편대 비행 위성 간 충돌 확률 및 충돌 회피 분석
편대 비행 위성은 임무 목적을 달성하기 위해서 운용 중 편대의 크기와 형태를 변화시킨다. 상대 거리가 충분히 가깝거나 위치 불확실성이 큰 경우 위성의 운용 안정성을 위해 충돌 확률, 회피 분석이 필수적이다. 본 연구는 편대 비행 위성 간 비선형 충돌 확률 및 최적 충돌 회피, 최적 복귀 궤도 분석을 목적으로 한다.
편대 비행하는 위성은 상대 속도가 1 km/s이하로 작기 때문에 근접 시간이 길다. 근접 시간동안 시간에 따라 증가하는 위치 불확실성을 고려하기 위해 비선형 충돌 확률 분석을 수행한다. 충돌 확률 분석은 3차원 가우시안 확률 밀도 함수를 선적분으로 변환하여 도출한다. 충돌 확률 분석 방법을 검증하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 수행한다. 충돌 확률 분석은 실제 운용 예정인 편대 비행 임무 SNIPE와 CANYVAL-C의 위성 제원으로 수행되었다. 충돌 확률 분석의 신뢰도를 확보하기 위해 1) 충돌 확률 분석 기간동안 축 별 상대 거리와 위치 불확실성 크기를 비교하여 최소 거리와 희석 영역 분석을 수행하고 2) 위치 불확실성이 커서 충돌 확률이 작게 나타나는 지점을 확인하였다.
편대 비행 임무에 적용 가능한 충돌 회피 및 복귀 궤도를 설계하기 위해 추력의 양이 제한된 상황에서 최대 운용 안정성과 최소 추력을 모두 고려하였다. 정해진 순간 추력을 이용하여 충돌 회피를 수행하기 때문에 충돌 예상 시점의 상대거리를 최대화하는 최적 추력의 방향을 찾았다. 폰트라겐 최소원리로 최적화하기 위하여 추력에 따른 충돌 예상 시점의 위치를 해석적으로 표현하였다. 본 연구에서는 SNIPE와 CANYVAL-C임무의 최대 충돌 확률 지점의 충돌 회피 최적화 결과를 제시한다.
충돌 회피 후 임무 운용을 위한 최적 복귀 궤도 연구를 수행하였다. 정해진 시간내 궤도 복귀를 위해서 2번의 추력을 사용해 추력의 양을 최소화하는 궤도를 설계한다. 람버트 문제의 해를 기반으로 프라이머 벡터의 개형이 프라이머 벡터 이론의 필요 조건을 만족시키는지 확인하여 최적 궤도를 검증한다. 본 연구에서는 SNIPE 임무의 간접 충돌 회피 후 궤도 복귀를 위한 최적 궤도를 궤도 복귀 기간에 따라 제시하였다.
운용 예정 편대 비행 임무의 위치 불확실성의 전파하여 선형, 비선형 충돌 확률 분석을 수행하였다. SNIPE 임무의 최대 선형 충돌 확률은 0.099%, 비선형 충돌 확률은 0.00098%이다. 선형 충돌 확률은 상대 속도 방향을 고려하지 않기 때문에 상대 속도 방향의 거리가 충분히 크더라도 충돌 확률이 크게 계산되었다. 따라서 편대 비행 임무는 비선형 충돌 확률 분석이 필요함을 확인하였다. CANYVAL-C 임무 랑데부 모드의 최대 비선형 충돌 확률은 0.000000785%, 관성 정렬 제어 모드에서는 0.0634%이다. 이를 기반으로 실제 편대 비행 임무에 적용 가능한 충돌 확률 분석 알고리즘을 개발하였다.
나노 위성 임무의 제한 추력을 이용해 충돌 예상 시점의 거리를 최대화하는 충돌 회피 궤도를 설계하였다. SNIPE 임무와 CANYVAL-C 임무의 추력 제한 조건을 이용하여 최대 충돌 예상 시점에 상대 거리를 최대화하는 최적 추력 제어의 방향을 찾았다. 충돌 예상 시점과 제어의 시점이 반 궤도주기 이하일 경우는 상대 위치 방향, 이상일 경우는 상대 속도 방향으로 제어하는 것이 최적 제어 방향임을 확인하였다. 나노 위성 임무의 제원을 이용하여 정해진 기간 내에서 편대 궤도 복귀를 수행하는 최적 궤도를 설계하였다. SNIPE 임무 주 위성 궤도 주기의 50%내에 편대 궤도 복귀가 가능한 최적 추력의 크기, 방향과 시점을 찾았다. 본 연구에서는 편대 비행 임무의 추력 제한이 있을 때 임무 운용 안정성 확보를 위한 충돌 회피, 궤도 복귀 방법을 설계하였다.
본 연구에서는 편대 비행 위성의 실제 임무 필요 조건 및 제한 조건을 반영하여 분석을 수행하였음에 의의가 있다. 2021 ~ 2022년 운용 예정인 나노 위성 편대 비행 SNIPE, CANYVAL-C 임무의 제한조건, 크기 및 무게 재원, 임무 모드, 추력의 크기를 적용하여 충돌 확률 및 충돌 회피, 복귀 궤도 분석을 수행하였다. 따라서 실제 나노 위성의 지상 기반 충돌 확률 분석, 충돌 회피 및 복귀 궤도 분석에 적용할 수 있을 것이다. 더 나아가 충돌 확률 분석 시 위성의 형상을 고려하여 충돌 확률을 분석한다면 더 세밀한 충돌 확률 분석이 가능할 것이다. 충돌 회피 및 궤도 복귀 분석 시 위성의 위치 불확실성을 고려하여 최적화하면 실제 임무에 더 안정적으로 적용할 수 있을 것이다.
Formation flying satellites change the size and shape of the flight during operation to achieve its
mission objectives. When the relative distance is close enough or the position uncertainty is large,
collision probability and avoidance analysis are essential for the operational stability of the satellite.
The purpose of this study is to analyze the probability of nonlinear collision optimal collision
avoidance, and optimal return trajectory for the formation flying satellites.
Formation flying satellites have a long encounter time because their relative speed is less than 1
km/s. Therefore, a nonlinear collision probability analysis is conducted according to the increasing
position uncertainty. The collision probability analysis is derived by converting the three- dimensional Gaussian probability density function into a line integral. The collision probability
analysis method is verified through Monte Carlo simulation. Collision probability analysis is
performed using the satellite specifications of the formation flying missions SNIPE and
CANYVAL-C. Through the analysis, the reliability of the collision probability is secured 1) by
comparing the relative distance and the size of the position uncertainty of each axis and 2) by
monitoring the point where the collision probability is small due to the large location uncertainty.
Because of the thrust limit, the collision avoidance and trajectory recovery are designed in
consideration of both the maximum operational stability and the minimum thrust. Collision
avoidance is performed by finding the optimal thrust direction that maximizes the relative distance
at the predicted collision point using fixed thrust. The position of the predicted collision point
according to the thrust is analytically expressed and optimized with the Pontryagin’s minimum
principle. In this study, optimal collision avoidance results of SNIPE and CANYVAL-C at the
maximum collision probability point are presented.
After collision avoidance, trajectory recovery is performed for formation flying operation.
Design two impulses that minimize the amount of thrust to recover track within a specified time.
Based on the solution of the Lambert problem, the optimal trajectory is verified by confirming that
the primer vector satisfies the necessary condition of the primer vector theory. The optimal trajectory
for recovery after indirect collision avoidance of the SNIPE mission is presented.
In this study, linear and nonlinear collision probability are analyzed by propagating the position
uncertainty of the actual formation flying mission. The maximum linear collision probability for
SNIPE missions is 0.099% and the nonlinear collision probability is 0.00098%. Since the linear
collision probability does not take the relative velocity direction into account, the collision
probability has been calculated significantly even if the distance in the relative velocity direction is
large enough. Therefore, nonlinear collision probability analysis is required for formation flying
mission missions. The maximum nonlinear collision probability in CANYVAL-C mission
rendezvous mode is 7.85 ∗ 10% and 0.0634% in inertial alignment hold mode. Based on this, a
collision probability analysis algorithm is developed that can be applied to real formation flying
mission missions.
Collision avoidance trajectory is designed to maximize the distance at the expected point of
impact using the fixed thrust of the nano-satellite mission. Using thrust constraints of SNIPE and
CANYVAL-C missions, we find the direction of optimal thrust by maximizing the relative distance
at the time of maximum collision expected. The optimal control direction is the relative position
direction if the point of control is less than the half-orbit cycle, and the relative velocity direction if
further away. Using the specifications of the nano-satellite mission, optimal recovery trajectory is
designed to return within a specified period. Optimal magnitude, direction, and timing of thrust has
found that can return to formation within 50% of the chief satellite orbital cycle of the SNIPE
mission. In this study, collision avoidance, recovery trajectory is designed to secure mission
operational stability when there is thrust restriction on formation flying mission.
In this study, the analysis is performed by reflecting the actual mission requirements and
constraints of the formation flying mission. For nano-satellite formation flying mission SNIPE,
CANYVAL-C missions scheduled for operation from 2021 to 2022, collision probability and
avoidance, recovery is analyzed considering mission constraints, size, weight, mission mode and
magnitude of thrust. Therefore, it will be applicable to ground-based collision probability analysis,
collision avoidance, and trajectory recovery analysis of real nano-satellites mission.
If the collision probability is analyzed in consideration of the shape of the satellite in the collision
probability analysis, a more detailed collision probability analysis will be possible. When the
collision avoidance and trajectory recovery is optimized in consideration of the position uncertainty
of the satellite, it can be applied more stably to the actual mission.
분석정보
서지정보 내보내기(Export)
닫기소장기관 정보
닫기권호소장정보
닫기오류접수
닫기오류 접수 확인
닫기음성서비스 신청
닫기음성서비스 신청 확인
닫기이용약관
닫기학술연구정보서비스 이용약관 (2017년 1월 1일 ~ 현재 적용)
학술연구정보서비스(이하 RISS)는 정보주체의 자유와 권리 보호를 위해 「개인정보 보호법」 및 관계 법령이 정한 바를 준수하여, 적법하게 개인정보를 처리하고 안전하게 관리하고 있습니다. 이에 「개인정보 보호법」 제30조에 따라 정보주체에게 개인정보 처리에 관한 절차 및 기준을 안내하고, 이와 관련한 고충을 신속하고 원활하게 처리할 수 있도록 하기 위하여 다음과 같이 개인정보 처리방침을 수립·공개합니다.
주요 개인정보 처리 표시(라벨링)
목 차
3년
또는 회원탈퇴시까지5년
(「전자상거래 등에서의 소비자보호에 관한3년
(「전자상거래 등에서의 소비자보호에 관한2년
이상(개인정보보호위원회 : 개인정보의 안전성 확보조치 기준)개인정보파일의 명칭 | 운영근거 / 처리목적 | 개인정보파일에 기록되는 개인정보의 항목 | 보유기간 | |
---|---|---|---|---|
학술연구정보서비스 이용자 가입정보 파일 | 한국교육학술정보원법 | 필수 | ID, 비밀번호, 성명, 생년월일, 신분(직업구분), 이메일, 소속분야, 웹진메일 수신동의 여부 | 3년 또는 탈퇴시 |
선택 | 소속기관명, 소속도서관명, 학과/부서명, 학번/직원번호, 휴대전화, 주소 |
구분 | 담당자 | 연락처 |
---|---|---|
KERIS 개인정보 보호책임자 | 정보보호본부 김태우 | - 이메일 : lsy@keris.or.kr - 전화번호 : 053-714-0439 - 팩스번호 : 053-714-0195 |
KERIS 개인정보 보호담당자 | 개인정보보호부 이상엽 | |
RISS 개인정보 보호책임자 | 대학학술본부 장금연 | - 이메일 : giltizen@keris.or.kr - 전화번호 : 053-714-0149 - 팩스번호 : 053-714-0194 |
RISS 개인정보 보호담당자 | 학술진흥부 길원진 |
자동로그아웃 안내
닫기인증오류 안내
닫기귀하께서는 휴면계정 전환 후 1년동안 회원정보 수집 및 이용에 대한
재동의를 하지 않으신 관계로 개인정보가 삭제되었습니다.
(참조 : RISS 이용약관 및 개인정보처리방침)
신규회원으로 가입하여 이용 부탁 드리며, 추가 문의는 고객센터로 연락 바랍니다.
- 기존 아이디 재사용 불가
휴면계정 안내
RISS는 [표준개인정보 보호지침]에 따라 2년을 주기로 개인정보 수집·이용에 관하여 (재)동의를 받고 있으며, (재)동의를 하지 않을 경우, 휴면계정으로 전환됩니다.
(※ 휴면계정은 원문이용 및 복사/대출 서비스를 이용할 수 없습니다.)
휴면계정으로 전환된 후 1년간 회원정보 수집·이용에 대한 재동의를 하지 않을 경우, RISS에서 자동탈퇴 및 개인정보가 삭제처리 됩니다.
고객센터 1599-3122
ARS번호+1번(회원가입 및 정보수정)