시험용 달 궤도선의 정밀 궤도결정을 위한 DSN 관측 모델 개발 및 검증

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This thesis presents Deep Space Network (DSN) measurement model for precise orbit determination of Korea Pathfinder Lunar Orbiter (KPLO). DSN measurement model simulates computed values similar to actual measurement, using the dynamic model of a probe. Since inaccurate measurement model has a direct influence on the results of orbit determination, it is crucial to use a more accurate measurement model.
DSN measurement model computes two-way range and Doppler observables. Range is defined as round-trip distance between a transmission ground station, a spacecraft and a reception ground station. Doppler observable refers to range rate between the ground station and the spacecraft. It is critical to accurately calculate the light travel time between the spacecraft and the ground station to accurately compute range and Doppler observable. To accomplish this, Light Time Equation is solved using Newton-Rhapson method, and light time is calibrated through various correction models. This study considers the signal delay due to Tropospheric layer, Ionospheric layer and antenna axis offsets.
DSN data simulation module is verified using tracking data of Lunar Prospector and simulation result from GMAT (General Mission Analysis Tool). The reason for using the tracking data is that this software requires a high-level verification. The significance of this research is that it achieved the localization of deep space exploration technologies. In addition, results from this research could be utilized for future deep space explorations.

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 시험용 달 궤도선의 심우주 궤도결정을 위한 심우주 추적망(Deep Space Network, DSN) 관측 모델에 대해 다룬다. 관측 모델은 탐사선의 동역학 모델을 이용하여 실제 관측값과 유사한 관측값을 생성한다. 부정확한 관측 모델은 궤도결정 결과에 직접적인 영향을 끼치기 때문에 정밀 궤도결정을 위해서는 신뢰도가 높은 관측 모델을 사용하는 것이 중요하다.
DSN 관측 모델은 DSN의 양방향 연속 거리와 도플러 관측값을 생성해주는 역할을 한다. 거리 관측값은 송신 지상국 – 탐사선 – 수신 지상국 간의 전파 거리를 나타낸다. 도플러 관측값은 지상국과 탐사선의 거리 변화율을 의미한다. 거리와 도플러 관측값을 정밀하게 계산하기 위해서는 탐사선과 지상국 사이의 광행전파시간을 정확하게 구해야 한다. 이를 위해서 광행전파시간 방정식을 Newton-Rhapson 방법으로 풀고, 여러 신호 지연 보정 모델을 통해서 광행전파시간을 보정해준다. 본 연구에서는 대류층, 이온층, 안테나 축 오프셋에 의한 신호 지연을 고려한다.
본 연구에서 개발한 DSN 관측 모델은 Lunar Prospector의 추적 데이터와 GMAT (General Mission Analysis Tool)을 사용하여 검증했다. 실제 임무의 추적 데이터를 사용하여 높은 수준의 검증을 수행한 이유는 본 소프트웨어가 실제 시험용 달 궤도선 임무에 사용될 예정이기 때문이다. 본 연구의 의의는 기술 이전 및 제휴가 어려운 심우주 탐사 기술을 개발하여 기술의 국산화를 이뤘다는 점이다. 또한, 해당 연구를 바탕으로 행성간 탐사 임무에 대비할 수 있다는 점에서 본 연구의 의의는 크다고 할 수 있다.