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저궤도 위성의 실시간 On-board 궤도 결정 성능 분석
Real Time On-board Orbit Determination Performance Analysis of Low Earth Orbit Satellites 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.43 no.1, 2015년, pp.79 - 87  

김은혁 (Satrec Initiative) ,  고동욱 (Satrec Initiative) ,  정영석 (Satrec Initiative) ,  박성백 (Satrec Initiative) ,  진현필 (Satrec Initiative) ,  이현우 (Satrec Initiative)

초록
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본 논문에서는 확장 칼만 필터(Extended Kalman Filter)를 이용하여 On-board상에 적용 가능한 궤도 결정 방안을 제시하고 GPS 수신기에 적용하여 그 결과를 분석하였다. 이때, On-board 상의 제한된 자원을 감안하여 본 연구에서는 $J_2$ 궤도 전파 모델GPS 항행해를 이용하여 궤도 결정을 수행하였으며 현재 운용 중인 두바이셋-2(DubaiSat-2) 인공위성에 적용한 결과를 분석하였다. 분석 결과 GPS 항행해에서 불규칙하게 발생하는 수 km의 큰 오차가 제거되었고 위치 오차는 70.26 m에서 26.25 m로 65% 감소하였으며 속도 오차는 3.6 m/s에서 0.044 m/s로 96% 감소하여 정밀도가 향상된 것을 확인할 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this paper, a real time on-board orbit determination method using the extended kalman filter is suggested and its performance is analyzed in the environment of the orbit. Considering the limited on-board resources, the $J_2$ orbit propagate model and the GPS navigation solution are use...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 확장 칼만 필터(Extended Kalman Filter)를 이용하여 On-board 상에 적용 가능한 궤도 결정 방안을 제시하고 GPS 수신기에 적용하여 그 결과를 분석하였다. 이때, 기존 연구에서 On-board 상의 제한된 자원으로 인해 궤도 결정 수행 시 과도한 계산 시간이 소요되어 실제 On-board에 적용하기 어려웠던 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 간단한 J궤도 전파모델을 확장 칼만 필터와 함께 사용하였고 의사거리 대신 GPS 항행해를 관측 정보로 이용하여 궤도 결정 수행 시간을 단축하고자 하였다.
  • 본 논문에서는 확장 칼만 필터(Extended Kalman Filter)를 이용하여 On-board 상에 적용가능한 궤도 결정 방안을 제시하고 그 결과를 분석하였다. 이때, On-board 상의 제한된 자원(Resource)을 감안하여 본 연구에서는 간단한 J2궤도 전파 모델을 적용하였고 의사거리 대신 GPS 항행해를 관측 정보로 이용하여 궤도 결정을 수행한 결과 On-board 상에서 궤도 결정에 소요되는 시간은 0.
  • 본 절에서는 DS-2 인공위성의 GPS 수신기에 On-board 궤도 결정 시스템을 적용하여 그 동작결과에 대해서 기술한다. 분석 환경은 지상에서 GPS 시뮬레이터를 이용하여 우주 환경을 모사한 경우와 현재 운용 중인 DS-2의 GPS 수신기에 적용한 실제 우주 환경 두 가지이다.
  • 본 논문에서는 On-board 궤도 결정을 수행하기 위하여 확장 칼만 필터를 적용하였다. 칼만 필터가 선형 문제에 적용된 선형 필터인데 반해 확장 칼만 필터는 비선형 문제에 적용하기 위해 개발되었다. 비선형 문제의 최적해는 상태의 조건부 확률밀도함수에 대해 정확히 알아야 구할 수 있지만, 이를 위해선 무한개의 모멘트를 구해야 한다[12].

가설 설정

  • 여기서 Y는 관측 정보이고, G는 관측 함수, v는 관측 정보의 백색 잡음(white noise) 형태의 관측 잡음이다. 본 논문에서는 GPS 항행해를 관측 정보로 사용했음으로 관측 정보와 상태 벡터는 선형 관계를 갖는다. 따라서 H는 단위행렬(I6)로 간단히 표현된다.
  • 본 연구에서는 비대칭중력장 모델만을 적용한 J2궤도 전파 모델을 고려하였다. 비대칭 중력장 모델은 다른 섭동력에 비해 상대적으로 크고 J2궤도 전파 모델의 경우 간단하지만 큰 오차를 수반하지 않고 적절한 결과를 얻을 수 있다는 면에서 타당한 가정이다. J2까지만 고려된 운동방정식을 정리하면 식 (2)와 같다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
지구 관측 인공위성의 인공위성의 위치, 속도정보가 정밀하고 높은 안정성을 요구받는 이유는 무엇인가 이와 같은 고성능 관측위성일수록 영상 품질 향상을 위해 정확한 관측위치(Target Pointing)를 추적해야 한다. 지구 관측 인공위성은 자세제어 시 위성 동체 좌표계(Body Frame)를 기준으로 관측 대상의 위치를 파악하고 기동하기 때문에 인공위성의 위치, 속도 정보는 정밀도뿐만 아니라 높은 안정성을 요구받는다. 인공위성의 위치 정보는 레이저 거리정보(Laser Ranging), GPS(Global Positioning system) 항행해, 지상 안테나 관측 정보, 미국의 합동우주전략센터(JSpOC, Joint Space Operations Center)의 TLE(Two Line Element) 정보 등으로 획득 가능하다.
고성능 관측위성에서 영상 품질 향상을 위해 무엇을 해야하는가? 특히, 인공위성의 소형화 및 저전력화 추세가 지속되어 무게 300 kg 급 위성인 두바이셋-2 (DubaiSat-2, 2013년 11월 발사, 이하 DS-2)와 데이모스-2(Deimos-2, 2014년 6월 발사, 이하 DM-2)는 상용 목적에 사용 가능한 품질의 1m 영상을 안정적으로 생성하고 있다[1]. 이와 같은 고성능 관측위성일수록 영상 품질 향상을 위해 정확한 관측위치(Target Pointing)를 추적해야 한다. 지구 관측 인공위성은 자세제어 시 위성 동체 좌표계(Body Frame)를 기준으로 관측 대상의 위치를 파악하고 기동하기 때문에 인공위성의 위치, 속도 정보는 정밀도뿐만 아니라 높은 안정성을 요구받는다.
GPS수신기는 어떻게 인공위성의 위치 정보를 계산하는가? GPS 수신기는 GPS 인공위성과 GPS 수신기 사이의 의사 거리(Pseudo Range)와 의사 거리 변화율(Pseudo Range Rate)을 관측 정보로 이용하여 위치와 속도, 시간 정보를 계산한다. GPS 항행해는 기본적으로 관측된 의사 거리와 의사거리 변화율에 대해 최소 자승법을 이용하여 계산되는데 의사 거리와 의사 거리 변화율의 분해능(Resolution)은 각각 약 300m, 20cm/s이고 GPS 인공위성 궤도 오차, 수신기 잡음, 수신기 시계 오차의 영향으로 인해 계산된 위치, 속도, 시간 정보의 정밀도는 낮다[2].
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참고문헌 (13)

  1. Ee-Eul Kim, Amer Al Sayegh, "Early Operation Result of DubaiSat-2, a 1-m Resolution Small Satellite", Small Satellites System and Services Symposium, 26-30 May 2014 in Porto Petro, Majorca, Spain 

  2. Misra, P., Enge, P., "Global Positioning System - Signals, Measurements, and Performance", Ganga Jammuna Press, Vol. 2, 2001. 

  3. Yoon, J.C., Lee, B.S., Choi, K.H., "Spacecraft orbit determination using GPS navigation solutions", Aerospace Sci. Technol. Apr, 2000, pp.215-221. 

  4. Choi, E.J., Yoon, J.C., Lee, B.S., Park,S.-Y., Choi, K.-H., "Development of spaceborne GPS receiver with real-time orbit determination using unscented kalman filter", in: Proceedings of the IAC 2009 Dajeon, IAC-09.B2.5.5., 2009. 

  5. Chiaradia, A.P.M., Gill, E., Montenbruck, O., Kuga, H.K., Prado, A.F.B.A., "Algorithms for On-board Orbit Determination using GPS OBODE-GPS", DLR-GSOC TN00-04, 2000. 

  6. Chiaradia, A.P.M., Kuga, H.K., Prado, A.F.B.A., "Single frequency GPS measurements in real-time artificial satellite orbit determination", Acta Astronaut. 53, 2003, pp. 123-133. 

  7. Gill, E., Montenbruck, O., "On-board Navigation System for the BIRD Satellite",. DLR, Germany, Forschungsbericht, 2002. 

  8. Gill, E., Montenbruck, O., Arichandran, K., Tan, S.H., Bretschneider, T., "High-precision onboard orbit determination for small satellites - the GPS-based XNS on X-SAT", in: Proceedings of the 6th Symposium on Small Satellites Systems and Services, 2004. 

  9. Sung-In Jung, Goo-Hwan Shin, Kyung-In Kang, Hyung-Myung Kim, Jog-Tae Lim, "Hardware Design for GPS Receiver System on STSAT-3", Proc. of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, Nov. 2007, pp. 1596-1600. 

  10. Byung-Moon Kwon, Ji-Hyeon Moon, Yong-Sul Shin, Hyung-Don Choi, Gwang-Rae Cho, "Development of a GPS Receiver System for Satellite Launch Vehicles", Journal of Astronomy and Space Sciences, Vol. 36, No. 9, 2008, pp. 929-937. 

  11. Eun-Jung Choi, Jae-Cheol Yoon, Byoung-Sun Lee, Sang-Young Park, Kyu-Hong Choi, "Onboard orbit determination using GPS observations based on the unscented kalman filter", Advanced in Space Research, Vol. 46, 2010, pp. 1440-1450. 

  12. Hea-Dong Kim, Kyeum-Rae Cho, S. H. Park, "Nonlinear Filtering Techniques for Satellites Orbit Determination", Journal of Astronomy and Space Sciences, Vol. 24, No. 5, 1996, pp. 108-118. 

  13. Ki-Ho Kwon, Sang-Jeong Lee, "Performance Analysis of LEO Satellite GPS Receiver", Journal of Astronomy and Space Sciences, Vol. 40, No. 7, 2012, pp. 629-635. 

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