전자광학감시체계를 활용한 정지궤도 위성의 정밀궤도결정 및 분석

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

By angles-only Orbit Determination methods, the orbit of satellites can be
determined with only angular data such as topocentric right ascension and
declination. In this study, we have developed and verified a batch least square
estimator which uses optical observation data.
The characteristics of the optical observation data, such as clock error, noise,
initial covariance matrix, observation time length, are analyzed by using artificial
data. Accuracy in orbit determination is better when larger area of geostationary
orbit is observed. The initial covariance matrix makes a role to limit the
magnitude of errors in orbit determination. Also, as the uncertainty of the initial
state vector is increased, the accuracy of the orbit determination is decreased. The
clock-offset error causes the position offset corresponding to the velocity of the
geostationary satellite and clock-mismatch error yields large error term in the
observed data. The results showed that the errors in orbit determination due to
clock-mismatch error was larger than those due to clock-offset error. Noise
analysis confirmed that Position and Velocity RMS errors are proportional to the
magnitude of noise.
The developed batch filter was applied to the COMS geostationary satellite by
using real observation data of OWL-Net. In order to analyze the accuracy of the
orbit determination, the results of orbit determinations for the COMS are compared
with TLE. The results showed that semimajor axis error is occurred at the level
of several tens km, and longitude relative error is occurred by 0.02%. The orbit
determination residuals yield the level of arcsec, confirming similar results to the
OWL-Net observed data noise level.
In order to analyze the precision of the orbit determination and the performance
of the OWL-Net system, additional analysis with more observation data of
geostationary satellites is required.

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 전자광학감시체계가 생성하는 가상 관측값을 활용하여 정지궤도위성의 배치필터 궤도결정 특성을 분석하였으며, 분석된 내용을 바탕으로 하여 천문우주연구원에서 제공한 우주물체 전자광학체계(OWL-Net)의 실제 정지궤도위성 광학관측자료를 개발한 궤도결정 소프트웨어에 적용하여 정밀궤도결정을 수행하고, 결과를 분석하였다.
본 연구에서는 배치필터 알고리즘을 활용한 궤도결정 소프트웨어를 개발하였고, 개발한 소프트웨어는 몬테카를로 시뮬레이션 및 공분산 행렬 비교를 통해 알고리즘의 타당성과 결과에 대한 신뢰도를 확보하였다. 가상의 관측데이터를 생성하여, 배치필터의 궤도결정 특성을 관측시간 및 관측간격(관측자료의 개수), 잡음, 시계오차 및 초기 상태 불확정성과 같은 오차항을 분석하였다.
정지궤도위성 궤도결정 특성을 분석해 본 결과, 관측시간이 길어질수록 궤도결정 정밀도가 향상되게 된다. 동일한 관측시간 길이 안에서 관측간격에 따른 궤도결정 정밀도는 관측간격이 짧은 관측자료는 수배 정밀도가 향상되었다. 하지만 관측시간 영향성을 고려하였을 때 관측간격(관측자료의 개수)는 상대적으로 작게 궤도결정 정밀도에 영향을 미친다. 정지궤도의 전반적인 궤도정보를 관측자료를 통해 더 많이 얻게 될 경우 궤도결정 정밀도는 향상된다. 초기상태 불확정성은 초기상태 신뢰도 항이 궤도결정알고리즘에 어떠한 영향을 미치는가에 초점을 맞추어 분석되었다. 초기상태벡터의 신뢰도에 관한 항인 초기 공분산은 관측자료 품질이 좋지 않거나, 초기상태벡터 오차가 매우 큰 관측자료의 궤도결정시 과대한 오차 발생을 제한하였다. 초기상태오차는 크기가 클수록 정지궤도 궤도결정 오차를 크게 발생시켰다. 따라서 광학 관측 자료를 활용하여 정지궤도 위성의 궤도결정을 수행할 때에는 관측 데이터의 품질과 초기상태벡터의 신뢰도를 바탕으로 적절한 관측 가중치와 초기 공분산 행렬을 입력할 경우 보다 좋은 궤도결정 결과를 얻을 수 있다는 것을 확인하였다. 관측잡음의 경우는 잡음의 크기에 궤도결정 오차값이 비례하였으며, 그 크기는 기하학적인 예측과 일치하였다. 시계오차는 전체시간에 시계오차가 반영된 경우와 일부구간에 시계오차가 반영된 경우로 구분하여 시뮬레이션을 하였다. 전체시간에 시계오차가 반영된 경우는 궤도 운동으로 우주물체가 이동한 위치/속도와 일치하였고, 일부 구간에 시계오차가 반영된 경우는 최대 수 십 km의 궤도결정 오차가 유발되며, 각 세부유형별로 궤도결졍 결과가 상이한 결과를 나타난다는 것을 확인하였다.
개발된 궤도결정 소프트웨어에 실제 관측자료를 적용해본 결과 수렴한 이후 관측 잔차는 수 arcsec 수준으로, TLE(Two Line Element)와의 잔차 (0.1° 수준)의 1% 수준으로 감소하였으며, 이러한 잔차를 통해 배치필터 알고리즘이 정상적으로 수렴하였다는 것과, OWL-Net의 현재까지의 관측오차와 유사한 수준임을 확인하였다.
본 연구 결과를 활용하여 OWL-Net과 같은 전자광학감시체계에서 얻은 관측자료를 독자적으로 궤도결정 할 수 있으며, 다양한 형태의 오차항 분석을 통해 정지궤도위성의 궤도결정 특성을 분석하였다. 이러한 분석결과는 지구 근처의 인공위성 및 천체에 대한 독자적인 궤도력 산출의 기초 자료로 활용될 수 있게 되었다.