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저궤도위성의 레이더 관측데이터를 이용한 KARISMA의 궤도결정 결과 분석
Analysis of Orbit Determination of the KARISMA Using Radar Tracking Data of a LEO Satellite 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.43 no.11, 2015년, pp.1016 - 1027  

조동현 (Korea Aerospace Research Institute) ,  김해동 (Korea Aerospace Research Institute)

초록
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본 논문에서는 한국항공우주연구원에서 개발한 우주파편 충돌위험 종합관리 시스템(KARISMA, KARI Collision Risk Management System)의 궤도결정 성능에 대한 검증을 위해 저궤도 우주물체에 대한 레이더 관측데이터를 이용한 궤도결정을 수행하였다. 레이더 관측데이터로는 운영 종료된 우리별 3호(KITSAT-3)에 대해 독일 우주운영센터(GSOC, German Space Operations Center)의 협조로 얻은 TIRA(Tracking & Imaging Radar) 시스템의 실제 레이더 관측데이터를 사용하였다. 궤도결정 결과의 비교를 위해서 동일한 관측데이터에 대한 독일 우주운영센터의 정밀궤도결정 결과와 비교를 하였으며, 그 결과 약 60m 정도의 평균 위치오차가 있음을 확인할 수 있었다. 하지만 해당 결과는 관측데이터에 대한 오차보정 정보 등의 누락으로 인해 영향을 받았다. 이를 확인하기 위해 관측데이터에 대한 오차분석 및 관측오차가 큰 첫 관측데이터 아크를 배제하였다. 이 결과에서는 약 25m 정도의 평균 위치오차로 줄어듬을 확인할 수 있었다. 따라서 최종적으로 관측데이터에 대한 오차보정 정보를 적용할 경우 궤도결정 정밀도를 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this paper, a orbit determination process was carried out based on KARISMA(KARI Collision Risk Management System) developed by KARI(Korea Aerospace Research Institute) to verify the orbit determination performance of this system, in which radar tracking data of a space debris was used. The real r...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 우주파편에 의한 충돌위험 분석을 위해 충돌위험을 갖고 접근해오는 우주물체에 대한 정밀궤도 정보 생성을 위해 실제 레이더 관측데이터를 이용한 궤도결정을 수행하였다. 이를 위해서 독일 우주운영센터의 협조로 얻은 우리별 3호 위성에 대한 3일간의 실제 레이더 관측 데이터를 바탕으로 항우연에서 개발한 우주파편 충돌위험 종합관리 시스템(KARISMA)을 활용하여 궤도결정을 수행하였으며, 그 결과 독일 우주 운영센터의 궤도결정 결과와 비교했을 때 대략 60m 정도의 평균오차를 보였다.
  • 앞에서 설정한 지상국, 위성모델, 역학모델, 초기궤도 정보를 바탕으로 KARISMA를 통해 독일 우주운영센터의 레이더 관측데이터에 대한 정밀 궤결정을 수행하였으며, 본 절에서는 KARISMA의 정밀궤도결정 결과에 대해 기술토록 하겠다.
  • 이에 본 논문에서는 KARISMA의 궤도결정 성능에 대한 검증을 위해 가상의 레이더 관측데이터가 아닌 실제 레이더 관측데이터를 이용하여 궤도결정을 수행해보고 이를 분석해보고자 한다. 이를 위해서 독일 우주운영센터(GSOC, German Space Operations Center)의 협조로 얻은 우리별 3호(KITSAT-3) 위성에 대한 TIRA(Tracking & Imaging Radar) 시스템의 실제 레이더 관측데이터를 이용해서 궤도결정을 수행한 후 해당 결과를 독일 우주운영센터에서 같이 제공해준 궤도결정 결과와 비교하여 보았다.

가설 설정

  • 이 때 최대 면적은 양쪽 태양전지판을 모두 펼쳤을 때 (495 + 604 + 604 mm)를 가정하여서 계산하였으며, 역학모델에서는 태양복사압에 대한 외란력 및 지구 대기항력을 계산하기 위한 위성 단면적 정보로 활용하기 위해서 최대 면적의 절반정도인 0.5m2의 값을 이용하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
우주파편에 의한 충돌위험 분석을 위해 필요한 것은? 일반적으로 우주파편에 의한 충돌위험 분석을 위해서는 각각의 우주물체에 대한 정밀한 궤도정보가 필요하다. 자국의 위성에 대해서는 해당 위성의 지상 관제소에서 정밀한 궤도정보를 얻을 수 있지만, 충돌위험을 가지고 접근해오는 우주 물체에 대한 궤도정보는 대부분 미국의 합동우주 전략센터(JSpOc, Joint Space Operations Center)에서 제공해주고 있는 TLE(Two Line Elements) 혹은 CDM(Conjunction Data Message)에 의존하고 있다.
항우연에서 개발한 KARISMA은 어떤 과정을 통해 운영되고 있는가? 2와 같이 개발하였다(7-12). 항우연에서 개발한 KARISMA는 2013년 1차 완성이 된 후 2014년 1월 1일부터 6개월동안 항우연 지상관제소에서 시험운영을 거쳐 2014년 8월부터 정식적으로 운영되고 있으며, 현재는 상업화 과정을 통해 상업화 버전인 CHARISMA(Conjunction Handling, Assessment and RISk Management Application)를 완성하였다(12).
KARISMA의 정밀궤도결정 모듈로 AGI사에서 개발한 궤도결정 소프트웨어인 ODTK(Orbit Determination Tool Kit)를 사용하는 이유는? 앞서 여러 참고문헌(7-11)에서 언급한 바와 같이 KARISMA는 개발자원 및 개발기간 감축을 위해 COTS(Commercial Off-The-Shell) 기반으로 설계·개발 되었으며, KARISMA의 정밀궤도결정 모듈은 AGI사에서 개발한 궤도결정 소프트웨어인 ODTK(Orbit Determination Tool Kit)를 사용하고 있다. 이는 자사 소프트웨어인 STK(System Tool Kit )와 같은 궤도역학 모델과 적분기 (integrator)를 사용함으로써 높은 신뢰도를 가지고 여러 분야에서 사용되고 있다(15-19). ODTK는 초기궤도 정보를 바탕으로 순차적으로 들어오는 관측데이터를 순차필터(Sequential Filter)기법을 이용하여 궤도결정을 수행하기 때문에 여타의 배치필터의 결과와는 다소 상이한 특성을 가진다(9).
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참고문헌 (28)

  1. Internet Article in Korean (http://www.kookje.co.kr/news2011/asp/newsbody.asp?code0800&key20140915.22019190129) 

  2. Internet Article in Korean (http://www.yonhapnews.co.kr/bulletin/2015/01/04/0200000000AKR20150104031851017.HTML?input1195m) 

  3. Orbit Debris Quarterly News, NASA, Jan. 2014, Vol.18, Issue 1 (http://orbitaldebris.jsc.nasa.gov/newsletter/pdfs/ODQNv18i1.pdf) 

  4. Kim, H.-D., Jung, O.-C., Kim, E.-K., Kim, H.-J. and Bang, H.-C., "A conjunction analysis between KOMPSAT spacecraft and LEO debris," Proc. of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences(in Korean), Apr. 2007, pp. 609-612. 

  5. Kim, E. H., Kim, H. D. and Kim, H. J., "A Study on the Collision Avoidance Maneuver Optimization with Multiple Space Debris," Journal of Astronomy and Space Sciences, Vol. 29, No. 1, 2009, pp. 11-21. 

  6. Kim, E.-H., Kim, H.-D., Kim, E.-G. and Ki m, H.-J., "Analysis of collision avoidance mane uver frequency for the KOMPSAT-2 and KOM PSAT-5," Journal of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences(in Korean), Vol. 39, No. 11, Nov. 2011, pp. 1033-1041. 

  7. Kim, H.-D., Kim, E.-H., Eom, W.-S., Kim E.-K. and Kim, H.-J., "Conceptual design of a space debris collision risk management system," Proc. of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences(in Korean), Nov. 2011, pp. 543-546. 

  8. Kim, H.-D., Lee, S.-C., Cho, D.-H. and Seong, J.-D., "Development of KARI Space Debris Collision Risk Management System,", Proc. of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences (in Korean), Apr. 2013, pp. 773-776. 

  9. Cho, D.-H. and Kim, H.-D., "A Comparison of Orbit Determination Performance for the KOMPSAT-2 using Batch Filter and Sequential Filter," Aerospace Engineering and Technology, Vol. 11, No. 2, 2012, pp. 149-157. 

  10. Cho, D.-H., Kim, H.-D. and Lee, S.-C., " Analysis of the KARISMA Orbit Determination Performance for the Radar Tracking Data," Aerospace Engineering and Technology, Vol. 12, No. 2, 2013, pp. 123-130. 

  11. Cho, D.-H., Kim, H.-D. and Lee, S.-C., " Analysis of Precise Orbit Determination of the KARISMA Using Optical Tracking Data of a G eostationary Satellite," Journal of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences(in Korean), Vol. 42, No. 8, 2014, pp. 173-180. 

  12. Kim, H.-D., Lee, S.-C., Cho, D.-H. and S ung, J.-D., "Improvement of the KARISMA for the Commercialization," Proc. of 1st International CA Workshop, May. 2014. 

  13. Fruh, C. and Schildknecht, T., "Accuracy of Two-Line-Element Data for Geostationary an d High-Eccentricity Orbits," Journal of Guidance, Control, and Dynamics, Vol. 35, No. 5, 2012, pp. 1483-1491. 

  14. Choi, S.-J., Kim, H.-D. and Jung, O.-C., "An Analysis of CSM orbit for Conjunction As sessment of Space Debris," Journal of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences(in Korean), Vol. 41, No. 2, 2013, pp. 164-171. 

  15. ODTK Training Material, AGI. 

  16. ODTK-A Technical Summary, AGI, 2007 

  17. Vallado, D. A., Hujsak, R. S., Johnson, T. M., Seago, J. H. and Woodburn, J. W., "Orbit Determination using ODTK Version 6," European Space Astronomy Center, 2010. 

  18. Wright, J. R. et al, Orbit Determination Tool Kit, AGI, 2013. 

  19. Vallado, D. A. and Agapov, V., "Orbit Determination Results from Optical Measurements," AIAA/AAS Astrodynamics Specialist Conference, 2010, AIAA 2010-7525. 

  20. Mehrholz, D., Leushacke, L., Flury, W., Jehn, R., Klinkrad, H. and Landgraf, M., "Detecting, Tracking and Imaging Space Debris," ESA Bulletin 109, Feb. 2002, pp.128-134. 

  21. SaTReC(Satellite Technology Research Center) Web-site (satrec.kaist.ac.kr) 

  22. Yim, H., Jung, O.-C. and Chung, D.-W., "A Study on Enhancement of Orbit Prediction Precision for Space Objects Using TLE," Journal of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences(in Korean), Vol. 42, No. 3, 2014, pp. 270-278. 

  23. Tapley, B. D., Watkins, M. M., Ries, J. C., Davis, G. W., Eanes, R. J., Poole, S. R., Rim, H. J., Schutz, B. E., Shum, C. K., Nerem R. S., Lerch F. J., Marshall J. A., Kiosko S. M., Pavlis N. K. and Williamson R. G., "The Joint Gravity Model 3," Journal of Geophysical Research: Solid Earth, Vol. 101, Issue B12, 1996, pp. 28029-28049. 

  24. Jacchia, L. G. "Revised static models of the thermosphere and exosphere with empirical profiles," Smithsonian Astrophysical Observatory, 1971. 

  25. Folkner, W. M., Williams, J. G. and Boggs, D. H., "The Planetary and Lunar Ephemeris DE 421" IPN Progress Report Vol. 42, Issue 178, 2009. pp.1-34. 

  26. Kim, H.-D., Kim, E.-K., Kim, H.-J. and Kim, E.-H., "NORAD TLE Based Ground Orbit Determination for Mitigating Space Debris Collisions," Proc. of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences (in Korean), 2010, pp. 993-996. 

  27. Curry, G. R., Radar Essentials : A Concise Handbook for Radar Design and Performance Analysis, Scitech publishing, 2011, pp.69-76. 

  28. Weil, T.A., "Atmospheric lens effect, another loss for the radar range equation," IEEE Trans. Aerospace and Electronic Systems, Vol. AES-9, Jan. 1973, pp.51-54. 

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