본 논문에서는 다목적실용위성 3호의 초기 궤도운영 결과를 기술하였다. 다목적실용위성 3호는 2012년 5월 18일 발사된 이후 지상국 추적데이터 및 GPS 수신기 데이터를 이용한 궤도결정을 통해 위성의 초기 궤도정보를 획득하였다. 또한, 발사체 투입 궤도로부터 임무궤도로의 변경을 위한 궤도조정을 성공적으로 완료하였다. 그리고 GPS 수신기 원시데이터 및 IGS 데이터를 이용한 정밀궤도결정을 통해 궤도 정밀도를 확인하였다. 다목적 실용위성 3호는 현재 임무궤도에서 정상 운영 중에 있으며, 한국항공우주연구원 지상 관제국에서는 위성 임무 수행에 필요한 궤도 데이터를 매일 생성하여 배포하고 있다. 초기 운영 기간 동안 수행된 궤도운영 결과는 향후 다른 위성의 초기운영의 참고자료로 활용할 예정이다.
본 논문에서는 다목적실용위성 3호의 초기 궤도운영 결과를 기술하였다. 다목적실용위성 3호는 2012년 5월 18일 발사된 이후 지상국 추적데이터 및 GPS 수신기 데이터를 이용한 궤도결정을 통해 위성의 초기 궤도정보를 획득하였다. 또한, 발사체 투입 궤도로부터 임무궤도로의 변경을 위한 궤도조정을 성공적으로 완료하였다. 그리고 GPS 수신기 원시데이터 및 IGS 데이터를 이용한 정밀궤도결정을 통해 궤도 정밀도를 확인하였다. 다목적 실용위성 3호는 현재 임무궤도에서 정상 운영 중에 있으며, 한국항공우주연구원 지상 관제국에서는 위성 임무 수행에 필요한 궤도 데이터를 매일 생성하여 배포하고 있다. 초기 운영 기간 동안 수행된 궤도운영 결과는 향후 다른 위성의 초기운영의 참고자료로 활용할 예정이다.
This paper describes the orbital dynamics operation results for the launch and early operations phase (LEOP) of KOMPSAT-3, which was successfully launched on May 18, 2012. At the initial phase, operational orbit determination was carried out using ground tracking data and GPS navigation solution. An...
This paper describes the orbital dynamics operation results for the launch and early operations phase (LEOP) of KOMPSAT-3, which was successfully launched on May 18, 2012. At the initial phase, operational orbit determination was carried out using ground tracking data and GPS navigation solution. And, both in-plane and out-of plane maneuvers were executed in order to change the orbit from the injection orbit to the mission orbit. In addition, the accuracy of precise orbit determination was indirectly evaluated by overlapping method using GPS raw data of KOMPSAT-3 and international GNSS service data from worldwide-distributed ground stations. Currently, KOMPSAT-3 is operated in pre-defined mission orbit, and its various kinds of orbit data are generated and distributed to support the normal mission operations.
This paper describes the orbital dynamics operation results for the launch and early operations phase (LEOP) of KOMPSAT-3, which was successfully launched on May 18, 2012. At the initial phase, operational orbit determination was carried out using ground tracking data and GPS navigation solution. And, both in-plane and out-of plane maneuvers were executed in order to change the orbit from the injection orbit to the mission orbit. In addition, the accuracy of precise orbit determination was indirectly evaluated by overlapping method using GPS raw data of KOMPSAT-3 and international GNSS service data from worldwide-distributed ground stations. Currently, KOMPSAT-3 is operated in pre-defined mission orbit, and its various kinds of orbit data are generated and distributed to support the normal mission operations.
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문제 정의
본 논문에서는 다목적실용위성 3호 발사 이후 초기운영 기간 동안 한국항공우주연구원(이하 항우연) 지상 관제국에서 수행된 궤도 운영 결과를 기술하였다. 여기에는 초기궤도정보 획득결과, 궤도결정 및 궤도조정 결과, 궤도정밀도 확인 등의 내용을 모두 포함하였고, 발사 이후 현재까지의 궤도변화를 제시하였다.
본 논문에서는 다목적실용위성 3호의 발사 후 초기 궤도운영 결과를 기술하였다. 위성 발사 직후 교신에서는 위성 분리벡터를 이용하였고, 이후 GPS 수신기 데이터가 이용 가능한 시점부터는 본격적인 궤도결정을 수행하여 보다 정밀한 궤도정보를 확보할 수 있었다.
제안 방법
다목적실용위성 3호에서는 초기지상국 교신 과정에서 기존 궤도예측 정보에 기반을 둔 안테나 운영에 전혀 문제가 없었고, 초기운영 주요 절차 및 일정을 고려하여 지상추적데이터 확보에는 따로 중점을 두지 않았다. GPS 수신기는 발사 후 약 14시간 이후에 동작하기 시작하였고, 이 시점 이후부터는 GPS 수신기에서 계산된 항법해(Navigation Solution)를 이용하여 궤도결정을 수행하였다. 2시간 30분 분량의 GPS 항법해(위성 위치 및 속도)를 이용하여 궤도결정을 수행한 결과, 발사체에서 제공한 위성 분리벡터와는 고도 약 91미터, 경사각 0.
위성의 주요 기능점검을 위한 시험을 성공적으로 완료한 이후, 발사체 투입 궤도로부터 임무궤도로 변경하기 위한 궤도조정을 수행하였다. 궤도조정 1 단계에서는 궤도조정 절차 및 기능을 점검하기 위해 6번의 시험 궤도조정을 순차적으로 수행하였고, 이후 2 단계에서는 임무궤도 진입을 위해 4번의 궤도조정을 실시하였다. 궤도조정을 위해서는 원하는 추력분사 방향을 맞추기 위해 롤(Roll) 방향 또는 피치(Pitch) 방향의 자세기동이 필요한데, 추력기를 사용하여 자세를 기동하는 모드(Del-V Mode)와 휠을 사용하여 자세를 기동하는 모드(Fine Del-V Mode)로 구분된다.
이는 기존 궤도정보 및 새로 결정된 궤도정보가 신뢰할 수준임을 의미하며, 발사 후 11번째 궤도까지 특별한 궤도변화가 없음을 보여준다. 발사 후 12번째 궤도상의 북극 스발바드 지상국 교신부터는 새로 결정된 궤도정보로 갱신하여 교신을 수행하였다.
궤도조정을 위해서는 원하는 추력분사 방향을 맞추기 위해 롤(Roll) 방향 또는 피치(Pitch) 방향의 자세기동이 필요한데, 추력기를 사용하여 자세를 기동하는 모드(Del-V Mode)와 휠을 사용하여 자세를 기동하는 모드(Fine Del-V Mode)로 구분된다. 시험 궤도조정에서는 우선적으로 두 가지 모드에 대한 모드전환 시험을 실시하여 위성체 및 지상국 운영절차에 대한 이상 유무를 점검하였고, 이후 추력기 분사량을 10초로 설정하여 예측 대비 실제 궤도변경 결과 값을 확인하였다.
시험 궤도조정의 결과를 토대로, 본 궤도조정에서는 임무궤도를 획득하기 위한 경사각 조정 및 고도 조정을 수행하였다. 경사각 조정 계획단계에서는 경사각 조정 뿐만 아니라 승교점 지방시의 변화율도 같이 고려하였다.
본 논문에서는 다목적실용위성 3호 발사 이후 초기운영 기간 동안 한국항공우주연구원(이하 항우연) 지상 관제국에서 수행된 궤도 운영 결과를 기술하였다. 여기에는 초기궤도정보 획득결과, 궤도결정 및 궤도조정 결과, 궤도정밀도 확인 등의 내용을 모두 포함하였고, 발사 이후 현재까지의 궤도변화를 제시하였다.
위성의 주요 기능점검을 위한 시험을 성공적으로 완료한 이후, 발사체 투입 궤도로부터 임무궤도로 변경하기 위한 궤도조정을 수행하였다. 궤도조정 1 단계에서는 궤도조정 절차 및 기능을 점검하기 위해 6번의 시험 궤도조정을 순차적으로 수행하였고, 이후 2 단계에서는 임무궤도 진입을 위해 4번의 궤도조정을 실시하였다.
대상 데이터
05도 감소시키기 위해 궤도 강교점(Descending Node)을 기준으로 Roll 방향으로 90도 자세기동을 수행한 후 추력을 사용하였다. 경사각 조정을 위해 2012년 6월 1일 총 2 회에 걸쳐 180초(속도 증분량 2.7m/s) 및 300초(속도 증분량 4.4m/s) 동안 추력을 분사하였고, 경사각 조정에 총 2.58kg의 연료가 사용되었다.
다목적실용위성 3호에는 단일 주파수 GPS 수신기가 장착되어 있어, 위성에서 수집된 Pseudo-range 및 Carrier phase와 세계 각지에 분포된 IGS(International GNSS Service)데이터를 이용하여, 이중차분에 의한 정밀궤도결정을 수행할 수 있다[6]. 다목적실용위성 3호의 경우 정밀궤도결정 요구사항이 8미터(3-sigma)인 점을 감안하여, GPS 위성 궤도력(Ephemeris)은 1미터 수준의 오차를 갖는 Broadcasting Orbit을 이용하였고, IGS 지상국은 데이터 가용도 및 기하학적 배치 형상을 고려하여 Fig. 7과 같이 20개를 선정하였다.
4m/s)을 사용하였다. 두 차례의 고도 조정에서 사용한 총 연료는 3.8kg이다.
데이터처리
이 방식은 정밀궤도결정에 비해 정밀도는 저하되지만, 빠르고 간단하게 궤도를 결정할 수 있다는 장점이 있다. 운영궤도결정의 정밀도를 확인하기 위해 정밀궤도결정 결과와 비교를 수행하였다. Fig.
이론/모형
고도 조정 단계에서는 연료 사용량 및 이심률 변화를 최소화 할 수 있도록 전형적인 호만 궤도 천이(Hohmann Transfer) 방식을 적용하였다. 아래 식(3)-(5)는 호만 궤도 천이 방식에서 속도 증분량에 대한 해석적인 값을 나타낸다.
정밀궤도에 사용된 주요 모델링 파라미터 및 데이터 정보는 Table 3에 나타내었다. 정밀궤도결정 결과의 정밀도를 판단하기 위해 Fig. 8과 같이 일부 구간이 중첩되는 두 개의 독립된 그리고 연속된 시점의 데이터를 이용하여 궤도를 결정한 후 서로 비교 평가하는 중첩방식(Overlapping Method)을 적용하였다. Fig.
정밀궤도결정은 NASA GSFC(Goddard Space Flight Center)의 GEODYN 기반의 상용 소프트웨어인 MicroCosm을 이용하였다[7]. MicroCosm에서 정밀궤도결정은 총 3단계로 구성되는데, 1단계에서는 IGS 지상국 데이터와 GPS 궤도력을 이용하여 시간보정을 수행한 후 GPS 위성에 대한 정밀 궤도력을 생성한다.
성능/효과
GPS 수신기는 발사 후 약 14시간 이후에 동작하기 시작하였고, 이 시점 이후부터는 GPS 수신기에서 계산된 항법해(Navigation Solution)를 이용하여 궤도결정을 수행하였다. 2시간 30분 분량의 GPS 항법해(위성 위치 및 속도)를 이용하여 궤도결정을 수행한 결과, 발사체에서 제공한 위성 분리벡터와는 고도 약 91미터, 경사각 0.0004도, 이심률은 10E-5 수준의 차이를 나타내었다. 이는 기존 궤도정보 및 새로 결정된 궤도정보가 신뢰할 수준임을 의미하며, 발사 후 11번째 궤도까지 특별한 궤도변화가 없음을 보여준다.
지상국에서는 당초 예상된 궤도정보를 이용하여 교신을 준비하고 있었고, 발사체 분리 벡터가 기존 예상 값과 유사한 수준이어서 지상 안테나 추적을 위한 궤도정보를 따로 변경하지 않았다. 결과적으로도 첫 번째 지상 교신을 안정적으로 수행하였고, 지상국에서 파악한 궤도와 위성의 실제 궤도가 유사함을 확인할 수 있었다.
또한, 궤도 경사각 및 고도를 성공적으로 조정하여 당초 계획한 임무궤도를 획득할 수 있었다. 궤도정밀도 측면에서는 정밀궤도결정 데이터의 경우 약 1-2미터 수준임을 확인할 수 있었고, GPS 항법해를 이용한 간단한 형태의 운영궤도결정은 5미터 수준의 정밀도를 갖는 것으로 확인되었다. 또한, GPS 수신기에서 계산된 항법해의 정밀도는 20미터 수준이었고, 임무운영을 위한 하루 궤도예측 정밀도는 최대 300-400미터 수준으로 확인되었다.
3은 경사각 조정 이전 1주일과 이후 1주일에 대한 경사각 및 승교점지방시의 변화를 각각 나타낸 것이다. 그림을 통해 경사각이 목표 값을 획득하였음을 알 수 있고, 승교점지방시도 경사각 조정 이전에는 하루 약 2-3초씩 늦어졌으나, 경사각 조정 이후에는 하루 약 1-2초씩 늦어지게 되어 궤도운영에도 유리하게 작용함을 확인할 수 있었다. 승교점지방시의 변화율은 식 (2)에 나타낸 J2 교란력에 의한 승교점적경 변화율이 경사각 감소에 따라 줄어들었기 때문이다[5].
궤도정밀도 측면에서는 정밀궤도결정 데이터의 경우 약 1-2미터 수준임을 확인할 수 있었고, GPS 항법해를 이용한 간단한 형태의 운영궤도결정은 5미터 수준의 정밀도를 갖는 것으로 확인되었다. 또한, GPS 수신기에서 계산된 항법해의 정밀도는 20미터 수준이었고, 임무운영을 위한 하루 궤도예측 정밀도는 최대 300-400미터 수준으로 확인되었다. 현재 다목적실용위성 3호는 발사 후 초기운영을 통해 임무궤도 상에서 정상적으로 운영되고 있으며, 초기운영 결과를 토대로 궤도 데이터 처리에 필요한 파라미터 최적화, 비행역학 소프트웨어 기능개선 등을 지속적으로 수행할 예정이다.
9는 2012년 7월 1일부터 12월 31일까지 6개월(약 180일) 동안 매일 수행한 정밀궤도결정결과를 이용하여 중첩구간(4시간)에 대한 궤도 오차를 반경(Range)방향으로 나타내었고, Table 4는 월 평균값으로 환산한 것이다. 중첩방식을 이용한 하루 궤도 차이는 평균 1-2미터 수준으로 확인되었다.
경사각 조정 및 고도 조정의 목표 값과 실제 변경 값은 Table 2에 정리하였다. 표에서 효율은 당초 목표 값 대비 실제 변화 값의 비율로서, 약 90% 수준의 정확도를 확인할 수 있는데, 이는 추력 사용 구간에서 위성 자세제어에 따른 분력이 발생하였고 추력기 위치 및 정렬 계산오차나 추진제 성능 특성에 기인한 것으로 판단된다. 향후 궤도조정 시에는 효율 값을 고려함으로써, 보다 정밀한 궤도조정이 가능할 것으로 예상된다.
후속연구
표에서 효율은 당초 목표 값 대비 실제 변화 값의 비율로서, 약 90% 수준의 정확도를 확인할 수 있는데, 이는 추력 사용 구간에서 위성 자세제어에 따른 분력이 발생하였고 추력기 위치 및 정렬 계산오차나 추진제 성능 특성에 기인한 것으로 판단된다. 향후 궤도조정 시에는 효율 값을 고려함으로써, 보다 정밀한 궤도조정이 가능할 것으로 예상된다.
또한, GPS 수신기에서 계산된 항법해의 정밀도는 20미터 수준이었고, 임무운영을 위한 하루 궤도예측 정밀도는 최대 300-400미터 수준으로 확인되었다. 현재 다목적실용위성 3호는 발사 후 초기운영을 통해 임무궤도 상에서 정상적으로 운영되고 있으며, 초기운영 결과를 토대로 궤도 데이터 처리에 필요한 파라미터 최적화, 비행역학 소프트웨어 기능개선 등을 지속적으로 수행할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
궤도조정은 어떻게 구분되는가?
또한, 위성이 발사체에 의해 투입된 궤도로부터 미리 정의된 임무궤도로 변경하기 위해서는 궤도조정이 필요하다. 궤도조정은 크게 동일 궤도평면 상에서 고도나 이심률을 조정하기 위한 In-plane maneuver와 경사각(Inclination) 또는 승교점(Ascending Node) 적경을 조정하기 위한 Out-of-plane maneuver로 구분된다. 이를 위해 궤도조정 전반적인 절차를 검증하고, 추력기의 성능을 확인하는 선행절차도 반드시 수행되어야 한다.
다목적실용위성 3호는 언제 성공적으로 발사되었는가?
2004년 8월 개발에 착수한 다목적실용위성 3호(KOMPSAT-3, KOrea Multi-Purpose SATellite)는 2012년 5월 18일 H2A 발사체에 의해 성공적으로 발사되었다[1]. 위성이 발사체로부터 분리된 후 초기 궤도정보를 수집하여 안정적인 궤도정보를 확보하는 것은 위성운영의 첫 번째 단계이다.
다목적실용위성 3호의 초기 궤도운영 결과는 어떠한가?
본 논문에서는 다목적실용위성 3호의 초기 궤도운영 결과를 기술하였다. 다목적실용위성 3호는 2012년 5월 18일 발사된 이후 지상국 추적데이터 및 GPS 수신기 데이터를 이용한 궤도결정을 통해 위성의 초기 궤도정보를 획득하였다. 또한, 발사체 투입 궤도로부터 임무궤도로의 변경을 위한 궤도조정을 성공적으로 완료하였다. 그리고 GPS 수신기 원시데이터 및 IGS 데이터를 이용한 정밀궤도결정을 통해 궤도 정밀도를 확인하였다. 다목적 실용위성 3호는 현재 임무궤도에서 정상 운영 중에 있으며, 한국항공우주연구원 지상 관제국에서는 위성 임무 수행에 필요한 궤도 데이터를 매일 생성하여 배포하고 있다. 초기 운영 기간 동안 수행된 궤도운영 결과는 향후 다른 위성의 초기운영의 참고자료로 활용할 예정이다.
참고문헌 (7)
H.S. Kim, "KOMPSAT-3 Development and Operation", KSAS Magazine(ISSN1975-9525), Vol. 6, No. 2, pp.59-68, 2012.
H.D. Kim, O.C. Jung, and E.K. Kim, "Orbit Analysis for KOMPSAT-2 During LEOP and Mission Lifetime", Journal of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 38, No. 9, pp.914-924, 2010.
H.D. Kim, O.C. Jung, E.K. Kim, and H.C. Bang, "Orbit Determination and Orbit Maneuver Performance for the KOMPSAT-2", Proceeding of the 2006 KSAS Fall Conference, 2006.
O.C. Jung, S.J. Choi, Y.J. Cheon, H.D. Kim, D.W. Chung, Y.S. Chun, H.J. Kim, and B.S. Lee, "Analysis on Orbit Maneuver Result of KOMPSAT-2", Proceeding of the 2011 KSAS Spring Conference, 2011.
H. Schaub and J. L. Junkins, Analytical Mechanics of Space Systems, AIAA, 2003.
Y.L. Hwang, B.S. Lee, Y.R. Kim, K.M. Roh, O.C. Jung, and H.D. Kim, "GPS-Based Orbit Determination for KOMPSAT-5 Satellite", ETRI Journal, Vol. 33, No. 4. 2011.
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