[논문]레이더를 이용한 국제우주정거장 추적 및 궤도결정

유기영; 정대원

doi:10.5139/jksas.2016.44.5.447

문제 정의

본 논문에서는 나로우주센터의 추적레이더를 국제우주 정거장 추적에 사용하기 위해 레이더 탐지기법과 운영개념을 개발한 내용을 기술한다. 또한 나로 우주센터의 우주물체 추적 능력을 연구하고 추적 대상을 선정하여 국제우주정거장을 추적한 내용을 기술한다. 또한 국제우주정거장 추적 결과 획득한 레이더 추적데이터를 이용하여 국제우주정거장의 궤도를 결정한 내용을 기술하고, 궤도결정 결과를 TLE와 비교하여 궤도결정의 유효성을 분석하였다.
한국은 이러한 우주물체 감시 및 추적용의 레이더를 보유하고 있지 않지만, 한국항공우주연구원(이하 “항우연”) 나로우주센터는 나로호 발사 시 발사체의 궤적을 정밀추적하기 위한 레이더를 고흥과 제주에 각각 설치, 운영하고 있다. 본 논문에서는 나로우주센터의 추적레이더를 국제우주 정거장 추적에 사용하기 위해 레이더 탐지기법과 운영개념을 개발한 내용을 기술한다. 또한 나로 우주센터의 우주물체 추적 능력을 연구하고 추적 대상을 선정하여 국제우주정거장을 추적한 내용을 기술한다.
우주파편이 지속적으로 증가되는 우주환경에서 우주상황인식과 그 기초가 되는 우주물체 감시 및 추적에 대한 중요성은 날로 커지고 있다. 아직 한국에는 우주물체 감시 및 추적 목적의 레이더가 없지만 본 논문에서는 항공우주연구원 나로우주센터에서 보유하고 있는 나로호 발사체용 추적레이더를 이용하여 국제우주정거장을 추적할 수 있는 운영개념을 개발하고, 국제우주정거장을 추적하였다.
이 중 레이더 단면적을 제외한 파라메터는 레이더 설계 단계에서 고정되기 때문에 정해진 레이더의 성능 안에서 탐지거리를 늘리기 위해서는 레이더 단면적이 큰 추적대상을 선정해야 한다. 이를 위해 항우연에서 운영 중인 다목적실용위성 2호와 지구궤도를 도는 우주물체 중 가장 큰 레이더 단면적을 가지는 국제우주정거장(ISS, International Space Station)을 대상으로 추적가능 여부를 연구하였다. 각 위성의 레이더 단면적은 민간에 배포되는 우주물체 카탈로그를 참조하였으며[5] 각 위성별 레이더 단면적과 근지점 고도는 Table 5에 나타 내었다.
일반적으로 궤도결정시 정확하지 않은 방위각, 고각 관측치가 포함된 관측치를 사용하면 궤도결정결과에 나쁜 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 하지만 거리 데이터의 불확실성이 증가할 경우에는 방위각, 고각 관측치가 좋은 보완요소가 될 수 있기 때문에 본 논문에서는 서로의 관측치 오차를 보완하기 위해서 거리, 방위각, 고각 데이터를 모두 사용하여 궤도결정을 실시하였다.

가설 설정

먼저 항력계수는 NASA 홈페이지에 공개된 수치인 2를 적용하였다[9]. 질량 역시 NASA 홈페이지에 공개되는 수치를 참고하였으나 소유즈(SOYUZ) 우주선의 Docking과 Undocking과 연료 사용 등으로 인해 수시로 변동되는 것을 감안하여 400,000Kg로 가정하였다.

제안 방법

각 모드별 최대 추적거리는 Skin Tracking과 Beacon Tracking 시에 레이더 단면적(RCS, Radar Cross Section)이 1m²인 표적을 대상으로 각각 300km와 3,000km 이상이다. 고흥 나로우주센터와 제주추적소에 설치되어 있는 두 레이더 간에는 별도의 데이터 링크를 구성하여 추적레이더 간 동기 및 데이터 Slaving이 가능하도록 구성하였다. 추적레이더의 주요 성능은 Table 4와 같다[4].
이러한 운영개념을 위해 필요한 예상궤도정보 는 미합동우주 운영센터(JSpOC, Joint Space Operation Center)에서 주기적으로 배포하는 TLE(Two Line Element)를 AGI社의 상용 소프트웨어인 STK(System Tool Kit)로 궤도전파(propagation)하여 생성하였다. 그리고 생성된 예상궤도 정보를 레이더 위치 기준의 거리 및 방위 각, 고각으로 변환하여 레이더에 입력하였다. 이렇게 입력된 예상궤도를 바탕으로 추적대상을 Table Tracking으로 추적함으로써 모든 패스 구간에서 표적획득을 할 수 있는 기회를 갖게 되었고 총 5회의 추적시험 결과 5번 모두 추적에 성공하였다.
5회 레이더 추적 시도 중 5회 모두 추적에 성공하여 개발한 추적대상 지향기법이 국제우주정 거장 추적에 효과적인 것으로 분석되었다. 그리고 추적결과 획득한 레이더 데이터를 이용하여 궤도를 결정하였다. 궤도결정 결과를 TLE를 궤도 전파한 궤도와 비교하여 TLE의 1~2km 오차 범위 안에서 신뢰할 수 있는 결과를 보이는 것으로 분석되었다.
두 가지 방법을 각각 적용하여 추적시험을 수행하고 결과를 분석하여 우주물체 추적을 위한 운영개념을 개발하였다. 첫 번째로 시도한 방식은 공간지향 모드와 동일하게 추적 대상의 진행 예상위치에 빔을 고정하여 방사하는 개념이다.
기존 연구결과에 따르면 다목적실용위성 2호를 한 시점의 TLE와 SGP4 궤도전파기로 궤도전파할 경우 일주일에 약 4km 정도의 궤도 예측 오차를 가지지만, 해당 구간의 TLE를 모두 사용하여 순차적으로 궤도를 전파할 시 1~2km 수준의 궤도예측 오차를 가진다[12]. 따라서 궤도오차를 최소화하기 위해 궤도결정 기간 내의 모든 TLE를 SGP4 궤도전파기로 전파하여 기준 궤도를 생성하고 궤도결정결과와 RIC(Radial-track, In-track, Cross-track) 방향 및 거리에 대해 비교하였다. Fig.
또한 나로 우주센터의 우주물체 추적 능력을 연구하고 추적 대상을 선정하여 국제우주정거장을 추적한 내용을 기술한다. 또한 국제우주정거장 추적 결과 획득한 레이더 추적데이터를 이용하여 국제우주정거장의 궤도를 결정한 내용을 기술하고, 궤도결정 결과를 TLE와 비교하여 궤도결정의 유효성을 분석하였다.
따라서 최소 2일 이상동안 연속된 패스를 관측할 경우 4~5패스 이상의 데이터를 확보할 수 있고, 궤도결정 구간 내의 많은 패스의 데이터를 사용하여 더욱 정밀한 궤도결정 결과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다. 마지막으로 본 논문에서 추적 시험에 사용한 나로 추적레이더는 레이더 성능면에서 추적할 수 있는 우주물체가 제한되었기 때문에 국제우주정거장을 추적하였다. 추후 연구에서 일반적인 우주파편을 추적하기 위해서는 최대 출력, 안테나 이득 등이 더 높은 레이더가 필요하며 X-Band를 사용하는 고출력의 레이더를 사용할 경우 1,500km에서 직경 30cm급의 원형물체를 추적할 수 있을 것으로 기대된다.
ODTK는 Wright가 제안한 궤도결정방식을 사용하고 있으며, 초기궤도 정보(Initial Orbit)를 바탕으로 순차적으로 들어오는 관측데이터에 순차필터(Sequential Filter)를 적용하여 궤도를 결정한다. 이러한 방식은 시간이 지날수록 추정오차가 누적되므로, 궤도오차를 줄이기 위해 Smoother를 이용하여 궤도를 보정해준다. 선행연구 사례로 국내에서 레이더 추적 시뮬레이션 데이터와 ODTK를 사용하여 궤도결정을 한 사례가 있으며, 해당 연구에서 궤도결정 결과의 정확도가 위성 운영에 충분한 수준임을 보인 바가 있다[7],[8].
나로 추적레이더로부터 획득한 데이터를 ODTK에 관측치로 입력하기 위해서는 먼저 GEOSC 포맷으로의 변환이 필요하다. 이를 위해서 추적대상과 추적레이더의 ID, 시간, 거리 및 각도 정보와 센서의 정확도 등을 정의된 포맷으로 변환하였다.
표적획득의 기회가 1번으로 제한되는 공간지향 추적기법의 단점을 보완하고 표적획득을 용이하게 하기 위해서 추적대상의 예상궤도를 미리 레이더에 입력하고 Table Tracking으로 추적하여 표적획득이 되면 자동추적을 하는 운영개념을 개발하였다.

대상 데이터

일반적으로 레이더와 저궤도 위성과의 가시거리(LOS, Line of Sight)가 확보되는 시간은 10분 내외지만, 앞에서 기술한 바와 같이 레이더의 최대 추적 능력과 레이더단면적 변동 등의 이유로 레이더 추적시험 별로 각각 2 ~ 5분의 추적 데이터를 확보할 수 있었으며 확보한 추적 데이터는 레이더 위치 기준의 국제우주정거장까지 거리, 방위각, 고각과 수신신호 레벨, 국제우주정거 장의 고도였다. 이러한 데이터 중 궤도결정에 사용할 수 있는 데이터는 거리, 방위각, 고각이다. 일반적으로 궤도결정시 정확하지 않은 방위각, 고각 관측치가 포함된 관측치를 사용하면 궤도결정결과에 나쁜 영향을 미치는 것으로 알려져 있다.

이론/모형

궤도결정결과의 유효성을 판단하는 방법은 정밀궤도결정 결과와의 비교, 중첩법(Overlapping), 타기관에서 수행한 궤도결정결과와의 비교 등이 있다. 본 논문에서는 TLE를 이용하였다. 기존 연구결과에 따르면 다목적실용위성 2호를 한 시점의 TLE와 SGP4 궤도전파기로 궤도전파할 경우 일주일에 약 4km 정도의 궤도 예측 오차를 가지지만, 해당 구간의 TLE를 모두 사용하여 순차적으로 궤도를 전파할 시 1~2km 수준의 궤도예측 오차를 가진다[12].
위와 같은 변수에 중력장 모델은 JGM의 70차 항까지 사용하였으며, 지구 대기 모델은 Jacchia 1971 모델을 사용하였다. 궤도결정에 사용된 궤도역학 모델은 Table 6에 나타내었다.

성능/효과

5회 레이더 추적 시도 중 5회 모두 추적에 성공하여 개발한 추적대상 지향기법이 국제우주정 거장 추적에 효과적인 것으로 분석되었다. 그리고 추적결과 획득한 레이더 데이터를 이용하여 궤도를 결정하였다.
5km 이내의 차이를 갖는 것을 확인할 수 있었다. Cross-track과 Radial-track은 In-track 방향에 비해 상대적으로 작은 차이를 보이며, 각각 1km, 0.5km이내의 차이를 갖는 것을 확인할 수 있었다.
이를 통해 레이더 추적 데이터를 이용하여 궤도 결정한 결과를 TLE를 궤도 전파한 궤도와 비교하여 TLE의 1~2km 오차범위 안에서 신뢰할 수 있는 결과를 보이는 것으로 분석되었다. 이러한 결과는 충돌예상시점에 임박하지 않은 운영위성과 우주물체의 충돌관리에 사용할 수 있을 것으로 분석된다.
궤도결정 기간인 2014년 6월 17일부터 6월 18일까지 배포된 모든 TLE의 B*로부터 단면적을 추정한 결과, 최소 값은 544m²였고 최대값은 552m²로 각각의 TLE에서 추정한 단면적의 편차가 크지 않았다.
하지만 이 중 레이더로 관측이 용이한 최대고각이 20도 이상이고 최소 탐지거리가 1,000km 이하인 패스는 2~3패스이다. 따라서 최소 2일 이상동안 연속된 패스를 관측할 경우 4~5패스 이상의 데이터를 확보할 수 있고, 궤도결정 구간 내의 많은 패스의 데이터를 사용하여 더욱 정밀한 궤도결정 결과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다. 마지막으로 본 논문에서 추적 시험에 사용한 나로 추적레이더는 레이더 성능면에서 추적할 수 있는 우주물체가 제한되었기 때문에 국제우주정거장을 추적하였다.
위치 불확실성에서 보인 경향과 마찬가지로 In-track 성분에서 가장 큰 차이를 보이며 구간 내에서 1.5km 이내의 차이를 갖는 것을 확인할 수 있었다. Cross-track과 Radial-track은 In-track 방향에 비해 상대적으로 작은 차이를 보이며, 각각 1km, 0.
다목적 실용위성 2호와 국제우주정거장의 레이더 단면적을 기준으로 할 때, 나로 레이더의 최대탐지거리는 각각 371km와 1,374km이다. 이 거리를 각 위성의 근지점과 비교할 때 다목적 실용위성 2호는 추적이 불가능할 것으로 판단했고 국제우주정거장은 추적이 가능할 것으로 판단했다. 레이더 단면적에 따른 최대탐지거리는 Fig.
하지만 추적레이더의 빔폭 및 추적범위는 좁게 한정되기 때문에 빔을 고정하여 한 곳으로 방사하는 방식은 표적획득이 용이하지 않았다. 이 운영개념으로 국제우주정거장을 추적한 총 5회의 시험에서 1번의 시험만 추적에 성공하였고, 국제우주정거장을 추적하기에 적합하지 않다고 판단하였다.
그리고 생성된 예상궤도 정보를 레이더 위치 기준의 거리 및 방위 각, 고각으로 변환하여 레이더에 입력하였다. 이렇게 입력된 예상궤도를 바탕으로 추적대상을 Table Tracking으로 추적함으로써 모든 패스 구간에서 표적획득을 할 수 있는 기회를 갖게 되었고 총 5회의 추적시험 결과 5번 모두 추적에 성공하였다.
이를 통해 레이더 추적 데이터를 이용하여 궤도 결정한 결과를 TLE를 궤도 전파한 궤도와 비교하여 TLE의 1~2km 오차범위 안에서 신뢰할 수 있는 결과를 보이는 것으로 분석되었다. 이러한 결과는 충돌예상시점에 임박하지 않은 운영위성과 우주물체의 충돌관리에 사용할 수 있을 것으로 분석된다.
이와 같이 두 가지 레이더 운영개념을 적용하여 추적실험을 수행한 결과, 나로 추적레이더를 이용한 국제우주정거장 추적에 추적대상 지향탐지기법이 효과적인 것으로 분석되었고 이를 위한 사전궤도 정보로 TLE를 사용하는 것이 적절한 것으로 분석되었다.

후속연구

국제우주정거장 추적에 사용한 나로 추적레이더는 나로호를 Beacon Tracking으로 추적하였고, 국내에서는 국제우주정거장 같은 우주물체를 레이더 추적한 사례가 없었기 때문에 국제우주정거장을 추적하기 위한 운영개념을 새로이 개발할 필요가 있다. 미국과 유럽 등 해외에서 사용하는 우주물체 탐지 기법은 크게 두 가지로 볼 수 있다.
이러한 결과는 충돌예상시점에 임박하지 않은 운영위성과 우주물체의 충돌관리에 사용할 수 있을 것으로 분석된다. 또한 본 연구결과를 발전시켜 향후에 계속 될 레이더를 이용한 우주물체 추적 및 궤도결정 연구에 활용할 수 있다고 판단한다.
또한 향후 연구에는 제주 추적소 기준으로 하루 동안 국제우주정거장의 가시거리가 확보되는 패스는 4~5패스이다. 하지만 이 중 레이더로 관측이 용이한 최대고각이 20도 이상이고 최소 탐지거리가 1,000km 이하인 패스는 2~3패스이다.
이를 통해 레이더 추적 데이터를 이용하여 궤도 결정한 결과를 TLE를 궤도 전파한 궤도와 비교하여 TLE의 1~2km 오차범위 안에서 신뢰할 수 있는 결과를 보이는 것으로 분석되었다. 이러한 결과는 충돌예상시점에 임박하지 않은 운영위성과 우주물체의 충돌관리에 사용할 수 있을 것으로 분석된다. 또한 본 연구결과를 발전시켜 향후에 계속 될 레이더를 이용한 우주물체 추적 및 궤도결정 연구에 활용할 수 있다고 판단한다.
마지막으로 본 논문에서 추적 시험에 사용한 나로 추적레이더는 레이더 성능면에서 추적할 수 있는 우주물체가 제한되었기 때문에 국제우주정거장을 추적하였다. 추후 연구에서 일반적인 우주파편을 추적하기 위해서는 최대 출력, 안테나 이득 등이 더 높은 레이더가 필요하며 X-Band를 사용하는 고출력의 레이더를 사용할 경우 1,500km에서 직경 30cm급의 원형물체를 추적할 수 있을 것으로 기대된다.
하지만 대기저항에 영향을 받는 단면적에 대한 정확한 값은 공개되어 있지 않아 이에 대한 추가적인 연구가 필요했으며, 이를 위해 앞서 언급한 TLE의 B*를 사용했다. B*는 SGP4 위성 궤도전파 모델의 대기저항을 모델링하는 변수로 식 (4)와 같이 나타낼 수 있다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	우주물체 감시 및 추적분야의 연구가 활발히 진행되는 이유는 무엇인가?	우주파편의 급격한 증가는 지구저궤도 환경을 날이 갈수록 복잡하게 만들고 있고 자국의 우주 자산을 보호하고 원활한 서비스를 진행하기 위한 우주상황인식(Space Situation Awareness, SSA)의 중요성은 날이 갈수록 커지고 있다. 이에 미국, 유럽 등 세계 각국에서는 우주상황인식의 가장 기본적인 분야인 우주물체 감시 및 추적(Space Surveillance and Tracking)연구를 활발히 진행하고 있다.
	우주물체 감시 및 추적활동은 무엇인가?	이에 미국, 유럽 등 세계 각국에서는 우주상황인식의 가장 기본적인 분야인 우주물체 감시 및 추적(Space Surveillance and Tracking)연구를 활발히 진행하고 있다. 우주물체 감시 및 추적은 지구궤도를 돌고 있는 활동 중이거나 활동 중이 아닌 위성과 폐기된 발사체, 우주파편 등을 감시하는 분야이다. 우주물체 감시 및 추적에 사용되는 센서는 관측위치에 따라 지상기반(Ground-Based) 및 우주기반(Space-Based)으로 나눌 수 있으며, 센서의 종류는 크게 레이더와 광학시스템(Optical Telescope)이 있다.
	우주물체 감시 및 추적에 사용되는 센서는 어떻게 구분되는가	우주물체 감시 및 추적은 지구궤도를 돌고 있는 활동 중이거나 활동 중이 아닌 위성과 폐기된 발사체, 우주파편 등을 감시하는 분야이다. 우주물체 감시 및 추적에 사용되는 센서는 관측위치에 따라 지상기반(Ground-Based) 및 우주기반(Space-Based)으로 나눌 수 있으며, 센서의 종류는 크게 레이더와 광학시스템(Optical Telescope)이 있다. 이 중 지상기반 레이더는 지상에서 전파를 송신하여 탐지대상에서 반사되어 오는 전파를 수신하여 레이더와 물체간의 거리 및 각도 정보를 획득하는 시스템으로, 날씨와 시간에 구애받지 않고 전천후 관측이 가능하며, 정확도가 높은 장점이 있다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

레이더를 이용한 국제우주정거장 추적 및 궤도결정
Tracking and Orbit Determination of International Space Station using Radar 원문보기

초록
AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (12)

이 논문을 인용한 문헌

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

레이더를 이용한 국제우주정거장 추적 및 궤도결정 Tracking and Orbit Determination of International Space Station using Radar 원문보기

초록 용어보기논문에서 용어와 풀이말을 자동 추출한 결과로, 시범 서비스 중입니다. AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (12)

이 논문을 인용한 문헌

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

레이더를 이용한 국제우주정거장 추적 및 궤도결정
Tracking and Orbit Determination of International Space Station using Radar 원문보기

초록
AI-Helper

AI 본문요약
AI-Helper