SNIPE 나노위성 임무를 위한 편대 비행 시나리오 설계 및 분석

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This paper designs and analyzes the formation flying scenario of the SNIPE Nanosats mission observing the near-Earth magnetic field using 4 Nanosats. SNIPE Nanosats mission is to observe the irregular and transient physical phenomena in the ionosphere, to study its characteristics, and to reveal the cause and principle of occurrence. Since these physical phenomena occur very irregularly and temporally on the Earth’s surface, it is important to observe the duration of the phenomenon and the spatial extent in which the phenomenon occurs. In this study, we design various scenarios that meet the formation flying requirements to achieve the scientific objectives of the SNIPE Nanosats mission. The formation flying requirement is to change the relative distance between the Nanosats over the Equator and 70° latitude to over 100 km. In this study, three formation flying scenarios are presented. We have designed a cross (+) formation scenario that consists of a cross-shaped with four Nanosats, gradually increasing the cross formation, and a tetragon (□) formation scenario, which gradually departs from the reference orbit in a diagonal direction. Finally, we designed a scenario of a cross-track formation flying, which four Nanosats are aligned in a vertical cross-track direction with respect to the reference orbit and gradually receded in cross-track direction. Among the three formation flying scenarios, the cross-track formation scenario was selected as the final scenario, and that uses J2 perturbation to reduce the ΔV required for relative orbital control. As a result, the accumulated total ΔV required for the formation flying and the fuel distribution condition between the Nanosats proposed as the design condition satisfies. There are various errors to consider when orbit control using thrust module in space. In this study, the thrust position error, thrust direction error, and thrust magnitude error are considered, and the instantaneous collision probability is analyzed using the result of the simulation including the thrust error. The result of this study suggests a relative orbit control scenario for the formation maintenance and reconfiguration, and the initial relative orbit of the four Nanosats meeting the formation requirements and thrust limitations of the SNIPE Nanosats mission. The formation flying scenario is tested by calculating the accumulated total thrust required for the four Nanosats and the instantaneous collision probability between the four Nanosats during the SNIPE Nanosats mission. If the final scenario presented in this study is applied to the SNIPE Nanosats mission, it is expected that the SNIPE Nanosats mission will be accomplished. Therefore, it is expected that the SNIPE Nanosats mission observing the near-Earth magnetic field will be able to research on the physical phenomenon that has been revealed until now.

국문 초록 (Abstract)

이 논문에서는 4기의 나노위성을 이용하여 근지구 우주환경을 관측하는 SNIPE 나노위성 임무의 편대 비행 시나리오를 설계하고 분석한다. SNIPE 나노위성 임무는 지구 자기권과 전리권 영역에서 불규칙적이고 일시적으로 일어나는 물리 현상을 관측하여 그 특성을 연구하고 발생 원인 및 원리를 밝혀내는 것을 목적으로 하고 있다. 이 물리 현상들은 매우 불규칙적이고 일시적으로 발생하기 때문에, 현상이 지속되는 시간과 현상이 발생하는 공간의 범위를 관측하는 것이 중요하다. 이 연구에서는 SNIPE 나노위성 임무의 과학적 목적을 달성하기 위한 편대 비행 요구조건을 충족하는 다양한 시나리오를 설계한다. 편대 비행 요구조건은 특정 위도에서 4기의 나노위성이 초기 상대 거리 10 km에서 시작하여 임무기간 내에 100 km이상까지 변화시키는 것이다. 이 연구에서는 세 가지의 편대 비행 시나리오를 제시한다. 나노위성 4기로 십자 형태의 편대를 구성하여 대형을 서서히 증가시키는 십자 편대 비행 시나리오, 사각형 형태의 편대를 구성하여 기준궤도로부터 대각선 방향으로 서서히 멀어지는 사각형 편대 비행 시나리오, 나노위성 4기가 기준궤도에 대하여 수직방향으로 일렬로 위치하여 수직방향으로 서서히 멀어지는 횡대 편대 비행 시나리오를 설계한다. 세 가지의 편대 비행 시나리오 중에서 횡대 편대 비행 시나리오를 최종 시나리오로 선정하였고, 상대 궤도 제어에 필요한 ΔV를 감소시키기 위해 J2 섭동을 이용한다. 그 결과 설계 조건으로 제시한 편대 비행에 요구되는 누적된 총 ΔV는 추력 제한 조건과 나노위성간 연료 분배 조건을 만족한다. 우주공간상에서 추력기를 이용하여 궤도를 제어할 때 고려해야 하는 다양한 오차를 고려하여, 추력 위치/방향/크기 오차를 포함한 시뮬레이션의 결과를 통해 순간 충돌 확률을 분석한다. 이 연구의 결과는 SNIPE 나노위성 임무의 편대 비행 요구조건과 추력 제한조건을 충족하는 나노위성 4기의 초기 상대 궤도와 편대 유지 및 재배치를 위한 상대 궤도 제어 시나리오를 제시한다. 또한 설계조건을 충족하는 시나리오 설계와 함께, SNIPE 임무 기간 동안 4기의 나노위성에 요구되는 누적된 총 추력과 나노위성 사이의 순간 충돌 확률을 산출하여 편대 비행 시나리오를 검증한다. 이 연구에서 제시한 최종 시나리오를 SNIPE 나노위성 임무에 적용한다면 근지구 자기장을 관측하는 SNIPE 임무를 완수하여 현재까지 밝혀지지 않은 물리현상에 대한 연구가 가능할 것으로 기대한다.