본 논문에서는 인공위성을 비롯한 우주물체 관측 및 감시를 위한 전자광학 관측 장비인 망원경의 탐지 성능에 대한 분석을 수행한다. M&S(Modeling & Simulation)를 통한 분석을 위해, 위성 궤도 모델, 망원경 모델, 그리고 지구 대기 모델을 구현하고, 위성을 관측하는 탐지 시나리오를 구성한다. 탐지 시나리오를 바탕으로 지향각 명령 오차를 적용하여 망원경 주요 사양인 시야각(Field of View, FOV)에 따른 지향 성능을 분석하고, 신호대잡음비(Signal-to-Noise Ratio, SNR)를 통해 탐지 여부를 판별하여 검출기 화소수와 시야각(FOV)에 따른 탐지 성능을 분석한다. 본 논문의 M&S 분석 결과는 망원경 시야각(FOV)이 상대적으로 클수록 지향각 명령 오차가 존재하더라도 지향 성능은 좋지만, 대기 환경의 영향으로 화소수가 높고 망원경 시야각(FOV)이 작을수록 탐지 성능이 높아짐을 보여준다. 그래서 시야각(FOV)과 화소수 등의 망원경 주요 사양은 본 논문에서 수행한 M&S 분석 결과 및 종합적인 운용 상황을 고려하여 결정해야 한다.
본 논문에서는 인공위성을 비롯한 우주물체 관측 및 감시를 위한 전자광학 관측 장비인 망원경의 탐지 성능에 대한 분석을 수행한다. M&S(Modeling & Simulation)를 통한 분석을 위해, 위성 궤도 모델, 망원경 모델, 그리고 지구 대기 모델을 구현하고, 위성을 관측하는 탐지 시나리오를 구성한다. 탐지 시나리오를 바탕으로 지향각 명령 오차를 적용하여 망원경 주요 사양인 시야각(Field of View, FOV)에 따른 지향 성능을 분석하고, 신호대잡음비(Signal-to-Noise Ratio, SNR)를 통해 탐지 여부를 판별하여 검출기 화소수와 시야각(FOV)에 따른 탐지 성능을 분석한다. 본 논문의 M&S 분석 결과는 망원경 시야각(FOV)이 상대적으로 클수록 지향각 명령 오차가 존재하더라도 지향 성능은 좋지만, 대기 환경의 영향으로 화소수가 높고 망원경 시야각(FOV)이 작을수록 탐지 성능이 높아짐을 보여준다. 그래서 시야각(FOV)과 화소수 등의 망원경 주요 사양은 본 논문에서 수행한 M&S 분석 결과 및 종합적인 운용 상황을 고려하여 결정해야 한다.
In this paper, the detection performance of the electro-optical telescopes which observes and surveils space objects including artificial satellites, is analyzed. To perform the Modeling & Simulation(M&S) based analysis, satellite orbit model, telescope model, and the atmospheric model are construct...
In this paper, the detection performance of the electro-optical telescopes which observes and surveils space objects including artificial satellites, is analyzed. To perform the Modeling & Simulation(M&S) based analysis, satellite orbit model, telescope model, and the atmospheric model are constructed and a detection scenario observing the satellite is organized. Based on the organized scenario, pointing accuracy is analyzed according to the Field of View(FOV), which is one of the key factors of the telescope, considering pointing angle command error. In accordance with the preceding result, detection possibility according to the pixel-count of the detector and the FOV of the telescope is analyzed by discerning detection by Signal-to-Noise Ratio(SNR). The result shows that pointing accuracy increases with larger FOV, whereas the detection probability increases with smaller FOV and higher pixel-count. Therefore, major specification of the telescope such as FOV and pixel-count should be determined considering the result of M&S based analysis performed in this paper and the operational circumstances.
In this paper, the detection performance of the electro-optical telescopes which observes and surveils space objects including artificial satellites, is analyzed. To perform the Modeling & Simulation(M&S) based analysis, satellite orbit model, telescope model, and the atmospheric model are constructed and a detection scenario observing the satellite is organized. Based on the organized scenario, pointing accuracy is analyzed according to the Field of View(FOV), which is one of the key factors of the telescope, considering pointing angle command error. In accordance with the preceding result, detection possibility according to the pixel-count of the detector and the FOV of the telescope is analyzed by discerning detection by Signal-to-Noise Ratio(SNR). The result shows that pointing accuracy increases with larger FOV, whereas the detection probability increases with smaller FOV and higher pixel-count. Therefore, major specification of the telescope such as FOV and pixel-count should be determined considering the result of M&S based analysis performed in this paper and the operational circumstances.
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문제 정의
본 논문에서는 우주물체의 위협을 감시하기 위한 전자광학 관측 장비인 망원경의 탐지 성능과 관련된 분석을 수행한다. 이를 위해, 분석에 필요한 M&S(Modeling and Simulation) 모델과 운용개념을 바탕으로 위성을 관측하여 탐지하는 시나리오를 구성하였다.
본 논문에서는 망원경의 주요 사양을 분석하기 위해, 망원경이 위성을 탐지하고 추적하여 관측하는 임무시나리오를 구성하였다. 시뮬레이션 시나리오에 따른 임무수행은 위성 탐지, 검출/처리(위성 탐지 판별), 마운트 구동에 따른 이동 및 관측을 반복적으로 수행하도록 그림 4와 같이 적용하였다.
본 논문에서는 위성과 같은 우주물체를 관측하는 망원경의 주요 사양을 분석하기 위해, M&S (Modeling & Simulation)를 수행하였다.
가설 설정
그리고 광학계 모델은 공통 광학계의 유효입사면적(Optical Collecting Area), 위성의 크기, 표면 반사율 및 환경조건 등을 입력받아 식 (2)와 같이 위성의 위치와 크기에 따른 신호 크기를 계산하도록 한다. 본 논문에서는 위성 본체의 표면 반사율은 90%, 주경의 유효입사면적은 50%로 가정하였다.
그리고 ∆Azc와 ∆Elc는 방위각과 고각에 대한 지향각 명령 오차를 의미하며, 오차에 Uniform Random 요소를 고려하여 반복 시뮬레이션을 수행하였다. 지향각 명령 오차에 따른 망원경 시야각(FOV)에 대한 영향을 분석하기 위해, 관측 시간은 일몰 무렵을 고려하였으며, 그림 4의 검출/처리 및 마운트 구동 시간을 포함한 관측 간격은 7초로 가정하였다. 표 1은 관측 대상이 되는 저궤도 위성을 관측거리(Slant Range), 방위각(Azimuth) 및 고각(Elevation) 조건에 대해 나타낸 것으로, 관측 시간대에 표 1과 같은 조건을 가진 위성을 STK 내에 포함된 저궤도 위성의 TLE 데이터를 활용하여 분석에 적용하였다.
제안 방법
이를 위해, 분석에 필요한 M&S(Modeling and Simulation) 모델과 운용개념을 바탕으로 위성을 관측하여 탐지하는 시나리오를 구성하였다.
망원경 시스템의 주요 임무는 위성이 출현할 경우, 이를 탐지 및 추적하여 관측 임무를 수행하는 것으로 본 논문에서는 다음과 같은 M&S 모델을 활용하여 이에 대한 분석을 수행하였다.
이를 위해, 분석에 필요한 M&S(Modeling and Simulation) 모델과 운용개념을 바탕으로 위성을 관측하여 탐지하는 시나리오를 구성하였다. 그리고 통제시스템에서 예측한 지향 위치에 오차가 존재하여 지향각 명령에 오차가 발생한다고 가정하고, 망원경의 시야각(FOV)에 대한 영향 및 검출기의 화소수와의 관계에 대한 탐지 성능 분석을 수행한다.
망원경이 관측해야 하는 표적으로 위성을 고려하였으며, AGI(Analytical Graphics, Inc)사에서 만든 상용툴인 STK(Systems Tool Kit)를 활용하여 위성의 궤도운동을 모사하였다. STK는 AGI사의 위성 DB 및 위성의 궤도 요소를 두 줄로 표현하여 나타내는 TLE(Two Line Element) 데이터를 활용하여 국적, 임무, 운영 여부 등에 따라 위성을 선택하여 적용할 수 있다.
그래서 망원경 제어시스템은 마운트 구동을 수행하기 전에 망원경이 다음 단계에 지향해야 할 목표 방향을 설정해야 하며, 이에 따른 마운트의 지향각 명령을 생성해야 한다. 본 논문에서는 STK를 통해 출력된 망원경과 위성과의 조우 정보를 활용하여 망원경 제어시스템의 지향각 명령을 생성하고, 이를 마운트 구동 명령으로 적용하였다.
또한, 검출기 모델은 공통 광학계의 시야각(FOV)과 검출기의 화소수, 환경조건 등을 입력받아 식 (3)과 같이 잡음의 크기를 계산하고, 식 (2)에서 계산한 신호의 크기와 검출기의 한 프레임의 이미지를 얻어내기 위해 소요되는 속도(Frame Rate)를 고려하여 신호대잡음비(SNR)를 계산하도록 하였다[8].
와 US Air Force Research Lab.에서 공동 개발한 Atmospheric Radiative Transfer Model인 Modtrans5를 사용하여 관측 위치와 시간, 기상 조건에 따른 대기투과도, 대기방사에너지, 태양복사에너지 분석을 수행하여 신호대잡음비(SNR) 계산에 적용하였다[9].
그리고 지향각 명령 오차(Pointing Command Error)는 각 Case의 시야각(FOV)에 대해 1'부터 0.2' 간격으로 증가시켜 2'까지 적용하여 분석을 진행하였다.
그리고 지향각 명령 오차 수준에 따른 망원경 주요 사양인 시야각(FOV)에 따른 영향을 분석하기 위해, 식 (4)와 그림 5와 같이 위성의 위치에 대한 마운트의 지향각 명령에 동일한 방위각 오차와 고각 오차를 적용하여 분석을 수행하였다.
)을 나타낸다. 그리고 ∆Azc와 ∆Elc는 방위각과 고각에 대한 지향각 명령 오차를 의미하며, 오차에 Uniform Random 요소를 고려하여 반복 시뮬레이션을 수행하였다. 지향각 명령 오차에 따른 망원경 시야각(FOV)에 대한 영향을 분석하기 위해, 관측 시간은 일몰 무렵을 고려하였으며, 그림 4의 검출/처리 및 마운트 구동 시간을 포함한 관측 간격은 7초로 가정하였다.
표 2는 본 논문에서 수행한 수치 시뮬레이션 분석 조합을 나타낸 것으로, 망원경 시야각(FOV) 조건을 Case 별로 분류하고, 각 Case에 대해 명령오차를 적용하여 각각의 조합에 대해 50회의 반복 시뮬레이션을 수행하여 분석을 수행하였다. 표 2의 Case 2에 나타낸 시야각(FOV)을 기준으로, Case 1은 Case 2보다 25% 감소된 시야각(FOV)을 나타내며, Case 3은 Case 2보다 25% 증가된 시야각(FOV)을 고려하여 적용하였다.
표 2는 본 논문에서 수행한 수치 시뮬레이션 분석 조합을 나타낸 것으로, 망원경 시야각(FOV) 조건을 Case 별로 분류하고, 각 Case에 대해 명령오차를 적용하여 각각의 조합에 대해 50회의 반복 시뮬레이션을 수행하여 분석을 수행하였다. 표 2의 Case 2에 나타낸 시야각(FOV)을 기준으로, Case 1은 Case 2보다 25% 감소된 시야각(FOV)을 나타내며, Case 3은 Case 2보다 25% 증가된 시야각(FOV)을 고려하여 적용하였다. 그리고 지향각 명령 오차(Pointing Command Error)는 각 Case의 시야각(FOV)에 대해 1`부터 0.
이와 같은 결과는 시야각(FOV)이 상대적으로 클수록 대기 환경의 영향을 크게 받기 때문에 탐지 성능이 낮아지게 되는 것으로, 본 논문에서는 M&S 분석을 통해 이를 확인하였다.
그리고 M&S 모델 및 임무 시나리오를 적용하여 망원경의 시야각(FOV)과 지향각 명령 오차 수준에 따른 지향 성능을 분석하였다.
그래서 시뮬레이션 시나리오에 따른 망원경 시야각(FOV)과 검출기 주요 사양인 화소수에 따른 신호대잡음비(SNR) 분석을 수행하였다. 관측 시간은 일몰 무렵이며, 위성은 표 1의 조건과 동일한 조건으로 적용하였다.
그리고 M&S 모델 및 임무 시나리오를 적용하여 망원경의 시야각(FOV)과 지향각 명령 오차 수준에 따른 지향 성능을 분석하였다. 또한, 신호대잡음비(SNR)에 대한 탐지 성공 여부를 판별하여 검출기 화소수와 시야각(FOV)에 따른 탐지 성능을 분석하였다.
대상 데이터
지향각 명령 오차에 따른 망원경 시야각(FOV)에 대한 영향을 분석하기 위해, 관측 시간은 일몰 무렵을 고려하였으며, 그림 4의 검출/처리 및 마운트 구동 시간을 포함한 관측 간격은 7초로 가정하였다. 표 1은 관측 대상이 되는 저궤도 위성을 관측거리(Slant Range), 방위각(Azimuth) 및 고각(Elevation) 조건에 대해 나타낸 것으로, 관측 시간대에 표 1과 같은 조건을 가진 위성을 STK 내에 포함된 저궤도 위성의 TLE 데이터를 활용하여 분석에 적용하였다.
관측 시간은 일몰 무렵이며, 위성은 표 1의 조건과 동일한 조건으로 적용하였다. 검출기 화소수는 2K X 2K와 4K X 4K인 경우를 적용하였다. 그림 12는 2K X 2K의 화소수 검출기의 시야각(FOV)에 따른 신호대잡음비(SNR) 시뮬레이션 결과이며, 그림 13은 4K X 4K의 화소수 검출기의 시야각(FOV)에 따른 신호대잡음비(SNR) 시뮬레이션 결과이다.
이론/모형
분석모델은 Matlab과 STK 등을 활용하여 모델화하였으며, 이를 연동하여 분석에 활용하였다.
M&S를 활용한 분석을 위해, 위성 궤도 모델과 이를 관측하기 위한 망원경의 제어시스템과 구동장치 모델, 광학계 및 검출기 모델, 그리고 망원경이 운용되는 대기 환경 모델을 M&S 모델로 구성하였으며, 이와 같은 M&S 모델을 활용하여 위성을 관측하는 임무 시나리오를 고려하였다.
성능/효과
본 논문에서 수행한 M&S 분석결과를 살펴보면, 망원경의 시야각(FOV)이 상대적으로 클수록 지향각 명령 오차값이 커지더라도 관측이 용이하여 지향 성능이 좋음을 확인하였다.
그림 12와 13에서 보는 바와 같이, 화소수가 높은 조건에서는 신호대잡음비(SNR) 값이 상대적으로 높아 탐지 성능이 좋음을 확인할 수 있다. 그러나 대기 방사 에너지의 영향에 의해 망원경 시야각(FOV)이 상대적으로 작을수록 영향을 적게 받아 높은 신호대 잡음비(SNR)를 얻어서 탐지 성능이 좋음을 확인할 수 있다.
본 논문에서 수행한 M&S 분석결과를 살펴보면, 망원경의 시야각(FOV)이 상대적으로 클수록 지향각 명령 오차값이 커지더라도 관측이 용이하여 지향 성능이 좋음을 확인하였다. 그러나 신호대잡음비(SNR) 분석을 통한 결과에서는 화소수가 높고 시야각(FOV)이 작을수록 검출기를 통한 탐지 성능이 높아짐을 확인하였다. 이와 같은 결과는 시야각(FOV)이 상대적으로 클수록 대기 환경의 영향을 크게 받기 때문에 탐지 성능이 낮아지게 되는 것으로, 본 논문에서는 M&S 분석을 통해 이를 확인하였다.
후속연구
그리고 본 논문에서 고려한 요소 외에 망원경 운용 체계와 관련된 다양한 성능을 살펴보기 위해서는 다양한 변수와 항목을 선정하여 이에 대한 분석을 진행해야 하며, 이를 통해 분석된 결과들을 종합하여 적합한 판단이 이뤄져야 할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
망원경 시스템의 주요 임무는 무엇인가?
망원경 시스템의 주요 임무는 위성이 출현할 경우, 이를 탐지 및 추적하여 관측 임무를 수행하는 것으로 본 논문에서는 다음과 같은 M&S 모델을 활용하여 이에 대한 분석을 수행하였다.
망원경에 의한 위성 관측에서 대기환경조건을 고려해야 하는 이유는?
망원경에 의한 위성 관측은 지구 대기의 영향을 받기 때문에, 대기환경조건을 고려해야 한다. 그래서 그림 3과 같이 미국의 Spectral Sciences Inc.
우주공간으로부터의 위험에 대비하기 위한 감시체계가 필요한 이유는?
우주공간에는 위성을 비롯한 다양한 우주물체가 존재하고 있으며, 이와 같은 우주물체 간의 충돌로 인한 파편들의 지상 낙하 및 적성국의 정찰 위성에 의한 국내 정찰 등의 위험성이 존재한다. 그래서 이러한 우주공간으로부터의 위험에 대비하기 위한 감시체계가 필요하다.
참고문헌 (10)
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GEODSS, A GEODSS Sourcebook, U.S. Air Force, 2008.
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S. Y. Yeom, K. Y. Park, H. R. Kim and Y. K. Chang, "Development of Fuzzy Logic-based MPPT and Performance Verification through EBA for Satellite Applications," Journal of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, vol. 42, no. 9, pp. 779-788, Sep. 2014.
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European Southern Observatory. [Internet]. Available: http://www.eso.org/-ohainaut/ccd/sn.html.
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