KR101227665B1

KR101227665B1 - 위성 데이터 스무딩을 이용한 정지궤도위성의 정밀 궤도 결정장치 및 결정 방법

Info

Publication number: KR101227665B1
Application number: KR1020100137895A
Authority: KR
Inventors: 김해동
Original assignee: 세종대학교산학협력단
Priority date: 2010-12-29
Filing date: 2010-12-29
Publication date: 2013-01-30
Also published as: KR20120075961A

Abstract

본 발명의 목적은 위성의 위치 정밀도를 향상시킬 수 있는 위성의 궤도를 결정하는 조정장치 및 위성 궤도를 조정하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 위성 궤도를 조정하는 방법은 특정 시각에 수집된 위성의 추적 데이터를 이용하여 제1관측데이터를 생성하는 단계, 기 저장된 위성의 위치 데이터에 동역학 모델을 적용하여 상기 위성의 예측 위치에 대한 예측 데이터를 생성하는 단계, 상기 예측 데이터를 소정의 시간의 변화에 따른 상기 위성의 위치 변화량에 대응하여 제2관측데이터로 변경하고 상기 제1관측데이터를 상기 제2관측데이터와 비교하여 상기 제1관측데이터가 상기 제2관측데이터와의 차이가 문턱값 이하인 상기 제1관측데이터를 파악하는 단계 및 상기 문턱값 이하인 제1관측데이터를 통해 위성 궤도를 결정하고 상기 위성의 궤도 변경 여부를 결정하는 단계를 포함한다.

Description

위성 데이터 스무딩을 이용한 정지궤도위성의 정밀 궤도 결정장치 및 결정 방법{GEOSTATIONARY SATELITE ORBIT DETERMING APPARATUS AND METHOD USING THE SAME}

본 발명은 위성 데이터 스무딩을 이용한 정지궤도위성의 정밀 궤도 결정장치 및 결정 방법에 관한 것으로, 더욱 상세히 설명하면, 위성의 위치 조정의 정밀도를 향상시킬 수 있는 위성 데이터 스무딩을 이용한 정지궤도위성의 정밀 궤도 결정장치 및 결정 방법에 관한 것이다.

위성의 궤도는 비구형 포텐셜, 태양과 달의 중력, 태양의 복사압 등에 의해 영향을 받아 변하게 되므로, 위성의 궤도를 일정한 경도와 위도 내에 위치하도록 하기 위해 궤도 결정 작업을 수행하여야 한다.

특히, 정지 궤도 위성의 경우, 궤도 결정을 단일 지상국에서 수행하게 되면 지상국은 관측데이터인 거리측정 데이터나 위성 추적 데이터를 사용하여 정지 궤도 위성의 궤도결정을 수행한다. 이때, 관측 데이터의 정밀도와 동역학 모델의 정확도가 궤도 결정에 중요한 요소로 작용한다. 또한, 지상국은 특정한 시각(Specific Epoch)에 안테나에 수신된 위성의 추적 데이터 중 가장 먼저 획득한 위성의 위치 데이터를 위성의 추적데이터로 사용하거나 획득한 위성의 위치 데이터들의 평균값을 위성의 추적데이터로 사용한다.

하지만, 지상국의 안테나의 캘리브레이션(Calibration) 문제와 안테나의 모터 작동 불량 등에 의해 지상국에서 획득하는 관측데이터에 잡음이 발생하게 되고 잡음은 위성 궤도 결정에 영향을 미치게 된다.

따라서, 위성의 궤도에 대한 정밀도가 떨어지는 문제점이 발생하며, 위성의 궤도가 정밀하게 보정되지 않게 되면 영상 촬영의 임무가 부여된 정지 궤도 위성의 경우 정확한 영상 데이터를 획득할 수 없는 문제점이 발생한다.

본 발명의 목적은 위성의 위치 정밀도를 향상시킬 수 있도록 위성의 잡음이 심한 위성 관측 데이터를 스무딩하는 방법을 이용하여 위성의 궤도를 정밀하게 결정하는 위성 데이터 스무딩을 이용한 정지궤도위성의 정밀 궤도 결정장치 및 결정 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 제1측면은, 특정 시각에 수집된 위성의 추적 데이터를 이용하여 제1관측데이터를 수집하는 단계, 기 저장된 위성의 위치 데이터에 동역학 모델을 적용하여 위성의 예측 위치에 대한 예측 데이터를 생성하는 단계, 예측 데이터를 소정의 시간의 변화에 따른 위성의 위치 변화량에 대응하여 제2관측데이터로 변경하고 제1관측데이터를 제2관측데이터와 비교하여 제1관측데이터가 제2관측데이터와의 차이가 문턱값 이하인 제1관측데이터를 파악하는 단계 및 문턱값 이하인 제1관측데이터를 통해 위성 궤도를 결정하고 위성의 위치유지조정 여부를 결정하는 단계를 포함하는 위성 데이터 스무딩을 이용한 정지궤도위성의 정밀 궤도 결정 방법을 제공하는 것이다.

부가적으로, 제2관측데이터는 다항식으로 표현되며, 다항식의 계수를 추정하여 제2관측데이터를 생성하는 위성 데이터 스무딩을 이용한 정지궤도위성의 정밀 궤도 결정 방법을 제공하는 것이다.

부가적으로, 다항식은 위성의 거리에 대한 다항식, 위성의 방위각에 대한 다항식, 위성의 고도각에 대한 다항식을 포함하는 위성 데이터 스무딩을 이용한 정지궤도위성의 정밀 궤도 결정 방법을 제공하는 것이다.

부가적으로, 다항식의 계수를 이용하여 제2관측데이터와 제1관측데이터를 비교하여 문턱값 내에 포함되는 관측데이터를 검색하는 위성 데이터 스무딩을 이용한 정지궤도위성의 정밀 궤도 결정 방법을 제공하는 것이다.

부가적으로, 위성 궤도를 결정하는 단계에서, 동역학 모델과 위성의 위치 조정 속도 증분데이터를 이용하여 위성의 궤도를 결정하는 위성 데이터 스무딩을 이용한 정지궤도위성의 정밀 궤도 결정 방법을 제공하는 것이다.

부가적으로, 파악된 상기 제1관측데이터를 통해 위성 궤도를 결정하는 단계에서, 상기 제1관측데이터들의 가중치를 설정하되, 잡음에 대응하여 상기 가중치를 다르게 설정하는 위성 데이터 스무딩을 이용한 정지궤도위성의 정밀 궤도 결정 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 제2측면은, 특정 시각에 지상국에서 수집된 위성의 추적데이터를 이용하여 제1관측데이터를 생성하는 데이터생성부, 저장된 상기 위성의 위치에 대한 초기값에 동역학 모델을 적용하여 상기 위성의 궤도와 속도에 대응하는 예측데이터를 생성하는 궤도예측부, 예측데이터를 소정의 시간의 변화에 따른 위성의 위치변화량에 대응하여 제2관측데이터로 변경하고 제2관측데이터와 제1관측데이터를 비교한 후 제2관측데이터와 제1관측데이터의 차이가 소정치 이하인 제1관측데이터를 파악하는 연산부, 소정치 이하인 제1관측데이터를 이용하여 위성의 궤도를 판단하는 궤도결정부 및 제1관측데이터와 제2관측데이터를 저장하는 데이터베이스를 포함하는 위성 데이터 스무딩을 이용한 정지궤도위성의 정밀 궤도 결정 장치를 제공하는 것이다.

부가적으로, 연산부는 상기 제2관측데이터를 다항식으로 변경하되, 다항식의 계수를 추정하여 제2관측데이터를 생성하는 위성 데이터 스무딩을 이용한 정지궤도위성의 정밀 궤도 결정 장치를 제공하는 것이다.

부가적으로, 궤도결정부는 동역학 모델과 위성의 위치 유지 조정 속도 증분데이터를 이용하여 위성의 궤도를 결정하는 위성 데이터 스무딩을 이용한 정지궤도위성의 정밀 궤도 결정 장치를 제공하는 것이다.

부가적으로, 궤도결정부는 제1관측데이터들의 가중치를 설정하되, 잡음에 대응하여 가중치를 다르게 설정하는 위성 데이터 스무딩을 이용한 정지궤도위성의 정밀 궤도 결정 장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 위성 데이터 스무딩을 이용한 정지궤도위성의 정밀 궤도 결정장치 및 결정 방법에 의하면, 잡음에 의한 위성 관측 데이터의 왜곡을 방지할 수 있어 위성의 위치 예측을 정확히 할 수 있어 지속적인 위치 조정에 대한 계획을 수립할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 위성의 궤도를 결정하기 위한 관측 데이터를 수집하는 한 위성관제시스템의 일실시예를 나타내는 구조도이다.
도 2는 도 1의 지상국에 포함된 궤도 결정장치의 일실시예를 나타내는 구조도이다.
도 3은 도 2에 도시된 궤도 결정장치에서 위성의 궤도를 결정하는 방법의 일실시예를 나타내는 순서도이다.

이하에서는 본 발명을 이러한 실시예들을 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 위성의 궤도를 결정하기 위한 관측 데이터를 수집하는 한 위성관제시스템의 일실시예를 나타내는 구조도이다.

도 1을 참조하면, 위성 시스템은 위성(100)과 위성으로부터 신호를 수신하고 위성을 관리하는 지상국(110)을 포함한다.

위성(100)은 정지궤도 위성과 저궤도 위성 등을 포함하며 사진기와 같은 광학장치를 탑재한다. 위성(100)은 지상국(110)으로 텔레메트리신호(Telemetry signal)를 전달한다. 텔레메트리신호는 지상국(110)에서 필요한 모든 정보, 예를 들면, 위성(100)의 속도 증분량, 위성 추진체에서의 연료 분사량, 광학적 장치에서 촬영된 영상 등의 정보를 포함한다. 그리고, 위성(100)은 지구자기장, 태양풍의 섭동, 달이나 다른 행성과의 섭동에 의해 위치가 변경될 수 있다.

지상국(110)은 안테나를 통해 위성(100)으로부터 텔레메트리신호를 수신하여 위성(100)을 관측하고 관리한다. 그리고, 지상국(110)은 텔레메트리신호를 이용하여 특정 시각 별로 위성(100)의 상태(status)를 확인하고 임무수행을 위한 위성의 데이터를 수집한다. 궤도, 위성(100)의 속도를 특정한다. 지상국(110)은 위성(100)의 궤도와 위성(100)의 속도를 이용하여 위성(100)의 거리, 위성(100)의 방위각, 위성(100)의 고도각을 예측함으로써 위성(100)의 위치를 예측하고 관리한다. 특히, 지상국(110)은 위성(100)의 발사 이후 초기 값에 동역학 모델을 적용하여 궤도 예측에 필요한 예측데이터를 생성한다. 또한, 조정장치는 위성(100)을 관측하여 획득한 예측데이터를 비교하여 획득한 관측데이터 중 예측데이터로부터 소정 범위를 벗어나는 관측데이터를 제거하여 잡음을 많이 줄인 관측데이터로 위성(100)의 궤도를 결정하고 위성(100)의 위치 조정 여부를 결정한다.

따라서, 궤도 결정을 위한 시스템은 잘못된 관측데이터를 제거하여 위치 조정을 할 수 있다. 또한, 관측데이터에 안테나 칼리브레이션 문제, 모터 작동 불량 등으로 인한 잡음을 제거를 위해 예측데이터에 의해 파악된 다항식(Polynomial) 계수와 관측데이터를 비교하여 발생한 차이에 대응하여 관측데이터 별로 가중치를 부여함으로써 잡음의 영향을 많이 받은 관측데이터의 영향을 줄일 수 있다.

도 2는 도 1의 지상국에 포함된 궤도 결정장치의 일실시예를 나타내는 구조도이다.

도 2를 참조하면, 궤도 결정장치는 데이터생성부(210), 궤도예측부(220), 연산부(230), 궤도결정부(240) 및 데이터베이스(250)를 포함한다.

데이터생성부(210)는 위성(100)으로부터 전달되는 텔레메트리신호를 전달받아 위성(100)의 정보를 전달받는다. 특히, 데이터생성부(210)는 특정 시각에 지상국(110)에서 수집된 위성(100)의 추적데이터를 이용하여 제1관측데이터를 생성한다.

궤도예측부(220)는 위성(100)의 위치에 대한 초기값에 의해 기 저장된 데이터에 동역학 모델을 적용하여 위성의 궤도와 속도에 대응하는 예측데이터를 생성한다.

연산부(230)는 위성(100)의 궤도와 속도에 대한 예측데이터를 위성과의 거리, 위성의 방위각, 위성의 고도각에 대한 데이터인 제2관측데이터를 생성하고 제1관측데이터와 제2관측데이터를 비교한 후 제2관측데이터와 문턱값 이하의 차이가 있는 제1관측데이터를 파악한다. 이때, 연산부(230)는 제2관측 데이터를 위성과의 거리, 위성의 방위각, 위성의 고도에 대한 다항식의 형태로 변경한다.

또한, 연산부(230)는 다항식으로 표현된 패턴에 맞추어 잡음에 대응한 가중치를 적용하여 잡음에 영향을 많이 받은 데이터의 크기를 작게 함으로써 선정된 제1관측데이터가 잡음에 대한 영향이 줄어들도록 한다. 그리고, 연산부(230)는 선정된 제1관측데이터를 데이터베이스(250)에 저장한다.

궤도결정부(240)는 소정치 이하인 제1관측데이터를 이용하여 위성(100)의 궤도를 결정한다. 이때, 궤도결정부(240)는 동역학 모델과 위치유지조정 할 때의 위성의 속도 증분값을 고려하여 궤도를 결정한다.

데이터베이스(250)는 위성 발사 초기의 위성 추적 및 거리 측정 데이터를 이용하여 궤도결정한 결과를 저장한다.

도 3은 도 2에 도시된 궤도 결정장치에서 위성의 궤도를 결정하는 방법의 일실시예를 나타내는 순서도이다.

도 3을 참조하면, 조정장치의 데이터베이스(250)에 저장되어 있는 위성의 위치에 대한 초기값을 이용하여 위성 궤도의 예측데이터를 생성한다.(300) 예측데이터는 위성(100)의 위치에 대한 초기값에 동역학 모델을 적용하여 형성한다. 동역학모델은 위성에 맞는 지구 중력장, 태양풍의 섭동, 다른 행성이나 달에 의한 섭동 등을 고려하여 시간에 따라 수치적으로 적분한다.

그리고, 예측데이터를 위성과의 거리, 위성의 방위각, 위성의 고도각으로 변환된 제2관측데이터를 생성한 후 소정의 시간의 변화에 따른 위성(100)의 위치 변화량을 이용하여 제2관측데이터를 하기의 수학식 1에 도시되어 있는 것과 같은 다항식의 형태로 변경한다.(310)

여기서, R1…Ri…는 시각별 위성(100)과의 예측거리, A1…Ai…는 시각별 위성(100)의 예측방위각, E1…Ei…는 시각별 위성(100)의 예측 고도각을 의미한다. t1,…ti는 위성으로부터 신호를 수신한 시각을 의미한다. 그리고, a,b,c,…는 각 관측 데이터인 거리, 방위각, 고도각들에 대한 근사화된 다항식의 계수를 의미한다.

거리데이터, 방위각 데이터, 고도각 데이터에 대한 a,b,c는 근사오차를 최소화하는 방법인 최소자승법 등으로 각각 구한다. a,b,c,…등은 고차항에 대해 계수의 수에 의해 달라지며 구하고자 하는 다항식의 패턴에 대응하여 제1 관측 데이터에 피팅(fitting)시켜 관측데이터를 스무딩 시킨다.

그리고, 실제로 관측해서 얻어진 제1관측데이터를 중에서 제2관측데이터와 비교하여 상기의 수학식 1과 많은 차이가 있는 범위 내에 들어오는 제1관측데이터들에 가중치를 크게 두고 범위 밖에 들어오는 제1관측데이터들에 가중치를 작게 두어 궤도결정에 이용한다.(330) 또한, 전체 제1관측데이터들의 평균값, 예를 들면 RMS(Root Mean Square)을 전체 가중치로 사용하여 제1관측데이터를 구성하고 이를 궤도결정에 이용하는 것도 가능하다.

그리고, 저장된 제1관측데이터에 동역학 모델과 위치 유지조정 속도 증분값을 고려하여 위성의 궤도를 결정하고 위성의 위치유지 조정을 수행할지의 여부를 판단한다.(340)

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

210: 데이터생성부 220: 궤도예측부
230: 연산부 240: 궤도결정부
250: 데이터베이스

Claims

특정 시각에 수집된 위성의 추적 데이터를 이용하여 제1관측데이터를 수집하는 단계;
기 저장된 위성의 위치 데이터에 동역학 모델을 적용하여 상기 위성의 예측 위치에 대한 예측 데이터를 생성하는 단계;
상기 예측 데이터를 소정의 시간의 변화에 따른 상기 위성의 위치 변화량에 대응하여 제2관측데이터로 변경하고 상기 제1관측데이터를 상기 제2관측데이터와 비교하여 상기 제1관측데이터가 상기 제2관측데이터와의 차이가 문턱값 이하인 상기 제1관측데이터를 파악하는 단계; 및
상기 문턱값 이하인 제1관측데이터를 통해 위성 궤도를 결정하고 상기 위성의 위치유지조정 여부를 결정하는 단계를 포함하는 위성 데이터 스무딩을 이용한 정지궤도위성의 정밀 궤도 결정 방법.
제1항에 있어서,
상기 제2관측데이터는 다항식으로 표현되며, 상기 다항식의 계수를 추정하여 상기 제2관측데이터를 생성하는 위성 데이터 스무딩을 이용한 정지궤도위성의 정밀 궤도 결정 방법.
제2항에 있어서,
상기 다항식은 상기 위성의 거리에 대한 다항식, 상기 위성의 방위각에 대한 다항식, 상기 위성의 고도각에 대한 다항식을 포함하는 위성 데이터 스무딩을 이용한 정지궤도위성의 정밀 궤도 결정 방법.
제3항에 있어서,
상기 다항식의 계수를 이용하여 상기 제2관측데이터와 상기 제1관측데이터를 비교하여 문턱값 내에 포함되는 관측데이터를 검색하는 위성 데이터 스무딩을 이용한 정지궤도위성의 정밀 궤도 결정 방법.
제1항에 있어서,
상기 위성 궤도를 결정하는 단계에서, 상기 동역학 모델과 상기 위성의 위치 조정 속도 증분데이터를 이용하여 상기 위성의 궤도를 결정하는 위성 데이터 스무딩을 이용한 정지궤도위성의 정밀 궤도 결정 방법.
제1항에 있어서,
파악된 상기 제1관측데이터를 통해 위성 궤도를 결정하는 단계에서, 상기 제1관측데이터들의 가중치를 설정하되, 잡음에 대응하여 상기 가중치를 다르게 설정하는 위성 데이터 스무딩을 이용한 정지궤도위성의 정밀 궤도 결정 방법.
특정 시각에 지상국에서 수집된 위성의 추적데이터를 이용하여 제1관측데이터를 생성하는 데이터생성부;
저장된 상기 위성의 위치에 대한 초기값에 동역학 모델을 적용하여 상기 위성의 궤도와 속도에 대응하는 예측데이터를 생성하는 궤도예측부;
상기 예측데이터를 소정의 시간의 변화에 따른 상기 위성의 위치변화량에 대응하여 제2관측데이터로 변경하고 상기 제2관측데이터와 상기 제1관측데이터를 비교한 후 상기 제2관측데이터와 상기 제1관측데이터의 차이가 소정치 이하인 상기 제1관측데이터를 파악하는 연산부;
상기 소정치 이하인 상기 제1관측데이터를 이용하여 상기 위성의 궤도를 판단하는 궤도결정부; 및
상기 제1관측데이터와 상기 제2관측데이터를 저장하는 데이터베이스를 포함하는 위성 데이터 스무딩을 이용한 정지궤도위성의 정밀 궤도 결정 장치.
제7항에 있어서,
상기 연산부는 상기 제2관측데이터를 다항식으로 변경하되, 상기 다항식의 계수를 추정하여 상기 제2관측데이터를 생성하는 위성 데이터 스무딩을 이용한 정지궤도위성의 정밀 궤도 결정 장치.
제7항에 있어서,
상기 궤도결정부는 상기 동역학 모델과 상기 위성의 위치 유지 조정 속도 증분데이터를 이용하여 상기 위성의 궤도를 결정하는 위성 데이터 스무딩을 이용한 정지궤도위성의 정밀 궤도 결정 장치.
제7항에 있어서,
상기 궤도결정부는 상기 제1관측데이터들의 가중치를 설정하되, 잡음에 대응하여 상기 가중치를 다르게 설정하는 위성 데이터 스무딩을 이용한 정지궤도위성의 정밀 궤도 결정 장치.