초소형 SAR 위성 활용을 위한 워커 델타 위성군 성능 분석

국문 초록 (Abstract)

한반도를 주요 관심지역으로 설정한 저궤도 초소형 SAR 위성군 연구는 시대적, 군사적으로 중요한 의미를 갖는다. 연구의 목적은 중위도 지역 관측에 효율적인 경사 궤도와 위성 간 섭동 영향이 유사하게 작용하는 원 궤도의 조합으로 구성된 워커 델타 위성군 성능을 다방면에서 분석하는 것이다.
본 연구에서는 워커 델타 위성군의 설계 변수인 궤도 경사각, 전체 위성 수, 궤도 평면 수, 위상차 인수 설정 기준에 대해 자세하게 분석하였으며, 각 변수의 의미를 구체적인 사례와 함께 명확하게 설명하였다. 이를 통해 SAR 위성 활용을 위한 워커 델타 위성군 설계에서 고려해야 하는 요소 간 상충 관계 등의 유의사항을 제시하였다. 시뮬레이션을 위해 Freeflyer 소프트웨어를 활용하여 총 40기의 SAR 위성으로 이뤄진 워커 델타 위성군을 구현하였고, 성능 분석을 위한 관심지역 설정, SAR 센서 구현, 궤도요소(COE) 구현 방법을 소개하였다. 성능 평가 기준은 원격 탐사 성능지표에 기초하였으며, 재방문시간이 음수로 나오는 경우의 해석과 이를 반영한 평균 재방문시간 정의 방법을 제안하였다. 조합별 성능 표를 통한 양적 비교 분석 외에도 재방문시간 분포 및 위성 간 상대적 거리를 고려하는 정성적 평가를 시도하였다.
워커 델타 위성군의 조합별 양적 성능을 평가하기 위해 최대/최소/평균 재방문시간, 재방문시간이 30분을 초과하는 횟수, 총 방문 횟수, 최대/최소/평균/총 접근 지속 시간 등의 성능 지표를 분석하였고, 현실적인 상황 설정을 위해 최대 재방문시간 30분의 요구 상황을 만족하는 최소의 궤도 평면 수인 5개 궤도 평면 사용을 가정하였다. 최소 촬영 요구 시간 반영에 따른 성능 변화 및 궤도별 성능 분석과 운용 전략을 제안하였으며 워커 델타 위성군의 강건성에 대한 분석 결과를 포함하였다. 시뮬레이션의 신뢰성을 입증하기 위해 STK 소프트웨어를 비교군으로 활용하여 결과를 검증하였으며, 섭동 반영 단계에서 사용 소프트웨어의 적분기 사용에 따라 달라지는 결과 분석 및 관련 유의사항을 도출하였다.
기존의 연구에서는 평균 재방문시간과 같은 성능을 주요 평가 지수를 설정하고, 양적 성능이 가장 우수한 조합을 선택하는 방식이 일반적이다. 그러나 본 연구에서는 동일한 궤도 경사각 조건에서는 평균 재방문시간 성능이 각 조합 간에 유의미한 차이를 나타내지 않음을 지적하고, 조합 간 재방문시간 분포에 주목하였다. 최종 선정 단계에서는 위상차 인수에 따라 변화하는 위성 간 상대적 거리 또한 고려함을 제안하였다. 마지막으로, 위성 간 거리가 근접하는 조합과 특별한 형태의 워커 델타 위성군에 대한 논의를 제공하였으며, 이러한 연구가 국방 분야에서 초소형 위성 체계의 발전을 위한 중요한 기초 연구로 활용되기를 기대한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The purpose of this study is to apply the Walker Delta constellation design for
the utilization of 40 LEO micro-SAR(synthetic aperture radar) satellites, focusing
on the Korean Peninsula.
Detailed analyses are conducted on design variables of the Walker Delta
constellation, including orbital inclination(i), total number of satellites(T), number
of orbital planes(P), and relative phase difference factor(F). The significance of
each element and trade-off considerations between elements are presented.
Performance analysis is carried out using Freeflyer software for simulation,
incorporating quantitative comparison analyses through performance tables for
different combinations. For the quantitative evaluation, metrics such as
maximum/minimum/average revisit time, total visit counts, and maximum/
minimum/average/total access duration are analyzed. Additionally, qualitative
evaluations are attempted, considering revisit time distribution and relative
distances between satellites. The process of selecting the Walker Delta
constellation combination involves not only quantitative performance but also
attempts qualitative evaluation.
The study also presents an analysis of minimum required shooting time, the
robustness of the Walker Delta constellation, differences between analytical and
numerical integrators' results when considering J2 perturbation effects and a
discussion on combinations where satellite distances are close and special forms of
the Walker Delta constellation.
It is anticipated that such research will serve as a crucial foundation for the
advancement of micro-satellite systems in the military defense sector.

목차 (Table of Contents)

• 제 1장 서 론
• 1.1. 연구의 배경
• 1.1.1. 시대적 배경
• 1.1.2. 군사적 배경
• 1.2. 기존 연구내용
• 1.3. 연구의 목적 및 의의
• 1.4. 연구의 내용 및 방법
• 1.5. 논문의 구성
• 제 2장 워커 델타 위성군(Walker Delta Constellation)
• 2.1. 워커 델타 위성군 설계 기법의 장점 및 유용성
• 2.2. 워커 델타 설계 변수(i: T/P/F)
• 2.2.1. i : 궤도 경사각
• 2.2.2. T : 전체 위성 수
• 2.2.3. P : 궤도 평면 수
• 2.2.4. F : 위상차 인수
• 2.3. 워커 델타 위성군 시뮬레이션 설정 전략 및 구현 사항
• 2.3.1. 관심지역(AoI: Area of Interest) 설정
• 2.3.2. 궤도 경사각(inclination) 설정
• 2.3.3. SAR 센서 구현
• 2.3.4. 워커 델타 궤도요소(COE) 설정
• 2.4. 원격 탐사 성능지표를 통한 워커 델타 위성군 성능 평가
• 2.5. 워커 델타 설계 시 유의사항
• 2.5.1. 위성군 설계 요소의 상충 관계
• 2.5.2. 위성 간 충돌 및 공간 분리 문제
• 2.5.3. 재방문시간 정의 및 특성
• 제 3장 워커 델타 위성군 성능 분석
• 3.1. 동역학 시뮬레이션 조건 및 성능표
• 3.2. 재방문시간(Revisit Time)
• 3.2.1. 최대 재방문시간
• 3.2.2. 최소 재방문시간
• 3.2.3. 평균 재방문시간
• 3.2.4. 재방문시간 성능 종합
• 3.3. 접근 지속 시간(Duration Time)
• 3.4. 최소 촬영 요구 시간(Minimum Required Shooting Time)
• 3.5. 위성군 내 궤도별 운용 성능 및 궤도 운용 전략
• 3.6. 위성군 강건성(Robustness)
• 3.7. 소프트웨어 비교를 통한 시뮬레이션 검증
• 3.8. J2 섭동을 반영한 시뮬레이션 결과
• 3.9. 위성군 TLE(Two Line Element)
• 제 4장 특별한 경우의 워커 델타 위성군
• 4.1. 적도지역에서 위성 간 거리가 근접하는 조합
• 4.2. 관심지역에서 위성 간 거리가 근접하는 조합
• 4.3. 적도와 관심지역 사이에서 위성 간 거리가 근접하는 조합
• 4.4. 3차원 공간정보 구축에 잠재적 활용 가능한 조합
• 제 5장 결론
• 참고 문헌
• 영문 요약