KR20030025407A - 지구센서를 이용한 인공위성의 위도와 경도 추정방법 - Google Patents

지구센서를 이용한 인공위성의 위도와 경도 추정방법 Download PDF

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KR20030025407A
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김학정
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Abstract

본 발명은 인공위성을 운영하는데 필수적으로 요구되는 인공위성의 위도와 경도를 추정하는 방법에 관한 것으로 인공위성에 장착되어 있는 지구센서에 의해 측정되는 지구중심 방향정보와 관성좌표계에서의 인공위성의 자세정보를 이용하여 인공위성의 위도와 경도를 추정하는 것이다.
인공위성이 우주에서 원하는 정밀도를 유지하며, 다양한 임무를 성공적으로 수행하기 위해서는 궤도상의 위치에 대한 정확한 정보를 필요로 한다.
종래의 인공위성의 위치를 측정하는 방법에는 지상국이나 타 인공위성과의 교신 과정 중 발생하는 전파의 시간지연이나 위상지연 정보를 이용하여 인공위성의 위치를 측정하는 전파위치측정방법과 관성항법장치와 같이 인공위성의 운동 정보를 이용하여 위치를 측정하는 비전파위치측정방법이 있는데 전파위치측정방법의 경우 전파신호를 발생시켜주는 지상국이나 GPS 위성이 존재할 경우에만 인공위성의 위치 측정이 가능하며 관성항법장치를 이용한 비전파위치측정방법의 경우에는 인공위성이 운동함에 따라 위치 오차가 누적된다는 단점을 가지고 있었다.
본 발명은 인공위성에 자세제어용 센서로 장착되는 지구센서를 사용함으로써 전파위치측정방법의 공간적인 제약을 극복하였으며, 지구센서에 의해 측정되는 인공위성과 지구중심과의 각 정보를 이용하여 인공위성의 위도와 경도를 추정함으로써 누적오차가 발생되지 않는다.
이러한 본 발명은 관성좌표계에서 지구중심과 위성체를 연결하는 벡터와 지구센서에 의해 측정된 위성체 좌표계에서의 지구중심 벡터를 관성좌표계로 변환할 경우에 두 벡터가 동일하다는 원리를 이용하여 인공위성의 위도와 경도를 추정하는 것이다.

Description

지구센서를 이용한 인공위성의 위도와 경도 추정방법{Method to estimate satellite latitude and longitude with earth sensor}
본 발명은 인공위성을 운영하는데 필수적으로 요구되는 인공위성의 위도와 경도를 추정하는 방법에 관한 것으로, 인공위성에 장착되는 지구센서에 의해 측정되는 지구중심 방향 정보와 관성좌표계에서의 위성체의 자세정보를 이용하여 인공위성의 위도와 경도를 추정하는 것이다.
인공위성은 지구궤도를 따라 궤도 운동을 하며 방송통신, 기상관측, 해양관측 등 다양한 임무를 수행하고 있다.
인공위성이 우주에서 원하는 정밀도를 유지하며, 다양한 임무를 성공적으로 수행하기 위해서는 궤도상의 위치에 대한 정확한 정보를 필요로 한다.
종래의 인공위성의 위치측정방법에는 지상국이나 타 인공위성과의 교신 과정 중 발생하는 전파의 시간지연이나 위상지연 정보를 이용하여 위성의 위치를 측정하는 전파위치측정방법과 관성항법장치와 같이 위성체의 운동 정보를 이용하여 위치를 측정하는 비전파위치측정방법이 있는데, 전파위치측정방법의 경우 전파신호를 발생시켜주는 지상국이나 GPS 위성이 존재할 경우에만 인공위성의 위치 측정이 가능하며 관성항법장치를 이용한 비전파위치측정방법의 경우에는 인공위성이 운동함에 따라 위치 오차가 누적된다는 단점을 가지고 있었다.
본 발명은 종래의 인공위성의 위치측정방법에서 전파위치측정방법의 공간적 제약이나 비전파위치측정방법의 누적오차의 단점을 개선한 것으로 인공위성에 자세제어용 센서로 장착되는 지구센서를 사용함으로써 전파위치측정방법의 공간적인 제약을 극복하였으며, 지구센서에 의해 측정되는 인공위성과 지구중심과의 각 정보를 이용하여 인공위성의 위도와 경도를 추정함으로써 누적오차가 발생되지 않는다.
본 발명은 관성좌표계에서 지구중심과 인공위성을 연결한 벡터와 인공위성에 장착되는 지구센서에 의해 측정되는 위성체 좌표계의 지구중심방향 벡터를 관성좌표계로 변환한 경우 두 벡터가 동일하다는 원리를 증명함으로써 인공위성의 위도와 경도를 추정하는 방법을 제공하는 것이다.
도 1 은 지구중심좌표계에서 지구중심과 위성체의 위치 관계를 나타낸 도면
도 2 는 위성체 좌표계에서 위성체와 지구중심의 위치 관계를 나타낸 도면
도 3 은 위성체가 지구의 적도면에 있는 경우 지구중심좌표계와 위성체 좌표계의 관계를 나타낸 도면
인공위성의 자세제어용 센서로 사용되는 지구센서는 지구가 방사하는 15㎛ 스펙트럼 대역의 적외선을 감지하여 지구에 대한 인공위성의 상대적인 자세를 측정한다.
도 2 는 지구센서에 의해 측정된 지구중심과 인공위성의 상대적인 자세를 위성체에 고정되는 3차원 구좌표계로 표현한 것이다.
본 발명은 관성좌표계에서 지구중심과 인공위성을 연결한 벡터와 위성체 좌표계에서 측정된 인공위성과 지구중심을 연결한 벡터를 관성좌표계로 변환한 경우 두 벡터가 동일하다는 원리를 이용하여 인공위성의 위도와 경도를 추정한다.
이를 수학적으로 표현하면 다음과 같이 표현할 수 있다.
도 1 의 관성좌표계에서 인공위성(P)의 위치를 서로 직교하는 세 직각좌표축(X, Y, Z)상에 표시하고 지구중심과 인공위성이 이루는 각을 각각로 정의하면 상기 인공위성(P)의 위치를 나타낸 (X, Y, Z)축와 지구중심과 인공위성(P)이 이루는 각는 식 1 과 같이 표현할 수 있다.
여기서 지구중심과 인공위성(P)을 연결하는 직선 R 은이다.
는 지구중심과 인공위성(P)을 연결하는 직선을 Z=0 인 평면에 투영한 선과 X축과의 사잇각을 표시하며 동쪽으로 갈수록 증가하는 경도와 대응된다.
는 Z=0 인 평면에 투영한 선과 지구중심과 인공위성(P)을 연결한 직선의 사잇각을 표시하며 북쪽으로 갈수록 증가하는 위도와 대응된다.
인공위성에 고정되어 있는 위성체 좌표계는 관성좌표계에 의해 표현되는데 관성좌표계에서 위성체 좌표계로 변환하는 행렬은 식 2 와 같은 형태로 표현할 수 있다.
또한, 위성체 좌표계에서 관성좌표계로 변환하는 행렬은 식 3 과 같이 표현할 수 있다.
도 2 의 위성체 좌표계에서 인공위성과 지구중심(P′)이 이루는 각는 도 1 의 관성좌표계에서 지구중심과 인공위성(P)이 이루는 각와 대응되는 값으로, 위성체 좌표계에서 지구중심(P′)의 위치를 서로 직교하는 세 직각좌표축(x, y, z)상에 표시하면 기하학적인 관계로부터 식 4 와 같이 표현할 수 있다.
위성체 좌표계에서 측정된 지구중심 벡터를 변환행렬을 이용하여 관성좌표계로 좌표변환을 하면 관성좌표계에서 측정한 지구중심 벡터와 동일하다는 것을 식 5 와 같이 표현할 수 있다.
위의 식을 이용하면는 식 6 과 같이 구해진다.
이때, l, m, n은의 함수이고,는의 함수이므로, 결과적으로 l, m, n은의 함수가 된다.
그러므로, 관성좌표계에서 인공위성의 경도를 의미하는와 인공위성의 위도를 의미하는는 지구센서에 의해 측정되는 값에 의해 구해진다.
인공위성의 경도를 추정하는 방법을 위성체가 적도면에 있는 경우를 예로 들어 설명하면 지구중심좌표계에서 Z축이 0 이므로 도 3 과 같이 인공위성에 고정되어 있는 위성체 좌표계 X1와 Y1는 적도면에 존재한다.
YS축에 장착되어 있는 지구센서에 의해 지구중심과 위성체가 이루는 벡터와 YS축이 이루는 각가 측정된다.
위성체 좌표계 X1와 Y1에 대한 위성체 자세 정보에 의해 YS축과 Y1축이 이루는 각가 측정되며, 위성체 좌표계에서 위성체 자세정보와 지구센서에 의해 측정된를 이용하면가 구해진다.
관성좌표계에 대하여 경도 기준선인 그리니치(Greenwich)는 시간에 대하여 변하는 값으로 시간에 대한 함수로 표현된다.
관성좌표계 Y축과 경도 기준선 사이의 각을이라고 하면 인공위성의 경도는에 의해 계산된다.
본 발명은 인공위성에 자세제어용 센서로 장착되어 있는 지구센서를 이용하여 지구궤도상의 인공위성의 위도와 경도를 추정하는 것이다.
이러한 본 발명은 GPS 탑재 장치가 고장난 경우나, 4개 이상의 GPS 위성으로부터 신호를 받지 못하는 경우, 지상국과 전파 송수신을 할 수 없는 경우 인공위성의 위도와 경도를 추정하는데 사용될 수 있다.

Claims (1)

  1. 인공위성에 자세제어용 센서로 장착되는 지구센서에 있어서,
    관성좌표계에서 지구중심과 인공위성을 연결하는 벡터와 상기 지구센서에 의해 측정되는 인공위성과 지구중심을 연결하는 벡터를 관성좌표계로 변환한 경우 식 5 와 같이 두 벡터가 동일하다는 원리를 이용하여 식 6 에 의해 인공위성의 위도와 경도를 의미하는는 지구센서에서 측정되는 값로 구해지는 방법을 특징으로 한 지구센서를 이용한 인공위성의 위도와 경도 추정방법.
    [식 5]
    [식 6]
KR1020010058348A 2001-09-20 2001-09-20 지구센서를 이용한 인공위성의 위도와 경도 추정방법 KR20030025407A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103438889A (zh) * 2013-07-25 2013-12-11 北京控制工程研究所 一种双圆锥扫描红外地球敏感器地球波信号处理系统

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