KR100789772B1 - 정지궤도 위성의 연료 소모를 줄이기 위한 모멘텀 덤핑시각 결정 방법 - Google Patents

정지궤도 위성의 연료 소모를 줄이기 위한 모멘텀 덤핑시각 결정 방법 Download PDF

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Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야
본 발명은 정지궤도 위성의 연료 소모를 줄이기 위한 모멘텀 덤핑 시각 결정 방법에 관한 것임.
2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제
본 발명은 정지궤도 위성(예 : 단일 태양전지판을 장착한 정지궤도 위성)의 남북방향 위치유지 시 소모되는 연료를 감소시키기 위한, 정지궤도 위성의 연료 소모를 줄이기 위한 모멘텀 덤핑 시각 결정 방법을 제공하는데 그 목적이 있음.
3. 발명의 해결방법의 요지
본 발명은, 모멘텀 덤핑(Momentum dumping) 시각 결정 방법에 있어서, 정지궤도 위성의 남북방향 위치유지와 모멘텀 덤핑에 사용될 추력기의 수를 결정하는 단계; 상기 결정된 각 추력기별 최적 추력 시각을 결정하여 모멘텀 덤핑 수행 시각으로 정하는 모멘텀 덤핑 수행 시각 결정 단계; 상기 정지궤도 위성을 일정 위도범위 내에서 유지시키기 위한 남북방향 위치유지 시각을 결정하는 단계; 상기 결정한 모멘텀 덤핑 수행 시각 및 상기 결정한 남북방향 위치유지 시각을 고려하여 모멘텀 덤핑 수행존을 결정하는 단계; 및 상기 결정한 모멘텀 덤핑 수행존에서 모멘텀 덤핑을 수행하는 모멘텀 덤핑 수행 단계를 포함한다.
4. 발명의 중요한 용도
본 발명은 단일 태양전지판을 장착한 정지궤도 위성의 관제 시스템 등에 이용됨.
정지궤도 위성, 기상 탑재체, 단일 태양전지판, 궤도 조정, 남북방향 위치유지, 모멘텀 휠, 모멘텀 덤핑 시각 결정, 연료 감소

Description

정지궤도 위성의 연료 소모를 줄이기 위한 모멘텀 덤핑 시각 결정 방법{Momentum dumping time determination method for optimizing fuel consumption of geostationary satellite}
도 1은 본 발명이 적용되는 정지궤도 위성의 관제시스템에 대한 일실시예 구성도,
도 2는 본 발명이 적용되는 단일 태양전지판을 장착한 정지궤도 위성 및 그 궤도에 대한 일실시예 설명도,
도 3은 본 발명에 따른 정지궤도 위성의 연료 소모를 줄이기 위한 모멘텀 덤핑 시각 결정 방법에 대한 일실시예 흐름도,
도 4는 본 발명에 따른 정지궤도 위성의 연료 소모를 줄이기 위한 모멘텀 덤핑 시각 결정 방법에 대한 일실시예 설명도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
11 : 정지궤도 위성 12 : 안테나
13 : 위성 관제 시스템 131 : 임무 계획 시스템
132 : 위성 추적 시스템 133 : 실시간 운용 시스템
134 : 시뮬레이터 시스템 135 : 비행 역학 시스템
본 발명은 단일 태양전지판을 장착한 정지궤도 위성의 연료 소모를 줄이기 위한 최적의 모멘텀 덤핑 시각 결정 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 남북방향 위치유지와 모멘텀 덤핑에 사용되는 추력기의 특성을 고려하여 남북방향 위치유지 시각 근처에서 모멘텀 덤핑을 수행함에 따라 남북방향 위치유지 시 소모되는 연료를 감소시키기 위한 모멘텀 덤핑 시각 결정 방법에 관한 것이다.
이하의 일실시예에서는 단일 태양전지판을 장착한 정지궤도 위성을 예로 들어 설명하나, 본 발명은 이와 유사한 특징을 가지는 정지궤도 위성에도 적용이 가능하므로, 후술되는 일실시예에 본 발명이 한정되는 것이 아님을 미리 밝혀둔다.
일반적인 위성의 태양전지판은 대칭적으로 장착되어 있다. 하지만, 기상 탑재체를 장착한 정지궤도 위성의 경우, 탑재체 장착면에 태양전지판을 장착하면 태양전지판에 의해 발생되는 적외선에 의한 성능저하가 초래될 수 있으므로 단일 태양전지판을 사용하는 경우도 있다.
정지궤도 위성의 양쪽에 대칭적으로 태양전지판을 장착한 경우에는 태양풍에 의해 위성체 전체에 발생되는 토크를 무시할 수 있지만, 단일 태양전지판을 사용하는 경우에는 단일 태양전지판 질량 중심에 대해 발생되는 토크는 무시할 수 없 다. 왜냐하면, 단일 태양전지판 질량 중심에 대해 발생되는 토크는 정지궤도 위성의 자세 오차로 직결되기 때문이다. 따라서 모멘텀 휠(Momentum Wheel)을 이용하여 단일 태양전지판 질량 중심에 대해 발생되는 토크를 상쇄하게 된다.
하지만, 태양 복사압에 의해 모멘텀 흡수 과정에서 모멘텀 휠의 속도가 점차적으로 증가되므로, 모멘텀 휠의 속도를 일정 범위 내로 제어하기 위하여 추력기를 사용한 모멘텀 덤핑(momentum dumping)이 1-2일 주기로 수행되어야 한다.
한편, 정지궤도 위성의 경우, 비구형 포텐셜, 태양과 달의 중력섭동 그리고 태양의 복사압에 의해 정지궤도 위성의 위치가 계속 변화하므로, 정지궤도 위성을 일정한 경도와 위도 내에서 유지시키기 위한 위치유지 기능이 필요하다. 이 중 정지궤도 위성을 일정한 위도범위 내에서 유지시키는 기능을 남북방향 위치유지라고 하며, 보통 1~2주 주기로 수행된다.
이때, 단일 태양전지판을 장착한 경우에는, 상기에서 설명한 모멘텀 덤핑과 남북방향 위치유지를 위해 같은 방향의 추력기를 사용하여 추력을 가하게 된다.
따라서 모멘텀 덤핑은 남북방향 위치유지에 영향을 미치게 되며, 모멘텀 덤핑을 남북방향 위치유지 시각 근처에서 수행하게 되면 다음번 남북방향 위치유지에 필요한 속도 증분이 감소되어 결과적으로 이에 필요한 연료량이 감소하게 된다.
한편, 추력기는 정지궤도 위성의 질량중심, 추력기의 위치 등에 따라 시간별로 추력기의 임펄스가 달라지게 되므로, 이에 따라 24시간 중 각 추력기의 가장 효율적인 추력 시간대를 결정할 수 있다. 또한, 남북방향 위치유지 시각도 변화하므로, 이를 각 추력기별 최적 추력 시각과 적절히 조합하면 남북방향 위치유지에 필요한 연료 소모를 최소화하는 모멘텀 덤핑 시각의 결정이 가능하다.
상기한 바와 같이, 종래의 기법들은 추력기 페어의 배치를 통해 정지궤도 위성의 위치유지와 모멘텀 덤핑에 필요한 연료를 최소화시키는 기법으로서, 단일 태양전지판을 장착한 정지궤도 위성에 적용하기엔 무리가 있을 수도 있다.
따라서 남북방향 위치유지에 필요한 연료 소모를 최소화하기 위해서는, 추력기의 배치를 통해 연료를 최소화시키는 종래 방법과 달리, 최적의 모멘텀 덤핑 시각 결정을 통해 남북방향 위치유지에 필요한 연료 소모를 최소화시킬 수 있도록 하는 방안이 요구되고 있다.
본 발명은 상기의 요구에 부응하기 위하여 제안된 것으로, 정지궤도 위성(예 : 단일 태양전지판을 장착한 정지궤도 위성)의 남북방향 위치유지 시 소모되는 연료를 감소시키기 위한, 정지궤도 위성의 연료 소모를 줄이기 위한 모멘텀 덤핑 시각 결정 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 모멘텀 덤핑(Momentum dumping) 시각 결정 방법에 있어서, 정지궤도 위성의 남북방향 위치유지와 모멘텀 덤핑에 사용될 추력기의 수를 결정하는 단계; 상기 결정된 각 추력기별 최적 추력 시각을 결정하여 모멘텀 덤핑 수행 시각으로 정하는 모멘텀 덤핑 수행 시각 결정 단계; 상기 정지궤도 위성을 일정 위도범위 내에서 유지시키기 위한 남북방향 위치유지 시각을 결정하는 단계; 상기 결정한 모멘텀 덤핑 수행 시각 및 상기 결정한 남북방향 위치유지 시각을 고려하여 모멘텀 덤핑 수행존을 결정하는 단계; 및 상기 결정한 모멘텀 덤핑 수행존에서 모멘텀 덤핑을 수행하는 모멘텀 덤핑 수행 단계를 포함한다.
본 발명은 남북방향 위치유지에 필요한 연료 소모를 최소화하기 위한 최적의 모멘텀 덤핑 시각 결정 방법에 관한 것이다. 모멘텀 덤핑에 사용될 N개(N은 자연수)의 추력기 특성을 고려하여 24시간 중 각 추력기가 가장 효율적으로 작동하는 최적의 모멘텀 덤핑 시각 N개를 결정한다. 이를 1년간 남북방향 위치유지 시각과 매칭하여 1년 동안의 모멘텀 덤핑 수행존 N개를 결정한다. 이때, 결정된 N개의 시각이 모멘텀 덤핑 시각이 되며, 이 N개의 시각이 1년 동안 고르게 분배되도록 남북방향 위치유지 시각을 고려하여 수행존을 결정한다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명 이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명이 적용되는 정지궤도 위성의 관제 시스템에 대한 일실시예 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명이 적용되는 정지궤도 위성의 관제 시스템은, 정지궤도 위성(11)과, 정지궤도 위성(11)으로 신호를 송신하거나 정지궤도 위성(11)으로부터의 신호를 수신하는 안테나(12), 안테나(12)를 통해 원격 측정 데이터를 수집하고 제어 데이터를 송신하여 정지궤도 위성(11)의 상태를 감시하고 제어하는 위성 관제 시스템(13)을 포함한다.
다음으로, 본 발명이 적용되는 위성 관제 시스템(13)의 동작을 좀더 상세하게 살펴보면 다음과 같다.
상기 정지궤도 위성(11)의 온-보드(On-board)에서 수신되는 원격 측정 데이터는 지상국으로 송신되며, 이는 위성 추적 시스템(132)을 통해 위성의 실시간 운용 시스템(133)으로 전송된다. 그러면, 실시간 운용 시스템(133)은 수신된 원격 측정 데이터로부터 위성 온-보드(On-board)에서 수신된 데이터를 추출하여 관련된 데이터를 비행 역학 시스템(135)으로 전송한다. 그러면, 비행 역학 시스템(135)은 수집된 정보를 통해 위성의 궤도 결정 및 예측, 위치유지 조정계획과 모멘텀 덤핑 조정계획(136), 이벤트 예측, 연료량 추정 등의 임무를 수행하여 위성의 임무에 관련된 데이터를 임무 계획 시스템(131)으로 전송한다. 그리고 시뮬레이터 시스템(134) 은 위성의 동적/정적 시뮬레이션을 통해 명령을 검증하여 실시간 운용 시스템(133)으로 전송한다.
도 2는 본 발명이 적용되는 단일 태양전지판을 장착한 정지궤도 위성 및 그 궤도에 대한 일실시예 설명도이다.
도 2를 참조하여, 본 발명이 적용되는 단일 태양전지판을 장착한 정지궤도 위성 및 그 궤도에 대하여 살펴보면, 지구(201)와, 지구 자전과 같은 23시간 56분 4.09초의 주기와 0에 가까운 이심률, 및 궤도경사각을 갖는 정지궤도(202)와, 위성체(203), 안테나(204), 추력기(205), 및 단일 태양전지판(206)이 도시되어 있다.
여기서, 정지궤도 위성의 자세는 롤(207), 피치(208), 및 요각(209)으로 정의되는 3축 좌표계에 의해 정의되며, 위성체의 질량중심은 "210"으로 정의된다. 단일 태양전지판(206)을 장착함에 따라 태양풍(211)에 의한 태양전지판의 영향은 토크(213)를 발생시키게 되며, 이를 상쇄시키기 위해 추력(212)을 이용한 모멘텀 덤핑 과정이 필요하다.
상기한 바와 같은 구성을 갖는 단일 태양전지판을 장착한 정지궤도 위성에 대한 최적의 모멘텀 덤핑 시각 결정 방법에 대해 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명에 따른 정지궤도 위성의 연료 소모를 줄이기 위한 모멘텀 덤핑 시각 결정 방법에 대한 일실시예 흐름도이다.
먼저, 남북방향 위치유지와 모멘텀 덤핑에 사용될 추력기의 개수 N을 결정한다(301). 그리고 정지궤도 위성의 질량중심, 추력기의 위치 등에 따라 각 추력기의 시간별 임펄스가 달라지게 되므로 각 추력기의 특성을 고려하여 24시간 중 가장 효율적인 추력 시각 N개, 즉 24시간 중 추력기별 최적 추력 시각 N개를 결정한다(302). 이때, 결정된 N개의 시각이 최적의 모멘텀 덤핑 수행 시각이 된다.
이렇게, 최적의 모멘텀 덤핑 수행 시각이 결정되면 1년간의 남북방향 위치유지 시각을 결정한다(303).
이 후, N개의 최적의 모멘텀 덤핑 수행 시각과 1년간의 남북방향 위치유지 시각을 고려하여 1년간의 최적의 모멘텀 덤핑 수행존을 결정한다(304). 여기서, 상기 수행존은 1년간의 모멘텀 덤핑을 위한 N개 추력기의 추력 날짜와 시각을 정의한다. 그리고 여기에서 남북방향 위치유지 시각을 고려하는 이유는, 모멘텀 덤핑과 남북방향 위치유지가 같은 추력기를 사용함에 따라 모멘텀 덤핑을 남북방향 위치유지 근처에서 수행하게 되면, 남북방향 위치유지에 소요되는 연료 소모를 줄일 수 있기 때문이다. 이때, 1년 동안 N개의 추력기 사용이 고르게 배분될 수 있도록 N개의 수행존을 결정하며(304), 1년 동안 모멘텀 덤핑은 N개의 수행존으로 나누어져 각 수행존에서 가장 효율적인 추력기를 사용하여 가장 효율적인 시각에 수행하게 된다.
도 4는 본 발명에 따른 정지궤도 위성의 연료 소모를 줄이기 위한 모멘텀 덤핑 시각 결정 방법에 대한 일실시예 설명도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 모멘텀 덤핑 시각의 개수는 사용되는 추력기의 개수와 같은 N개이며, 1년간의 모멘텀 덤핑 수행존 역시 N개로 나누어진다. 하지만, N개에 대한 결정 과정을 도식화하기엔 복잡하므로 도 4에서는 간 단히 추력기의 개수가 2개(N=2)일 때의 결정 과정을 도식화하였다.
도 4의 그래프(401)는 길이가 수행시각(402), 각도가 수행날짜(403)를 나타내는 극좌표선도(Polar Plot)이다. 사용되는 추력기의 개수가 2개(N=2)이므로 2개의 최적 모멘텀 덤핑 추력 시각이 결정되며, 이 시각을 극좌표선도(Polar Plot)에 나타내면 "404", "405"와 같은 원으로 표현된다.
또한, 1년간의 남북방향 위치유지 시각을 극좌표선도(Polar Plot)에 나타내면 "406"과 같으며, 1년 동안의 남북방향 위치유지 시각이 24시간 변화함을 알 수 있다. 이때, 남북방향 위치유지 수행 시각 근처에서 모멘텀 덤핑이 이루어질 수 있도록, 2개의 모멘텀 덤핑 수행존을 결정하면 "409"를 기준으로 두 개의 영역(407(보라색 영역), 408(붉은색 영역))으로 나누어진다. 이와 같은 방법으로 추력기 N개에 대해서 1년간의 최적 모멘텀 덤핑 수행존 N개를 결정할 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 방법은 프로그램으로 구현되어 컴퓨터로 읽을 수 있는 형태로 기록매체(씨디롬, 램, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크, 광자기 디스크 등)에 저장될 수 있다. 이러한 과정은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있으므로 더 이상 상세히 설명하지 않기로 한다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
상기와 같은 본 발명은, 단일 태양전지판을 장착한 정지궤도 위성 등에 대한 최적의 모멘텀 덤핑 수행 시각 결정을 통해 남북방향 위치유지 시 소모되는 연료를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 모멘텀 덤핑(Momentum dumping) 시각 결정 방법에 있어서,
    정지궤도 위성의 남북방향 위치유지와 모멘텀 덤핑에 사용될 추력기의 수를 결정하는 단계;
    상기 결정된 각 추력기별 최적 추력 시각을 결정하여 모멘텀 덤핑 수행 시각으로 정하는 모멘텀 덤핑 수행 시각 결정 단계;
    상기 정지궤도 위성을 일정 위도범위 내에서 유지시키기 위한 남북방향 위치유지 시각을 결정하는 단계;
    상기 결정한 모멘텀 덤핑 수행 시각 및 상기 결정한 남북방향 위치유지 시각을 고려하여 모멘텀 덤핑 수행존을 결정하는 단계; 및
    상기 결정한 모멘텀 덤핑 수행존에서 모멘텀 덤핑을 수행하는 모멘텀 덤핑 수행 단계
    를 포함하는 정지궤도 위성의 연료 소모를 줄이기 위한 모멘텀 덤핑 시각 결정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 모멘텀 덤핑 수행 단계는,
    상기 결정한 모멘텀 덤핑 수행존을 상기 추력기의 수만큼 분할하는 단계; 및
    상기 분할한 각 수행존에서 최적의 추력기를 사용하여 최적의 시각에 모멘텀 덤핑을 수행하는 단계
    를 포함하는 정지궤도 위성의 연료 소모를 줄이기 위한 모멘텀 덤핑 시각 결정 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 정지궤도 위성은,
    단일 태양전지판을 장착한 정지궤도 위성인 것을 특징으로 하는 정지궤도 위성의 연료 소모를 줄이기 위한 모멘텀 덤핑 시각 결정 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 모멘텀 덤핑 수행 단계는,
    모멘텀 덤핑 수행과 남북방향 위치유지를 위해 같은 추력기를 사용함에 따라, 모멘텀 덤핑을 남북방향 위치유지 근처에서 수행하여 남북방향 위치유지에 소모되는 연료 소모를 줄이는 것을 특징으로 하는 정지궤도 위성의 연료 소모를 줄이기 위한 모멘텀 덤핑 시각 결정 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 모멘텀 덤핑 수행 시각 결정 단계는,
    위성체의 질량중심, 및 상기 각 추력기의 위치에 따라 상기 각 추력기의 시간별 임펄스가 달라지는 것을 이용하여 하루 24시간 중 상기 각 추력기의 최적 추력 시각을 결정하여 모멘텀 덤핑 수행 시각으로 정하는 것을 특징으로 하는 정지궤도 위성의 연료 소모를 줄이기 위한 모멘텀 덤핑 시각 결정 방법.
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