KR20060059662A - 위성 거리측정 시스템에서 기준국을 이용한 거리측정 및궤도결정 방법 - Google Patents

위성 거리측정 시스템에서 기준국을 이용한 거리측정 및궤도결정 방법 Download PDF

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Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야
본 발명은 위성 거리측정 시스템에서 기준국을 이용한 거리측정 및 궤도결정 방법에 관한 것임.
2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제
본 발명은 위성까지의 거리측정을 지상에 있는 네 개 이상의 기준국에서 송신한 기준신호를 이용하여 정지위성에서 자체적으로 수행하고, 정지위성에 탑재되어 있는 컴퓨터에 의해서 자체적으로 궤도결정을 수행하도록 하기 위한 위성 거리측정 시스템에서 기준국을 이용한 거리측정 및 궤도결정 방법을 제공하는데 그 목적이 있음.
3. 발명의 해결방법의 요지
본 발명은, 위성 거리측정 시스템에 적용되는 기준국을 이용한 거리측정 및 궤도결정 방법에 있어서, 기준국에서 정확한 시각과 위치정보를 가지는 기준신호를 안테나를 통하여 정지위성으로 전송하는 전송단계; 상기 정지위성을 통해 기준신호를 수신하여 상기 기준국과 상기 정지위성간의 거리측정 데이터를 생성하는 거리측정 데이터 생성단계; 및 상기 정지위성 내에 있는 온보드 단말기를 이용하여 실시간 궤도결정을 자체적으로 처리하는 궤도결정 처리단계를 포함한다.
4. 발명의 중요한 용도
본 발명은 위성 거리측정 시스템 및 궤도 결정 등에 이용됨.
정지궤도 위성, 기준국, 거리측정, 궤도결정, 온보드, 기준신호

Description

위성 거리측정 시스템에서 기준국을 이용한 거리측정 및 궤도결정 방법{Range measurement and orbit determination method of using group reference station in geostationary satellite range measurement system}
도 1 은 종래의 위성 관제 시스템의 거리측정 및 궤도결정 방법에 대한 구성도,
도 2 는 본 발명이 적용되는 정지궤도 위성 거리 측정 시스템의 구성예시도,
도 3 은 본 발명에 따른 위성 거리측정 시스템에서 기준국을 이용한 거리측정 및 궤도결정 방법에 대한 일실시예 설명도,
도 4 는 본 발명에 따른 기준국을 이용한 거리측정 및 궤도결정 방법 중 거리측정 데이터 처리 과정에 대한 일실시예 흐름도,
도 5 는 본 발명에 따른 기준국을 이용한 거리측정 및 궤도결정 방법 중 궤도결정 데이터 처리 과정에 대한 일실시예 흐름도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
201 : 정지궤도 위성 202~205 : 제1 내지 제4 기준국
206 : GPS 수신기 207 : GPS 위성
208 : GPS 신호 209~212 : 제1 내지 제4 기준신호
본 발명은 위성 거리측정 시스템에서 기준국을 이용한 거리측정 및 궤도결정 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 정지궤도 위성의 관제 운용에 있어서 기준국의 안테나를 이용하여 지상에서 위성까지의 거리측정 및 위성의 궤도결정을 하도록 함으로써, 위성에서 자체적으로 수행할 수 있도록 하기 위한 기준국을 이용한 거리측정 및 궤도결정 방법에 관한 것이다.
지구 정지궤도는 지구 적도면으로부터 약 35786 km 상공의 궤도를 말하는데 정지궤도에 있는 위성은 지구가 하루에 한번씩 자전하는 것과 마찬가지로 하루에 한번씩 지구를 공전하기 때문에 지구상에서 볼 때 시간에 관계없이 항상 일정한 지점에 위치하게 된다. 이와 같은 궤도의 특징을 이용하여 정지궤도에는 통신, 방송, 기상관측을 위한 위성들을 위치시켜서 운용하고 있다.
그러나, 정지궤도 위성도 정밀하게 살펴보면, 지구의 중력장 불균일성, 태양 및 달의 중력, 그리고 태양의 복사압과 같은 섭동의 영향을 받아서 조금씩 궤도위치가 바뀌게 되며, 위성의 관제소에서는 위성이 일정한 범위 내에 있을 수 있도록 위성의 추력기를 사용한 궤도 유지 조정을 수행한다.
위성에 대한 거리측정은 지구상의 관제소로부터 위성까지의 거리를 측정하 는 것인데 관제소에서는 이와 같은 거리측정 데이터를 모아서 어떤 시각에 있어서 위성의 궤도를 결정한다. 위성의 궤도결정은 어떤 시각에 있어서 위성의 위치벡터와 속도벡터를 알아내는 것으로서 궤도결정 결과로부터 위성의 위치벡터와 속도벡터가 앞으로 어떻게 변할 것인지를 예측할 수 있다. 이와 같은 궤도결정 및 예측에 의해서 정지위성의 궤도 유지 조정을 수행할 수 있도록 한다.
지금까지 정지위성까지의 거리측정은 관제소의 안테나에서 거리측정 신호 톤을 보내면 위성이 이를 받아서 반사하고, 반사된 신호 톤을 관제소의 안테나에서 다시 받아서 신호의 위상차이를 측정하는 방법으로 수행되어 왔다. 또한, 관제소의 안테나에서 거리측정 신호 톤을 보내는 것은 관제소의 오퍼레이터가 계획에 따라서 명령하였다. 정지위성의 거리측정은 하나의 관제소 안테나를 이용하여 수행할 수 도 있으며, 두 개 이상의 서로 떨어져 있는 안테나를 이용하여 수행할 수도 있다.
서로 멀리 떨어진 지상의 안테나를 이용하여 거리측정을 하고 이로부터 얻은 거리측정 데이터를 궤도결정에 이용하는 것이 궤도결정 정밀도를 높일 수 있는 방법이다. 정지궤도에 있는 기상 위성의 경우에는 지구상에서 서로 멀리 떨어진 세 곳의 안테나를 이용하여 삼변측량(Trilateration)을 수행하고, 이를 궤도결정에 이용함으로써 궤도결정 정밀도를 높일 수 있다.
한편, 지금까지 위성의 궤도결정은 지상의 관제소에서 거리측정 데이터를 이용하여 수행하고 있다. 궤도결정은 기본적으로 최소자승법(Least Square Method)에 따라서 측정된 거리측정 데이터와 초기값으로부터 계산된 거리측정 값의 차이가 최소화될 수 있도록 초기값을 수정해 나가는 것인데, 이를 위해서 궤도의 역학적인 모델이 요구된다. 정지궤도 위성의 궤도역학의 모델은 지구의 중력장, 태양과 달의 중력, 그리고 태양의 복사압이 포함된다.
상기한 바와 같은 종래 기술을 예를 들어 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1 은 종래의 위성 관제 시스템의 거리측정 및 궤도결정 방법에 대한 구성도로서, 지상에 있는 관제소의 안테나를 이용하여 거리측정을 수행하고, 지상에 있는 관제소에서 정지위성의 궤도를 결정하는 과정을 나타낸 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 위성 관제 시스템은 위성 관제 시스템의 제어 대상이 되는 정지궤도 위성(11), 위성을 추적하며 거리 측정 신호의 송수신 신호의 증폭을 위한 위성추적안테나(12), 거리측정을 위한 톤 신호를 만들어내고 정지궤도 위성(11)으로부터 돌아온 톤 신호를 전달받아서 측정신호의 위상차이를 검출하는 거리측정 신호송수신 및 변환부(13), 거리측정 위상차이를 거리로 변환시키고 거리데이터를 저장하는 거리측정 데이터 처리부(14), 모아진 거리측정 데이터를 이용하여 위성의 궤도를 결정하는 위성 궤도결정 처리부(15)를 포함한다.
이때, 위성관제 오퍼레이터(18)는 거리측정 송신 신호(16) 및 거리측정 수신 신호(17)로부터 위성의 궤도결정 처리까지의 모든 과정에 관여하게 된다.
즉, 종래의 위성 관제 시스템은 지상에 있는 위성관제소에서 위성까지의 거리를 측정하고, 이를 지상에 있는 위성관제소에서 처리하여 궤도결정을 수행한다.
이와 같은 거리측정 및 궤도결정을 위해서는 지상 관제 오퍼레이터(18)가 지상장비에게 명령하고 거리측정 데이터를 모으고 컴퓨터를 이용하여 궤도결정을 수행해야 하기 때문에 오퍼레이터의 수고와 노력이 필요하게 되는 불편함이 있었 다.
따라서, 이러한 불편함을 해결하기 위해서는 지상에 있는 위성관제소의 오퍼레이터가 수행하지 않고, 정지궤도에 있는 위성이 자체적으로 수행하도록 하기 위한 방안이 요구된다.
본 발명은 상기와 같은 요구에 부응하기 위하여 제안된 것으로, 위성까지의 거리측정을 지상에 있는 네 개 이상의 기준국에서 송신한 기준신호를 이용하여 정지위성에서 자체적으로 수행하고, 정지위성에 탑재되어 있는 컴퓨터에 의해서 자체적으로 궤도결정을 수행하도록 하기 위한 위성 거리측정 시스템에서 기준국을 이용한 거리측정 및 궤도결정 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, 위성 거리측정 시스템에 적용되는 기준국을 이용한 거리측정 및 궤도결정 방법에 있어서, 기준국에서 정확한 시각과 위치정보를 가지는 기준신호를 안테나를 통하여 정지위성으로 전송하는 전송단계; 상 기 정지위성을 통해 기준신호를 수신하여 상기 기준국과 상기 정지위성간의 거리측정 데이터를 생성하는 거리측정 데이터 생성단계; 및 상기 정지위성 내에 있는 온보드 단말기를 이용하여 실시간 궤도결정을 자체적으로 처리하는 궤도결정 처리단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
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 설명이 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 2 는 본 발명이 적용되는 정지궤도 위성 거리 측정 시스템의 구성예시도로서, 위성이 지상의 기준국에서 보내주는 신호를 수신함으로써, 거리를 측정할 수 있으며, 지상의 기준국에는 GPS 수신기가 있어서 정확한 시각과 위치를 알 수 있으며, 이에 대한 정보를 정지궤도 위성에 송신하는 과정을 나타낸 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 정지궤도 위성(201)은 지구 적도면으로부터 약 35,786 km에 위치해 있으며, 지상에는 서로 멀리 떨어진 지점에 네 개의 기준국인 제1 기준국(202), 제2 기준국(203), 제3 기준국(204), 그리고 제4 기준국(205)이 있다. 이 네 개의 기준국에는 GPS를 이용하여 시각과 위치를 정밀하게 측정할 수 있는 GPS 수신기(206)가 설치되어 있다. GPS 위성(207)은 미국에서 운용하는 항행 위성으로서 지구 표면으로부터 약 20,000 km에 위치하며, 공전주기가 12시간이고 지구상의 어떤 위치에서도 4개 이상의 위성으로부터 GPS 신호(208)를 전달받아서 정확한 시각과 위치를 측정할 수 있다. 도 2에서 네 개의 기준국에서는 GPS 수신기(206)를 이용하여 GPS 신호(208)로부터 기준국의 정확한 시각과 위치를 결정하고 미리 정의한 시각에 정지궤도 위성(201)에게 제1 기준신호(209), 제2 기준신호(210), 제3 기준신호(211), 그리고 제4 기준신호(212)를 송신한다.
제1 내지 제4 기준국(202 내지 205)에서 송신하는 기준신호는 GPS 신호와 마찬가지로 송신 시각과 기준국의 위치정보가 담겨져 있으며, L1과 L2 두 개의 주파수를 사용하고 있어서 이를 수신하는 정지궤도 위성(201)에서는 L1과 L2 주파수의 차이를 이용하여 신호의 전달에 있어서 발생할 수 있는 대류층과 이온층의 오차를 보정하여 각각의 기준국(202 내지 204)과 정지궤도 위성(201) 간의 거리로 변환시킬 수 있다.
상기한 바와 같은 구조를 갖는 본 발명에 따른 위성 거리측정 시스템에서 기준국을 이용한 거리측정 및 궤도결정 방법의 동작 과정을 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 3 은 본 발명에 따른 위성 거리측정 시스템에서 기준국을 이용한 거리측정 및 궤도결정 방법에 대한 일실시예 설명도로서, 정지 위성에서 기준국의 신호를 수신 및 처리하여 거리측정 데이터를 만들고, 이를 이용하여 위성의 궤도를 결정하며 이를 지상의 관제소로 전송하는 과정을 나타낸 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 지상으로부터 기준신호(32)를 전송받은 정지궤도 위성(31)이 기준국을 이용하여 거리측정 및 궤도결정을 수행하도록, 먼저 기준국 신호 수신 및 처리를 수행하여(301), 거리측정 데이터를 처리하고(302), 실시간으로 궤도결정 처리를 수행한 후(303), 위성 원격 측정 데이터를 생성한다(304). 이는 기준국 신호를 수신하여 거리측정 데이터를 만들어내며 거리측정 데이터를 이용하여 실시간으로 궤도를 결정한 후에 궤도결정 결과를 원격측정 신호(34)에 실어서 지상으로 전송하는 것을 보여준 것이다.
도 4 는 본 발명에 따른 기준국을 이용한 거리측정 및 궤도결정 방법 중 거리측정 데이터 처리 과정에 대한 일실시예 흐름도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 먼저 기준신호 데이터가 입력된다(401).
이 때, 기준신호 데이터는 지상의 제1 기준국(202)부터 제4 기준국(205)까지 입력될 수 있기 때문에 기준국 번호를 확인한 후(402), 기준국 번호가 확인되면 L1 및 L2의 기준신호에 대한 주파수 확인을 통하여 어떤 주파수 데이터인지 구별하고(403) 수신시각 및 송신시각의 차이를 추출한다(404).
이어서, 시간차에 빛의 속도를 곱하여 각 기준국(202 내지 205)과 정지궤도 위성(201) 간의 거리를 계산한 후(405), L1 및 L2 두 개의 주파수에 대해서 모두 처리했는지 확인한다(406).
확인결과(406), 모두 처리하지 않았을 경우에는 L1 및 L2의 기준신호에 대한 주파수 확인 과정(403)으로 진행하여 다른 주파수의 데이터에 대한 처리를 수행하고, 두 개의 주파수에 대해서 모두 처리했을 경우에는 L1과 L2에 의한 거리계산 값을 이용하여 전파지연 오차를 제거한다(407).
다음, 모든 기준국에 대해서 데이터 처리를 했는지 확인하고(408), 확인결과 다른 기준국이 남아 있을 경우에는 기준국 번호를 확인하는 과정(402)으로 진행하여 다른 기준국에 대한 데이터를 처리하고, 모든 기준국에 대한 데이터를 처리했을 경우에는 제1 내지 제4 기준국(202 내지 205) 데이터를 이용하여 정지궤도 위성(201)의 시계오차를 보정한다(409).
이후, 제1 내지 제4 기준국(202 내지 205)과 정지궤도 위성(201) 간의 거리를 출력한다(410).
도 5 는 본 발명에 따른 기준국을 이용한 거리측정 및 궤도결정 방법 중 궤도결정 데이터 처리 과정에 대한 일실시예 흐름도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 먼저 미리 저장되어 있는 초기 상태 벡터(501)를 가지고 위성 궤도역학 모델링을 수행한다(502).
이어서, 측정 데이터 모델링이 수행되는데, 이때 도 4에서 처리된 제1 내지 제4 기준국(202 내지 205)에 대한 거리데이터가 입력된다(503).
상기 (503)과정에서 처리된 데이터를 이용하여 궤도전파를 이용한 예측상태벡터를 계산하고(504), 예측 공분산 행렬도 계산한다(505).
이후, 기준국 거리데이터를 이용하여 계산된 관측치를 생성하고(506) 관측치에 대한 편미분항을 계산한다(507). 이를 통해서 관측치를 평가하여(508) 관측치가 나쁠 경우에는 나머지 계산을 수행하지 않고 초기 상태 벡터 과정(501)으로 진행해서 다음 데이터를 처리하고, 관측치가 좋을 경우에는 칼만필터 이득행렬을 계산한다(509).
이어서, 칼만필터 이득행렬을 통해서 새로운 상태벡터가 계산되며(510), 이를 새로운 초기 상태 벡터(501)로 치환하여 위성궤도역학 모델링 과정(502)으로 진행하여 다음 데이터를 처리한다(511).
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, 정지궤도 위성의 관제 운용에 있어서, 지상에서 위성까지의 거리측정 및 거리측정 데이터를 이용한 위성의 궤도결정을 지상에서 수행하지 않고, 위성에서 자체적으로 수행함으로써, 위성의 지상관제운용에 소요되는 인력, 자원 및 노력을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 위성 거리측정 시스템에 적용되는 기준국을 이용한 거리측정 및 궤도결정 방법에 있어서,
    기준국에서 정확한 시각과 위치정보를 가지는 기준신호를 안테나를 통하여 정지위성으로 전송하는 전송단계;
    상기 정지위성을 통해 기준신호를 수신하여 상기 기준국과 상기 정지위성간의 거리측정 데이터를 생성하는 거리측정 데이터 생성단계; 및
    상기 정지위성 내에 있는 온보드 단말기를 이용하여 실시간 궤도결정을 자체적으로 처리하는 궤도결정 처리단계
    를 포함하는 기준국을 이용한 거리측정 및 궤도결정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 정지위성은,
    L1과 L2 주파수의 차이를 이용하여 신호를 전달함에 있어서 발생할 수 있는 대류층과 이온층의 오차를 보정하여 각각의 기준국과 상기 정지위성 간의 거리로 변환시키는 것을 특징으로 하는 기준국을 이용한 거리측정 및 궤도결정 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 기준국은,
    네 개 이상이며, GPS를 이용하여 시각과 위치를 정밀하게 측정하는 GPS 수신기를 구비하는 것을 특징으로 하는 기준국을 이용한 거리측정 및 궤도결정 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 거리측정 데이터 생성단계는,
    기준신호 데이터를 입력받아 상기 기준국 번호를 확인한 후, L1 및 L2의 기준신호에 대한 주파수 확인을 통하여 어떤 주파수 데이터인지 구별하고 수신시각 및 송신시각의 차이를 추출하는 시각 추출단계;
    상기 추출된 시각차에 빛의 속도를 곱하여 각 기준국과 상기 정지위성 간의 거리를 계산한 후, L1 및 L2 두 개의 주파수에 대해서 모두 처리했는지 확인하는 확인단계;
    상기 확인결과, 모두 처리하지 않았을 경우 L1 및 L2의 기준신호에 대한 주파수 확인 과정으로 진행하여 다른 주파수의 데이터에 대한 처리를 수행하고, 두 개의 주파수에 대해서 모두 처리했을 경우 L1과 L2에 의한 거리계산 값을 이용하여 전파지연 오차를 제거하는 오차 제거단계;
    상기 모든 기준국에 대해서 데이터 처리를 수행했는지 확인하여, 다른 기준국이 남아 있을 경우 상기 기준국 번호를 확인하는 과정으로 진행하여 다른 기준국 에 대한 데이터를 처리하고, 모든 기준국에 대한 데이터를 처리했을 경우 상기 기지국 데이터를 이용하여 상기 정지위성의 시계오차를 보정하는 시계오차 보정단계; 및
    상기 기준국과 상기 정지위성 간의 거리를 출력하는 출력단계
    를 포함하는 기준국을 이용한 거리측정 및 궤도결정 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    궤도결정 처리단계는,
    기 저장되어 있는 초기 상태 벡터를 가지고 위성 궤도역학 모델링을 수행하는 궤도역학 모델링단계;
    상기 기준국에 대한 거리데이터 입력에 따라, 궤도전파를 이용한 예측상태벡터를 계산하고, 예측 공분산 행렬을 계산하는 제1 계산단계;
    상기 기준국 거리데이터를 이용하여 계산된 관측치를 생성하고 관측치에 대한 편미분항을 계산하는 제2 계산단계;
    상기 계산된 관측치를 평가하여, 평가결과가 나쁠 경우 나머지 계산을 수행하지 않고 상기 상태 벡터 과정으로 진행해서 다음 데이터를 처리하고, 평가결과가 좋을 경우 칼만필터 이득행렬을 계산하는 제3 계산단계; 및
    상기 칼만필터 이득행렬을 통해서 새로운 상태벡터를 계산하여, 이를 새로운 초기 상태 벡터로 치환한 후, 상기 궤도역학 모델링단계로 진행하는 데이터 처리단 계
    를 포함하는 기준국을 이용한 거리측정 및 궤도결정 방법.
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