는 모두 0.
- 최소 근접거리 시간결과와 유사하게 우주물체의 궤도정보를 CSM을 사용할 때와 TLE를 사용할 때의 결과별로 유사한 RIC 및 Range 결과가 도출됐다. 우주물체의 궤도를 CSM 데이터를 이용하여 충돌분석을 수행한 결과와 TLE를 사용하여 충돌분석을 수행한 결과의 RIC 성분 모두가 각각 큰 차이를 보였다. 특히 반경방향의 오차가 0.
- Figure 1은 아리랑 2호의 정밀궤도-예측궤도의 RIC(반경방향, 진행방향, 측면방향)오차를 나타낸다. 정밀궤도-예측궤도의 반경방향 오차는 거의 0으로 두 궤도데이터가 유사함을 알 수 있었고, 진행방향의 오차는 초기시각에서 멀어질수록 오차가 점점 커졌다. 반면 측면방향의 오차는 반복적으로 ±0.
- 최소 근접거리 시간결과와 유사하게 우주물체의 궤도정보를 CSM을 사용할 때와 TLE를 사용할 때의 결과별로 유사한 RIC 및 Range 결과가 도출됐다. 우주물체의 궤도를 CSM 데이터를 이용하여 충돌분석을 수행한 결과와 TLE를 사용하여 충돌분석을 수행한 결과의 RIC 성분 모두가 각각 큰 차이를 보였다.
후속연구
- 따라서 아리랑 2호의 예측궤도 및 CSM궤도가 정밀궤도 대비 요소별로 약간의 오차가 있지만 충돌분석을 수행한 결과가 유사함에 따라 CSM에서 제공하는 아리랑 2호 및 우주물체의 궤도가 아리랑 2호의 정밀궤도 및 예측궤도와 유사한 정밀도를 갖는다고 판단할 수 있다. TLE가 포함된 궤도정보를 이용하여 충돌분석을 수행할 경우에는 그렇지 않은 경우에 비해 충돌회피기동에 영향을 줄 수 있을 정도의 오차가 포함되어 False Alarm을 일으킬 수 있으므로 정밀한 충돌분석을 수행하기 위해서는 CSM궤도를 활용하는 것이 필요하고, CSM이가용하지 않을 경우에는 TLE를 사용하되 경향성 분석정도로 활용해야 할 것이다.
- 따라서 CSM궤도가 상당히 정밀한 궤도데이터라고 판단할 수 있고, 우주물체의 궤도를 TLE를 사용하면 충돌분석을 수행하는데 있어 False Alarm을 일으킬 가능성이 높음을 알 수 있었다. 따라서 향후 충돌회피 기동을 고려할 경우 충돌회피 기동 이전 단계인 상세분석 단계에서 CMS 궤도를 활용하는 것이 적절할 것으로 사료된다.
- 향후에는 CSM에 포함된 위치 및 속도 공분산 값을 이용하여 충돌확률을 계산함으로써, 충돌회피기동의 수행 여부를 판단하는 추가정보로 활용할 예정이다.
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