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문제 정의
- 본 연구는 한국항공우주연구원에서 개발될 궤도선의 개요에 대해 기술하고, 기존의 저궤도나 정지궤도 위성과는 다른 지구-달 환경을 설명하였다. 또한 해외의 궤도선이 교신을 수행한 지상 안테나를 기술하고, 향후 발사될 궤도선에 적용 가능한 지상 안테나를 도출하였다.
가설 설정
- 궤도선은 경사각이 90°인 원궤도이고, 시뮬레이션 기간은 2018년 1월 한 달 그리고 궤도전파 모델은 Two-Body로 가정하였다.
- 마스크 각도는 6°~10°로 가정하였다.
- 발사부터 달 궤도에 진입하기까지 그리고 임무궤도에서 상시로 위성의 상태를 관측해야하기 때문에 위에서 언급한 안테나 조합으로 가시성을 분석하였고, 추가로 임무궤도에서는 타 안테나사이트를 사용했을 때 발생하는 비용 및 운영자의 로드 등을 고려하여 KDSN 만을 이용한다고 가정하여 분석을 수행하였다. Table 1은 위에서 언급한 사항들을 정리한 내용을 보여준다.
- 원격명령 전송 및 텔레메트리 수신뿐만 아니라 과학 데이터 수신을 위한 주 안테나로 KDSN을 사용할 예정이고, 궤도추적데이터 획득 및 비상시 원격명령 전송 및 텔레메트리 수신을 위한 목적으로 DSN 또는 USN을 사용한다고 가정하였고, 조합된 안테나들이 위성과 교신할 수 있는 마스크 각도는 6°~10°라고 가정하여 마스크 각도에 따른 가시성을 분석하였다.
제안 방법
- 궤도선은 발사장 위치, 대기궤도 기간, 지상 안테나 조합, 특히 전이궤적 등에 따른 임무 시나리오를 설정하여 발사에서부터 달 궤도 진입까지의 가시성 해석을 수행하였다. 해석 결과, 직접 전이궤적은 발사장 및 대기궤도 기간에 따라 가시성에 높은 영향을 준 반면, 위상 전이궤적은 지상 안테나의 조합이 가시성에 높은 영향을 줌을 알 수 있었다.
- 궤도선이 임무궤도에 진입한 경우에 대한 가시성을 설명하기 위해 “Face-On” 및 “Edge-On” 개념을 설명하였고, 2018년 1월 임무에 궤도를 설정하고 시뮬레이션을 수행하였다.
- 약 3주 동안 몇 번의 수정 기동이 요구되며 직접 전이궤적에 비해 다소 많은 시간이 지난 후 달 궤도에 진입한다. 따라서 TLI 이후 달로 가는 궤적(직접 전이궤적 또는 위상 전이궤적)에 따라서도 가시성이 달라지므로 이러한 사항들을 반영하여 임무 시나리오를 설정하였다.
- 본 연구는 한국항공우주연구원에서 개발될 궤도선의 개요에 대해 기술하고, 기존의 저궤도나 정지궤도 위성과는 다른 지구-달 환경을 설명하였다. 또한 해외의 궤도선이 교신을 수행한 지상 안테나를 기술하고, 향후 발사될 궤도선에 적용 가능한 지상 안테나를 도출하였다.
- 본 논문은 궤도선과 지상국간의 가시성을 분석하기 위해 궤도선의 임무 시나리오를 정의하고, 각 임무 시나리오에 대한 지상국 안테나 조합 및 안테나의 마스크 각도(Mask Angle)를 반영하여 일별 교신 횟수를 한 달간 도출하였다. 이 결과들은 향후 과학 데이터 수신계획을 포함하여 각 교신에 대한 운영 시나리오 도출뿐만 아니라 위성의 메모리 용량 추산 및 S-band 및 X-band 대역의 통신 속도 요구조건 도출에 크게기여할 것이다.
- 본 절은 직접 전이궤적을 이용하여 발사를 수행한 경우에 대한 가시성을 분석하였다. 직접 전이궤적을 선택했다 하더라도 발사장, 대기궤도 기간, 안테나 조합 및 마스크 각도에 따라서 분석 결과가 약간 달라진다.
- 본 해석을 수행하기 위하여 AIG社“에서 개발된 STK(Satellite Tool-Kit)[17]을 사용하였고, STK의 ‘Access’ 기능을 이용하여 궤도선과 다수의 지상안테나와의 가시성 현황을 도출하였다.
- 이러한 상황에서 대한민국 정부는 국민의 자긍심을 고취시키고 심우주 위성탐사 기술을 확보하기 위해 2020년까지 본 궤도선 및 착륙선 발사를 계획하였고, 사전에 본 궤도선의 기술 검증을 위해 시험용 궤도선 발사(2018)를 계획하였다. 시험용 궤도선(이하 궤도선)은 약 550kg급의 위성으로 광학카메라를 포함해 여러 개의 탑재체를 싣고 달의 임무궤도에 진입하여 임무를 수행할 예정이다.
- 만약 자동 시퀀스를 진행하다가 비정상적인 상황 발생(Anomaly) 등으로 자동 시퀀스가 정상적으로 수행되지 않는다면, 지상국에서는 추가 계획을 수립하여 궤도선을 정상상태로 복구해야 한다. 자동 시퀀스 이후에는 추적 데이터(Tracking data)를 획득하여 궤도결정을 수행하고, 발사체의 진입 오차 및 TLI 오차 등의 이유로 궤도가 틀어진 것을 보정하기 위해 중간 경로 수정(MCC, Mid Course Correction) 기동을 수행한다. 궤도선이 달 궤도에 근접하면 궤도에 진입시키기 위해 여러 번의 달 궤도 진입(LOI, Lunar Orbit Insertion) 기동을 수행한다.
- 궤도전파를 위해 사용하는 달 중력장 모델은 Lunar Prospector를 이용하여 생성된 ‘LP150Q’ 등이 있지만, 해석 상 100km의 고도를 계속 유지시키는 기준 궤적이 필요하다고 판단하여 Two-body를 이용하였다. 지상안테나는 KDSN 만을 선정하여 가시성 분석을 수행하였고, DSN 및 USN과의 조합도 추가하여 분석을 수행하였다. 마스크 각도는 6°~10°로 가정하였다.
대상 데이터
- LRO는 미국의 향후 유인 탐사선 착륙지 선정 및 광물자원 탐사를 수행하기 위한 목적으로 2009년에 6월에 발사 되었으며[6], LRO와의 교신을 위해 S-band 그리고 과학데이터 수신을 위해 Ka-band 대역이 이용되었다. LRO가 임무궤도에 진입한 이후 정상임무(S-band 및 Ka-band 교신)을 수행하기 위해 주로 미국의 White Sand 지상국을 이용했으며, S-band 대역의 백업으로 DSN(Goldstone[34m], Madrid[34m], Canberra[34m]) 및 USN (Weilheim[15m], Dongara[13m], Kiruna[13m], Hawaii[13m])을 사용하였다[14].
이론/모형
- 궤도전파를 위해 사용하는 달 중력장 모델은 Lunar Prospector를 이용하여 생성된 ‘LP150Q’ 등이 있지만, 해석 상 100km의 고도를 계속 유지시키는 기준 궤적이 필요하다고 판단하여 Two-body를 이용하였다.
성능/효과
- “Short Coast”가 가시성 측면에서 유리했던 직접 전이궤적과는 다르게 CCAFS에서 발사하여 “Long Coast”를 이용한 위상 전이궤적과KDSN+USN 조합(Dashed 다이아몬드)의 경우는 가시성은 99.5%에 근접하였으나, WFF에서 발사하여 “Short Coast”를 이용한 위상 전이궤적과 KDSN+DSN 조합(Dotted X)의 경우는 가시성이 95.5%까지 떨어짐을 알 수 있다.
- 5시간 정도이다. 2.5회를 선회하는 위상 전이궤적은 약 18일의 전이기간 중 가시성이 확보되지 않는 기간은 약 5.3시간(1.2%)임을 알 수 있다. 직접 전이궤적과 동일하게 TLI 전·후 구간에서 교신이 되지 않는 부분은 추가적인 안테나 또는 SN을 사용하여 궤도선과의 교신을 수행해야 한다.
- 12에서 도출된 일별 가시성 기간을 히스토그램으로 정리한 것을 보여준다. 33분의 구간으로 나눈 히스토그램을 보면 가시성이 33분이하의 패스가 20회 미만이고, 정상 임무를 수행하기에 적합한 66~99분 구간의 패스가 120회 미만으로 대부분의 교신기간이 이 구간임을 알 수 있다. “Face-On”에 정상임무가 가능한 패스는 533~600분 사이에 몇 패스 그리고 766~800분 사이에 몇 패스가 있으며, “Face-On”에서“Edge-On”으로 바뀌면서 발생하는 200분 및 400분 정도의 패스도 있음을 알 수 있다.
- KDSN만을 이용하여 궤도선과 가시성을 분석한 결과, 월 2회 발생하는 “Face-On”에서는 최대 800분의 가시성이 확보되는 반면, “Edge-On”에서는 온전한 임무를 수행할 수 있는 패스가 하루에 약 4~6회 정도임을 알 수 있었다. DSN 및 USN을 추가하여 각 조합별 가시성을 분석한 결과, 두 조합에 따른 비가시율은 거의 동일했으며, 마스크 각도가 미치는 영향이 미미함을 알 수 있었다.
- 0~2일, 12~15일 그리고 26~29일 사이는 “Face-On” 구간이기 때문에 궤도선과의 교신은 연속적으로 가능한 반면 점차 “EdgeOn”으로 넘어가면서 궤도주기가 118분인 KPLO의 경우 지상 안테나와의 비가시 기간은 최대 46분까지 증가함을 알 수 있다. K+DSN 조합의 지상 안테나를 이용하면 궤도선과의 비가시율은 약 25.79%이고, 비가시 기간은 총 31일 중 약 7.996일 정도임을 알 수 있다.
- KDSN만을 이용하여 궤도선과 가시성을 분석한 결과, 월 2회 발생하는 “Face-On”에서는 최대 800분의 가시성이 확보되는 반면, “Edge-On”에서는 온전한 임무를 수행할 수 있는 패스가 하루에 약 4~6회 정도임을 알 수 있었다.
- 직접 전이궤적은 발사장의 위치 및 대기궤도 기간이 가시성 비율에 높은 영향을 주지만 위상 전이궤적은 지상 안테나의 조합이 가시성 비율에 높은 영향을 주었다. 또한 마스크 각도가 높아질수록 가시성 비율이 줄어들 수밖에 없으며, 직접 전이궤적 보다 위상 전이궤적의 가시성 감소 비율이 더 컸다. 덧붙여, 최소 95% 이상의 가시성 비율은 관제센터에서 달 궤도선을 모니터링 할 수 있는 기간을 충분히 제공할 수 있는 비율이므로 운영 측면에서는 아주 중요한 요소라고 볼 수 있다.
- 해석 결과, 직접 전이궤적은 발사장 및 대기궤도 기간에 따라 가시성에 높은 영향을 준 반면, 위상 전이궤적은 지상 안테나의 조합이 가시성에 높은 영향을 줌을 알 수 있었다. 또한 마스크 각도가 높아질수록 가시성은 전반적으로 약간 나빠졌고, 특히 위상 전이궤적은 마스크 각도의 증가에 따른 가시성 감소 비율이 꽤 큼을 알 수 있었다.
- Figure 9는 발사장, 대기궤도 기간, 지상 안테나 조합 및 안테나 마스크 각도에 따른 위상 전이궤적의 가시성 비율을 나타낸다. 분석 결과, USN 안테나 조합(다이아몬드 및 별)을 이용할 경우 DSN 조합(O 및 X)보다 약 1%가량 가시성이 개선되며, 그 다음으로 CCAFS에서 발사(O 및 다이아몬드)한 경우가 WFF에서 발사(X 및 별)한 경우보다 가시성이 개선됨을 알 수 있다. “Short Coast”가 가시성 측면에서 유리했던 직접 전이궤적과는 다르게 CCAFS에서 발사하여 “Long Coast”를 이용한 위상 전이궤적과KDSN+USN 조합(Dashed 다이아몬드)의 경우는 가시성은 99.
- 지상 안테나 조합 및 마스크 각도에 따른 시뮬레이션 수행 결과를 Table 3에 도출하였다. 비가시율 및 비가시 기간에 대한 분석결과 마스크 각도가 커질수록 비가시 비율은 약간 증가하나 안테나 조합간의 차이는 그리 크지 않음을 알 수 있다. 31일 시뮬레이션 기간 동안 비가시 기간은 대부분 8일 전후이며, 이 기간은 궤도선이 달의 뒷면으로 넘어가서 지구에 구축된 지상 안테나와는 교신이 되지 않는 기간의 합이라고 볼 수 있다.
- 시뮬레이션을 수행한 결과 직접 전이궤적을 이용하면 가시성이 99%이상 확보되는 반면, 위상 전이궤적을 이용하면 근지점 부근에서 가시성이 확보되지 않는 기간이 자주 발생하여 가시성이 95%정도까지 떨어지는 경우가 있었다. 직접 전이궤적은 발사장의 위치 및 대기궤도 기간이 가시성 비율에 높은 영향을 주지만 위상 전이궤적은 지상 안테나의 조합이 가시성 비율에 높은 영향을 주었다.
- 궤도선은 발사장 위치, 대기궤도 기간, 지상 안테나 조합, 특히 전이궤적 등에 따른 임무 시나리오를 설정하여 발사에서부터 달 궤도 진입까지의 가시성 해석을 수행하였다. 해석 결과, 직접 전이궤적은 발사장 및 대기궤도 기간에 따라 가시성에 높은 영향을 준 반면, 위상 전이궤적은 지상 안테나의 조합이 가시성에 높은 영향을 줌을 알 수 있었다. 또한 마스크 각도가 높아질수록 가시성은 전반적으로 약간 나빠졌고, 특히 위상 전이궤적은 마스크 각도의 증가에 따른 가시성 감소 비율이 꽤 큼을 알 수 있었다.
후속연구
- 궤도선은 550kg급 위성으로 본 궤도선 및 착륙선의 사전 기술 검증을 목적으로 개발될 예정이며, 고도 100 km 및 경사각 90°의 달 궤도에 진입하여 달의 지형관측 및 과학임무 수행할 예정이다.
- 궤도선은 기동전·후의 모니터링 및 원격명령 수신/텔레메트리 송신뿐만 아니라 추적 데이터 획득을 위해 S-band 및 X-band 대역의 통신장비를 갖출 예정이다.
- 다만 Short Coast” 또는 “Long Coast”를 선택함에 따라 발사 시각 및 전이궤적이 달라지고, 지상 안테나와의 교신 순서 및 기간도 달라지기 때문에 향후 이를 고려해야 한다.
- 향후에는 임무궤도에서 궤도선을 운영시 지상국과 교신 가능한 패스를 기준으로 획득 가능한 과학데이터의 용량대비 지상 안테나를 이용한 과학데이터 전송률(data rate)의 비교연구(Tradeoff Study)를 수행하여 궤도선의 온보드 메모리 용량 선정과 과학데이터를 지상국에 전송하기 위한 주파수 대역의 전송률을 선정할 계획이다. 또한 교신 가능한 지상 안테나로 KDSN만을 사용하거나 DSN 또는 USN을 추가하여 최적의 교신 계획을 수립할 예정이다.
- 본 연구는 궤도선이 달 궤도에 진입하여 임무를 수행하기까지 여러 조합에 따른 가시성 분석을 수행함으로써 향후 궤도선 발사 및 운영시 안정적인 교신 시나리오를 수립하는데 도움이 될 것이다. 본 가시성 분석 결과는 궤도선의 탑재체들이 정해지고 해당 탑재체들이 생성하는 데이터의 양이 정해지면, 임무궤도에서의 일별 교신 스케줄을 기준으로 교신계획을 수립하고 궤도결정을 위한 추적데이터를 획득하는 방안을 마련하는데 활용될 것이다. 향후에는 임무궤도에서 궤도선을 운영시 지상국과 교신 가능한 패스를 기준으로 획득 가능한 과학데이터의 용량대비 지상 안테나를 이용한 과학데이터 전송률(data rate)의 비교연구(Tradeoff Study)를 수행하여 궤도선의 온보드 메모리 용량 선정과 과학데이터를 지상국에 전송하기 위한 주파수 대역의 전송률을 선정할 계획이다.
- 본 연구는 궤도선이 달 궤도에 진입하여 임무를 수행하기까지 여러 조합에 따른 가시성 분석을 수행함으로써 향후 궤도선 발사 및 운영시 안정적인 교신 시나리오를 수립하는데 도움이 될 것이다. 본 가시성 분석 결과는 궤도선의 탑재체들이 정해지고 해당 탑재체들이 생성하는 데이터의 양이 정해지면, 임무궤도에서의 일별 교신 스케줄을 기준으로 교신계획을 수립하고 궤도결정을 위한 추적데이터를 획득하는 방안을 마련하는데 활용될 것이다.
- 본 논문은 궤도선과 지상국간의 가시성을 분석하기 위해 궤도선의 임무 시나리오를 정의하고, 각 임무 시나리오에 대한 지상국 안테나 조합 및 안테나의 마스크 각도(Mask Angle)를 반영하여 일별 교신 횟수를 한 달간 도출하였다. 이 결과들은 향후 과학 데이터 수신계획을 포함하여 각 교신에 대한 운영 시나리오 도출뿐만 아니라 위성의 메모리 용량 추산 및 S-band 및 X-band 대역의 통신 속도 요구조건 도출에 크게기여할 것이다. 2장에는 궤도선에 대한 설명, 지구와 달의 궤도 환경 및 해외 달 궤도선에 사용된 지상 안테나 현황을, 3장에는 궤도선의 지상안테나 현황을, 4장에는 궤도선의 임무 시나리오를, 5장에는 궤도선의 가시성 분석 결과를 그리고 마지막 6장에는 전반적인 요약을 기술하였다.
- 본 가시성 분석 결과는 궤도선의 탑재체들이 정해지고 해당 탑재체들이 생성하는 데이터의 양이 정해지면, 임무궤도에서의 일별 교신 스케줄을 기준으로 교신계획을 수립하고 궤도결정을 위한 추적데이터를 획득하는 방안을 마련하는데 활용될 것이다. 향후에는 임무궤도에서 궤도선을 운영시 지상국과 교신 가능한 패스를 기준으로 획득 가능한 과학데이터의 용량대비 지상 안테나를 이용한 과학데이터 전송률(data rate)의 비교연구(Tradeoff Study)를 수행하여 궤도선의 온보드 메모리 용량 선정과 과학데이터를 지상국에 전송하기 위한 주파수 대역의 전송률을 선정할 계획이다. 또한 교신 가능한 지상 안테나로 KDSN만을 사용하거나 DSN 또는 USN을 추가하여 최적의 교신 계획을 수립할 예정이다.
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