우주감시레이다 성능과 정밀궤도결정과의 관계 분석 = Analysis of the Relationship between Space Surveillance Radar Performance and Precise Orbit Determination

국문 초록 (Abstract)

지상 기반의 우주감시체계 중 핵심적인 역할을 담당하는 우주감시레이다는 일반적인 레이다와 다르게 우주물체의 탐지뿐 아니라 궤도결정까지 수행해야 한다. 우주감시레이다의 개발에 기여하고자 본 연구에서는 우주감시레이다의 성능과 정밀궤도결정 간 관계성 정립을 목적으로 한다. Knowles(1995)[1]는 우주감시레이다의 경우 수∼수백미터의 궤도결정 정밀도를 가진다고 하였다. 우주감시레이다의 성능의 변화가 궤도결정 정밀도에 주는 영향을 확인하며, 시뮬레이션 환경 내 수m급 궤도결정 정밀도(위치오차 크기 10m 이내)를 달성할 수 있는 우주감시레이다의 성능 도출을 연구 목표로 한다. 우주감시레이다의 성능 중 궤도결정과 유관한 주파수, 분해능, 시야각 범위의 변화를 통해 궤도결정 정밀도의 변화를 살펴보고, 각 성능이 가지는 상충(Trade-Off)관계를 통해 시뮬레이션 환경에서 수m급 궤도결정 정밀도를 달성할 수 있는 우주감시레이다의 성능을 도출한다.
궤도결정은 실제 관측값(Observation, O)과 계산된 관측값(Calculated, C)의 차이인 잔차(Residual)을 최소화하는 추정이론(Estimation Theory)를 통해 특정시간의 위치/속도를 추정하는 과정이다. 하지만 레이다의 경우 실제 관측자료 획득에 제한이 있다. 그러므로, 실제 관측값에 해당하는 관측자료를 GMAT, MATLAB 소프트웨어를 사용하여 표적/레이다 모델링을 통해 구현했으며, 계층화된 대기굴절 보정 모델을 통해 대기굴절 오차가 보정된 계산된 관측값을 구현한다.
구성된 시뮬레이션을 통해 실제 우주감시 레이다를 활용한 과거연구[2]와 궤도결정 결과를 비교한다. 또한, 레이다를 활용한 궤도결정 시 가중행렬 생성방법에 대해 확인하고, 수m급 궤도결정 정밀도를 달성하기 위한 우주감시 레이다의 성능을 도출한다. Space-Track, Celes-Trak의 궤도 및 레이다 반사 단면적(Radar Cross Section, RCS) 정보를 활용하여 모델링된 우주물체 표적을 시뮬레이션을 통해 도출된 우주감시레이다의 성능을 적용하여 궤도결정을 수행하고, 시뮬레이션 환경에서 수m급의 궤도결정 정밀도가 달성된 것을 확인한다.
이 연구를 통해서 우주감시 레이다 성능, 관측자료 품질, 궤도결정 정밀도 간 관계를 정립하며, 레이다의 주요 성능을 변화하였을 때 궤도결정 정밀도를 확인할 수 있는 시뮬레이션 프로그램을 개발했다. 본 연구에서 개발된 연구방법과 결과는 향후 우리나라의 우주감시레이다 개발과 운영 및 관련 연구에 활용될 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 그림 차례 ⅲ
• 표 차례 ⅴ
• 국문요약 ⅵ
• 제 1 장 서론 1
• 1.1. 연구의 배경 1
• 1.2. 연구의 목적 및 의의 3
• 1.3. 연구의 방법 4
• 1.4. 논문의 개요 4
• 제 2 장 우주감시레이다 5
• 2.1. 우주환경 및 우주감시체계 5
• 2.2. 국외 우주감시 레이다 8
• 2.3. 우주감시레이다 시스템 9
• 2.3.1. 레이다 방정식 11
• 2.3.2. 관측 자료 14
• 2.3.3. 관측 정확도 14
• 제 3 장 정밀궤도결정 16
• 3.1. 좌표계 및 시간계 17
• 3.2. 초기궤도결정 19
• 3.3. 동역학 모델 20
• 3.3.1. 지구중력 포텐셜에 의한 중력 21
• 3.3.2. 제 3체에 의한 중력 23
• 3.3.3. 지구대기 항력 24
• 3.3.4. 태양 복사압 25
• 3.4. 관측모델 26
• 3.4.1. 기하학적 관측값 26
• 3.4.2. 대기굴절 28
• 3.4.3. 광주시간 31
• 3.5. 추정이론 32
• 3.5.1. 개 요 32
• 3.5.2. 비선형 최소자승 배치필터 33
• 3.6. 이상치 탐지/제거 35
• 제 4 장 우주감시레이다 성능과 정밀궤도결정간 관계 36
• 4.1. 관계 정립을 위한 시뮬레이션 구성 37
• 4.2. 실제 우주감시레이다 관측자료 활용 연구와 비교 47
• 4.3. 시뮬레이션을 통한 결과 도출 및 비교/분석 52
• 4.3.1. 궤도결정 시 가중행렬 설정 52
• 4.3.2. 우주감시레이다 주파수, 분해능 및 시야각 범위 도출 56
• 4.3.3. 가상 우주감시레이다를 적용한 우주물체 표적 궤도결정 70
• 제 5 장 결론 77
• 참고 문헌 79
• 영문 요약 85