본 논문에서는 기존 충돌회피기동 전략의 한계를 극복하기 위해
휴리스틱(heuristic) 알고리즘을 기반으로 하는 우주파편 충돌회피기동 최적화 전략을 제안하였다. 경험에 기반하여 주어진 자원(resources)에 서 최선의 해를 제공하는 휴리스틱 알고리즘의 특징은 시간적 제약, 돌 발 변수, 문제 복잡도를 모두 고려해야 하는 인공위성의 충돌회피기동 계획수립 과정에서 효율적이며 안정적으로 작용할 수 있다.
본 논문에서 제안하는 인공위성 충돌회피 최적화 전략의 타당성을 검증하기 위해 세 가지 서로 다른 문제들에 대해 시뮬레이션을 수행하였다.
첫 번째 충돌회피기동 최적화 문제는 비교적 간단한 단일 목적함수를 갖는 최적화 문제로써 휴리스틱 알고리즘이 해당 문제에서 적절한 충돌회피기동 계획을 제공할 수 있는지 여부를 집중적으로 확인하였다. 실제 아리랑 위성들에게 발생했던 충돌위험 사례를 재현하였고, 충돌회피기동에 소요되는 속도증분을 최소화하는 최적화 문제를 정의하였다. 하나의 물체가 접근하는 경우와 4개의 물체가 접근하는 경우 2가지로 나누어 시뮬레이션을 수행하였으며, 제어변수는 기동시작시점 과 RIC 방향에 대한 속도증분으로 정의하였다. 총 4가지 휴리스틱 알고리즘을 사용하여 충돌회피기동 계획을 얻었고, 일반적으로 사용되고
있는 충돌회피기동 전략의 결과와 비교하여 결과의 타당성을 검증하였다.
두 번째 충돌회피기동 최적화 문제는 충돌회피기동에 소요되는 속도증분을 최소화함과 동시에 기동주기를 최대화하는 다목적 최적화 문제이다. 해당 문제의 목표는 휴리스틱 알고리즘을 활용하여 사용자가 복수의 합리적인 기동계획을 선택할 수 있도록 다수의 비종속해로 구성된 파레토 프론트(Pareto Front)를 제공하는 것이다. 4개의 접근물체가 접근하는 상황에 대해 다목적 최적화 알고리즘인 NSGA-II와 3가지 기동전략을 적용하여 적절한 파레토 프론트를 생성할 수 있는지 여부와 각 기동전략의 특성을 분석하였다.
마지막 충돌회피기동 최적화 문제는 제어변수가 많아지거나 제한조건이 복잡한 충돌회피기동 문제에서 휴리스틱 알고리즘이 가지는 안정성과 강인성을 검증하기 위한 목적으로 정의되었다. 가상의 주 위성(Chief)을 중심으로 군집임무를 수행하는 4기의 클러스터 위성에 대해주변의 우주물체가 폭발하는 상황을 가정하여 적절한 충돌회피 기동계획을 수립하였다.
이상의 세 가지 서로 다른 시뮬레이션들을 통해 인공위성의 충돌회피기동 계획 수립에 휴리스틱 알고리즘 기반의 최적화 전략이 효과적이고 안정적으로 기동계획을 제공할 수 있음을 증명하였다.
각각의 시뮬레이션 결과 본 논문에서 제시한 휴리스틱 알고리즘
기반의 최적화 전략은 접근하는 물체를 적절하게 회피함과 동시에 기존 충돌회피 기동전략과 비교하여 연료소모 측면에서 효율적인 기동계획을 제공하였다. 또한 다목적 최적화 문제에서는 다수의 비종속해를 성공적으로 탐색하였고, 복잡한 충돌회피기동 수립문제에서도 강인한 탐색성능을 보여주었다.
본 논문에서 제안한 휴리스틱 알고리즘 기반의 충돌회피기동 최적화 전략은 향후 점차 악화될 것으로 예상되는 우주파편 환경에서 매우 유용하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 특히, 우리나라의 우주개발 계획에 따라 아리랑위성 및 천리안위성 등 다수의 국가 주요 위성들을 지속적으로 운용해야 하는 상황에서 본 논문의 연구결과들은 안전한 위성운용 및 위성보고에 크게 기여할 수 있을 것으로 사료된다.
추후 연구에서는 실제 위성운영에 필요한 추가적인 요구조건에 대해 조사함과 동시에 보다 짧은 시간에 적절한 충돌회피기동계획을 제공할 수 있는 휴리스틱 알고리즘의 내부 파라미터(parameter) 분석을 수행할 계획이다.