지상 테스트베드와 심우주 환경에서의 위성 레이저 상대항법 분석

국문 초록 (Abstract)

위성 레이저 상대항법은 레이저를 이용한 정밀한 상대거리 측정에 기반해 지구관측, 랑데부와 도킹 등을 위한 위성 편대비행 임무 및 전역위성항법시스템 활용이 어려운 심우주 환경에서도 정밀한 상대항법을 기대할 수 있는 방법 중 하나이다.
본 논문은 위성 간 상대거리를 측정하는 레이저와 안정적인 레이저 송수신을 돕는 고속 스티어링 거울을 활용한 심우주 환경에서의 레이저 상대항법을 진행한다. 레이저 상대항법의 심우주 환경으로의 활용성과 성능 확인을 위해 실제 심우주 위성 임무인 Stellar Imager vision 임무의 운용 환경을 적용한다. 실제 임무 운용에서 발생 가능한 상황에 따른 다양한 성능 분석을 위해 위성 간 상대거리, 레이저 지향 방향 측정 성능 그리고 레이저 수신 불가에 따른 레이저 상대항법 시뮬레이션을 진행한다. 또한 레이저 상대항법에 있어서 온보드 천체항법 방식을 가정한 절대항법, 자세 결정 그리고 레이저 장비를 통한 상대 위성 상태 정보를 이용해 상대항법 시뮬레이션을 진행한다.
심우주 환경 뿐 아니라 항법 알고리즘을 지상의 제한된 조건 내에서 검증할 수 있는 기존 편대 비행 테스트베드를 가상환경으로 구현하여 심우주 환경에서 진행하는 항법 시뮬레이션을 동일하게 진행한다. 심우주 환경에서의 상대항법 결과와 편대 비행 테스트베드 환경의 상대항법 결과를 비교 분석하여 시뮬레이터와 위성이라는 서로 다른 플랫폼에서 위성 간 상대거리와 레이저 지향 방향 측정 정밀도에 따른 동일한 항법 성능 경향과 수치적인 성능 차이의 원인을 분석한다. 실제 지상 하드웨어 시뮬레이션에서 기대되는 결과를 얻어 구현한 지상 하드웨어 테스트베드의 심우주 레이저 상대항법 알고리즘 검증에 대한 활용 가능성을 확인한다. 또한, 실제 하드웨어 지상 검증을 진행할 때 제한된 자세 운동이 레이저 상대항법 성능에 주는 영향이 크다는 것과 레이저 상대항법 성능에 대한 위성 자세 역학 구현의 중요성을 확인한다.
본 연구는 실제 심우주 위성 임무 환경에서 레이저 장비를 활용한 상대 항법 방식을 제시한다. Stellar Imager vision 임무에서의 상대항법 결과와 실제 지상 편대비행 테스트베드 상에서 기대되는 상대항법 결과를 분석함으로써 위성의 자세 운동 및 레이저 방향 측정 정밀도에 의존적인 레이저 상대항법의 특징을 도출한다. 본 연구에서 분석한 레이저 상대항법을 통해, 지구 궤도 뿐 아니라 심우주 간섭계 망원경이나 우주 중력파 검출 위성 그리고 레이저 통신과 레이저 거리측정을 겸하는 임무 등 심우주 상의 위성 편대비행 임무로의 활용을 기대 할 수 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Satellite laser relative navigation is one of the ways to expect precise relative navigation even in deep space environments where satellite navigation systems are difficult to use for satellite formation missions and for earth observation, rendezvous and docking based on precise relative distance measurement using lasers.
This paper conducts laser relative navigation in a deep space environment using a laser measuring relative distance between satellites and a fast-steering mirror (FSM) that helps stable laser transmission and reception. To verify the utilization and performance of laser relative navigation into the deep space environment, we apply the operating environment of the actual deep space satellite mission, the ‘Stellar Imager vision’ mission. For various performance analysis in actual mission operation, laser relative navigation simulations are conducted according to relative distance between satellites, laser direction measurement performance, and unstable laser reception. In addition, the relative navigations are performed using absolute navigation assuming an onboard celestial navigation method, attitude determination, and relative satellite state information through laser equipment.
Existing formation flight testbeds that can validate navigation algorithms, are implemented as virtual environments to proceed with navigation simulations in the same way as deep space simulations. By comparing and analyzing relative navigation results in a deep space environment and relative navigation results in a formation flying testbed environment, we analyze performance trends and numerical performance differences according to relative distance and laser orientation accuracy. We obtain the expected results from real-world ground hardware simulations to confirm the availability of the implemented ground hardware testbed for deep space laser relative navigation algorithm verification. In addition, we confirm the significant impacts of limited posture exercise on laser relative navigation performance when conducting actual hardware ground verification and the importance of implementing satellite attitude dynamics on laser relative navigation performance.
Through this study, a relative navigation method using laser equipments in an actual deep space satellite mission environments is proposed. By analyzing the relative navigation results in the Stellar Imager vision mission and relative navigation results on the actual ground formation flying testbed, we derive the characteristics of laser relative navigations dependent on the satellite's posture motions and laser orientation accuracies. Through the laser relative navigation analyzed in this study, it can be expected to be used not only for Earth orbit but also for satellite formation flying missions in the deep space, including interferometer telescopes, space gravitational wave detection satellites, and satellites using laser communication & distance measurement.

목차 (Table of Contents)

• 그림 차례 ................................................................... iv
• 표 차례 ..................................................................... vii
• 제 1 장 서론 ............................................................... 1
• 1.1 연구의 배경 .................................................... 1
• 1.2 연구 목적 및 의의 .............................................. 2
• 1.3 연구 방법 ...................................................... 3
• 1.4 논문의 개요 .................................................... 5
• 제 2 장 지상 편대비행 테스트베드와 Stellar Imager vision 임무 ............. 6
• 2.1 편대비행 테스트베드 시스템 ..................................... 6
• 2.1.1 편대비행 시뮬레이터 ........................................ 7
• 2.1.1.1 물성치.................................................. 7
• 2.1.1.2 추력기.................................................. 8
• 2.1.2 모션 캡처 시스템 ........................................... 9
• 2.1.3 동작 공간 ................................................. 10
• 2.2 Stellar Imager vision (SI) 임무 ............................... 12
• 제 3 장 동역학 모델 ....................................................... 14
• 3.1 좌표계 설정 ................................................... 14
• 3.1.1 절대 운동 좌표계 .......................................... 15
• 3.1.2 몸통 좌표계 ............................................... 16
• 3.1.3 몸통 중심 구면좌표계 ...................................... 16
• 3.2 좌표계 변환 ................................................... 18
• 3.3 절대 운동 방정식 .............................................. 20
• 3.3.1 위성 위치 운동 ............................................ 20
• 3.3.2 위성 자세 운동 ............................................ 23
• 3.4 상대 운동 방정식 .............................................. 26
• 제 4 장 관측 모델 ......................................................... 27
• 4.1 레이저 거리 측정 .............................................. 27
• 4.2 위성 간 상대 위치 측정 ........................................ 28
• 4.2.1 별추적기 .................................................. 29
• 4.2.2 자이로 센서 ............................................... 30
• 4.2.3 고속 스티어링 거울(Fast Steering Mirror; FSM) ............. 31
• 제 5 장 실시간 위성 상태 결정 ............................................. 32
• 5.1 확장 칼만 필터 ................................................ 32
• 5.2 절대 위치 및 절대 자세 결정 ................................... 34
• 5.3 상대 위치 결정 ................................................ 36
• 제 6 장 지상 테스트베드 상대항법 시뮬레이션 ............................... 38
• 6.1 시뮬레이션 시나리오 ........................................... 38
• 6.2 시뮬레이션 결과 및 분석 ....................................... 40
• 6.2.1 편대비행 시뮬레이터 제어 .................................. 40
• 6.2.2 상대 거리에 따른 항법 성능 ................................ 42
• 6.2.3 하드웨어 성능에 따른 항법 성능 ............................ 47
• 6.2.4 관측 실패 상황에 따른 항법 성능 ........................... 50
• 제 7 장 심우주 환경 상대항법 시뮬레이션 ................................... 54
• 7.1 시뮬레이션 설정 ............................................... 54
• 7.1.1 시뮬레이션 상수 ........................................... 54
• 7.1.2 시뮬레이션 시나리오 ....................................... 55
• 7.1.3 참값 생성 ................................................. 56
• 7.2 시뮬레이션 결과 ............................................... 57
• 7.2.1 상태 자세 결정 및 제어 .................................... 57
• 7.2.2 절대 항법 성능에 따른 상대항법 성능 ....................... 59
• 7.2.3 상대 거리에 따른 항법 성능 ................................ 60
• 7.2.4 하드웨어 성능에 따른 항법 성능 ............................ 64
• 7.2.5 관측 실패 상황에 따른 항법 성능 ........................... 67
• 제 8 장 결론 .............................................................. 72
• 참고문헌 .................................................................... 77
• 영문요약(ABSTRACT) .......................................................... 82