[위성궤도] Propagation(전파)와 섭동모델(Perturbations Model)

주제: 위성궤도 관련 용어 및 내용 요약
작성: 2024-07-14

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'위성궤도'에 대해 알아보면 알아볼수록 처음 보는 개념들이 등장해버리네..?ㅎ
저는 위성궤도 등 공학 전공자도 아니고, 해당 내용들이 익숙하지않아 간단하게 관련 용어 및 내용을 정리해봤습니다.

 

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1. 전파(Propagation)

• 정의 : 인공위성의 궤도를 시간에 따라 계산하는 과정
• 부연설명: 현재 궤도요소(위치, 속도 벡터 등)을 활용하여 미래의 특정 시점에서의 인공위성의 위치와 속도를 예측하는 것으로, 이 과정은 다양한 외부 요인들이 고려되며, SGP4와 같은 모델을 사용하여 계산됨

 

2. 섭동(Perturbations)

• 정의: 천체가 주어진 궤도에서 벗어나게 하는 모든 작은 외부의 영향들을 일컫는 말로서, 인공위성의 궤도에 영향을 미치는 외부의 힘이나 요인을 뜻함
• 부연설명 : 
  이상적인 조건에서는 인공위성이 일정한 궤도를 따라 움직이지만, 현실에서는 다양한 외부 요인들이 궤도에 미세한 변화를 일으킴

1. 1. 인공위성이 지구 주위를 돌고 있을 때, 지구의 비정형적인 중력 분포, 대기 저항, 태양풍, 그리고 달이나 다른 행성들의 중력 등이 모두 섭동 요인으로 작용할 수 있음. 이러한 다양한 섭동 요인들로 위성의 궤도를 조금씩 영향을 주기 때문에, 이를 정확히 계산하고 예측하는 것이 중요함
   2. 이와 같은 섭동을 계산하여 궤도를 예측하는 것이 '섭동 모델'의 주된 역할임

 

2. 1. 섭동모델

• 섭동모델에는 4가지의 주요 요인이 고려됨
  • (1) 지구의 비구형 효과: 지구는 완전한 구형이 아니므로 중력장이 균일하지 않습니다.
  • (2) 대기 저항: 저궤도 인공위성의 경우 대기와의 마찰이 궤도에 영향을 줍니다.
  • (3) 태양과 달의 중력: 다른 천체들의 중력도 인공위성의 궤도에 영향을 미칩니다.
  • (4 )태양 복사압: 태양으로부터 오는 복사 압력도 미세한 영향을 줄 수 있습니다.
• 지구 중심 관성좌표계의 주요 섭동모델  5가지
  • 지구 중심 관성 좌표계에 대한 인공위성 및 우주 쓰레기의 궤도 상태 벡터를 계산하는 데 사용되는 5가지 수학적 모델은 SGP, SGP4, SGP8, SDP4, SDP8이 있음
    • SGP4는 1km 이하의 오차 발생하며, 이는 시간이 지남에 따라 그 오차의 간격이 커짐. 이 오차를 줄이기 위해 NORAD와 NASA에서 제공하는 TLE 데이터를 업데이트하여 그 오차간격을 줄임
• 5가지 수학적 모델 비교
  • 궤도주기 225분 미만의 기준으로 LEO, Deep Space로 구분
  • SGP4, SDP4 : 기존모델 개선을 위해 TLE 정보활용 → 궤도에 있는 많은 물체를 처리 가능
  • SGP8, SDP8 : 궤도붕괴 처리를 위한 추가적인 기능 적용

1. MODEL	APPlication	Development	Error at Epoch	Key Features
   SDP4	Deep space objects (period > 225 mins)	Refinement of SGP4, published in 1988	10 km	Adds lunar-solar gravity perturbations, Earth resonance terms
   SDP8	Deep space objects (period > 225 mins)	Refinement of SDP4 with improvements for orbital decay	-	Improved handling of orbital decay
   SGP	Near-Earth objects period < 225 mins)	Kozai (1959), Hilton & Kuhlman (1966)	-	Original model
   SGP4	Near-Earth objects (period < 225 mins)	Refinement of SGP, published in 1988	~1 km	Handles larger number of objects, frequent updates
   SGP8	Near-Earth objects (period < 225 mins)	Refinement of SGP4 with improvements for orbital decay	-	Improved handling of orbital decay

   • 이외에 궤도계산하는 다른 모델그 외에 다양한 모델들
   
   

   Method	Cowell's Method	Encke's Method	Gauss's Method	Kalman Filter
   설명	수치적 적분 방법으로, 천체의 위치와 속도를 직접 적분하여 궤도를 계산	미소변화를 적분하는 방법으로, 기본 궤도에서의 작은 편차를 계산	세 점의 관측된 위치를 기반으로 궤도를 결정하는 방법입니다.	상태 추정 기법으로, 관측 데이터와 예측 모델을 결합하여 최적의 추정을 수행
   특징	매우 정확하지만 계산 비용이 높음 작은 시간 간격을 사용하여 높은 정확도를 얻음	Cowell's Method보다 계산이 덜 복잡하며, 작고 점진적인 섭동을 처리하는 데 적합	초기 궤도를 추정하는 데 사용되며, 이후 정밀도를 높이기 위해 다른 방법과 함께 사용	실시간 데이터와 함께 사용되며, 예측 오차를 줄이는 데 효과적

 

3. 정리

• 전파와 섭동의 차이
  • Propagation(전파): 인공위성의 궤도를 시간에 따라 계산하는 전체 과정입니다. 이 과정에서는 위성의 초기 상태와 궤도 요소를 사용하여 미래의 위치와 속도를 예측합니다. Propagation 과정에서는 여러 가지 물리적 요인들을 고려하게 됩니다.
  • Perturbation(섭동): propagation 과정에서 고려되는 여러 외부 요인들입니다. 이는 인공위성의 궤도에 미세한 영향을 미치는 요소들로, 지구의 비구형 효과, 대기 저항, 태양과 달의 중력, 태양 복사압 등이 있습니다.

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Reference

1. Simplified Perturbations Models (간단화된 섭동모델) : https://en.wikipedia.org/wiki/Simplified_perturbations_models

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