Analysis of Space Debris Orbit Prediction using Angle and Laser Ranging Data
저자
발행사항
Daejeon : University of Science and Technology, 2020
학위논문사항
Thesis(Ph.D.) -- University of Science and Technology Major of Astronomy & Space Science 2020
발행연도
2020
작성언어
영어
KDC
440 판사항(6)
DDC
520 판사항(23)
발행국(도시)
대전
형태사항
120 pages : color illustrations ; 26 cm
일반주기명
Adviser: Sang Sung Lee
Includes bibliographies
소장기관
전 지구적으로 구축되어 있는 전자광학 (Electro-Optical, EO) 및 레이저추적 센서 네트워크에서 수집된 각도 및 레이저 거리 데이터를 활용한 우주잔해물의 궤도 예측 (Orbit Prediction, OP) 정확도 향상과 관련한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 하지만 실제 이러한 센서들의 활용은 기상, 관측 스케줄 그리고 태양광 관측 조건에 의해 운영이 제한되며 이는 불충분한 관측 데이터를 야기하여 궤도 예측 정확도 저하의 결과를 불러 오고 있다. 이 논문에서는 두 가지 종류의 각도 데이터 [전자 광학 (EO) 센서의 포인팅 각도 및 레이저추적 센서의 엔코더 (Encoder) 각도, 이하 전자 광학 각도 및 엔코더 각도]와 함께 레이저 거리 데이터를 이용하여 궤도 예측 정확도를 향상시키는 연구를 진행하였다. 먼저, 하루 동안 관측한 데이터를 이용한 궤도 예측 결과를 분석하기 위해 두 관측소에서 관측한 전자광학 각도 데이터와 레이저 거리 데이터를 혼합한 저궤도 우주잔해물의 궤도 예측 연구를 제한된 관측 환경을 고려하여 수행하였다. 여기서 궤도 결정 (Orbit Determination, OD)을 위해 하나의 관측소에서는 하루 동안 관측한 전자광학 각도 데이터를, 그리고 다른 관측소에서는 이틀 동안 관측한 전자광학 각도 데이터와 레이저 거리 데이터를 각기 사용하여 하루 이후에 궤도 예측의 정확도 향상 결과를 분석하였다. 더불어 항력 계수 (Drag Coefficient, C_D)에 기반한 초기 탄도 계수 (Ballistic Coefficient, B_C)를 구하는 새로운 방법을 제안하여 궤도 결정 과정에 적용하였다. 다음으로 레이저 거리 측정 신호를 이용하여 마운트 시스템의 엔코더 각도 데이터를 취득하는 방법을 제안하고 마찬가지로 엔코더 각도 데이터와 레이저 거리 데이터를 함께 활용하여 궤도 예측 정확도를 향상시키는 모의 실험을 수행하였다. 이 모의 실험에서 엔코더 각도 데이터의 관측 값 오차는 상대적으로 전자광학 각도 데이터의 관측 값 오차 보다 크게 설정하였으며 반면에 엔코더 각도 데이터의 관측 수량은 전자광학 각도 데이터의 관측 수량 보다 많게 설정되었다. 관측 수량을 많게 설정한 이유는 레이저 추적 시스템 특성상 추적을 위한 우주잔해물의 궤도력만 주어진다면 태양광 관측 제한 조건에 무관하게 관측이 가능한 즉, 블라인드 레이저 거리 추적(blind laser tracking)이 가능하기 때문이다. 우주잔해물이 관측소 상공을 통과할 때 관측한 한번의 궤적(1 Pass arc)의 엔코더 각도 데이터와 레이저 거리 데이터 그리고 하루 동안 세번 통과하면서 수집된 (3 Passes, 1-day arc) 엔코더 각도 데이터와 레이저 거리 데이터를 활용한 궤도 결정 과정을 통해 각기 90분 이후 그리고 하루 이후에 대한 궤도 예측 정확도 향상 연구를 수행하였다. 연구 결과로부터, 먼저 처음 언급한 전자광학 각도 데이터와 레이저 거리 데이터를 활용하였을 경우, 3차원 위치 차이로 알 수 있는 궤도 예측 정확도 결과가 확률적 오차 범위 안에서100 m 이하로 확인되었고 이는 이 논문에서 목표하는 블라인드 레이저 추적이 가능한 수치 즉, 10-20 arc seconds 이내 이거나1,000 km 고도에서 약 50-100 m를 만족함을 보여주고 있다. 그리고 앞서 제안한 초기 탄도 계수 (B_C)를 적용한 경우 데이터가 많은 경우 최대 약 2 km, 적은 경우 최대 약 50 m의 궤도 예측 정확도가 향상되는 결과를 보이고 있음을 확인할 수 있었다. 두번째로, 엔코더 각도 데이터를 레이저 거리 데이터와 함께 활용한 경우에서도 마찬가지로 궤도 예측 정확도가 이 논문에서 설정한 목표 궤도 예측 정확도를 만족하며 블라인드 레이저 추적이 가능한 수준으로 궤도 예측 정확도가 향상 됨을 볼 수 있었다. 이와 같은 각도 데이터와 레이저 거리 데이터를 활용한 다양한 연구를 바탕으로 목표 궤도 예측 정확도를 만족할 수 있는 관측 조건을 설정할 수 있었으며 이는 관측 전략 수립하여 미래 관측 시스템을 개발하고 설치하는데 있어 좋은 참고자료가 될 수 있을 것으로 기대된다.
더보기The global electro-optical (EO) and laser tracking sensor network has been considered to investigate orbit prediction (OP) accuracy improvements of space debris by combining angle and laser ranging data. However, it is worth noting that weather, schedule, sun-illuminated and visibility constraints can frequently limit the operations of these sensors, which may not result in sufficient tracking data for accurate OP. In this dissertation, two orbit determination (OD) studies for low Earth orbit (LEO) space debris targets were examined to verify OP accuracy improvement, which employ two types of angle data (EO and encoder angle) combined with laser ranging data. First, several 1-day OP results with combination of EO angle and laser ranging data from two sites were demonstrated under a limited observation environment. For OD processes, The OP accuracy was analyzed for the case that one site provides both 2–day arc angle data and 1-day arc laser ranging data, and the other was limited to 1-day arc angle data. In addition, the initial ballistic coefficient (B_C) application method was proposed and implemented for the improvement of OD/OP accuracy, which introduces the modified correction factor depending on the drag coefficient (C_D). Second, the novel idea for OD processes employing encoder angle data which are achievable with the laser ranging data from the tracking mount system (TMS) in Geochang space object laser tracking (SOLT) system was proposed and implemented for the simulation of several OD/OP cases. In the simulation, it is assumed that the measurement accuracy of encoder angle data is relatively less accurate than EO angle data but the total amount of encoder angle data for 1-day arc period can be greater than EO angle data. The latter comes from the fact that the laser tracking sensor employing high power laser can track space debris targets regardless of the sun illuminated and visible constraint if accurate orbit state of interested target is provided for the target acquisition (i.e. blind laser tracking). In the first OD/OP case, the 90 min OP accuracy was analyzed for the case of 1 pass arc encoder and laser ranging data for the feasibility of blind laser tracking. The second case was investigated for the case of 1-day (3 passes) arc encoder angle and laser ranging data for 1-day OP accuracy improvement. In the first OD study using EO angle and laser ranging data, OP results show the 3D position difference values are below 100 m root mean square (RMS) with small position uncertainty. This value satisfies the target OP accuracy for the blind laser tracking (10-20 arc seconds or about 50-100 m at 1,000 km slant range). And the proposed initial B_C application method shows better OP accuracy than the method without the correction factor. In the second OD study using encoder angle and laser ranging data, both results of OP accuracy taking into account 1 pass arc and 1-day (3 passes) arc encoder and lase ranging data showed the feasibility of blind laser tracking as well as OP accuracy improvement. Consequently, several OD/OP cases combining angle and laser ranging data by taking into account two types of angle data (EO and encoder angle) were investigated to verify achievable OP accuracy improvement and possible observation conditions which meet the target OP accuracy. The analysis result from these investigations would provide practical directions to establish not only the observation strategies but also scientific references for the development and establishment of future tracking systems.
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