AN ORBIT PROPAGATION SOFTWARE FOR MARS ORBITING SPACECRAFT

An orbit propagation software for the Mars orbiting spacecraft has been developed and verified in preparations for the future Korean Mars missions. Dynamic model for Mars orbiting spacecraft has been studied, and Mars centered coordinate systems are utilized to express spacecraft state vectors. Coordinate corrections to the Mars centered coordinate system have been made to adjust the effects caused by Mars precession and nutation. After spacecraft enters Sphere of Influence (SOI) of the Mars, the spacecraft experiences various perturbation effects as it approaches to Mars. Every possible perturbation effect is considered during integrations of spacecraft state vectors. The Mars50c gravity field model and the Mars-GRAM 2001 model are used to compute perturbation effects due to Mars gravity field and Mars atmospheric drag, respectively. To compute exact locations of other planets, JPL's DE405 ephemerides are used. Phobos and Deimos's ephemeris are computed using analytical method because their informations are not released with DE405. Mars Global Surveyor's mapping orbital data are used to verify the developed propagator performances. After one Martian day propagation (12 orbital periods), the results show about maximum ${\pm}5$ meter errors, in every position state components(radial, cross-track and along-track), when compared to these from the Astrogator propagation in the Satellite Tool Kit. This result shows high reliability of the developed software which can be used to design near Mars missions for Korea, in future.

화성 근접 탐사를 위한 우주선의 궤도전파 소프트웨어

향후 우리나라의 화성 근접 탐사 임무를 대비한 우주선의 궤도전파 소프트웨어의 개발 및 검증을 실시하였다. 이를 위해 화성 주위를 비행하는 우주선의 동력학 모델에 대한 연구가 선행 되었으며, 탐사우주선의 모든 위치 정보는 화성 중심 좌표계를 사용하여 나타내었다. 정밀한 탐사 우주선의 위치 계산을 위하여 화성의 세차 및 장동 운동에 의한 영향도 고려하였다. 화성의 작용권구 안으로 진입한 탐사 우주선은 화성 주위에서의 다양한 섭동에 의한 영향을 받게 되는데 본 연구에서는 정밀한 동력한 모델의 계산을 위해 가능한 모든 섭동들을 고려하였다. 특히 화성의 비대칭 중력장에 의한 영향을 계산하기 위해 Jet Propulsion Laboratory(JPL)의 Mars50c 모델을 적용하였고 화성 대기 항력에 의한 영향의 경우 Mars-GRAM 2001 모델을 사용하여 계산하였다. 태양을 비롯한 다른 행성의 위치를 계산하기 위해서 JPL의 DE405 정밀 천체력을 이용하였고 화성 위성들(포보스와 다이모스)의 천체력 계산은 해석적인 방법으로 하였다. 개발 소프트웨어의 성능 검증을 위하여 Mars Global Surveyor의 화성 지도 작성을 위한 초기 궤도 요소를 사용하였으며, Satellite Tool Kit(STK)의 Astrogator모듈을 이용하여 산출된 결과와 본 논문에서 개발한 소프트웨어의 결과 값과 비교 하였다. 비교 결과 우주선의 모든 위치성분(반경방향, 궤도 진행방향 그리고 진행수직방향)은 화성 근접 탐사 우주선이 화성 주위를 12번 공전(약 1화성일)하는 동안 최대 ${\pm}5m$ 이내의 오차를 보여 주었다. 이는 본 연구를 통해서 개발된 소프트웨어의 성능에 대한 신뢰도가 매우 높다는 것을 의미한다. 따라서 개발된 알고리즘과 소프트웨어는 향후 우리나라의 화성 근접 탐사를 위한 우주선의 임무 설계시 활용 될 수 있다.