한국형 달 탐사 시험용 궤도선을 위한 비행 동역학 시스템의 데이터 시뮬레이션 모듈 개발

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

LUnar flight Dynamics software for OperationaL Purpose (LUDOLP) is the Flight Dynamics Subsystem (FDS) for Korea Pathfinder Lunar Orbiter (KPLO) mission. This study describes how to develop the Data Simulation (DS) module. The main goal of the DS module is to produce calibrated measurement data. These data will be used for precise orbit determination. This work also explains how to calibrate the measurement data and how to verify this calibrated data. The first step for calculating the computed value is to solve the Light time equation by using Newton-Raphson method and then obtains the observable time from Event Prediction(EP) module. After reading the weather file of the ground station, computed data will be are obtained by data calibrations such as based on tropospheric delay, charged particle delay, antenna axis offset delay and tropospheric refraction delay. The calibrated measurement data were verified by comparison with Orbit Determination ToolBoX (ODTBX). In this study, the geometric data were obtained from GMAT simulation senario. Total delay effect calculated by the geometric data, ground station weather file and measurement model was 4.24m ~ 52.28m, and the calculated range observable, calculated unramped two way Doppler observable, calculated azimuth and elevation angle observables were 4.48×10^3 km ~ 4.11×10^5 km, ± 20KHz, 0 ~ 90°, 270 ~ 360°, and 10.16° ~ 61.78°, respectively. This module can also be applied to the Global Positioning System (GPS) and Deep Space Network (DSN).

국문 초록 (Abstract)

이 논문은 한국형 달 탐사 시험용 궤도선의 지상관제를 위한 비행 동역학 시스템의 6개의 모듈 중 데이터 시뮬레이션(Data Simulation) 모듈 개발에 관한 내용을 기술한다. 데이터 시뮬레이션 모듈의 궁극적인 목표는 탐사선 궤도 결정 모듈의 정밀 궤도 결정을 위한 계산된 관측값을 생성하는 것이다.
궤도 결정 모듈에서는 데이터 시뮬레이션 모듈에서 구한 계산된 관측값과 실제 관측값 사이의 차이인 잔차를 최소화 해 정밀한 궤도 결정을 하게 된다. 잔차를 줄이기 위해서는 실제 관측값과 비슷한 계산된 관측값을 구해야 한다. 데이터 시뮬레이션 모듈에서는 계산된 관측값을 구하기 위해 탐사선과 지상국의 신호 지연 효과를 여러 다양한 관측 모델들을 통해 보정하였다. 데이터 시뮬레이션 모듈에서는 먼저, 궤도 예측 모듈에 지상국의 위치 정보와 신호 수신시각, 탐사선의 상태 벡터를 입력값으로 넣어 사용자가 원하는 특정 시간대에서 탐사선과 지상국의 상태 벡터를 계산한다. 이 상태 벡터를 이용해 라이트 타임 방정식을 풀어 탐사선의 신호 반사 시각과 신호 송신 시각을 계산한다. 관측 가능한 신호 송·수신 시각에 대한 지상국의 대기 정보를 관측 모델에 넣어 신호 지연 효과를 보정한다. 이 때, 신호 지연 효과에 영향을 미치는 요인으로는 대류층에 의한 오차, 대기권 내 하전 입자에 의한 오차, 대기권 밖 하전 입자에 의한 오차, 안테나 축 오프셋에 의한 오차 등이 있다.
데이터 시뮬레이션 모듈을 통해 구한 데이터 값은 미 항공우주국에서 개발한 궤도 결정 툴박스(Orbit Determination ToolBoX, ODTBX)와 문헌을 통해 검증하였다. 데이터 시뮬레이션 모듈은 관측 모델들을 이용한 데이터 보정을 통해 최종적으로 관측값(거리, 시불변 양방향 도플러, 방위각, 고도각)을 계산한다. 데이터 시뮬레이션 모듈은 향후 위성 항법 시스템이나 심우주 통신망의 정밀 궤도 결정시 궤도 정밀도를 높이는데 응용될 수 있다. 또한 데이터 시뮬레이션 모듈 개발은 한국형 달 탐사 시험용 궤도선을 위한 비행 동역학 시스템의 국내 자력 기술 개발을 위해서도 반드시 필요한 부분이다.