국지적 다중 광학 관측소를 이용한 저궤도 위성의 궤도결정 분석 :Orbit determination analysis of LEO satellites using local-multiple optical observatories

김상인

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김상인 (연세대학교, 연세대학교 대학원)

지도교수: 박상영

발행연도: 2022

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2022

국지적 다중 광학 관측소를 이용한 저궤도 위성의 궤도결정 분석

김상인 천문우주학과 2022.01 학위논문

2021

국지적 다중 전자광학 감시체계를 활용한 저궤도 위성의 정밀궤도결정 및 분석

김상인 , 박상영 한국항공우주학회 학술발표회 초록집 2021.07 학술대회자료

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최근 2대 이상의 초소형/소형 위성을 활용한 위성군에 대한 소요가 증가함에 따라 지구를 운동하는 위성의 수가 해마다 증가하고 있으며, 이를 이용한 위성의 정보수집 활동도 활발해지고 있다. 이러한 우주공간에서 국가 우주자산의 안전과 국가안보를 위해서 우주감시가 필요하며, 국내에서도 다양한 우주감시체계를 구축하기 위한 연구를 진행하고 있다. 국내에서 운영하는 우주감시체계로는 전자광학 감시체계가 있으며, 레이저 감시체계 구축을 위한 연구를 진행하고 있다. 전자광학 감시체계는 한국천문연구원에서 운영하는 OWL-Net (Optical Wide-field patrol Network) 체계와 공군에서 운영하는 EOSS (Electronic Optical Satellite Reconnaissance System) 체계가 있으며, 두 체계는 관측소 분포 측면에 차이가 있다. OWL-Net 체계는 한국, 미국 등 5개국에 광학 망원경이 설치되어 있으며, EOSS 체계는 국내에만 4개의 광학 망원경이 설치되어 있다. EOSS 체계는 2021년 말에 전력화되어 실제 임무에 적용될 예정이며, 성능에 관한 다양한 연구와 객관적인 검증이 필요하다.
본 연구에서는 EOSS 체계의 궤도결정 성능을 분석하기 위해 최소자승법을 활용한 궤도결정 알고리즘을 활용하여 EOSS 체계 성능 분석에 적용할 수 있는 궤도결정 알고리즘 소프트웨어를 작성하였다. 전력화 이전 단계인 EOSS 체계의 관측 데이터 사용이 제한되어, 작성된 알고리즘은 OWL-Net 체계의 실제 관측 데이터를 활용하여 검증하였다. OWL-Net과 EOSS 체계 관측 데이터의 원리와 구성은 동일하다.
검증된 알고리즘을 사용하여 국지적으로 분포된 다중 관측소 (EOSS 체계)의 궤도결정 성능을 분석하였다. 성능 분석은 국내의 4개 지점에 관측소를 설정하고, TLE (Two Line Elements) 정보를 기준 정보로 사용한 KOMPSAT-5 위성과 CPF (Consolidated Prediction Format) 궤도력을 기준 정보로 사용한 CRYOSAT-2 위성의 데이터를 사용하였으며, 궤도결정 오차와 궤도예측 오차를 분석하였다. 궤도결정 오차는 추정된 결과와 기준 정보를 기준 시간에서 비교한 오차를, 궤도예측 오차는 추정된 결과를 2일간 전파하여 기준 궤도와 비교한 오차를 계산하였다.
성능분석 결과, 동시에 2개의 다중 관측소를 사용할 경우 (2 Sites) 궤도결정과 궤도예측 오차가 단일 관측소를 사용한 경우 (1 Site) 대비 90% 이상 감소하였다. 3~4개의 다중 관측소에서 관측소가 증가할 때 오차는 지속적으로 감소하였지만, 다중 관측소 간 감소하는 비율의 차이가 단일 관측소를 사용한 결과 기준으로 최소 1%, 최대 8% 이하로 작은 수준이었다. 본 결과는 관측소 위치와 조합에 관계없이 유사하였으며, 관측된 아크의 길이에 따라 오차 크기에만 차이가 있었다. 결과적으로 궤도결정의 정확도는 관측소를 많이 사용할수록 증가하지만, 연구 결과, 비용 등을 종합적으로 고려했을 때 특정 범위에 대해 동시에 2개의 관측소를 사용하는 경우가 가장 효율적이라고 판단된다.
본 연구에서는 궤도결정 분석 결과를 통해 국지적으로 분포된 다중 관측소의 운영 전략을 수립할 수 있는 기본 개념을 제시한다. 본 연구 결과를 바탕으로 다중 관측소를 운영할 때 상황과 임무에 따른 최선의 관측 전략을 수립할 수 있으며, 향후 EOSS 체계의 활용에도 적용할 수 있을 것으로 기대한다.

Recently, as the demand for satellite constellations increases, the number of satellites orbiting the earth is increasing every year, and information gathering activities of satellites are also increasing. Space surveillance is necessary for the safety of national space asset and national security, and research is being conducted to establish various space surveillance systems. As a space surveillance system operated in Korea, there are two types of electro-optical surveillance system : the OWL-Net (Optical Wide-field patroL Network) system operated by the Korea Astronomy Research Institute and the EOSS (Electronic Optical Satellite reconnaissance System) operated by the Republic of Korea Air Force. The two systems differ in terms of observatory distribution. For the OWL-Net system, optical telescopes are installed in 5 countries including Korea and the United States. For the EOSS system, 4 optical telescopes are installed in Korea alone. The EOSS system is scheduled to be deployed in the end of 2021 and applied to actual missions, and various studies on performance and objective verification are required.
In this study, to analyze the orbit determination performance of the EOSS system, a precision orbit determination algorithm software that can be applied to the performance analysis of the EOSS system was developed by using the orbit determination algorithm with the least squares method. Because the use of measurement data of the EOSS system was limited, the algorithm was verified using the measurement data of the OWL-Net system assuming that measurement data of OWL-Net and EOSS system have the same principle and configuration.
The orbit determination performance of locally distributed multiple observatories (EOSS system) was analyzed using the verified algorithm. For performance analysis, the TLE (Two Line Elements) data of the KOMPSAT-5 satellite and the CPF (Consolidated Prediction Format) data of CRYOSAT-2 satellite were used as references by setting up observatories at four domestic locations. The orbit determination errors and orbit prediction errors were analyzed. The orbit determination errors was calculated by comparing the estimated results and reference information at the epoch time. The orbit prediction errors were calculated by comparing the results propagating for 2 days with the reference orbits.
As results of the performance analysis, when 2 multiple observatories were utilized at the same time (2 Sites), orbit determination and orbit prediction errors were reduced by more than 90% compared to these of using a single observatory. At 3~4 multiple observatories, the error continued to decrease when the number of observatories increased, but the difference in the decreasing rate between multiple observatories was small, with a minimum of 1% and a maximum of 8% or less. This result was similar regardless of the location and combination of the observatories, and there was only a difference in the error size depending on the length of observed arc. As a result, the accuracy of orbit determination increases as more observatories are used. It is concluded that using two observatories at the same time for a specific range is the most efficient when considering comprehensively the results for this study.
In this study, a basic concept establishes an operational strategy for locally distributed multiple observatories through the result of orbit determination analysis. Based on the results of this study, it is possible to establish the best observation strategy according to the situation and mission when operating multiple observatories. It is expected that it can be applied to the use of the EOSS system in the future.

#전자광학 감시체계 #다중 관측소 #EOSS #궤도결정 #관측 전략

그림 차례 6
표 차례 9
제 1 장 서론 12
1.1 연구의 배경 12
1.2 연구 목적 및 의의 14
1.3 연구 방법 15
1.4 논문의 개요 16
제 2 장 전자광학 감시체계 17
2.1 우주 환경 및 우주감시체계 17
2.2 전자광학 감시체계 19
2.2.1 OWL-Net (Optical Wide-field patroL Network) 21
2.2.2 EOSS (Electronic Optical Satellite Reconnaissance System) 24
2.3 광학 관측 데이터 25
제 3 장 궤도결정 알고리즘 구성 26
3.1 초기궤도결정 29
3.2 동역학 모델 32
3.2.1 지구 비대칭 중력장 33
3.2.2 제3체에 의한 중력 36
3.2.3 지구 대기 항력 37
3.2.4 태양 복사압 38
3.3 관측 모델 39
3.3.1 관측소 중심 적경/적위 (Topocentric RA/DEC) 39
3.3.2 광주 시간 (Light Travel Time) 41
3.3.3 연주/일주 광행차 (Annual/Diurnal Aberration) 42
3.4 추정 이론 44
3.4.1 최소자승 배치필터 이론 45
3.4.2 최소자승 배치필터 알고리즘 47
제 4 장 궤도결정 알고리즘 검증 49
4.1 관측 모델 검증 50
4.2 추정 이론 알고리즘 검증 54
4.2.1 수렴성 검증 55
4.2.2 통계적 타당성 검증 57
제 5 장 다중 관측소의 궤도결정 성능 분석 60
5.1 관측 데이터 64
5.2 궤도결정 결과 분석 68
5.2.1 KOMPSAT-5 위성의 궤도결정 결과분석(기준 정보 : TLE 정보) 68
5.2.2 CRYOSAT-2 위성의 궤도결정 결과분석(기준 정보 : CPF 궤도력) 74
5.2.3 관측소 조합 (2~3 Sites)에 따른 궤도결정 결과분석 76
5.3 궤도예측 분석 84
5.3.1 궤도예측 오차 (RTN 좌표계) 85
5.3.2 궤도예측 오차 (각도 정보) 89
5.3.3 궤도예측 오차 (궤도 요소) 94
제 6 장 요약 및 결론 97
참고문헌 102
ABSTRACT 107

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