[논문 리뷰] A Semi-Analytical Method for Calculating Revisit Time for Satellite Constellations with Discontinuous Coverage

Nicholas H. Crisp, Sabrina Livadiotti외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 05.

Spacecraft Design and Technology참고 문헌 11인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 태양동기 궤도가 아닌 경우를 포함한 이산적 커버리지가 있는 저궤도 위성 기구의 재방문 시간을 계산하기 위한 반분석적 방법을 제시한다. 타원형으로 투영된 지상 포지션 기하학을 사용하여 STK 수준의 정확도를 확보하면서도 분석적 방법의 효율성을 유지한다. 이 방법은 다양한 궤도 파라미터, 센서 구성 및 목표 위도에서 최대 재방문 시간을 신속하고 정확하게 평가할 수 있게 하여 초기 미션 설계 및 최적화에 있어 계산 비용을 최소화한다.

ABSTRACT

This paper presents a unique approach to the problem of calculating revisit time metrics for different satellite orbits, sensor geometries, and constellation configurations with application to early lifecycle design and optimisation processes for Earth observation missions. The developed semi-analytical approach uses an elliptical projected footprint geometry to provide an accuracy similar to that of industry standard numerical orbit simulation software but with an efficiency of published analytical methods. Using the developed method, extensive plots of maximum revisit time are presented for varying altitude, inclination, target latitudes, sensor capabilities, and constellation configuration, providing valuable reference for Earth observation system design.

연구 동기 및 목표

• 이산적 커버리지가 있는 지구 관측 기구의 초기 단계 설계에서 신속하고 정확한 재방문 시간 계산이 필요한 이유를 해결한다.
• STK 및 전용 소프트웨어와 같은 수치 시뮬레이션 도구의 계산 비효율성 문제를 해결한다. 이러한 도구는 분석당 수분이 소요되며 대규모 최적화에 부적합하다.
• 수치 시뮬레이션 수준의 정확도와 분석적 방법의 속도를 균형 잡는 방법을 개발한다. 이를 통해 광범위한 매개변수 연구를 가능하게 한다.
• 미션 설계자들이 사용할 수 있는 기준 데이터베이스를 제공한다. 이 데이터베이스는 고도, 경사각, 센서 축방향 각도, 목표 위도에 따라 변화하는 최대 재방문 시간(MRT)을 포함한다.
• 특히 엄격한 태양동기 궤도가 아닌 경우(non-SSOs)에 최적의 궤도 및 센서 구성 조합을 체계적으로 탐색하여 재방문 시간을 최소화할 수 있도록 한다.

제안 방법

• 위성 센서의 포지션을 타원형으로 지구 표면에 투영한 기하학을 사용하여, 궤도 및 센서 기하학을 기반으로 목표 위도에서 볼 수 있는 경도를 결정한다.
• 목표 위도에서 위성 지상 궤도의 경도 교차점을 계산하고, 연속적인 통과 사이의 시간 간격을 산정한다.
• 지구의 편평함(즉, J2 성분)에 기인한 성분을 고려하여 궤도 추진 및 지상 궤도 예측의 정확도를 향상시킨다.
• 목표 위도 주변의 이산화된 경도 그리드를 사용하여 각 통과 시 센서 포지션에 포함되는 경도를 식별한다.
• 연속적인 볼 수 있는 통과 사이의 최대 시간 간격을 산정하여 주어진 구성에 대한 최대 재방문 시간(MRT)을 계산한다.
• 결과를 STK 시뮬레이션 및 기존 문헌과 비교하여 최대 오차가 1분 이내임을 입증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초기 미션 설계 단계에서 이산적 커버리지가 있는 위성 기구의 재방문 시간을 효율적이고 정확하게 계산하는 방법은 무엇인가?
• RQ2 다양한 고도 및 목표 위도에서 태양동기 궤도가 아닌 경우(non-SSOs)의 센서 축방향 각도와 궤도 기울기가 재방문 시간에 미치는 영향은 어느 정도인가?
• RQ3 반분석적 방법이 분석적 방법의 효율성과 유사한 수준에서 STK 수준의 정확도를 달성할 수 있는가?
• RQ4 지구 관측 임무에서 최대 재방문 시간을 최소화하기 위한 고도, 기울기 및 센서 시야 범위(FoR)의 최적 조합은 무엇인가?
• RQ5 궤도 섭동(J2)은 재방문 시간 예측에 어떤 영향을 미치며, 이를 무시할 경우 분석 모델에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 반분석적 방법은 STK 수치 시뮬레이션과 비교해 최대 오차가 1분 미만임을 입증하여 높은 정확도를 확보했다.
• 15° 축방향 각도를 가진 단일 위성과 40° 목표 위도의 경우, MRT는 기울기와 고도에 따라 크게 달라지며, 특정 고도-기울기 조합에서 최적의 구성이 도출됨을 확인했다.
• 200 km 이하 및 약 350–500 km 고도에서는 좁은 시야 범위(FoR) 센서의 경우 어떤 기울기로 해도 낮은 MRT를 보장할 수 없어 문제적 고도 창이 존재함을 시사한다.
• 이 방법은 다중 매개변수에 걸쳐 MRT 등고선도를 신속하게 생성할 수 있어 미션 기획자에게 실질적인 설계 참고자료를 제공한다.
• 상업용 수치 도구(예: STK, ASTROLIB/Revisit-C)보다 계산 효율성이 크게 향상되었으며, 분석적 방법 수준의 속도에 가까운 동시에 높은 정확도를 유지한다.
• 이 방법은 궤도, 센서, 기구 구성에 대한 빠른 매개변수 스윕을 가능하게 하여 초기 단계 설계 및 최적화를 지원한다.