[논문]지구 정지궤도 영역 상시관측 지원을 위한 저예산 전용 광학관측 시스템 요구사항 분석

조중현; 박장현; 조성기; 임홍서; 최진; 박마루

[국내논문] 지구 정지궤도 영역 상시관측 지원을 위한 저예산 전용 광학관측 시스템 요구사항 분석
Requirement analysis of a low budget dedicated monitoring telescope to support the Geosynchronous Earth Orbit region optical surveillance 원문보기

한국위성정보통신학회논문지 = Journal of satellite, information and communications, v.10 no.4, 2015년, pp.128 - 135

조중현 (한국천문연구원 우주감시센터) , 박장현 (과학기술연합대학원대학교) , 조성기 (한국천문연구원 우주감시센터) , 임홍서 (과학기술연합대학원대학교) , 최진 (한국천문연구원 우주감시센터) , 박마루 (과학기술연합대학원대학교)

초록
AI-Helper

현재까지 국내에서 궤도 상의 자국 우주 물체를 지상에서 추적할 수 있는 시스템은 한국천문연구원에서 개발 중인 우주물체 전자광학 감시체계가 유일하다. 이 시스템은 자국 저궤도 위성의 궤도력 산출과 현재 대한민국에 할당된 정지궤도 영역을 감시하는 기능을 보유하고 있다. 그러나 관측 대상이 확대되고 운영 조건의 변화에 따라, 국내 정지궤도 영역 상시감시가 가능한 저예산 보조관측 시스템은 전체 우주 감시시스템의 매우 효율적인 운영을 지원할 수 있다. 따라서 저예산 시스템의 관측정밀도 저하에 따른 궤도력 산출의 위험도 증가를 억제할 수 있는, 지구 정지궤도 영역 상시 감시용 전용 광학관측 시스템의 요구사항을 분석했다.

Abstract ▼ AI-Helper

Currently we have an electro-optical space object monitoring system (OWL-Net) developed by the Korea Astronomy and Space Science Institute as the only ground-based on orbit space object tracking capability in Korea. This system can produce the ephemeris of domestic satellites and survey the geosynchronous orbit region. As the number of observation objects increases and the operation condition get worse, a low budget dedicated monitoring telescope capable of full time geosynchronous orbit region survey can support an effect operation of the OWL-Net. In this study, we analyze the requirements of a low-budget dedicated optical monitoring system for geosynchronous orbit region without the degradation of observation quality to increase the risk of corrupted ephemeris.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

GSO 영역 우주감시는 탐색 관측을 통해 우주 물체의 운동을 관측하거나 보호하고자 하는 정지궤도 위성과 충돌 확률이 있는 대상을 추적하는 것을 목표로 한다. GSO 영역 관측을 통해 관측 영역에 존재하는 우주 물체의 측성 정보의 획득이 가능하다.
GSO 영역 우주 물체의 정밀 궤도 추정을 위해서는 하룻밤에 약 150점 이상의 관측이 필요하며, 이틀 이상 관측할 경우 정밀도를 크게 증가시킬 수 있다[12]. OWL-Net은 하룻밤에 최소 150점 이상 관측을 수행하여 1주일에 최소 600점을 획득하는 것을 목표로 정지궤도 및 중궤도 위성의 관측을 수행하고자 한다.
또한 ‘uncorrelated’인 경우에는 추가적인 대상 감시, 즉 집중 관측을 통해 정밀한 궤도 정보를 추정할 수 있다. 뿐만 아니라 영역 감시의 측성 정보를 이용하여 관측 영역에 분포한 운영 중인 정지궤도 위성들의 할당된 영역에 대한 대략적인 위치 유지 여부를 확인하게 된다.
이 연구에서는 한반도에서 관측 가능한 지구 정지궤도 영역 내에서 임무활동 중인 정지궤도 위성을 비롯한 인공 우주 물체 등, 광학 관측이 가능한 우주물체를 위한 저비용 광학 우주물체 망원경체제의 요구사항을 분석했다. 현재 개발 중인 전자광학 우주물체 감시체계의 원활한 운영과 정밀한 결과 획득을 위한 지원 관측체계의 수요는 이미 여러 논문에서 검증되었다.
따라서 그 감시업무의 양은 계속 증가할 것이기에 저예산으로 구축할 수 있는 적절한 정밀도를 갖는 광학감시 지원시스템은 전체 우주감시체계의 일부로서 필요성이 늘어날 것이다. 이 연구에서는 현재 구축 중인 우주물체 전자광학 감시체계를 지원할 수 있는 저예산 지구정지궤도 영역 감시용 광학관측 시스템의 요구사항을 분석했다. 먼저 지구 정지궤도 영역의 관측 범위와 방법론에 대해 2장에서 분석하였고, 3장에서는 광학 관측 시스템의 망원경, 검출기 및 영상처리 기술에 대한 요구사항을 분석했다.
OWL-Net은 저궤도 위성의 측성 관측뿐만 아니라 정지궤도 영역 감시, 정지궤도 및 중궤도 위성의 측성 관측을 수행할 예정이다. 정지궤도 영역 감시는 자국 정지궤도 위성이 위치한 영역을 감시하는 것을 목표로 한다. 이는 정지궤도 위성에 위협이 될 수 있는 우주 물체를 탐색하는 것이 목표이다.

제안 방법

또한 관측된 GSO 잔해물이 운영 중인 GSO 위성과 충돌할 가능성을 예측 할 수 있다. GSO 잔해물과 GSO 위성이 충돌할 가능성(10 km 이내)이 있을 경우 GSO 잔해물을 충돌 대상으로 분류하고 추적 관측을 하게 된다.
시야각은 1 * 1 도와 2 * 2도로 설정하였고, 노출 간격은 2초와 5초로 설정하였다. 감시 영역은 정지궤도를 기준으로 위와 아래로 영역을 확장하여 1에서 19개까지 2개씩 더해가는 방법을 사용하여 설정하였다. 관측 순서는 고도각 방향으로 수직하게 관측을 수행한 다음, 방위각 방향으로 시야각만큼 옮겨 다시 수직하게 관측을 수행하도록 설정하였다.
관측 조건은 지구 반영 및 직사광, 고도 제한 10도, 태양 고도 제한 –3도로 설정하였다.
특히 2011년 3월에는 러시아 군통신위성 라두가위성이 천리안위성에 수 km까지 접근하며 궤도 침입 및 충돌 가능성이 예측된 바가 있다. 무게 2.4톤에 달하는 대형통신정지궤도위성인 라두가위성의 접근으로 인해, 천리안 위성은 두 번의 회피기동을 실시하였다.
위성의 측광 정보는 관측 환경 및 위성 형상에 대한 보정 작업을 거쳐 자세 및 물리적 특성 변화 연구에 활용될 수 있다. 우주 잔해물의 밝기는 물리적 특성을 분석하여 대상 물체의 면적 대비 질량 비 (Area to mass) 정보를 제공한다. 이를 통해 해당 우주 잔해물의 궤도 추정 정밀도를 향상시킬 수 있다.
운용중인 GSO 위성의 경도 이탈은 별의 측성 자료와 위성의 좌표를 비교해서 파악한다. 경도를 이탈한 운용중인 위성은 운영 기관에 의해 원래 경도로 돌아가기 위한 궤도이동(maneuver)를 하게 된다.
정지궤도 위성의 운동에 관하여 국내에서는 참고문헌[1], [2]이 무궁화 위성의 위치 유지 기동을 위해 동-서와 남-북 방향의 운동에 관하여 각각 해석적인 분석을 실시하였다. 이후 참고문헌[3], [4] equinoctial elements를 이용한 새로운 해석적 분석을 수행하고 COMS의 운영에 이를 적용하였다. 분석된 정지궤도 우주물체의 운동은 정지궤도 위성 보호를 위한 관측 전략 수립에 활용될 수 있다.
운영 중인 정지궤도 위성은 위치조정을 하거나, 주변에 존재하여 궤도가 겹칠 수 있는 수명이 다한 위성이나 우주 잔해물의 접근에 의해 충돌 위험이 있다. 정지궤도 위성의 운동에 관하여 국내에서는 참고문헌[1], [2]이 무궁화 위성의 위치 유지 기동을 위해 동-서와 남-북 방향의 운동에 관하여 각각 해석적인 분석을 실시하였다. 이후 참고문헌[3], [4] equinoctial elements를 이용한 새로운 해석적 분석을 수행하고 COMS의 운영에 이를 적용하였다.
5m 광시야 망원경을 전세계 5개소에 설치하여 네트워크 관측시스템(OWL-Net; Optical Wide-field patroL Network)을 구성한다. 한번의 관측을 통해 다수의 관측점을 얻기 위해 인공위성의 궤적을 다수로 분할하여 각각에 대한 시각정보를 측정할 수 있도록 설계하였다. 현재 몽골에 1호기, 모로코에 2호기가 설치되어 시험운영 중에 있으며 OWL-Net이 완성되면 인공위성에 대한 독자적인 추적·감시와 궤도력 유지가 가능해진다.
GSO 영역 관측을 통해 관측 영역에 존재하는 우주 물체의 측성 정보의 획득이 가능하다. 획득한 측성 정보와 위성 궤도 카탈로그를 이용하여 검출된 물체의 식별 작업을 수행한다. 위성 궤도 카탈로그는 미국 JSpOC에서 제공하는 TLE를 활용할 수 있고, 관측 시각의 위성의 위치를 계산하기 위해서 Simplified General Perturbations 4 (SGP 4) 궤도 전파기를 이용할 수 있다.

대상 데이터

이 때 관측 고도 제한은 10도이다. 대전 관측소에서 관측 가능한 우주 물체의 개수는 2015년 4월 10일 기준 운영 중인 우주 물체가 152개, 운영중지된 우주 물체는 135개이다. 그림 1은 대전 한국 천문연구원에서 관측 가능한 GSO 우주 물체의 1일간 관측 가능 궤적을 보여준다.

성능/효과

표 1은 망원경의 시야각(1도(d), 2도(d))와 노출 간격 (5초(s), 2초(s)), 수직 관측 영역 (deep)에 따른 관측 소요 시간을 보여준다. 1 * 1 도 시야각의 망원경으로 5초 간격으로 관측할 경우 정지궤도만 영역 감시하는데 소요되는 시간은 16.25분이었고, 수직하게 19개 영역, 즉 정지궤도를 제외하고 위와 아래로 각각 9개 영역을 더 감시할 경우 약 304분이 소요되었다. 반면에 2 * 2 도 시야각의 망원경으로 2초 간격으로 관측할 경우 정지궤도 영역만 감시하는 데는 약 3분이 소요되었다.
수직하게 19개 영역을 감시하는 데는 약 56분이 소요되었다. 관측 반복 횟수 증가가 검출률의 증가와 비례하였으나, 망원경의 시야각이 보다 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 가장 효율적인 시뮬레이션 결과는 2 * 2 도 시야각의 망원경을 이용하여 5초 간격으로 관측하였을 때 얻을 수 있었다.

후속연구

CDM 은 일반적으로 충돌 확률이 있는 대상의 궤도 정보와 함께 공분산 정보를 제공하고 있으나 수신시기 및 엄폐에 의한 전파 방애 탐지 불가 등 자체적인 궤도 분석에는 한계가 있다. 따라서 영역 감시에서 검출된 충돌 및 엄폐 가능 위험 물체의 정밀 궤도 추정 정보를 확보하기 위한 추가 관측을 통해 충돌 및 엄폐 확률에 대한 분석 및 사전 경고가 가능하다. 천리안 위성의 발사 당시 할당 받은 영역으로 이미 Raduga 1-7 이 접근하고 있었다[16].
GSO 영역 감시로 관측한 잔해물이 기존에 발견된 잔해물일 경우 잔해물의 궤도정보 갱신을 할 수 있고, 새로운 잔해물일 경우 GSO 카탈로그에 새로운 잔해물을 등록 할 수 있다. 또한 관측된 GSO 잔해물이 운영 중인 GSO 위성과 충돌할 가능성을 예측 할 수 있다. GSO 잔해물과 GSO 위성이 충돌할 가능성(10 km 이내)이 있을 경우 GSO 잔해물을 충돌 대상으로 분류하고 추적 관측을 하게 된다.
이후 참고문헌[3], [4] equinoctial elements를 이용한 새로운 해석적 분석을 수행하고 COMS의 운영에 이를 적용하였다. 분석된 정지궤도 우주물체의 운동은 정지궤도 위성 보호를 위한 관측 전략 수립에 활용될 수 있다. 한편 위성 충돌과 관련하여 미국 합동우주운영센터(Joint Space Operation Center: JSpOC)에서는 위성 운영자에게 충돌과 관련된 경고를 Conjuction Data Message (CDM)를 통해 배포한다.
이 장비는 인공위성의 추적·감시 뿐 만 아니라 다양한 종류의 탐사 천문학에도 활용할 예정이다.
이와 같이 이미 개발된 광학우주물체감시 운영체계의 경량화나 기존의 상업용 망원경 운영체계를 차용한, 지구정지궤도영역 우주감시임무의 수행은 국내에 충분한 기술력이 존재한다. 현재 개발 또는 기획 중인 우주감시 체계와 별도로 이 연구에서 산출된 저비용 정지궤도영역 우주감시체계가 국내에 설치된다면 상호 지원으로 지구 정지궤도 영역의 상시 감시가 가능할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	레이저추적 시스템의 특징은?	0m 고정형 레이저추적 시스템을 개발 중에 있다. 레이저추적 시스템은 레이저를 발사하여 인공위성까지의 거리를 mm 단위까지 측정함으로써 정밀한 궤도요소 추정이 가능하지만 측정 가능한 인공위성이 제한적이다.
	대전을 기준으로 한반도에서 관측 가능한 GEO 영역은?	대전을 기준으로 한반도에서 관측 가능한 GEO 영역은 경도범위로 107도(남중 자오선 기준 좌우 53.5도씩)이다. 이 때 관측 고도 제한은 10도이다.
	OWL-Net의 목표는?	정지궤도 영역 감시는 자국 정지궤도 위성이 위치한 영역을 감시하는 것을 목표로 한다. 이는 정지궤도 위성에 위협이 될 수 있는 우주 물체를 탐색하는 것이 목표이다. 탐색된 우주 물체는 측성 관측을 통해 다량의 위치 정보를 획득하여 정밀한 궤도를 계산하여 충돌 확률을 분석할 수 있다.

참고문헌 (16)

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