최적화 기법을 이용한 초저고도 운용위성 연료량 분석

Abstract

지구관측 영상위성의 해상도는 위성에 장착된 광학카메라의 Field of View(FOV)와 위성의 임무고도에 의해 결정된다. 따라서 카메라의 FOV가 고정된 경우 해상도를 향상시키는 방법은 위성의 임무고도를 낮추는 것이다. 하지만 저고도일수록 대기저항에 의한 위성의 고도감소가 크게 나타나고 이를 보정하기 위해 많은 연료가 필요하게 된다. 이 연구에서는 초저고도에 있는 위성의 임무도 유지를 위하여 필요한 연료량 산출을 분석하고자 한다. 이를 위해 지구와 위성 간 2체 문제에 대기저항과 이를 보정하기 위만 주력을 고려하여 운동방정식을 세우고, Legendre-Gauss-Lobatto(LGL) points를 이용한 collocation method를 사용하였다. 지속적으로 임무고도를 유지하는 경우와 고도 상승하강 기동을 하여 임무고도를 대략 유지하는 경우에 대한 소모되는 연료량을 비하였다. 고도 상승하강 기동의 방법이 임무고도를 유지하기 위하여 더 적은 연료를 소모하였다. 고도 상승하강 기동방법을 이용할 때 고도상승의 주기 변화로 얻어지는 연료이득은 작고, 태양활동 시기나 위성의 임무고도변화는 연료 사용에 큰 영향을 끼치는 것을 확인할 수 있었다. 또한 여러 가지 조건에 대한 연료소모량을 구체적으로 제시하였다. 이 연구를 통해서 얻어진 알고리즘은 위성의 저고도 유지를 위한 연료량을 산정하는데 많은 도움이 될 것이며, 임무도 설정에 있어서도 원하는 해상도와 연료량을 고려하여 최상의 선택을 할 수 있는 자료를 제공할 수 있다. The resolution of Earth images taken from a satellite has close relation with satellite's altitude. If a satellite has lower altitude, it gets a picture having better resolution. However the satellite will be exposed to heavier air drag and will spend more fuel to maintain its altitude for a desired mission. Therefore, in this study, the required fuel to maintain very low earth orbit(LEO) with severe air drag is analyzed using optimization method such as collocation method. The required fuel to maintain the low altitude has significantly increased as the mission altitude is lowered and the solar activity is maximized. This study also shows that the fuel reduced by increasing the period of the satellite maneuver is very small, and that slightly increasing the satellite's mission altitude is much effective in reducing the amount of fuel to maintain its altitude. The calculated fuel to maintain very low earth orbit in this study would give useful information in planning the budget of fuel and cost for LEO satellites.