시험용 달 궤도선의 궤도력 생성기 개발 및 검증

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this paper, we present algorithms and interfaces of the ephemeris generator developed for the onboard ephemeris calculation of Korea Pathfinder Lunar Orbiter (KPLO), and test and verify the performance of it in various ways. KPLO has several tasks, such as taking image of lunar surface, investigating magnetic field distribution, radiation and surface composition in polar orbits of the moon. For this purpose, the probe must be able to point to a specific location. In order to operate the probe, the solar panel must be oriented toward the sun and the communication antenna must be directed to the earth and to perform this, the position of the probe itself, the position of the sun, and the position of the moon should be calculated in onboard. The computation of the position of the space object is called the ephemeris calculation. The purpose of this study is to develop an onboard ephemeris generation algorithm that meets KPLO requirements with the kinematic method. The kinematic method is to find an approximating function of the given precise ephemeris and generate the ephemeris with it. Therefore, it is important to find the approximating function in the kinematic method. The developed ephemeris generator finds an approximating function using interpolation method considering the size and accuracy of the data to be transmitted. There are various methods of interpolation. Among them, polynomial interpolation with Chebyshev node, polynomial interpolation with uniform node and Hermite interpolation are used for test and the method with the smallest error is selected. As a result, polynomial interpolation with Chebyshev node is used for the probe ephemeris generator and polynomial interpolation with uniform node is used for the celestial ephemeris generator. The developed ephemeris generator consists of the ground station software which compresses the ephemeris and onboard ephemeris generation algorithm. Since ground station software will be used for the mission of KPLO, it was developed considering interface with FDS (Flight Dynamics Software). In addition, the developed onboard ephemeris generation algorithm will be loaded on onboard code and will be used for actual mission. The developed ephemeris generator consists of the celestial generator and the probe ephemeris generator. The performance verification of the probe ephemeris generator is carried out by checking whether the generated ephemeris of the mission orbit meets the requirements. In addition, the performance of the ephemeris generator is tested for the Earth orbit and the Earth-Moon transition orbit from lunar exploration reference trajectory. In the case of the celestial ephemeris generator, 1 year ephemeris of the Sun/Moon is calculated to verify that it meets the requirements.

국문 초록 (Abstract)

이 논문에서는 시험용 달 궤도선(Korea Pathfinder Lunar Orbiter, KPLO)의 온보드 궤도력 계산을 위해 개발된 궤도력 생성기의 알고리즘과 인터페이스를 제시하고, 개발된 궤도력 생성기의 성능을 다양한 방법으로 시험 및 검증한다. KPLO의 궤도는 달의 극궤도이며, 달 표면 촬영, 자기장 분포 및 방사선 조사, 표면 성분 조사 등의 임무를 수행한다. 이러한 임무를 수행하기 위해서는 탐사선이 특정 위치를 지향할 수 있어야 하며, 탐사선의 운용을 위해서는 태양전지판과 통신 안테나가 각각 태양과 지구를 지향해야 하며 이를 위해서는 탐사선 온보드에서 탐사선, 태양, 달의 궤도력을 계산할 수 있어야 한다. 본 연구에서는 정밀궤도력을 근사하는 함수를 통해 궤도력을 계산하는 운동학적 방법을 이용하여 KPLO의 요구조건에 부합하는 온보드 궤도력 생성 알고리즘을 개발한다. 근사함수를 찾을 때에는 데이터의 크기와 정확도를 고려하여 보간법을 이용하였다. 보간법에는 여러가지 방법이 있는데 이 중 체비셰프 절점 (Chebyshev node) 기반 다항 보간법, 등간격 절점 기반 다항 보간법, 에르미트 (hermite) 보간법을 이용해 궤도력을 생성하고 가장 오차가 적은 방법을 선정하여 궤도력 생성 알고리즘에 적용하였다. 그 결과 탐사선 궤도력 생성기는 체비셰프 절점 기반 다항 보간법이, 천체력 생성기는 등간격 절점 기반 다항 보간법을 적용하였다. 개발된 궤도력 생성기는 궤도력을 압축하는 지상국 소프트웨어와 온보드 탑재 궤도력 생성 알고리즘으로 나뉜다. 지상국 소프트웨어는 시험용 달 궤도선의 임무에 실제 사용될 것이므로 지상의 비행동역학 소프트웨어(Flight Dynamics Software, FDS)와의 인터페이스를 고려하여 개발하였다. 또한 개발한 온보드 탑재 궤도력 생성 알고리즘은 향후 온보드 탑재 코드에 반영 되어 실제 임무에 사용 될 것이다. 개발한 궤도력 생성기는 크게 탐사선 궤도력 생성기와 천체력 생성기로 구분된다. 탐사선 궤도력 생성기의 성능 검증은 임무궤도에 대해 생성한 궤도력이 요구조건을 만족하는지 확인하는 방법으로 수행한다. 또한 달 탐사 기준 궤적을 이용하여 지구궤도와 지구-달 천이궤도에 대해 궤도력 생성기의 성능을 시험하고 그 결과를 제시한다. 천체력 생성기의 경우 성능 검증을 위해 1년 동안의 태양과 달의 궤도력을 계산하여 요구 정확도를 만족하는지 검증한다.