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문제 정의
- 우주발사체 지상 텔레메트리, 위성체, 무기 등의 응용 분야에서 안테나 또는 탑재된 센서의 포인팅 정확도는 고유의 임무를 수행하는데 중요한 성능이다. 본 논문에서는 발사체 텔레메트리 지상분야의 이동형 다운레인지 텔레메트리 시스템(MDRS: Mobile Down Range telemetry System)[1]의 포인팅 정확도를 다룬다. MDRS는 우주발사체를 발사할 때 지상에서 운용할 목적으로 한국항공우주연구원이 프랑스의 ZDS(Zodiac Data Systems, 구 INSNEC)사와 개발한 장비로서, 나로우주센터 지상국 텔레메트리 시스템을 구성하는 단위 장비이다.
- 본 논문에서는 저궤도 위성들을 추적하고, 포인팅 오차와 포인팅 바이어스를 산출하는 방법을 기술하며, 이 방법에 따라 제주해상과 태평양 임무 해상에서 수행한 포인팅 바이어스 분석과 보정을 통해 포인팅 정확도가 개선되었음을 제시한다. 이어진 나로호 3차 발사 시험 데이터를 토대로 추적 결과를 분석하여 제시한다.
가설 설정
- 저궤도 위성을 추적하기 위해 TLE을 이용하여 예측된 궤도를 이용하였고, 이에 따른 궤도 예측 오차는 0.1° 정도로 가정하였다.
제안 방법
- ACU에 구현된 프로그램 추적모드(EPH, SLAVE)와 자동 추적모드(AUTO)를 이용하여 위성을 추적한 뒤에 데이터를 분석한다. 여기서 자동추적 모드는 모노펄스 추적 방식을 의미한다.
- 5 dB 이하로 최소화할 수 있다. MDRS 안테나의 포인팅 정확도와 추적 정확도를 정하는데, 이러한 점을 고려함과 함께 해외 유사 운용 사례를 참고하였다. 프랑스 국립항공우주국(CNES)에서는 해상용으로 Φ4m의 이동형 장비를 전장 76 m의 선박에 설치하여 운용한다.
- MDRS에서 사용할 함정이 CNES에서 이용한 선박보다 조건이 더 좋은 점과 앞에서 기술한 사항들을 고려하여 Sea status 5 단계에서 포인팅 정확도와 추적 정확도를 모두 0.45°로 정하고, 0.45°의 마진을 갖도록 하였다.
- 6 m로 개발하였다. S-band 대역의 PCM/FM 변조방식을 적용하는 발사체 텔레메트리 신호 및 S-band 대역의 위성신호를 추적할 수 있도록 하였다. 또한, 선형 편파와 원편파(LHCP, RHCP) 신호 모두 수신이 가능하며, 피드에서는 LHCP와 RHCP 각각 텔레메트리 신호와 트래킹 오차 신호(tracking error signals)를 검출하고, 이를 ACU로 전송한다.
- 나로호 3차 발사 전에 4-2절에서와 같이 포인팅 정확도를 향상시킨 후 수행된 3차 발사에서의 발사체 신호 추적 상태를 살펴보았다.
- 따라서 고각 0°부터 수신 신호레벨이 안정하기 시작하는 고각 6.2°까지는 SLAVE 모드로 추적하였고, 그 이후부터는 AUTO 모드로 추적하였다.
- S-band 대역의 PCM/FM 변조방식을 적용하는 발사체 텔레메트리 신호 및 S-band 대역의 위성신호를 추적할 수 있도록 하였다. 또한, 선형 편파와 원편파(LHCP, RHCP) 신호 모두 수신이 가능하며, 피드에서는 LHCP와 RHCP 각각 텔레메트리 신호와 트래킹 오차 신호(tracking error signals)를 검출하고, 이를 ACU로 전송한다.
- 해상에서 운용될 때의 MDRS 안테나의 포인팅 성능을 측정하는 방법으로서, 저궤도 위성을 추적하는 방법에 대하여 적용해 보았다. 또한, 이것은 slave data를 수신 받아 운용하는 이동형 텔레메트리 지상 장비의 포인팅 정확도를 간접적으로 측정하는 수단으로 적용해 보았다. 저궤도 위성을 추적하기 위해 TLE을 이용하여 예측된 궤도를 이용하였고, 이에 따른 궤도 예측 오차는 0.
- 발사 후 290초 이전에는 SLAVE 모드로, T+290초부터는 자동 추적 모드로 진입하였다. 나로호가 MDRS 상공을 지날 때와 후반부 저고각에서 전파 굴절에 의한 추적을 제외하면 대부분의 구간에서 포인팅 오차(quadratic)는 0.
- 안테나 페데스털 내부에 자이로컴퍼스를 설치하여 진북, 선박의 헤딩각, 요동각 등을 측정하도록 하고, 이를 ACU로 전송하도록 하였다. 자이로컴퍼스는 IXSEA사의 광학(optic) 기술이 적용된 OCTAN 모델을 사용하였고, 이 모델의 정확도는 ±0.
- 이동성과 함정의 갑판 크기를 고려하여 안테나의 크기를 Φ4.6 m로 개발하였다.
- 전파 천체를 관측하여 기계적인 오차를 측정하고, 지상 안테나의 포인팅 특성을 교정한 연구[4]～[6]도 있고, 심우주용 안테나에 대한 포인팅 모델을 유도하여 개개의 오차 소스를 합하여 총 포인팅 오차로 기술한 연구[7]도 있다. 이들 연구에서는 공통적으로 포인팅 오차를 발생시키는 소스로서, 안테나 빔과 고각축의 비직교성(RF collimation error), 엔코더 오프셋, 축간 직교성, 축틸트, 중력에 의한 구조 변화 및 전파 굴절을 분석하였다. 위성 안테나의 경우, 스폿빔 안테나의 정렬 불량(misalignment)에 따른 포인팅 바이어스를 측정하고 보정하여 포인팅 정확도를 향상시킨 연구[8]를 볼 수 있다.
- 2005년 10월에 계약 후 22개월 간의 개발기간을 거쳐 2007년 8월에 국내로 도입하였고, 각종 육·해상 시험을 통해 2008년 4월에 최종 검수하였다. 이어 항공기를 이용한 10여 차례 모의비행 시험 및 발사장에서 발사체 온보드 텔레메트리 송신장비와의 통합연동 기능을 확인한 뒤 나로호 발사(2009년 8월 1차, 2010년 6월 2차, 2012년 10 월～2013년 1월 3차) 비행시험을 수행하였다. 해상에서 시험할 때는 그림 1과 같이 해양경찰청의 3,000톤급 경비 함정(제주 3002함: 전장 116 m, 폭 16 m)을 사용하였다.
- 본 논문에서는 저궤도 위성들을 추적하고, 포인팅 오차와 포인팅 바이어스를 산출하는 방법을 기술하며, 이 방법에 따라 제주해상과 태평양 임무 해상에서 수행한 포인팅 바이어스 분석과 보정을 통해 포인팅 정확도가 개선되었음을 제시한다. 이어진 나로호 3차 발사 시험 데이터를 토대로 추적 결과를 분석하여 제시한다.
- 함정 구조물이 발사체 신호와 인마샛 신호를 블록킹하는 것을 피하기 위하여 선수방향을 방위각 210°, 속력을 5 노트(knot)로 유지하고 시험하였다.
- 해상에서 운용될 때의 MDRS 안테나의 포인팅 성능을 측정하는 방법으로서, 저궤도 위성을 추적하는 방법에 대하여 적용해 보았다. 또한, 이것은 slave data를 수신 받아 운용하는 이동형 텔레메트리 지상 장비의 포인팅 정확도를 간접적으로 측정하는 수단으로 적용해 보았다.
- 해상에서 파고에 의한 자세를 안정화하는 동시에 신호를 추적할 수 있도록 3축(Cross Elevation, Elevation, Azimuth)으로 구동되는 마운트를 구성하였다. 그래서 각 축에 서보 컨트롤러를 두고 모터에 대한 제어 명령을 전달하고, 리졸버(resolver)로부터 위치정보를 피드백 받는다.
대상 데이터
- 2005년 10월에 계약 후 22개월 간의 개발기간을 거쳐 2007년 8월에 국내로 도입하였고, 각종 육·해상 시험을 통해 2008년 4월에 최종 검수하였다.
- 2012년 11월 23일 제주 서방 42마일 해상에서 파고가 2～4 m인 환경에서 위성을 추적하고, 분석한 결과를 표 2에 나타내었다.
- Table 1. LEO satellites tracked by MDRS for test.
- MDRS는 그림 8과 같이 태평양 공해상(동경 128.019°, 북위 18.888°)에 배치되어 발사 중․후반부의 나로호를 추적하고, 비행정보를 수신하였다.
- 나로호 3-2차 발사(2012년 11월 29일) 직전에 태평양 임무 해상(동경 128.019°, 북위 18.888°)에서 위성추적한 데이터를 표 3에 요약하였다.
- 이어 항공기를 이용한 10여 차례 모의비행 시험 및 발사장에서 발사체 온보드 텔레메트리 송신장비와의 통합연동 기능을 확인한 뒤 나로호 발사(2009년 8월 1차, 2010년 6월 2차, 2012년 10 월～2013년 1월 3차) 비행시험을 수행하였다. 해상에서 시험할 때는 그림 1과 같이 해양경찰청의 3,000톤급 경비 함정(제주 3002함: 전장 116 m, 폭 16 m)을 사용하였다.
이론/모형
- MDRS에서는 저궤도 위성추적이 가능하도록 MCS에서 NORAD TLE(Two Line Elements)를 입력한 뒤 추적할 위성의 통과시간 pass를 예약하여 사용할 수 있도록 하였다. MDRS MCS와 ACU는 궤도 결정 기능을 내장하지는 않고, SGP4(Simplified General Perturbations 4) 모델을 사용하여 궤도를 예측할 수 있도록 하였다.
- AUTO 모드 또는 EPH 모드로 추적하여 그림 6에서와 같이 포인팅 오차를 실시간으로 확인할 수 있고, 분석할 때는 저장된 데이터를 이용한다. 본 연구에서는 AUTO 모드 추적을 통한 포인팅 오차를 측정하는 방식을 사용하였다. 시험용으로 추적한 저궤도 위성과 주파수 및 채널정보는 표 1과 같다.
- 자이로컴퍼스는 IXSEA사의 광학(optic) 기술이 적용된 OCTAN 모델을 사용하였고, 이 모델의 정확도는 ±0.35도(3 σ)이다.
성능/효과
- 2008년부터 2011년까지의 육·해상 시험 데이터 분석에 따르면 MDRS에서 사용하는 자이로컴퍼스는 지상에서는 오차가 적고 안정적이지만, 해상에서는 오차가 증가하는 것으로 나타났다.
- 1° 정도로 가정하였다. TLE에 의한 궤도 예측 오차가 자이로컴퍼스의 오차보다 작다는 가정하에 포인팅 오차와 포인팅 바이어스를 산출할 수 있었다. 저궤도 위성의 궤적이 발사체의 궤적과 유사성이 있기 때문에, 여러 가지 위성을 1주일 정도 tracking campaign을 수행하고, 여기서 얻은 데이터를 앞에서 제시한 방법으로 분석하면 더 정확한 포인팅 바이어스를 얻을 수 있다.
- 나로호 1차 시험 결과, 고각 6.2°까지의 저고각에서는 해수면에 의한 multi-path 영향이 크게 나타났다.
- 방위각 축에서의 pointing error mean 값이 -0.5°이므로 0.5°만큼의 보정을 가정하고 포인팅 오차를 산출한 결과, 방위각 축에서의 포인팅 오차가 약 0.5° 개선되는 것이 확인된다.
- 방위각 축에서의 보정 전후의 값을 토대로 보정 정확도를 계산해 보면 표 5에서와 같이 96 %로 높게 나타나는데, 산출된 포인팅 바이어스가 크고, 적용한 보정값이 클수록 보정 효과가 크다. 반면에 2008년 4월 제주 및 태평양 시험 결과를 살펴보면 산출된 포인팅 바이어스와 적용한 보정값이 0.
- 보정 직후 제주 남방에서 태평양 임무지점까지 항해하는 동안 33개 pass를 추적한 결과에 따르면 포인팅 바이어스는 0.15°에서 0.10°로 개선되었고, 보정 정확도는 33 %로 낮게 산출된다.
- 분석 결과, 방위각 축에서 포인팅 바이어스는 -0.27° 존재함을 알 수 있는데, quadratic pointing error의 average 값은 0.45°로서 MDRS 요구성능을 만족한다.
- 시험 당시의 기상환경(파고: 약 2～3미터, 온도: 25～35 ℃, 습도: 80～90 %)은 MDRS의 운용환경 범위에 있고, 안테나의 설치 상태는 안정적이며, 주변 온도 상승에 의한 안테나의 구조적인 변화는 거의 없다고 판단된다. 따라서 당시 기상환경이 안테나 포인팅 바이어스의 요인으로 작용하지는 않은 것으로 보인다.
- 실험회수 측면에서 볼 때, 포인팅 바이어스는 추적한 모든 pass에 대해서 M(Do - Da)Az 값을 모두 산술평균 한 것이므로 위성추적 pass의 회수를 늘릴수록 보정값은 더 정확해지고 유효성은 증가하게 될 것이다.
- 안테나를 조립할 때 피드(Feed)는 정상적으로 설치되었으므로 피드 설치방향 불일치에 대한 영향도 거의 없다고 판단된다. 안테나가 고정된 갑판에서 파고에 의한 영향으로 미세한 진동이 감지되나, 일종의 angular noise로 작용하는 것으로 확인된다.
- 나로호 3차 발사 전에 제주 해상과 태평양 해상에서 수행한 시험은 pass의 횟수가 적었던 단점이 있으나, 단시간에 포인팅 정확도를 측정하고 보정할 수 있다는 점에 있어서는 장점을 지닌다. 요컨대, 해상에서 자이로컴퍼스의 측정오차가 표류(drift)하는 현상이 포인팅 바이어스의 지배적인 원인이 될 수 있음과 보정을 통해서 포인팅 정확도를 향상시킬 수 있음을 알 수 있었다. 실제 해상에서 포인팅 정확도를 향상시킨 후, 바로 이어진 발사시험에서 요구 성능을 만족하는 안정적인 추적이 이루어졌음이 확인된다.
- 25° 만큼 자이로컴퍼스의 헤딩 오프셋 값을 안테나 시스템에 보정하였다. 위성을 재추적하여 얻은 데이터를 분석한 결과, 표 4 및 표 5에서와 같이 포인팅 오차가 보정한 만큼 감소되어 결국 포인팅 정확도가 향상되었음을 알 수 있다.
- 34° 만큼 감소된 것으로 확인된다. 이를 바탕으로 자이로컴퍼스의 측정 에러가 포인팅 바이어스의 원인이 될 수 있음과 자이로컴퍼스 보정을 통하여 개선될 수 있음을 알 수 있다.
후속연구
- 요컨대, 해상에서 자이로컴퍼스의 측정오차가 표류(drift)하는 현상이 포인팅 바이어스의 지배적인 원인이 될 수 있음과 보정을 통해서 포인팅 정확도를 향상시킬 수 있음을 알 수 있었다. 실제 해상에서 포인팅 정확도를 향상시킨 후, 바로 이어진 발사시험에서 요구 성능을 만족하는 안정적인 추적이 이루어졌음이 확인된다.
- 이러한 성능으로 나로호 발사체 신호를 추적하는 데는 큰 문제는 발생하지 않을 것으로 판단되지만, Az pointing error mean 값이 ±0.35°를 초과하는 경우가 있으므로 실제 임무지점에서 추가적인 시험이 필요한 것으로 판단된다.
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