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한국형 위성항법시스템을 위한 위성군집궤도 최적 설계
Optimal Satellite Constellation Design for Korean Navigation Satellite System 원문보기

Journal of Korean Society of Industrial and Systems Engineering = 한국산업경영시스템학회지, v.39 no.3, 2016년, pp.1 - 9  

김한별 (공군교육사령부) ,  김흥섭 (공군사관학교 시스템공학과)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

NSS (Navigation satellite system) provides the information for determining the position, velocity and time of users in real time using satellite-networking, and is classified into GNSS (Global NSS) and RNSS (Regional NSS). Although GNSS services for global users, the exactitude of provided informati...

주제어

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문제 정의

  • 마지막으로, 위성의 배치상황에 따른 기하학적 오차(PDOP : Position Dilution Of Precision)는 수신기의 위치를 결정하기 위해 이용되는 위성들의 배치 형상에 따른 오차이다. 따라서 본 연구는 PDOP를 기준으로 양질의 위치정확도를 제공하기 위한 위성군집궤도 설계를 목적으로 한다.
  • 하지만, 기존 연구들은 제한적인 경사각, 이심률을 고려한 시뮬레이션 결과를 통해 위치정확도 변화의 경향성을 제시한 연구로, 위성군집궤도 설계에 있어 최적화를 시도하고 있지는 않다. 따라서 본 연구는 기존 연구들을 바탕으로, 시스템공학적 관점에서 한국형 RNSS를 위한 위성군집궤도(Satellite constellation)의 최적 설계를 위한 방법론을 제안한다.
  • 본 연구는 한반도를 서비스 지역으로 하는 한국형 RNSS 구축을 위한 위성군집궤도의 최적 설계 방법론에 대해 다루었다. 수치실험을 통해 PDOP가 항시 Moderate 이상의 수준을 충족하기 위해서는 위성 7기 정도가 운용되어야 하며, 이때 94.
  • 본 연구에서는 위성의 우주비행과 항법시스템의 위치정확도에 대한 타당성과 정밀도를 보장받기 위해 전문 소프트웨어인 AGI사의 STK(System Tool Kit)를 이용하여 시뮬레이션 하였다. 또한, 기존 연구들을 바탕으로 한반도 지역을 서비스하기 위한 위성 궤도요소들(Orbital elements)의 합리적인 범위를 고찰하고, 연속형 변수(Continuous variable)인 각 궤도요소의 특성을 고려하여 현실적인 수준에서 이산화(Discretization)함으로써 위성군집궤도 설계를 조합최적화(Combinatorial optimization) 문제로 고려하였다.
  • 본 연구에서의 목적함수는 “PDOP ≤ 5.0”인 시간의 비율의 최대화로서, 잠재해가 표현하는 각 위성들의 선택된 궤도(Orbit)와 비행 시작점(Start time) 정보를 바탕으로 일정기간 동안의 위성들의 비행 시뮬레이션을 수행하면서 PDOP를 측정하여 얻어진다.
  • 본 절에서는 본 연구에서 사용되는 용어들의 이해를 돕기 위해 위성궤도를 결정하는 요소들에 대해 설명한다.
  • GNSS는 우리나라에서도 널리 사용되고 있는 미국의 GPS(Global Positioning System)와 러시아의 GLONASS(GLObal NAvigation Satellite System)가 있다. 중국은 1994년부터 Beidou라는 위성항법시스템 개발을 시작하여 2012년까지 16기의 인공위성을 발사하여 동북아시아 지역에 서비스할 수 있는 RNSS를 구축하였으며, 2020년까지 추가적으로 19기의 인공위성을 발사하여 GNSS를 구축하는 것을 목표로 하고 있다. 유럽연합(EU)의 15개 회원국은 2002년 GNSS 개발에 합의하고, 2003년에 Galileo 위성항법시스템 개발을 시작하였다.

가설 설정

  • 후보궤도군 선정과 PDOP 산정의 편의를 위해 수신기, 즉, 사용자는 서울에 위치하고 있는 것으로 가정하였다. 하지만, 한반도의 면적이 넓지 않아 다른 지역의 사용자와의 차이는 무시될 수 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
위성항법 시스템은 어떻게 구분되는가? 위성항법시스템(NSS : Navigation Satellite System)은 인공위성 네트워크를 이용해 사용자의 위치와 시간을 정확히 추적해 위치정보를 제공하는 시스템이다. 위성항법 시스템은 지구상의 전 지역을 대상으로 서비스하는 전 지구 위성항법시스템(GNSS : Global NSS)과 특정 지역을 위한 지역 위성항법시스템(RNSS : Regional NSS)로 구분된다. GNSS는 우리나라에서도 널리 사용되고 있는 미국의 GPS (Global Positioning System)와 러시아의 GLONASS(GLObal NAvigation Satellite System)가 있다.
한국형 RNSS를 위한 위성군집궤도는 한반도 지역적 특성을 고려하여 설계되어야 하는 이유는? RNSS는 특정 지역에 국한하여 서비스를 제공하기 때문에 위성군집궤도 설계 시, 서비스 대상 지역의 위치(위도, 경도), 면적, 지역의 형상 등에 따라 고려해야할 변수 들에서 상당한 차이를 보인다. 따라서 한국형 RNSS를 위한 위성군집궤도는 한반도의 지역적 특성을 고려하여 설계되어야 한다.
위성항법시스템 이란? 위성항법시스템(NSS : Navigation Satellite System)은 인공위성 네트워크를 이용해 사용자의 위치와 시간을 정확히 추적해 위치정보를 제공하는 시스템이다. 위성항법 시스템은 지구상의 전 지역을 대상으로 서비스하는 전 지구 위성항법시스템(GNSS : Global NSS)과 특정 지역을 위한 지역 위성항법시스템(RNSS : Regional NSS)로 구분된다.
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참고문헌 (17)

  1. Agrawal, V., Satellite technology : principles and applications (2nd ed.), John Wiley & Sons, 2011. 

  2. Bate, R.R., Mueller, D.D., and White, J.E., Fundamentals of astrodynamics, 1971, Courier Corporation. 

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  4. Choi, M.S., Won, D.H., Sung, S.G., Lee, J.Y., Kim, J.R., Lee, Y.J., Park, J.P., and Park, H.W., Korean Navigation Satellite System Orbit Design and Navigation Performance Analysis, Proceedings of the Korean Society For Aeronautical And Space Sciences, 2013, pp. 645-649. 

  5. http://www.kass.re.kr/sub01/sub01_01.php. 

  6. Kim, H.S. and Jeon, G.W., A Study on Reliability Optimal Design of Satellite system (Based on MSC System's structure of KOMPSAT-2), Journal of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, 2011, Vol. 39, No. 12, pp. 1150-1159. 

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  8. Larsen, W.J. and Wertz, J.R., Space mission analysis and design, Microcosm, Inc. and Kluwer Academic Publishers, Torrance, 1992. 

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  10. Lee, Y.I., Lee, K.W., Seo, I.W., and Ko, S.S., Efficient Satellite Mission Scheduling Problem Using Particle Swarm Optimization, Journal of Society Korea Industrial and Systems Engineering, 2016, Vol. 39, No. 1, pp. 56-63. 

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  12. Misra, P., Burke, B.P., and Pratt, M.M., GPS performance in navigation, Proceedings of the IEEE, 1999, Vol. 87, No. 1, pp. 65-85. 

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  14. Parkinson, B.W., Progress in Astronautics and Aeronautics : Global Positioning System : Theory and Applications (Vol. 2), AIAA, 1996. 

  15. Shin, M.J. and Lee, Y.J., Orbit Design of a Satellite Navigation System for East Asia Region, Proceedings of the Korean Society For Aeronautical And Space Sciences, 2000, pp. 173-176. 

  16. Yim, D.S., A Genetic Algorithm for Cell-to-Switch Assignment Problem in Cellular Mobile Networks, Journal of the Korean Institute of Plant Engineering, 2005, Vol. 10, No. 1, pp. 91-102. 

  17. Yum, J.K. and Nam, K.S., A Study of D-Optimal Design in Nonlinear Model Using the Genetic Algorithm, Journal of The Korean Society for Quality Management, 2000, Vol. 28, No. 2, pp. 135-146. 

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