위성 6자유도 시뮬레이션 모델링

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6자유도 시뮬레이션은 비선형 거동을 보이는 비행체의 회전과 병진 운동을 해석하기 위하여 수행된다. 위성도 궤도 운동과 동시에 임무 수행을 위해 자세 운동을 하기 때문에 6자유도 시뮬레이션을 통해 위성의 거동을 해석할 수 있다.
6자유도 시뮬레이션은 그림 1과 같이 유도항법제어, 동역학, 외력, 환경 부분으로 나뉘어져 각각의 블록에서 계산된 값을 이용하여 결과를 산출한다. 유도항법제어는 위성의 임무 수행을 위한 핵심 알고리즘이 포함되는 부분으로 자세제어, 궤도 유지 등을 위해 유도 명령, 구동기 제어 명령을 생성한다. 외력, 환경 부분은 지구 대기 밖에서 궤도 운동을 하는 위성에 작용하는 자기력, 복사힘, 태양/달/지구의 중력을 계산한다. 외력과 구동력을 모두 더하여 6자유도 동역학 방정식에 대입하고 수치 계산을 통해 위성의 위치, 속도, 자세와 각속도를 계산할 수 있다.
본 과제에서는 6자유도 시뮬레이션 수행을 위해 먼저 모델링 요소를 파악한다. 좌표계와 궤도 파라미터에 대해 정리하고 위성의 운동 역학을 이체문제로부터 방정식을 유도하고 지구 중력과 섭동 모델을 정리한다. 마지막으로 그에 맞는 6자유도 시뮬레이션 구성도를 도출한다.

가. 좌표계 및 고전 궤도요소 정의
위성의 경우 지구 주위를 주기적으로 회전하는 물체이기 때문에 다양한 좌표계를 사용하여 위성의 위치 및 자세 등을 표현하게 된다. 본 과제의 프로그램에서 사용할 좌표계 및 이에 대한 정의는 그림 2와 같다.

1) 좌표계 및 좌표변환 행렬 정의
가) 좌표계 정의
(1) ECI(Earth-Centred Inertial) frame
ECI 좌표계는 지구 중심에 위치한 좌표계로 지구의 자전과 무관하기 때문에 관성좌표계로 불린다. Z축이 지구 자전축에 있으며 X축은 춘분점을 향한다. 일반적으로 ‘I’를 사용하여 좌표계를 나타낸다.

참고 자료

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