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NORAD TLE 및 정밀 궤도정보를 이용한 운용위성-우주파편 간의 충돌 불확실성 해소 방안 원문보기

한국우주과학회 2009년도 한국우주과학회보 제18권2호, 2009 Oct. 15, 2009년, pp.40.3 - 40.4  

최수진 (한국항공우주연구원) ,  정옥철 (한국항공우주연구원) ,  김해동 (한국항공우주연구원) ,  정대원 (한국항공우주연구원) ,  김학정 (한국항공우주연구원)

초록
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인류가 위성을 발사하기 시작하면서 수많은 우주파편이 발생하게 되었고 이로 인하여 우주파편 환경은 날이 갈수록 심각해지고 있다. 우주공간을 비행하는 우주물체는 분쇄된 파편, 임무 관련 파편, rocket body 그리고 운용위성으로 구분된다. U.S. Space Surveillance Network에 따르면 10cm 이상 크기를 갖는 물체는 현재 13,000개가 넘는다고 알려지고 있고 질량만 해도 6,000톤이 넘는다. 이런 우주파편 환경으로 인하여 우주파편 간의 충돌, 우주파편과 운용위성 간의 충돌 또는 운용위성 간의 충돌에 대한 우려가 꾸준히 제기되어왔고, 불행하게도 2009년 2월 10일 Iridium 33과 Cosmos 2251 위성이 고도 790km 부근에서 충돌하여 1,300여개의 우주파편이 발생했다. 또한 2007년에 중국이 고도 860km 부근에서 750kg에 해당하는 자국의 위성(FY-1C)을 미사일로 격추시킴에 따라 2500여개의 우주파편이 발생하여 저궤도의 우주파편 환경을 더욱 심각하게 만들고 있다. 운용위성과 우주파편과의 충돌 가능성을 분석하기 위해서는 우주파편 및 위성의 궤도정보를 알아야 한다. 이를 위해서 NORAD(North American Aerospace Defense Command)에서 제공하는 TLE(Two Line Element)가 주로 이용된다. 하지만 관측 및 궤도 결정 특성상 수 km의 오차를 포함하므로 궤도정보의 공분산이 크다는 단점이 있으므로 충돌 분석을 수행하는데 있어 한계가 있다. 이 논문은 충돌분석 수행에 있어 TLE 정보만을 이용한 경우뿐만 아니라 정밀궤도와 TLE를 동시에 이용한 경우를 비교함으로써 충돌 불확실성의 해소방안을 제시할 계획이다.

AI 본문요약
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문제 정의

  • TLI 및 LOI 기동 시 대전 지상국에서의 가시성의 확보는 실제적인 미래 한국의 달 탐사를 대비하였을 때 중요한 요소이다. 따라서 이 연구에서는 TLI 및 LOI 기동 시 대전 지상국에서의 가시성을 모두 고려하여, 최소연료로 지구 주차궤도에서 달 임무궤도 진입까지의 모든 단계에 대해 임무설계를 실시하였다. TLI 및 LOI 기동 시 추력은 순간 추력 (Impulsive thrust) 로 가정하였으며, KSLV-II 발사체의 성능을 적용하여 설계하였다.
  • 하지만 관측 및 궤도 결정 특성상 수 km의 오차를 포함하므로 궤도정보의 공분산이 크다는 단점이 있으므로 충돌 분석을 수행하는데 있어 한계가 있다. 이 논문은 충돌분석 수행에 있어 TLE 정보만을 이용한 경우뿐만 아니라 정밀궤도와 TLE를 동시에 이용한 경우를 비교함으로써 충돌 불확실성의 해소방안을 제시할 계획이다.
  • 또한, 1999년부터 GPS 관측을 시작한 이래로 10년 이상의 연속 관측자료를 보유하고 있다. 이 연구에서는 2000년부터 2008년까지 한국천문연구원의 GPS 상시관측소 5곳 (서울, 대전, 목포, 밀양, 속초)의 GPS 가강수량을 산출하고 이들의 다년간 변화경향을 분석하였다. 산출된 GPS 가 강수량을 라디오존데 관측값과 비교하여 신뢰도 검증하였다.
  • IVS 통합분석센터는 개별 IVS 분석센터에서 산출한 산출물을 통합하여 개별 분석센터 산출물의 품질을 검증하고 국제 지구기준좌표계 구성에 필요한 입력 데이터를 제공하는 기능을 한다. 이 연구에서는 IVS 통합분석 센터로서 의 역할과 향후 IVS 통합분석 센터 의 운영계획 에대해 초점을 맞춘다. VLBI 산출물 통합을 위해 다른 IVS 통합분석센터와 차별화하여 GPS 자료처리 소프트웨어 Bernese 5.
  • 이 연구에서는 달천이 (TLI: Trans Lunar Injection) 및 달포획 (LOI: Lunar Orbit Injection) 기동 시 대전 지상국의 가시성을 고려한 최적의 임무를 설계하였다. TLI 기동은 탐사선이 지구 주차궤도에서 지구-달 천이궤적으로 진입하기 위하여 주어지는 기동이며, LOI 기동은 탐사선이 지구-달 천이궤적에서 달의 중력권으로 진입하기 위하여 주어지는 기동이다.
  • 0 에서 제공하는 정규방정식 단계 통합 프로그램인 ADDNEQ2 를 활용할 계획이다. 이와 관련하여 VLBI 데이터 처리에 적합하도록 ADDNEQ2를 수정 보완한 사항과 수정된 ADDNEQ2로 통합한 예비 결과에 대해 집중적으로 논의한다. 이와 더불어 산출한 예비 결과를 각 개별 IVS 분석센터 산출물을 바탕으로 비교 검증한 결과를 소개한다.
  • 이와 관련하여 VLBI 데이터 처리에 적합하도록 ADDNEQ2를 수정 보완한 사항과 수정된 ADDNEQ2로 통합한 예비 결과에 대해 집중적으로 논의한다. 이와 더불어 산출한 예비 결과를 각 개별 IVS 분석센터 산출물을 바탕으로 비교 검증한 결과를 소개한다.
  • 저궤도위성에서 수신한 지구대기에 의해 엄폐된 (Occulted) GPS 신호를 이용한 연직 수증기량 산출에 관해 다루었다. 전파엄폐 (Radio Occultation) 기법은 원래 행성대기에 의해 엄폐된 (Occulted) 별빛을 이용하여 행성의 대기를 분석하는데 사용되던 기법을 일컫는 말로 최근엔 GPS를 이용한 지구대기 분석에 활용되고 있다.

가설 설정

  • 따라서 이 연구에서는 TLI 및 LOI 기동 시 대전 지상국에서의 가시성을 모두 고려하여, 최소연료로 지구 주차궤도에서 달 임무궤도 진입까지의 모든 단계에 대해 임무설계를 실시하였다. TLI 및 LOI 기동 시 추력은 순간 추력 (Impulsive thrust) 로 가정하였으며, KSLV-II 발사체의 성능을 적용하여 설계하였다. 임무 설계 시 태양, 지구, 달의 섭동력을 고려한 N 체 운동 방정식을 탐사선에 적용하였으며, 지구의 비대칭 중력장, 태양 복사압, 달의 J2 섭동에 의한 영향도 고려하였다.
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