KR100237383B1 - 시간동기형 비정지궤도 위성군 설계 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 시간동기형 비정지궤도 위성군 설계 방법에 관한 것으로서, 시간동기형 비정지궤도 위성군은 적절한 궤도 기울기와 위성 고도를 이용하여 각 위성의 지표면 궤적이 24시간 동안 동기가 되도록 하고 또한 궤도간 적절한 이격을 통해 위성 궤도들의 지표면 궤적을 일치시킴으로써, 최소 개수의 위성으로 한국, 중국, 일본의 극동 아시아와 같이 한정된 지역에 대해 통신 빈도수가 높은 시간을 고려하여 서비스를 제공할 수 있도록 함으로써, 한정된 지역에 대한 통신 서비스 제공을 위해서 기존의 비정지궤도 위성군에 비해 시스템 효율을 높일 수 있으며, 위성의 지표면 궤적을 24 시간 동안 동기시킴으로 인해 위성을 제어하는 시스템의 설계가 단순해질 수 있으므로 경제적이고 효과적인 시스템 구성을 이룰 수 있다.

Description

시간동기형 비정지궤도 위성군 설계 구조{The Design of a Time-Synchronous Non-Geostationary-orbit Satellite Constellation}

본 발명은 일정 범위의 경,위도내에 있는 지역에 위성통신 서비스를 제공하기 위한 비정지원궤도 위성군의 구성에 대한 것이다.

위성 궤도의 적도에 대한 기울기와 위성 고도를 조절하여 위성의 지표면 궤적이 24시간만에 동일 지표 위치에 다시 오도록 동기시키고, 위성 궤도간의 위상 차와 인접 궤도 위성과의 위상차를 조절하여 모든 위성이 동일한 지표 궤적을 따르도록 함이 본 발명의 장점이다.

원궤도 위성군을 구성하기 위해서는 위성 궤도면 수, 궤도면당 위성 수, 위성의 고도, 적도면에 대한 궤도면의 기울기, 위성 궤도간 위상차 등의 파라미터가 필요하다.

1960년대 이후 지금까지 사용된 거의 모든 통신 위성은 적도 상공 약 36,000 km의 거리에 올리워져서 지구 중심과 위성을 직선으로 연결했을 때의 만나는 지표면 경,위도 지점인 위성의 부지점(subpoint)이 고정된 고정위성이다.

1980년대부터 개인 이동통신의 폭발적인 수요와 전자, 통신 기술의 발전으로 위성에 의한 이동통신을 고려하게 되었다.

그런데 고정 위성은 전파 지연 시간이 단방향 지구국대지구국간 약 0.25초로 실시간 통화를 위한 이동통신에는 부적합하여 고도가 더 낮은 비정지궤도 위성을 사용하여 전파지연 시간 및 경로 손실을 줄이도록 하였다.

그러나 비정지궤도 위성은 지구 자전 속도보다 위성의 공전 속도가 매우 빠르기 때문에 서비스 희망 지역에 지속적인 서비스를 제공하기 위해서는 상기 언급된 위성군 파라미터를 이용한 일정한 규칙에 의해 배열된 여러 개의 위성을 사용한다.

지금까지 개발되어 사업화된 비정지궤도 통신 위성군은 위성의 고도에 따라 크게 약 500∼2000㎞의 저궤도 위성군과 약 9000 ∼ 15000 ㎞의 중궤도 위성군으로 나뉘는데, 대부분 24 시간 전세계 대륙을 대상으로 통신서비스를 제공하기 때문에 동시에 전세계 대부분의 지역을 위성 빔으로 감싸기 위해 약 40 ∼ 100개의 위성으로 구성된 저궤도 위성군과 약 10 ∼ 20개의 위성으로 구성된 중궤도 위성군과 같이 상당히 많은 위성들로 구성되어 있다.

이러한 비정지궤도 위성군 구성 방식은 일부 국가들만을 대상으로 한 통신 서비스에 대해서는 위성의 갯수가 많고 복잡하여 비효율적인 문제가 있다.

상기 문제를 해결하기 위해 본 발명은 일부 지역에 대해 위성통신 서비스를 제공하기에 보다 적당한 위성군 구성을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에서 제공하는 비정지궤도 위성군은 50도∼70도 범위의 궤도 기울기와 약 10,350 km의 위성 고도를 이용하여 각 위성의 지표면 궤적이 24시간 동기가 되도록 하고 또한 22도∼24도 범위의 궤도간 적절한 이격을 통해 모든 위성 궤도들의 지표면 궤적을 일치시킴으로써, 5∼7개의 위성으로 한정된 지역에 대해 통신 빈도수가 높은 시간을 고려하여 서비스를 제공할 수 있도록 구성된다.

이로써 각 위성들은 24시간동안 지구를 4번 회전하고서 24시간전과 동일한 지표점에 이른다.

즉, 각 위성의 부지점 경도, 위도 좌표는 각 시각에 일대일 대응되는 고정 값을 갖게 되어 희망 서비스 지역에서 통신 빈도수가 높은 시간대와 위성 앙각이 높은 시간대를 일치시키거나 통신 빈도수가 낮은 시간대와 위성 앙각이 낮은 시간대를 일치시켜 시스템의 효율을 높이고, 위성체의 제어 방법을 단순화시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 시간동기 위성군의 구성도,

도 2는 본 발명이 적용되는 궤도면 5개, 경사각 65도, 인접궤도 위성간 위상차가 1.25인 24시간 반복 주기를 가진 위성군의 24시간 지표 궤적 가시도,

도 3은 본 발명에 따른 5 궤도면으로 구성되고 기타 사항은 도 2의 특성을 지닌 위성군의 예시 지점에 대한 시간별 가시도,

도 4는 본 발명에 따른 6 궤도면으로 구성되고 기타 사항은 도 2의 특성을 지닌 위성군의 예시 지점에 대한 시간별 가시도,

도 5는 본 발명에 따른 7 궤도면으로 구성되고 기타 사항은 도 2의 특성을 지닌 위성군의 예시 지점에 대한 시간별 가시도.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 7개 이하의 위성과, 각 위성의 지표면 궤적이 24시간 동안 동기가 되도록 24시간의 반복 주기를 가지면서 경도, 위도의 범위가 한정된 지역에 대해 빔 커버리지를 제공하는 것을 특징으로 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 시간동기 위성군의 구성도로서, 각 궤도면에 존재하는 위성은 그 고도에 따라 정해진 속도로 지구 주위를 공전하는데, 위성의 고도가 약 36,000 km 보다 작을 경우에는 지구 자전, 공전 속도보다 위성의 공전 속도가 빨라서 위성이 자신의 주기로 360도 돌았을 때 지구 적도면과 위성이 남반구에서 북반구로 향할 때의 위성 궤도간의 접점인 승교점(ascending node)이 이전 위치로 오지 않고 승교점을 지표면에 투영시켰을 때 일정하게 서향 이동하는 편차가 생긴다.

위성의 한 주기동안 생기는 총 편차는 아래의 수학식 1로 표현된다.

D_T= D_r+ D_p+ D_ia

여기서 D_r은 24시간동안의 지구의 자전, 공전에 의한 역행을 나타내며, D_p는 태양의 진행에 따른 역행, D_ia는 궤도면 경사각 i, 궤도 부주축 a의 함수로 이루어진 궤도면의 회전에 의한 역행을 나타낸다.

각 항은 아래 수학식 2, 수학식 3, 수학식 4, 수학식 5와 같이 표현된다.

여기서 T는 위성의 공전주기, R은 지구반경을 나타낸다.

그런데 각 위성은 위의 수식에 의해 주어진 편차를 가지고 회전하면서 일정 기간이 지나면 다시 지표 궤적이 반복된다.

이를 수식으로 표현하면 아래 수학식 6과 같이 표현된다.

여기서 nb_day는 반복 주기(rounded cycle period)이고, nb_arb는 한 주기동안의 궤도 수를 나타낸다.

예를 들어 경사각이 65도이고 하루 즉 24시간을 반복주기로 하여 반복주기동안 위성이 4회 공전한다면 상기 식 6에 의해서 D_T는 (360 * 1 / 4) = 90 이고, 상기 식 1∼5를 이용하면 위성의 지구중심거리, 즉 위성의 부주축 a = 16,728.412 km가 계산되어 위성의 고도 h = (16,728.412 -6378.14) = 10350.272 km가 결정된다.

상기와 같이 24시간을 반복주기로 하여 반복주기동안 위성이 4회 공전한다고 할 때 경사각과 위성 고도간의 대응 값을 표 1에 보였다.

24시간 반복 주기를 가진 궤도 파라미터

경사각 (도)	위성 고도 (㎞)
50	10347.951
55	10348.681
60	10349.457
65	10350.272
70	10351.121
75	10352.000

그 다음, 각 궤도가 동일 지표 궤적을 가지기 위해서는 궤도면간 위상차 α가 아래 수학식 7과 같이

a = F × D_T/T_sat

로 이격되어야 한다.

여기서 F는 인접 궤도 위성간 위상차 (0~(P-1)내의 값임.)이고, T는 위성군의 총 위성 갯수, P는 궤도면 수이다.

도 2는 본 발명이 적용되는 궤도면 5개, 경사각 65도, 인접궤도 위성간 위상차가 1.25인 24시간 반복 주기를 가진 위성군의 24시간 지표 궤적 가시도로서, 궤적이 정확하게 일치하였다.

이 위성군을 이용한 한국, 일본, 중국 동부지역에 대한 위성 가시도를 시간에 대한 앙각으로 표시한 것이 도3, 도4, 도5이고, 이 때 최소 앙각은 10도로 정했다.

도 3은 본 발명에 따른 5 궤도면으로 구성되고 기타 사항은 제 2도의 특성을 지닌 위성군의 예시 지점에 대한 시간별 가시도로서, 9시부터 13시에 걸쳐 약 2시간 30분정도 통신이 단절됨을 볼 수 있다.

여기서 예시 지점이란 동경 110도, 북위 20도의 중극남단, 동경 123.5도, 북위 22도의 대만 남단, 동경 141도, 북위 35도의 일본 동부, 동경 142도, 북위 45.5도의 일본 북단, 동경 117도, 북위 40도의 중국 중북구 지역, 동경 110도, 북위 30도의 중국 중부 지역이다.

그런데 표시된 시각은 절대 시각이 아니라 임의의 기준점에서 시작되는 상대 시각이므로 위성군의 초기 승교점을 조절하여 원하는 시간대에 맞출 수 있다.

예를 들어 9시에서 13시의 구간을 통신량이 가장 적은 새벽 1시에서 4시로 조정하면 시스템을 효율적으로 사용할 수 있을 것이다.

도 4는 본 발명에 따른 6 궤도면으로 구성되고 기타 사항은 도 2의 특성을 지닌 위성군의 예시 지점에 대한 시간별 가시도로서, 9시부터 11시 20분에 걸쳐 약 1시간 정도 통신이 단절됨을 볼 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 7 궤도면으로 구성되고, 기타 사항은 상기 도 2의 특성을 지닌 위성군의 예시 지점에 대한 시간별 가시도로서, 24시간내내 최저 10도 앙각으로 서비스 제공이 가능함을 볼 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에서 제공하는 비정지궤도 위성군은 적절한 궤도 기울기와 위성 고도를 이용하여 각 위성의 지표면 궤적이 24시간 동기가 되도록 하고 또한 궤도간 적절한 이격을 통해 모든 위성 궤도들의 지표면 궤적을 일치시키므로써, 최소 갯수의 위성을 사용하면 경도, 위도 범위가 한정된 지역에 대해 통신 빈도수가 높은 시간을 고려하여 서비스를 제공할 수 있도록 효율적으로 구성되기 때문에, 한정된 지역에 대한 통신 서비스 제공을 위해서 기존의 비정지궤도 위성군에 비해 시스템 효율을 높일 수 있다.

또한 위성의 지표면 궤적을 24시간 동기시킴으로 인해 위성을 제어하는 시스템의 설계가 단순해 질 수 있으므로 경제적이고 효과적인 시스템을 구성할 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 경도, 위도의 범위가 한정된 지역에 대한 비정지궤도 위성통신 사업을 제공할 수 있는 위성군의 구성에 있어서,

   7개 이하의 위성과, 각 위성의 지표면 궤적이 24시간의 반복 주기를 가지면서 경도, 위도의 범위가 한정된 지역에 대해 빔 커버리지를 제공하는 것을 특징으로 하는 시간동기형 비정지궤도 위성군 설계 구조.
2. 제 1 항에 있어서,

   인접궤도 위성간 위상차를 고려한 궤도간의 이격으로 위성군을 구성하는 궤도의 일부나 전부에 대한 지표 궤적이 일치하는 것을 특징으로 하는 시간동기형 비정지궤도 위성군 설계 구조.
3. 제 1 항에 있어서,

   50∼75도 범위의 궤도 기울기와 10,345 ㎞∼10,355 ㎞의 위성 고도를 가진 것을 특징으로 하는 시간동기형 비정지궤도 위성군 설계 구조.
4. 제 2 항에 있어서,

   22도∼24도 범위의 궤도간 이격을 통해 위성 궤도들의 지표면 궤적을 일치시키는 것을 특징으로 하는 시간동기형 비정지궤도 위성군 설계 구조.

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