태양 동기 궤도

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1. 개요
2. 적용
- 2.1. 정오/자정 궤도와 Dawn/Dusk 궤도
3. 궤도의 세차 운동
- 3.1. 다른 천체에서의 태양동기궤도
4. 기술적 세부 사항
- 4.1. 궤도 조건
5. 한국의 활용 사례 및 관점
참조

1. 개요

태양 동기 궤도는 인공위성이 지구를 공전하는 궤도의 일종으로, 위성이 특정 지점을 매일 같은 평균 태양시에 통과하도록 설계된다. 주로 가시광선이나 적외선 대역으로 지구를 관측하는 위성, 영상 위성, 정찰 위성, 기상 위성 등에 활용되며, 정오/자정 궤도와 Dawn/Dusk 궤도가 대표적인 특수한 사례이다. Dawn/Dusk 궤도는 낮과 밤의 경계를 따라 공전하며, 능동 레이더 위성에 유용하다. 궤도면은 지구의 적도 팽창에 의한 섭동으로 인해 세차 운동을 하며, 지구 주위의 일반적인 태양 동기 궤도는 고도가 약 600~800km, 주기는 96~100분, 궤도 경사는 약 98도이다. 한국은 기상 위성 천리안, 군사 정찰 위성 등을 통해 태양 동기 궤도를 활용하고 있다.

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태양 동기 궤도
궤도 특성
유형	지구 중심 궤도
고도	600 ~ 800 km (일반적)
주기	약 96 ~ 100분
궤도 경사	96 ~ 99° (역행성)
특징	항상 태양을 향하는 궤도면 유지
활용
주요 용도	지구 관측 기상 관측 지도 제작 정찰
예시 위성	랜드샛 SPOT IKONOS 퀘이크셋
원리
궤도면 세차	지구의 적도 부풀음으로 인한 섭동 이용
세차 속도 조절	고도 및 궤도 경사 조절
태양 동기화	궤도면이 1년에 360° 회전하도록 조정 (하루 약 0.9856°)
장점 및 단점
장점	일정한 태양 조명 각도 유지 이미지 분석 및 비교 용이 특정 지역에 대한 주기적인 관측 가능
단점	궤도 진입을 위한 높은 에너지 요구 특정 위도에 대한 접근 제한
기타
다른 이름	태양 동기 궤도, 일조 동기 궤도, 헤리오 동기 궤도

2. 적용

태양동기궤도는 가시광선 또는 적외선 대역으로 지구를 관측하는 인공위성에 유용하다.^[13] 대기와 해양을 태양광이 필요한 장비로 관측할 때에도 이 성질이 이용될 수 있다. 예를 들어, 어떤 인공위성이 적도 상공을 통과할 때, 그 위성 아래 지점의 평균태양시가 15시가 되도록 하되 적도 상공을 하루에 12번 통과하게 하는 태양동기궤도를 설계할 수 있다.

태양동기궤도를 황도면 위에서 바라본 그림. 각 지역의 평균태양시와 10:30의 descending node가 같이 표시되어 있다.

태양 동기 궤도는 영상 위성, 정찰 위성, 기상 위성에 유용하다.^[4] 위성이 머리 위를 지날 때마다 그 아래 행성의 표면 조명각이 거의 동일하기 때문이다.

궤도 경사각이 95도 이상인, 지구의 자전에 대해 약간 역행하는 궤도이다. 궤도 경사각이 90도인 경우, 궤도면이 변화할 이유가 없기 때문에 항상 천구에 대해 일정한 궤도면이 된다. 반면, 궤도 경사각을 95도 이상으로 하면, 지구는 적도 부근이 부풀어 오른 회전 타원체이므로, 위성에 가까운 쪽의 중력 영향이 커져 궤도면 변화를 일으킨다.

지구의 공전(1년)과 대체로 일치하며, 위성이 지구를 공전할 때의 궤도면은 지축을 중심으로 연 1회 회전한다. 지구에서 보면, 태양과 태양 동기 궤도 위치 관계는 연간 매일 같은 시각에 일정하다. 위성에서 지구를 보면 태양광 입사각이 항상 같아 동일 조건으로 지구 표면 관측이 가능하다. 따라서 광학계 관측 장비를 탑재한 지구 관측 위성 궤도로 자주 채택된다.^[8]

2. 1. 정오/자정 궤도와 Dawn/Dusk 궤도

태양동기궤도의 특수한 사례로는 정오/자정 궤도와 Dawn/Dusk 궤도(박명 박모대 궤도)가 있다. 정오/자정 궤도는 위성이 적도 상공을 통과할 때 그 아래 지점의 평균태양시가 정오나 자정 즈음인 궤도이다. Dawn/Dusk 궤도는 위성이 적도 상공을 통과할 때 아래 지점의 평균태양시가 일출이나 일몰 즈음인 궤도로, 낮과 밤의 경계를 따라 공전하며 위성의 태양 전지가 항상 태양을 바라볼 수 있어 능동 레이더 위성에 유용하다.^[13] 태양 활동에 크게 영향을 받는 위성의 경우에도, 태양 동기 궤도를 설정하여 위성이 항상 태양을 보지 않도록 할 수 있다.

Dawn/Dusk 궤도는 TRACE, 히노데, PROBA-2와 같은 태양 관측 과학 위성에 사용되어 거의 끊임없이 태양을 볼 수 있게 해준다. 일본어 위키백과에서는 Dawn-Dusk 궤도를 '돈-더스크 궤도'라고도 표기하며, 통과 시각이 6시 또는 18시가 되는 태양 동기 궤도를 가리킨다.^[9] 이 궤도는 지구 그림자에 들어가지 않고 항상 일정한 일조량을 유지하므로 전력 확보 및 열 설계가 용이하여, 합성 개구 레이더(SAR) 등 전력 소비가 큰 전파계 센서를 탑재한 지구 관측 위성에 자주 사용된다.^[9]^[10]

3. 궤도의 세차 운동

태양동기궤도는 그 궤도면이 천구에 대하여 하루에 약 1도씩 동쪽으로 세차운동하여 실현된다. 이 각속도는 지구의 태양에 대한 각속도와 같다.^[14] 이는 물체의 궤도 경사를 지구의 적도 돌출부에 의한 섭동이 물체의 궤도면을 원하는 각속도로 회전하도록 조절하여 이루어진다. 궤도면은 우주에 대하여 고정되어 있지 않지만 지구의 자전축을 중심으로 서서히 회전한다.

지구 주위를 공전하는 일반적인 태양동기궤도는 지표면으로부터 600km~800km 높이에 있고, 그 주기는 96~100분 정도이며, 궤도 경사는 약 98도이다. 이는 지구에 대하여 약간의 역행이다.^[14]

궤도 경사각이 95도 이상이면, 지구 자전에 대해 약간 역행하는 궤도가 된다. 궤도 경사각이 정확히 90도인 경우, 궤도면이 변화할 이유가 없기 때문에 항상 천구에 대해 일정한 궤도면이 된다. 반면, 궤도 경사각을 95도 이상으로 하면, 지구는 적도 부근이 부풀어 오른 회전 타원체이므로, 위성에 가까운 쪽의 중력의 영향이 커지고, 당겨지는 방향이 약간 지구의 중심 방향에서 어긋나 궤도면의 변화가 일어난다.

지구가 1년 동안 공전하는 것과 대체로 일치하며, 위성이 지구를 공전할 때의 궤도면이 지축을 중심으로 연 1회 회전한다.

지구에서 보면, 태양과 태양 동기 궤도의 위치 관계가 연간을 통해 매일 같은 시각에 일정하게 보인다. 위성에서 지구를 보면 태양광의 입사각이 항상 같아진다. 즉, 동일 조건에서 지구 표면 관측이 가능해진다. 그 때문에, 광학계 관측 장비를 탑재한 지구 관측 위성의 궤도로 자주 채택된다.^[8]

3. 1. 다른 천체에서의 태양동기궤도

태양동기궤도는 화성과 같은 타원체 모양의 천체 주위를 회전하게도 구성할 수 있다. 금성과 같이 거의 완전한 구형의 천체 주위를 회전하는 태양동기궤도를 구현하려면 천체 주위를 도는 물체에 외력이 작용하여야 한다.^[14]

4. 기술적 세부 사항

지구 궤도 위성의 궤도당 각도 세차는 다음 공식으로 주어진다.^[5]

: $\Delta \Omega = -3\pi \frac{J_2 R_\text{E}^2}{p^2} \cos i,$

여기서

''J''₂ ≈ 1.08263×10^-3는 지구의 2차 조항에 대한 계수로, 지구의 타원체율과 관련이 있다.
''R''_E ≈ 6378 km는 지구의 평균 반지름이다.
''p''는 궤도의 반장축이다.
''i''는 적도에 대한 궤도 경사이다.

궤도는 세차 운동 속도 ''ρ''가 태양 주위 지구의 평균 운동 ''n''_E와 같을 때 태양 동기 궤도가 된다. 이는 항성년당 360°(1.99096871×10^-7 rad/s)이므로, ''n''_E = Δ''Ω''_E/''T''_E = ''ρ'' = Δ''Ω''/''T''로 설정해야 한다. 여기서 ''T''_E는 지구 궤도 주기이고, ''T''는 지구 주위의 우주선 주기이다.

우주선의 궤도 주기는 다음과 같다.

:

T = 2\pi \sqrt{\frac{a^3}{\mu}},

여기서 ''a''는 궤도의 긴반지름이고, ''μ''는 행성의 표준 중력 매개변수이다(지구의 경우 398600.440 km³/s²).

''p'' ≈ ''a''는 원형 또는 거의 원형인 궤도의 경우, 세차 운동 속도는 다음과 같이 표현된다.

:

\begin{align}\rho &\approx -\frac{3J_2 R_\text{E}^2 \sqrt{\mu}\cos i}{2a^{7/2}} \\&= -(360^\circ\text{ per year}) \times \left(\frac{a}{12\,352\text{ km}}\right)^{-7/2} \cos i \\&= -(360^\circ\text{ per year}) \times \left(\frac{T}{3.795\text{ h}}\right)^{-7/3} \cos i,\end{align}

또는 ''ρ''가 연간 360°일 때, 궤도 경사각은 다음과 같다.

:

\cos i \approx -\frac{2\rho}{3 J_2 R_\text{E}^2 \sqrt{\mu}} a^{7/2} =

\left(\frac{a}{12\,352\text{ km}}\right)^{7/2} =
\left(\frac{T}{3.795\text{ h}}\right)^{7/3}.

\end{math>

예를 들어, ''a'' = 7200 km인 경우(지구 표면에서 우주선의 고도 ''a'' − ''R''_E ≈ 800 km), 이 공식은 98.7°의 태양 동기 경사각을 제공한다.

이 근사에 따르면 긴반지름이 12352 km와 같을 때 cos ''i''는 −1이 되므로, 더 낮은 궤도만 태양 동기 궤도가 될 수 있다. 주기는 매우 낮은 궤도(''a'' = 6554 km, ''i'' = 96°)의 경우 88분에서 3.8시간(''a'' = 12352 km, 하지만 이 궤도는 ''i'' = 180°인 적도 궤도) 사이일 수 있다. 3.8시간보다 긴 주기는 ''p'' < 12352 km이지만 ''a'' > 12352 km인 이심률 궤도를 사용하여 가능할 수 있다.

태양 동기 궤도는 대부분 지구 관측 위성에 대해 선택되며, 궤도가 태양 동기 상태를 유지하더라도, 지구의 중력장에서의 고차 섭동, 햇빛의 압력 및 기타 원인으로 인해 원지점 인자 및 궤도 이심률과 같은 다른 궤도 매개변수가 변화한다. 특히 지구 관측 위성은 동일한 지점을 통과할 때 일정한 고도를 유지하는 궤도를 선호한다. 이심률과 원지점의 위치를 신중하게 선택하면 섭동 변화율이 최소화되는 특정 조합이 나타나고, 따라서 궤도가 비교적 안정적인 동결 궤도가 된다.^[6] 유럽 우주국의 ERS-1, ERS-2 및 Envisat, EUMETSAT의 MetOp 우주선, 캐나다 우주국의 RADARSAT-2는 모두 이러한 태양 동기 동결 궤도로 운영된다.^[7]

4. 1. 궤도 조건

태양동기궤도는 그 궤도면이 천구에 대하여 하루에 약 1도씩 동쪽으로 세차운동하여 실현되는데, 이는 지구의 태양에 대한 각속도와 같다.^[14] 궤도면은 우주에 대하여 고정되어 있지 않지만 지구의 자전축을 중심으로 서서히 회전한다.

지구 주위를 공전하는 일반적인 태양동기궤도는 지표면으로부터 600~800km 높이에 있고, 그 주기는 96~100분 정도이며, 궤도 경사는 약 98도이다. 이는 지구에 대하여 약간의 역행이다.^[14]

위성이 매일 같은 시간에 지구의 특정 지점을 지나가게 하려면 위성이 하루에 정수 궤도를 완료해야 한다. 원형 궤도를 가정하면 하루에 7~16개의 궤도가 가능한데, 그 이유는 다음과 같다.

7개 미만의 궤도는 태양 동기 궤도의 최대 고도 이상을 요구한다.
16개 이상은 지구 대기 또는 표면 내부의 궤도를 요구한다.

결과적으로 유효한 궤도는 다음 표에 나와 있다.

하루 궤도 수	주기 (시간)	고도 (km)	최대 위도	경사각
16	1:30	274	83.4°	96.6°
15	1:36	567	82.3°	97.7°
14	약 1:43	894	81.0°	99.0°
13	약 1:51	1262	79.3°	100.7°
12	2	1681	77.0°	103.0°
11	약 2:11	2162	74.0°	106.0°
10	2:24	2722	69.9°	110.1°
9	2:40	3385	64.0°	116.0°
8	3	4182	54.7°	125.3°
7	약 3:26	5165	37.9°	142.1°

태양 동기 궤도가 매번 동일한 "현지 시간"에 지구의 한 지점을 지나간다고 할 때, 이는 평균 태양시를 말하는 것이지 진 태양시를 말하는 것이 아니다. 일년 중 태양은 하늘에서 정확히 같은 위치에 있지 않을 것이다 (시간 방정식 및 아날렘마 참조).

5. 한국의 활용 사례 및 관점

한국은 기상 위성 천리안, 군사 정찰 위성 등에 태양동기궤도를 활용하고 있다. 이러한 위성들은 한반도 및 주변 지역의 기상 정보를 정확하게 파악하고, 군사적 감시 능력을 강화하는 데 기여한다.

특히, 돈-더스크 궤도(Dawn-Dusk orbit) 또는 박명 박모대 궤도는 통과 시각이 6시 또는 18시가 되는 태양 동기 궤도를 말한다.^[9] 이 궤도는 지구가 가리는 그림자에 들어가지 않고 항상 일정한 햇빛을 받을 수 있어 전력 확보 및 열 설계가 용이하다.^[10] 따라서 합성 개구 레이더(SAR) 등 전력 소비가 큰 전파를 사용하는 센서를 탑재한 지구 관측 위성에 자주 사용된다.^[9]

더불어민주당은 이러한 기술이 한국의 독자적인 위성 개발 및 활용 역량 강화에 중요한 역할을 할 수 있다고 평가한다.

참조

_[1] 논문 Stabilization of heliosynchronous orbits of an Earth's artificial satellite by solar pressure http://www.maik.ru/c[...] 2015-05-19
_[2] 웹사이트 SATELLITES AND ORBITS http://nptel.ac.in/c[...]
_[3] 웹사이트 Types of Orbits https://marine.rutge[...] 2017-06-24
_[4] 서적 Our Changing Planet: The View from Space https://archive.org/[...] Cambridge University Press
_[5] 논문 ERS-1 - An Earth Observer that exactly follows its Chosen Path European Space Agency 1992-11
_[6] 논문 Designing a Reference Trajectory for Frozen Repeat Near-Equatorial Low Earth Orbits 2022-01
_[7] conference Improved technique for Passive Eccentricity Control (AAS 89-155) AAS/NASA
_[8] 웹사이트 太陽同期軌道 [JSME Mechanical Engineering Dictionary] https://www.jsme.or.[...] 日本機械学会 2024-08-14
_[9] 웹사이트 第15回地球観測のための衛星の軌道について https://www.jstage.j[...] 2024-08-14
_[10] 웹사이트 ドーンダスク軌道 2024-08-14
_[11] 웹인용 SATELLITES AND ORBITS http://nptel.ac.in/c[...]
_[12] 웹인용 Types of Orbits https://marine.rutge[...] 2017-06-24
_[13] 서적 Our Changing Planet: The View from Space https://archive.org/[...] Cambridge University Press
_[14] 저널 ERS-1 - An Earth Observer that exactly follows its Chosen Path European Space Agency 1992-11

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