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인공위성 궤도역학 이물체 문제(Two-body problem)

"인공위성 궤도역학 이물체 문제(Two-body problem)"에 대한 내용입니다.
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최초등록일 2024.07.06 최종저작일 2024.07
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인공위성 궤도역학 이물체 문제(Two-body problem)
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    • 📐 천체 운동의 기본 법칙과 수식적 접근 상세 설명
    • 🌍 실제 위성 추적 및 궤도 결정 방법론 상세 분석
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    소개

    "인공위성 궤도역학 이물체 문제(Two-body problem)"에 대한 내용입니다.

    목차

    1. Introduction
    2. The Two-Body Problem
    3. Energy and Angular Momentum
    4. The Orbit Equation
    5. Conic-Section Geometry
    6. Kepler's Equation
    7. The Classical Orbital Elements
    8. Position and Velocity
    9. Orbit Determination and Satellite Tracking

    본문내용

    2.1 Introduction

    Nicholas Copernicus (1473-1543) 지동설
    Tycho Brache (1546-1601) 육분의, 천체 관측
    Galilei Gaileo (1564-1642) 망원경 사용 천체관측, 지동설, 중력 실험
    Johannes Kepler (1571-1630) 3법칙
    Isaac Newton (1643-1727) 미적분학, 중력법칙, 운동법칙, Kepler의 법칙을 수식으로 유도

    (http://www.gap-system.org/~history/BiogIndex.html)

    2.2 The Two-Body Problem

    그림 2.4에 있는 것 같은 두 개의 질점으로 이루어진 시스템을 생각하자. 각각의 질점은 서로 상대방의 질점에 인력을 미치고, 이 외에 다른 힘은 존재하지 않는다. 이 경우 이 두 질점의 운동방정식을 쓰면 다음과 같다.
    m_1 {rm bold ddot R}_1 = {G m_1 m_2 } over { left| {rm bold R}_2 - {rm bold R}_1 right|}^2 { ( {rm bold R}_2 - {rm bold R}_1 ) } over {left| {rm bold R}_2 - {rm bold R}_1 right|} (2.1)
    m_2 {rm bold ddot R}_2 = {G m_1 m_2 } over { left| {rm bold R}_1 - {rm bold R}_2 right|}^2 { ( {rm bold R}_1 - {rm bold R}_2 ) } over {left| {rm bold R}_1 - {rm bold R}_2 right|} (2.2)

    <중 략>

    2.7 The Classical Orbital Elements

    앞에서 본 것처럼 two body problem은 원래 6자유도 시스템에서 무게중심의 등속운동조건이 적용됨으로 3자유도 시스템으로 바꾸어 생각할 수 있고, 시스템의 지배방정식에 초기 위치 및 속도를 적용하면 궤도를 예측할 수 있게 된다.

    참고자료

    · TLE (Two Line Element)
    · http://www.celestrak.com/
    · http://spaceflight.nasa.gov/realdata/sightings/SSapplications/Post/JavaSSOP/SSOP_Help/tle_def.html
    · Definition of Two-line Element Set Coordinate System
    · Name of Satellite
    · (NOAA 6) This is simply the name associated with the satellite. Typical names you might be interested in might be "Mir" or "ISS".
    · International Designator
    · (84 123A) The 84 indicates launch year was in 1984, while the 123 tallies the 124th launch of the year, and "A" shows it was the first object resulting from this launch.
    · Epoch Date and Day of Year Fraction
    · The day of year fraction is just the number of days (in GMT) passed in the particular year. For example, the date above shows "86" as the epoch year (1986) and 50.28438588 as number of days after January 1, 1986. The resulting time of the vector would be 1986/050:06:49:30.94. Note that NASA SkyWatch will expect the time tag to be the same format as shown above when entering a TLE data.
    · This was computed as follows:
    · Start with 50.28438588 days (Days = 50)
    · 50.28438588 days - 50 = 0.28438588 days
    · 0.28438588 days x 24 hours/day = 6.8253 hours (Hours = 6)
    · 6.8253 hours - 6 = 0.8253 hours
    · 0.8253 hours x 60 minutes/hour = 49.5157 minutes (Minutes = 49)
    · 49.5157 - 49 = 0.5157 minutes
    · 0.5157 minutes x 60 seconds/minute = 30.94 seconds (Seconds = 30.94)
    · Ballistic Coefficient
    · (0.00000140) Also called the first derivative of mean motion, the ballistic coefficient is the daily rate of change in the number of revs the object completes each day, divided by 2. Units are revs/day. This is "catch all" drag term used in the Simplified General Perturbations (SGP4) USSPACECOM predictor.
    · Second Derivative of Mean Motion
    · (00000-0 = 0.00000) The second derivative of mean motion is a second order drag term in the SGP4 predictor used to model terminal orbit decay. It measures the second time derivative in daily mean motion, divided by 6. Units are revs/day^3. A leading decimal must be applied to this value. The last two characters define an applicable power of 10. (12345-5 = 0.0000012345).
    · Drag Term
    · (67960-4 = 0.000067960) Also called the radiation pressure coefficient (or BSTAR), the parameter is another drag term in the SGP4 predictor. Units are earth radii^-1. The last two characters define an applicable power of 10. Do not confuse this parameter with "B-Term", the USSPACECOM special perturbations factor of drag coefficient, multiplied by reference area, divided by weight.
    · Element Set Number and Check Sum
    · (5293) The element set number is a running count of all 2 line element sets generated by USSPACECOM for this object (in this example, 529). Since multiple agencies perform this function, numbers are skipped on occasion to avoid ambiguities. The counter should always increase with time until it exceeds 999, when it reverts to 1. The last number of the line is the check sum of line 1.
    · Satellite Number
    · (11416) This is the catalog number USSPACECOM has designated for this object. A "U" indicates an unclassified object.
    · Inclination (degrees)
    · The angle between the equator and the orbit plane. The value provided is the TEME mean inclination.
    · Right Ascension of the Ascending Node (degrees)
    · The angle between vernal equinox and the point where the orbit crosses the equatorial plane (going north). The value provided is the TEME mean right ascension of the ascending node.
    · Eccentricity
    · (0012788) A constant defining the shape of the orbit (0=circular, Less than 1=elliptical). The value provided is the mean eccentricity. A leading decimal must be applied to this value.
    · Argument of Perigee (degrees)
    · The angle between the ascending node and the orbit's point of closest approach to the earth (perigee). The value provided is the TEME mean argument of perigee.
    · Mean Anomaly (degrees)
    · The angle, measured from perigee, of the satellite location in the orbit referenced to a circular orbit with radius equal to the semi-major axis.
    · Mean Motion
    · (14.24899292) The value is the mean number of orbits per day the object completes. There are 8 digits after the decimal, leaving no trailing space(s) when the following element exceeds 9999.
    · Revolution Number and Check Sum
    · (346978) The orbit number at Epoch Time. This time is chosen very near the time of true ascending node passage as a matter of routine. The last digit is the check sum for line 2.
    · http://www.celestrak.com/: 최신 TLE data
    · SkyWatch (Java 필요)
    · http://spaceflight.nasa.gov/realdata/sightings/SSapplications/Post/JavaSSOP/JavaSSOP.html
    · (과제) 아리랑위성 1호(KOMPSAT)의 궤도 분석 (Earth Resource로 분류)
    · (kompsat.kari.re.kr)
    · keywords: MPC (minor planet center)
  • AI와 토픽 톺아보기

    • 1. 인공위성 궤도역학
      인공위성 궤도역학은 인공위성의 궤도 운동을 연구하는 분야로, 이는 우주 탐사와 통신, 기상 관측 등 다양한 분야에서 매우 중요한 역할을 합니다. 이 분야에서는 뉴턴의 운동 법칙, 중력 이론, 좌표계 등을 활용하여 위성의 궤도를 계산하고 예측하는 기술이 발전해 왔습니다. 특히 지구 중력장의 복잡성, 대기 저항, 태양 복사압 등 다양한 요인을 고려해야 하므로 정밀한 궤도 계산이 필요합니다. 이를 통해 위성의 안정적인 운용과 임무 수행이 가능해집니다. 앞으로도 이 분야의 지속적인 연구와 기술 발전이 이루어져야 할 것입니다.
    • 2. 천체 관측 역사
      천체 관측 역사는 인류가 오랜 시간 동안 천체에 대한 호기심과 탐구심을 가지고 발전시켜 온 분야입니다. 고대 문명부터 시작된 천체 관측은 천문학의 기초를 마련했으며, 이를 통해 우주에 대한 이해와 지식이 점차 깊어져 왔습니다. 특히 갈릴레오, 케플러, 뉴턴 등 과학자들의 업적은 천체 관측 기술과 이론의 발전에 큰 기여를 했습니다. 현대에는 망원경, 인공위성, 우주선 등 첨단 관측 기기의 발달로 더욱 정밀하고 광범위한 천체 관측이 가능해졌습니다. 이를 통해 우리는 우주의 구조와 진화, 행성계의 형성 등에 대한 이해를 높일 수 있었습니다. 앞으로도 천체 관측 기술의 발전과 새로운 발견이 이루어질 것으로 기대됩니다.
    • 3. 두 물체 문제
      두 물체 문제는 중력 상호작용 하에서 두 개의 질량을 가진 물체의 운동을 다루는 고전역학의 기본 문제입니다. 이 문제는 뉴턴의 운동 법칙과 만유인력 법칙을 적용하여 두 물체의 상대적인 운동을 해석할 수 있습니다. 이를 통해 행성과 위성, 쌍성계 등 다양한 천체 시스템의 운동을 이해할 수 있습니다. 두 물체 문제는 단순해 보이지만 실제로는 복잡한 수학적 해석이 필요하며, 이는 천체역학, 우주 비행체 설계 등 많은 분야에 응용됩니다. 또한 이 문제는 더 복잡한 다체 문제로 확장되어 연구되고 있으며, 이를 통해 우주 시스템의 역학적 특성을 보다 깊이 이해할 수 있습니다.
    • 4. 케플러 법칙
      케플러 법칙은 행성의 운동을 기술하는 세 가지 법칙으로, 천체역학의 기초를 이루는 중요한 이론입니다. 이 법칙은 17세기 케플러에 의해 발견되었으며, 이후 뉴턴의 만유인력 법칙에 의해 이론적으로 설명되었습니다. 케플러 법칙은 행성의 타원 궤도, 면적 속도 일정, 공전 주기와 궤도 장반경의 관계 등을 기술하며, 이를 통해 행성의 운동을 정확하게 예측할 수 있습니다. 이 법칙은 천체 관측 자료를 해석하고 인공위성 궤도 계산에 활용되는 등 천문학과 우주 공학 분야에서 매우 중요한 역할을 합니다. 또한 이 법칙은 다른 천체 시스템의 운동 특성을 이해하는 데에도 응용될 수 있습니다.
    • 5. 궤도 요소
      궤도 요소는 천체의 궤도를 완전히 기술하는 데 필요한 6개의 변수로, 천체역학과 우주 비행체 설계 분야에서 매우 중요한 개념입니다. 이 요소들은 궤도 장반경, 이심률, 궤도 경사각, 승교점 경도, 근점 인수, 평균 근점 통과 시각 등으로 구성됩니다. 이를 통해 천체의 위치와 운동 상태를 정확하게 나타낼 수 있습니다. 궤도 요소는 케플러 법칙, 뉴턴 역학 등을 활용하여 계산되며, 인공위성 궤도 결정, 행성 탐사 임무 설계, 우주 물체 추적 등 다양한 분야에 활용됩니다. 또한 이 요소들은 천체의 기원과 진화를 이해하는 데에도 중요한 정보를 제공합니다. 따라서 궤도 요소에 대한 깊이 있는 이해와 정확한 계산은 천체역학 연구에 필수적입니다.
    • 6. 궤도 결정 및 위성 추적
      궤도 결정 및 위성 추적은 인공위성과 우주 물체의 궤도를 정확하게 계산하고 추적하는 기술입니다. 이는 위성 운용, 우주 탐사, 우주 감시 등 다양한 분야에서 매우 중요한 역할을 합니다. 궤도 결정 기술은 위성의 초기 궤도 결정, 궤도 수정, 궤도 예측 등을 포함하며, 이를 위해 레이더, 광학 관측, 위성항법시스템 등 다양한 관측 데이터를 활용합니다. 위성 추적 기술은 위성의 실시간 위치와 상태를 지속적으로 모니터링하고 관리하는 것으로, 위성 운용과 임무 수행에 필수적입니다. 이 분야의 기술 발전은 우주 개발과 활용을 더욱 효율적으로 만들어 줄 것입니다. 앞으로도 이 분야의 지속적인 연구와 혁신이 이루어져야 할 것입니다.
  • 자료후기

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      이 문서는 두 물체 문제에 대한 역사적 배경과 수학적 분석을 상세히 제공하고 있으며, 특히 케플러의 법칙과 뉴턴의 운동 및 중력 법칙을 깊이 있게 다루고 있습니다.
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