지역 커버리지 초소형 위성군 궤도설계와 위성군 궤도 전개 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

As part of the mission design procedure of the Surveillance and Reconnaissance Microsatellite Constellation Mission for the Korean Peninsula, this paper presents an analytical process of the LEO microsatellite constellation design for discontinuous regional coverage problem with minimum revisit time, and an in-plane orbit deployment strategy using differential atmosphere drag control (DADC). The objective of the mission is to configure a satellite constellation system with 20 or 30 microsatellites to rapidly revisit 10-major military areas near the Korean Peninsula, which makes the constellation design problem fall into a discontinuous regional coverage problem with minimum revisit time.
In this study, we propose an optimal inclination search algorithm for single or multiple ground targets and suggest the common-ground-track (CGT) constellation with the optimal inclination as a solution for the problem. Furthermore, we present a preliminary result of the DADC single-plane constellation deployment strategy, where the satellites have equally spaced relative phase (argument of latitude) for regular observations after the deployment.
The optimal inclination search algorithm utilizes a two-dimensional coverage map in (Ω, u) space to quantify the geographical observability of a given orbit, given payload’s field-of-view (FOV). The algorithm then calculates the optimal orbital inclination that maximizes the observability for single or multiple ground targets specified in the mission conditions. The study also compares and analyzes the average and maximum revisit performance of the CGT constellations and Walker-delta constellations under the three orbital inclination conditions: the optimal orbital inclination, the restricted orbital inclination by launching projectiles from the Korean Peninsula, and the inclination for sun-synchronous orbit condition.
Numerical simulation for a ground target (Seoul) shows that the CGT constellation pattern has better performance in both average and maximum revisit time compared to all possible T/P/F configuration of Walker-delta constellation pattern when the inclination is not optimal. With optimal orbital inclination, on the other hand, the average revisit performance of the two constellation patterns appears to be the same. Also, the CGT pattern tends to have better maximum revisit performance than the Walker-delta pattern, where some specific Walker-delta constellation patterns show smaller maximum revisit time compared to the CGT constellation.
In the study of the constellation orbit deployment, the Walker-delta constellation pattern is adopted for the practical mission planning, and it assumes that the satellites that are sharing the same orbital plane are launched together and to be evenly distributed. In this study, we calculate DADC attitude changing time for each satellite to satisfy the boundary conditions for given constellation configuration, then we perform a numerical simulation with perturbation environment.

국문 초록 (Abstract)

이 논문은 한반도 감시정찰 초소형 위성군 임무 설계를 목적으로, 지역 커버리지 저궤도 위성군 설계와 차등 대기 항력을 이용한 궤도 전개 연구를 다룬다. 한반도 감시 정찰을 위한 초소형 위성군 궤도 설계는 20 기 혹은 30 기 저궤도 위성을 사용하여 서울을 포함한 한반도 인근의 주요 군사지역 10곳을 짧은 주기로 재방문 하는 것을 목적으로 한다. 이러한 임무 목적을 달성하기 위한 위성군 설계 문제는 불연속 지역 커버리지 설계 문제에 해당하며, 이 연구에서는 재방문주기를 최소화하는 불연속 지역 커버리지 문제에 대해 최적 궤도 경사각을 이용한 동일 지상 궤적 (common ground track; CGT) 위성군을 제시한다.
이 연구에서는 관심 지역에 대한 재방문 성능에 궤도 경사각이 결정적인 역할을 한다는 점에 주목하여, 지역 커버리지를 위한 최적 궤도 경사각 산출 알고리즘을 새롭게 제시한다. 최적 궤도 경사각 산출 알고리즘은 (Ω,u) 공간에서의 2차원 커버리지 맵을 활용하여 위성의 관측 탑재체 커버리지 범위를 반영한 관측 가능성을 궤도 경사각 별로 정량화 한다. 이 연구에서는 해당 알고리즘을 사용하여 임무 조건으로 주어진 단일 및 다수의 지표면 표적에 대해 관측 가능성을 최대로 하는 최적 궤도 경사각을 산출한다.
이 연구는 또한 CGT 위성군과 워커-델타 위성군의 평균 및 최대 재방문 성능을 세 가지 궤도 경사각 조건에서 비교 분석한다. 세 가지 궤도 경사각 조건은 각각 최적 궤도 경사각, 한국형 발사체를 고려한 궤도 경사각, 그리고 태양 동기 궤도 경사각으로, 설계 가능한 모든 워커-델타 T/P/F 조합의 성능과 CGT 위성군 성능을 비교한다. 그 결과로 CGT 위성군과 워커-델타 위성군의 재방문 성능 차이가 최적 경사각을 사용한 경우와 그렇지 않은 경우에서 서로 다른 양상을 보이는 것을 확인하였다.
J2 섭동을 고려한 시뮬레이션 결과 최적 궤도 경사각을 사용하지 않을 경우 CGT 위성군이 워커-델타 위성군보다 평균 및 최대 재방문주기 모두에서 더 좋은 성능을 보이며, 최적 궤도 경사각을 사용할 경우에는 두 패턴이 비슷한 평균 재방문 주기 성능을 보인다. 또한 최적 궤도 경사각에서의 최대 재방문주기 성능은 대체로 CGT 위성군이 워커-델타 위성군보다 좋았으나, 특정한 워커-델타 패턴에서 CGT 위성군보다 좋은 성능을 보임을 확인하였다.
위성군 궤도 전개 연구는 한반도 감시정찰 초소형 위성군 임무를 위해 채택된 워커-델타 위성군을 분석 대상으로 선정하고, 동일 평면에 사출된 8 기의 위성을 균등하게 배치하기 위한 전략으로 차등 대기 항력을 이용한 궤도 제어를 사용한다. 이 연구에서는 위성의 8 기의 상대적인 위치를 기준 위성에 대한 상대적인 위도 인수 차로 정의하고, 최종 시각에서의 상대 위도 인수 차 및 상대 궤도 장반경 차를 경계조건로 설정한다.
차등 대기 항력 제어를 위한 위성의 자세를 일반 모드 (nominal mode)와 고 항력 모드 (high-drag mode) 두 가지로 분류하고, 최종 시각에서 경계조건을 만족하도록 하기 위해 각 위성의 자세 전환 시점을 산출한다. 시간에 따른 위성 간 위도 인수 차를 모델링 하여 특정한 궤도 전개 전략에 필요한 자세 전환 시점과 궤도 전개에 소요되는 총 시간을 도출한다. 계산된 자세 제어 시점을 활용하여 섭동 환경을 모사한 수치 시뮬레이션을 진행하고, 그 결과를 바탕으로 연구에서 제시한 궤도 전개 전략을 분석한다.