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TLE를 이용한 우주물체 궤도예측 정밀도 향상 연구
A Study on Enhancement of Orbit Prediction Precision for Space Objects Using TLE 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.42 no.3, 2014년, pp.270 - 278  

임현정 (Korea Aerospace Research Institute) ,  정옥철 (Korea Aerospace Research Institute) ,  정대원 (Korea Aerospace Research Institute)

초록
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본 논문에서는 우주물체 궤도예측의 개선 방안에 관하여 기술하였다. 운용위성과 우주물체와의 근접 가능성 여부를 확인하기 위해 이용되는 TLE(Two-Line Element)를 가관측으로 사용하였고, 비행역학시스템을 통해 궤도결정 및 예측을 수행하였다. 궤도를 결정함에 있어 일정기간 내 일련의 TLE를 이용하여 상태벡터를 가정하였고, 결정기간 및 가관측수(pseudo-observations)에 따른 예측결과 오차를 분석하였다. 또한, 제안된 방식을 적용할 경우 궤도예측 정밀도가 향상 되는지를 알아보기 위해 수 미터 수준의 정밀궤도 확인이 가능한 아리랑위성 2, 3호를 대상으로 먼저 적용하였으며, 동일한 조건으로 우주물체에 적용한 결과를 분석하였다. 우주물체 궤도예측의 RMS 오차 비교 결과, 7일 전파기준으로 궤도 예측 정밀도를 약 90% 향상시킬 수 있었다. 우주물체의 개선된 궤도예측은 매일 수행되는 충돌가능성 분석에 이용되어 위험성이 높은 근접 우주물체의 1차적인 선별에 활용가능 할 것이다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper describes an improvement of space objects orbit prediction. To screen possible collisions between operational satellites and space objects, the TLE (Two-Line Element) was used as pseudo-measurement and than the orbit determination and orbit prediction were performed through the flight dyn...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서 TLE 사용에 있어 궤도예측 오차를 줄이고 운용위성과 우주물체와의 신뢰할만한 충돌 예상을 알아보기 위해 더 정밀한 궤도정보가 요구된다. 본 논문에서는 기선행연구에서 제시한 방법들을 바탕으로 연속되는 TLE의 관측수 변화 및 근접물체의 면적을 추정하는 방법 등으로 장기간의 궤도예측 오차를 줄일 수 있는지에 대해 분석하였다. 2.
  • 본 논문에서는 위성의 추적 및 운영에 많이 사용하고 있는 TLE를 이용하여 우주물체의 개선된 궤도예측을 수행하였다. 먼저 TLE와 비행역학시스템을 이용하여 결정기간 및 가관측수에 따른 예측오차를 비교하기 위해 정밀궤도를 갖는 아리랑위성으로 예측을 수행하였고, TLE의 결정궤도를 이용한 예측결과와 정밀궤도를 비교함으로써 결정기간에 따른 예측오차의 감소를 살펴보았다.
  • 우주물체들과 위성간의 근접 위험을 분석하기 위해 1차적으로 사용되는 TLE의 궤도예측 정밀도 향상에 대한 연구, 충돌확률 정밀도 향상, 그리고 우주물체와의 충돌을 회피하기 위한 충돌회피기동 방법에 이르기까지 많은 연구들이 진행되어왔다. 본 논문에서는 참고문헌 [3,4]에서 다룬 TLE 궤도예측 정밀도 향상 방법을 이용하여 관측수에 따른 영향 분석 및 운영위성뿐만 아니라 근접물체의 궤도예측 향상 가능성에 대해 다루었다. 특히, 본 논문에서는 질량 및 면적을 알 수 없는 우주물체에 대해 면적을 추정하여 궤도결정에 적용함으로써 정밀도 향상 가능성에 대해 알아보았다.
  • 이러한 위성의 충돌 및 발사로부터 증가한 우주물체를 경감시키기 위해 국제적으로 많은 노력을 기울이고 있으며, 해결방안으로는 크게 파편의 위험을 완화시키는 것과 파편을 제거하는 방안이 있다. 본 논문에서는 파편의 접근 위험 예측을 개선시키기 위하여 궤도예측의 정밀도 향상에 대한 방안을 제시하려고 한다. 궤도예측에 사용되는 궤도정보는 미 전략사령부 산하 합동우주운영센터 (JSpOC)에서 10 cm 이상의 약 17,000여개의 우주물체를 추적하여 배포하는 TLE(Two Line Element) 형식의 평균 궤도 요소를 이용한다.
  • 한편, 참고문헌 [3]에서 다룬 궤도예측 향상 방법으로 TLE를 가관측으로 사용하여 일괄처리 방식의 최소 자승법으로 궤도를 근사시킨 후, 고정밀 궤도 전파기를 사용하여 궤도를 예측하였고, 최신 TLE로 동일 기간 동안 예측한 결과와의 비교를 제시하였다. 본 절에서는 참고 논문 [3]을 토대로 궤도결정 기간(Fitting period)의 변화 및 동일 기간 내의 가관측 데이터의 개수를 변경함으로써 궤도예측 정밀도의 변화를 알아보았으며, 분석을 위해 사용된 궤도결정 및 궤도예측 시스템에 대해 설명하였다.
  • 본 논문에서는 참고문헌 [3,4]에서 다룬 TLE 궤도예측 정밀도 향상 방법을 이용하여 관측수에 따른 영향 분석 및 운영위성뿐만 아니라 근접물체의 궤도예측 향상 가능성에 대해 다루었다. 특히, 본 논문에서는 질량 및 면적을 알 수 없는 우주물체에 대해 면적을 추정하여 궤도결정에 적용함으로써 정밀도 향상 가능성에 대해 알아보았다.

가설 설정

  • 실제 궤도를 알 수 없으므로 전파 결과로 얻은 상태벡터를 실제 궤도로 가정한다(B').
  • 이때 정보를 알 수 있는 우주물체의 경우, 질량과 면적을 조사하고 TLE를 제공하는 사이트[8]에서 RCS(Radar Cross Section) 값을 확인한다. 우주파편의 경우 RCS를 확인하고 RCS가 없을 경우, 질량을 1kg, 면적을 0.1 m2 으로 가정한다. RCS 정보는 위성진행방향으로의 정확한 단면적을 제공하지 않으며, 아리랑위성의 경우에도 면적과 RCS 차이가 존재한다.
  • FR 1 위성의 경우, TCA로부터 30일 전인 5월 1일부터 30일 이후까지 궤도를 전파한다고 가정할 때, 5월 1일 이전 TLE로부터 궤도를 결정하여 전파한 결과와 5월 1일자 TLE를 이용하여 전파한 예측결과를 비교해보았다. 이때 비교를 위한 기준궤도는 한 달 내 배포된 TLEs를 전파하여 얻은 결과로 가정하였다. 기준궤도는 TLE의 배포 수 또는 주기에 따라 예측 오차를 지닐 수 있으며, TLE의 불확실성 및 SGP4 전파기를 통한 전파 오차가 존재할 수 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
FDS의 궤도 결정 및 예측 결과에 작용하는 변수에는 어떤 것이 있는가? FDS의 궤도결정 알고리즘은 최소자승법을 이용한 일괄처리기법을 이용하고, 궤도결정 및 궤도예측을 위해 정밀한 동역학 모델들을 포함하고 있으며 그 내용은 Table 1과 같다. 궤도결정 및 예측 결과에 작용하는 또 다른 변수로는 위성의 질량과 크기가 있다. 크기 정보에서 태양복사압력 또는 대기 항에 영향을 받는 면적을 구할 수 있으므로 질량과 면적을 통해 면적 대 질량비를 얻을 수 있다.
FDS이란? FDS는 일상적인 임무계획 및 위성 추적을 위해 사용하는 운용궤도결정의 생성뿐만 아니라 궤도를 전파하여 위성의 위치를 예측하는 기능을 갖춘 시스템이다. FDS의 궤도결정 알고리즘은 최소자승법을 이용한 일괄처리기법을 이용하고, 궤도결정 및 궤도예측을 위해 정밀한 동역학 모델들을 포함하고 있으며 그 내용은 Table 1과 같다.
FDS의 궤도결정 알고리즘은 어떤 알고리즘을 이용하는가? FDS는 일상적인 임무계획 및 위성 추적을 위해 사용하는 운용궤도결정의 생성뿐만 아니라 궤도를 전파하여 위성의 위치를 예측하는 기능을 갖춘 시스템이다. FDS의 궤도결정 알고리즘은 최소자승법을 이용한 일괄처리기법을 이용하고, 궤도결정 및 궤도예측을 위해 정밀한 동역학 모델들을 포함하고 있으며 그 내용은 Table 1과 같다. 궤도결정 및 예측 결과에 작용하는 또 다른 변수로는 위성의 질량과 크기가 있다.
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참고문헌 (8)

  1. www.celestrack.com 

  2. Flohrer, T., Krag, H. and Klinkrad, H. "ESA's process for the identification and assessment of high-risk conjunction events," Adv. Space Res., 2009 

  3. Hae-Dong Kim, Young-Joo Song, "NORAD TLE based ground orbit determination strategy for mitigating space debris collisions," Proceedings of AAS/AIAA Space flight mechanics meeting, 2011. 

  4. Levit. C., Marshall, W., "Improved Orbit Predictions using Two-Line Elements," Advances in Space Research, 2011, Vol. 62, No. 7, 1107-1115 

  5. Choi, S. J., Jung, O. C., Park, S. J., Chung, D.W., Chun, Y. S., Kim, H. J., 2009, "Automated Conjunction Analysis Systemand Basic Concept of Contingency Operation for KOMPSAT-2," 60th IAC 

  6. Hae-Dong Kim, Hae-Jin Choi and Eun-Kyou Kim "Performance analysis of the KOMPSAT-1 Orbit Determination Using GPS Navigation Solutions," KSAS, Vol. 32, No. 4, May. 2004, pp.43-52 

  7. T.S. Kelso, https://celestrak.com/columns/v04n03/ 

  8. www.space-track.org 

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