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과거 TLE정보를 활용한 새로운 TLE정보 생성기법
New TLE generation method based on the past TLEs 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.45 no.10, 2017년, pp.881 - 891  

조동현 (Korea Aerospace Research Institute) ,  한상혁 (Korea Aerospace Research Institute) ,  김해동 (Korea Aerospace Research Institute)

초록
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본 논문에서는 인공위성의 궤도예측을 위해 사용되는 미국 합동우주관제센터(JSpOC, Joint Space Operation Center)의 TLE(Two Line Element) 정보에 대한 SGP4(Simplified General Perturbations 4) 모델의 장기 궤도예측 오차를 줄이기 위해 과거의 TLE 정보들을 이용한 보상기법을 적용하여 새로운 TLE 정보를 생성하는 방법에 대해 기술하고 있다. 이를 위해 과거 특정 시점에서의 TLE 정보를 바탕으로 현재까지 궤도전파를 한 데이터와 동일기간 동안 미국 합동우주관제센터에서 공개된 모든 TLE를 이용해서 궤도전파를 수행한 데이터를 비교하여 계산한 궤도잔차를 이용하였다. 이러한 궤도잔차 성분은 SGP4 궤도전파 모델에 의한 궤도오차 증가 경향을 보여주고 있기 때문에 궤도오차 보정을 위해 해당 궤도잔차 성분들을 적절한 함수로 표현하였다. 이후, 현재 시점에서 공개된 TLE 정보를 이용한 SGP4 궤도전파 데이터에 해당 잔차함수를 적용함으로써 장기 궤도전파에 따른 SGP4 모델의 궤도오차를 줄일 수 있었으며, 이를 바탕으로 새로운 TLE 정보를 생성하였다. 본 논문에서 일주일의 궤도전파에 대한 시뮬레이션을 통해 기존의 TLE를 이용한 궤도전파 오차가 4km 정도인 반면 새로운 TLE 생성기법에 의한 궤도전파 오차가 약 2km 수준으로 줄어드는 것을 확인할 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this paper, we described the new TLE(Two Line Elements) generation method based on the compansation technique by using past TLEs(Two Line Elements) released by JSpOC(Joint Space Operation Center) in USA to reduce the orbit prediction error for long duration of SGP4(Simplified General Perturbation...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서 본 논문에서는 별도의 궤도결정 소프트웨어를 이용하지 않고 과거의 TLE 정보들만을 바탕으로 이러한 TLE+SGP4 궤도예측 기법의 궤도오차 증가의 경향성을 보상(Compansation)함으로써 저가의 궤도예측 및 탑재 궤도전파기의 성능향상 기법에 대해 기술하고자 한다. 이에 2장에서는 제안하고자 하는 새로운 TLE 생성기법에 대해 설명하고, 3장에서는 해당 알고리즘에 대한 간단한 시뮬레이션을 수행함으로써 제안한 방식의 효용성을 확인하여 보았다.
  • 본 논문에서는 초소형위성과 같이 저가의 운영환경에 대한 궤도예측 기능을 제안하기 위해 미국 합동우주전략센터에서 배포하는 TLE 정보와 SGP4 궤도전파기를 이용한 장시간 궤도예측 오차 성능을 개선을 목표로 과거의 TLE 데이터들을 활용하여 궤도잔차를 분석함으로써 궤도예측 오차의 장기 영향에 대한 보상과정을 수행하였다. 이를 통해 보정된 궤도예측 결과는 일주일 동안의 궤도예측에 대해 기존의 약 4km 궤도오차에서 약 2km 수준의 궤도오차가 경감함을 확인할 수 있었다.
  • 이와 같이 생성된 궤도잔차 데이터를 이용하여 보상함수를 설계할 수 있다. 이 과정에서 해당 위성에 최적화된 보상함수 설계가 가능할 것이나, 본 논문에서는 인공위성의 운영에 범용으로 적용되는 방법론을 제안하는 것을 목적으로 하기 때문에 최적화보다 범용성을 중심으로 하기 위해 해당 궤도잔차들을 다수의 사인(Sine)함수들의 합으로 표현하고자 하였다. 이를 위해서 MATLAB의 Curve Fitting Tool을 사용하였으며, 대상함수는 "Sum of Sine" 함수의 8차항까지 사용함에 따라 수식적으로는 다음과 같다.
  • 일반적으로 이와 같이 TLE와 SGP4를 이용한 궤도예측 기법의 궤도예측 오차의 경향성을 분석하기 위해서는 해당 기법의 오차를 계산하기 위한 기준궤도정보가 필요하게 된다. 이를 위해 일반적으로 상용 궤도결정 소프트웨어 등을 통해 얻은 궤도결정 정보를 사용하게 되지만, 본 논문에서는 이러한 상용 궤도졀정 소프트웨어를 구축하기 어려운 저가의 지상국 환경에서의 궤도예측 기법 향상에 그 목적이 있다. 따라서 이러한 궤도오차를 계산하기 위한 기준 궤도정보를 다른 방법으로 제공하여야 한다.
  • 따라서 이러한 궤도오차를 계산하기 위한 기준 궤도정보를 다른 방법으로 제공하여야 한다. 이를 위해서 과거 특정시간에 대한 기준 궤도정보 생성을 위해 본 논문에서는 해당 기간동안 배포된 모든 TLE 정보를 활용하고자 한다.
  • 앞 절에서 살펴본 것과 같이 TLE와 SGP4를 이용한 궤도예측 과정에서 발생하는 궤도오차 증가 특성을 개선하기 위해서는 TLE 데이터뿐만 아니라 SGP4 모델에 대한 보상이 이루어져야 한다. 이를 위해서 본 논문에서는 과거의 TLE들을 활용하여 TLE와 SGP4의 궤도오차 경향성을 함수화 하여 최신에 갱신된 TLE 정보와 SGP4를 이용한 궤도예측 결과에 반영함으로써 TLE의 B*항목과 같은 데이터의 수정 및 SGP4 모델의 오차를 한꺼번에 보상하고자 한다. 즉, 과거의 특정 기간 동안 배포된 모든 TLE 정보를 바탕으로 Fig.
  • 이러한 데이터를 바탕으로 TLE+SGP의 오차특성을 분석하기 위해 초기의 특정 기간동안의 궤도전파를 수행해야된다. 장기궤도예측에 대한 특정 분석기법이 정형화되기 보다는 필요에 의한 성능을 분석하기 때문에 해당 분석기간을 특정할 수는 없지만, 초소형위성의 낮은 신뢰성에 따른 지상국과의 교신단절 등의 상황을 가정하여 약 7일정도의 궤도전파 특성에 대해 본 시뮬레이션에서 보상해보고자 한다. 또한, 본 논문의 제안방법의 적용이 가능한 우주파편의 충돌위험 분석의 경우도 일반적으로 7일 이내의 충돌 이벤트에 대한 분석을 수행하는 점을 살펴봤을 때 해당 분석 기간을 7일로 설정하였다.

가설 설정

  • 본 논문에서 제안한 새로운 TLE 생성기법에 대한 시뮬레이션을 위해 앞 장에서 한국항공우주연구원(이하 항우연) 지상국에서 제공해준 궤도 결정(OOD, Operational Orbit Determination) 데이터를 실제 궤도(True Orbit)로 가정하여 실제 궤도오차 성능을 분석하여 보았다. 이를 위해 아리랑 2호 위성에 대해 2013년 7월 1일부터 16일까지의 궤도결정 데이터와 함께 7월 1일부터 9일까지 배포된 모든 TLE 정보들을 함께 제공 받았다.
  • 일반적으로 궤도운동을 하고 있는 우주물체들은 지구에 의한 2체 운동이외에 다양한 외부 섭동력의 영향을 받게 된다. 이러한 외부 섭동력에 대한 영향으로 변화되는 궤도변화를 간단한 형태의 모델로 가정한 것이 SGP4(Simplified General Perturbations 4) 모델이며, TLE 정보는 시간에 따른 궤도정보(Ephemeris)를 이러한 SGP4 모델에 맞게 Fig. 1과 같이 두 줄의 데이터로 표현한 평균 궤도요소이다[1,2,3]. 이러한 TLE+SGP4의 궤도예측 기법은 해석적 기법의 계산을 통해 궤도정보를 생성하기 때문에 수학적 기법의 다른 방식에 비해 계산속도가 빠르며, 계산량이 적다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
일반적인 궤도예측 기법은 어떻게 수행되는가? 하지만 일반적으로 궤도예측 기법은 과거의 관측데이터를 바탕으로 수행된 궤도결정 결과를 바탕으로 이루어지게 되는 것이 일반적이며, 이를 위해서는 인공위성 및 우주물체들에 대한 관측데이터와 함께 궤도결정 소프트웨어를 필요로 하게 된다. 또한, 이러한 궤도결정 소프트웨어는 상대적으로 고가이기 때문에 초소형위성과 같은 시스템에서 적용하기에 다소 어려움이 있다.
위성의 내부에 탑재 궤도전파기의 설치가 요구되는 이유는 무엇인가? 인공위성의 임무를 계획하고 정상적으로 운영하기 위해서는 궤도예측 기법이 필요하다. 특히, 신뢰성이 낮은 초소형위성의 경우 GPS가 고장나거나 지상국과의 교신이 단절되는 등의 비정상상태의 위험도가 상대적으로 높기 때문에 위성의 내부에 탑재 궤도전파기(On-board Orbit Propagator)가 요구되며, 이에 대한 장기궤도예측 성능은 위성의 운영에 많은 도움이 된다. 한편 이러한 궤도예측 기법은 인공위성의 운영 뿐만 아니라 우주물체 감시 및 우주파편 제거시스템 등의 다양한 분야에 적용되는 기반 기술이다.
미국의 합동우주전략센터에서 배포하는 TLE정보를 이용하여 SGP4로 궤도예측을 수행 시 발생하는 궤도오차증가를 해결하기 위하여 어떤 연구들이 진행되어져 왔는가? 따라서 이러한 TLE와 SGP4를 이용한 궤도예측 오차를 감소시키기 위해 다양한 연구가 이루어져 왔다. 초기에는 자국의 운영위성에 대해 지상국에서 획득한 정밀한 궤도결정 및 궤도예측데이터를 바탕으로 새로운 TLE를 생성하는 방법을 제안하였으며p[7], 일부 논문에서는 지상국의 정밀 궤도결정 데이터 대신 위성의 GPS 항행해(GPS Navigation Solution) 정보를 이용해서 새로운 TLE를 생성하기도 하였다[8-10]. 또한, TLE 정보 중 저궤도 위성에 가장 많은 영향을 미치는 대기항력의 성분을 수정하기 위해 B*의 값만을 새로 계산해서 적용하는 접근법도 제안되었다[11]. 최근에는 이러한 과거의 TLE들과 SGP4를 통해 얻은 궤도정보를 의사관측데이터(Pseudo-Observation Data)로 활용해서 궤도결정 프로그램을 통해 궤도오차를 줄인 후 궤도예측을 수행하는 연구가 진행되어왔다[6, 12-15]
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참고문헌 (17)

  1. Hoots, F. R., Roehrich, R. L. and Kelso, T. S., "Spacetrack report no. 3.," Project Spacetrack Reports, Office of Astrodynamics, Aerospace Defense Center, 1980. 

  2. Vallado, D. A., Crawford, P., Hujsak, R., and Kelso, T. S., "Revisiting spacetrack report no. 3: revision 2," In Proceedings of the 2006 AIAA/AAS Astrodynamics Specialist Conference, 2006. 

  3. Definition of Two-line Element Set Coordi nate System (https://spaceflight.nasa.gov/realdata/sightings/SSapplications/Post/JavaSSOP/SSOP_Help/tle_def.html ) 

  4. Kim, H.-D., Kim. E.-H., Eom, W., Kim, E.-K., and Kim, H.-J., "Conceptual Design of a Space Debris Collision Risk Management System," Proceeding of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences Fall Conference (in Korean), November 2011, pp. 543-546. 

  5. Kim, H.-D., Lee, S.-C., Cho, D.-H. and Seong, J.-D., "Development of KARI Space Debris Collision Risk Management System," Proceeding of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences Spring Conference (in Korean), April 2013, pp. 777-776. 

  6. Yim, H., Jung, O.-C. and Chung, D.-W., "A Study on Enhancement of Orbit Prediction Precision for Space Objects Using TLE," Journal of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 42, No. 3, 2014, pp. 270-278. 

  7. Lee, B.-S., "NORAD TLE Conversion from Osculating Orbital Element," Journal of astronomy & space sciences, Vol. 19, No. 4, 2002, pp. 395-402. 

  8. Cho, C.-H., Lee, B.-S., Lee, J.-S., Kim, J.-H. and Choi, K.-H., "NORAD TLE Type Orbit Determination of LEO Satellites Using GPS Navigation Solutions," Journal of astronomy & space sciences, Vol. 19, No. 3, 2002, pp. 197-206. 

  9. Lee, B.-S. and Kim, J.-H., "Optimal Tracking Data Arc for the NORAD TLE Orbit Determination," Proceeding of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences Spring Conference (in Korean), April 2004, pp. 842-845 

  10. Kim, E.-H., "TLE Orbit Determination by using selectively applying GPS Navigation Solution," Proceeding of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences Spring Conference (in Korean), April 2013, pp. 623-627. 

  11. Lee, B.-S. and Park, J.-W., "Estimation of the SGP4 Drag Term from Two Osculating Orbit States," Journal of astronomy & space sciences, Vol. 20, No. 1, 2003, pp. 11-20. 

  12. Kim, H.-D., Kim, E.-K., Kim, H.-J. and Kim, E.-H., "NORAD TLE Based Ground Orbit Determination for Mitigating Space Debris Collisions," Proceeding of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences Fall Conference (in Korean), November 2010, pp. 993-996. 

  13. Kim, H.-D. and Song, Y.-J., "NORAD TLE based ground orbit determination strategy for mitigating space debris collisions," Proceedings of AAS/AIAA Space flight mechanics meeting, 2011. 

  14. Levit, C., and Marshall, W., "Improved orbit predictions using two-line elements," Advances in Space Research, Vol. 47, No. 7, 2011, pp. 1107-1115. 

  15. Hong, J.-H., Kim, J.-H., Kim, S. and Ryoo, C.-K., "TLE Data based Precise Estimation of Satellite's Orbital Parameters," Proc. of the 16th International Conference on Control, Automation and Systems (ICCAS 2016), 2016, pp. 1025-1030. 

  16. Kim, G.-D., Jo, S.-J. and Bang, H., "Estimation of The TLE B* Drag Term From Two GPS Data Using Differential Correction," Proceeding of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences Spring Conference (in Korean), April 2014, pp. 509-512. 

  17. Choi, S.-J., Jung, O.-C., Kim, Y.-O., Chung, D.-W. and Kim, H.-J., "Analysis of TLE Accuracy according to size of LEO satellites," Proceeding of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences Fall Conference (in Korean), November 2009, pp. 1121-1124. 

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