Ⅰ. 서 론
최근 우주개발의 중요성이 갈수록 증가함에 따라 선진국을 중심으로 다양한 우주개발 노력이 지속되고 있으며, 그 결과로 현재(’18년 4월 기준) 전 세계적으로 약 19,000여 개의 인공우주물체가 지구궤도상에서 남아있다[1],[19]. 그러나 이러한 우주개발과 더불어 인공위성의 추락 위험이나 우주 파편의 충돌위험 등 우주위험 또한 급격히 증가함에 따라 우주감시의 중요성이 높아지고 있다[1],[2]. 이러한 우주감시 임무 수행을 위한 시스템 중 하나가 우주감시레이다이다. 우주감시레이다는 RF(radio frequency) 대역의 전파를 우주로 송수신함으로써 표적의 거리, 고각, 방위각 정보를 획득하게 되며, 이를 통해 표적의 좌표 및 고도를 추정하게 된다. 그러나 우주로 전파를 송수신하기 위해서는 전파가 지구 대기권을 통과해야 하며, 이 때 대류권(troposphere)의 전파 굴절률 변화에 의한 굴절 오차와 전리층(ionosphere)에서 발생하는 시간 지연에 의한 거리 오차가 발생한다. 이러한 오차는 우주감시레이다에서 획득하는 표적 정보의 정확도를 감소시키는 주요 외부 요인이 된다[3].
우주감시레이다에 있어서 고도에 따른 전파 굴절률 변화에 의한 굴절 오차는 주파수와 상관없이 기상 환경 및 레이다 고각에 따라 발생하는 오차로 일반적으로 낮은 고각에서 장거리 표적에 대한 레이다 운용 시 매우 큰 오차를 발생하는 것으로 알려져 있다[3]～[5]. 따라서 이를 보상하기 위해 실환경을 반영할 수 있는 전파 굴절률을 도출하기 위한 연구[6],[7] 및 레이다 오차를 보상하는 알고리즘에 관한 연구[3],[8]들이 다각도로 이루어졌으나, 실시간으로 변화하는 전파 굴절률에 의한 영향을 정확히 보상하기란 매우 어렵다. 한편, 전리층에 의한 거리 오차는 전리층의 시간 지연에 의한 오차로 주파수 및 전파 경로의 총 전자함유량(total electron content: TEC)에 의해 결정된다[3],[9]. 이 또한 주야간, 계절, 태양 활동 등에 따라 전자 밀도가 변화하기 때문에 정확히 보상하기가 매우 어렵다[9]. 따라서 지구 대기권을 통해 전파를 송수신해야하는 우주감시레이다의 효율적인 설계를 위해서는 지구 대기권에 의한 오차 특성을 정확히 이해할 필요가 있다.
본 논문에서는 우주감시레이다에 대한 지구 대기권에 의한 굴절 오차 및 거리 오차를 도출함으로써 지구 대기권 영향을 분석하였다. 이를 위해 굴절 오차의 경우 고층기상데이터 측정이 가능한 국내 기상관측소 중 지역 및 계절적 특성을 고려하여 전파 굴절도 프로파일(radio refractivity profile)을 도출하고, 광선추적법을 이용해 실제 전파 경로를 계산한 후, 이를 표준 대기 기준으로 레이다에서 보상했을 때 발생하는 고도 오차를 레이다 고각별로 도출하였다. 또한 거리 오차는 전리층에 의한 총 전자함유량이 10−16～10−18 범위 내에 존재[9]하므로 이 범위에서 레이다 주파수 및 고각에 따라 도출하였다. 이러한 지구 대기권에 의한 오차 도출을 통해 지역, 계절, 주파수, 레이다 고각 등에 따른 오차 특성을 분석하였으며, 이러한 결과는 향후 우주감시레이다 설계 시 레이다 조향 범위 및 주파수 선정에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
본 논문은 다음과 같이 구성된다. 2장에서는 전파 굴절도 프로파일 모델링 방법에 대해 설명하고, 한국기상관측소에서 측정한 데이터를 통해 실환경 전파 굴절도 프로파일 모델링 및 특성을 분석하였다. 또한, 전리층에 의한 지연 시간 모델링 방법에 대해 설명하였다. 3장에서는 지구 대기권에 의한 레이다 오차 도출 모형에 대해 설명하며, 4장에서는 도출한 레이다 오차 특성을 분석하고, 우주감시레이다 설계 시 고려사항에 대해 논의하였다. 마지막으로 5장에서 본 논문의 결론을 기술하였다.
Ⅱ. 지구 대기 전파 모델링
전파 굴절은 고도에 따른 대기 굴절률 변화에 의해 발생하기 때문에 전파 굴절을 모의하기 위해서는 고도별 대기 굴절률(또는 전파 굴절도)을 나타내는 전파 굴절도 프로파일이 필요하다. 이러한 전파 굴절도 프로파일을 모델링하는 방법은 크게 표준 대기 모델과 지수 모델이 있다[10]～[12]. 표준 대기 모델은 전 세계 기상관측소에서 측정한 데이터를 기반으로 한 모델로 ITU-R(International TeleComMuniCation Union-Recommendation)에서는 세계 연간 표준 대기 및 저위도/중위도/고위도별 여름철 및 겨울철 표준 대기를 제시하고 있다[10]. 이러한 표준 대기는 대기 상태에 대한 정보가 없을 경우 가장 신뢰할만한 전파 굴절도 프로파일을 제공 가능하지만, 시공간적으로 변화하는 전파 굴절도 특성을 모델링하기에는 한계가 있다. 반면, 지수 모델은 표면 굴절도(surface refractivity) 및 굴절도 감쇄율(refractivity gradient)에 따른 지수 함수로 전파 굴절도 프로파일을 나타내는 모델로 표면 굴절도 및 굴절도 감쇄율 정보가 있다면 시공간적인 특성을 반영하여 전파 굴절도 프로파일을 모델링할 수 있다는 장점이 있지만, 굴절도 감쇄율 측정이 어려운 단점이 있다[11],[12]. 지수 모델에 따른 전파 굴절도 프로파일은 식 (1)과 같이 계산된다.
여기서 h는 고도 [km]를 나타내고, Ns는 표면 굴절도 [N-unit]를 나타내며 N은 고도 h에서의 전파 굴절도 [N-unit]를 나타낸다. 그리고 지수 감소 계수 ce는 다음과 같다.
이 때 N1km는 고도 1 km에서의 전파 굴절도를 나타내고, 1 km까지 전파 굴절도의 감쇄는 선형적으로 근사화가 가능하기 때문에, 이는 Ns+ΔN으로 표현할 수 있으며, ΔN는 1 km까지의 굴절도 감쇄율 [N-unit/km]을 나타낸다. 따라서 실환경을 반영한 표면 굴절도 및 굴절도 감쇄율 도출이 가능할 경우 지수 모델을 이용하여 전파 굴절도 프로파일을 도출할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이 표준 대기는 전세계 표준 대기 모델로 대기 상태에 대한 정보가 없을 경우, 가장 신뢰할 만 하지만 시공간적인 대기 상태를 반영하기는 어렵다. 반면, 지수 모델은 표면 굴절도 및 굴절도 감쇄율 정보가 있을 경우 시공간적인 대기 상태를 반영하여 전파 굴절도 프로파일 생성이 가능하다. 본 논문에서는 한국의 실제 대기 상태에 따른 전파 굴절도 생성을 위해 고층 기상데이터 측정이 가능한 국내 기상관측소로부터 6년간 측정된 고층 대기 정보를 이용하여 표면 굴절도와 굴절도 감쇄율을 도출하고, 이를 식 (1) 및 식 (2)의 지수 모델에 적용하였다. 그림 1은 고층 기상데이터 측정이 가능한 국내 기상관측소를 나타낸다. 이때 본 논문에서 지역별 대기 상태에 따른 굴절 오차 도출을 위해 총 7개 기상관측소 중 동해(속초), 서해(백령도), 남해(제주도) 및 육지(오산)로 구분하여 기상관측소 데이터를 사용하였으며, 계절별로는 여름철(6～8월) 및 겨울철(12～2월) 데이터를 사용하였고, 6년간 3개월 데이터를 사용하여 약 180개 데이터 샘플을 이용해 한국 전파 굴절도 프로파일을 생성하였다. 또한, 지수 모델 이용 시 실제 대기 상태를 잘 반영할 수 있는가를 확인하기 위해 그림 2와 같이 계절별 지수 모델과 측정 데이터를 비교하였다. 그림 2(a) 전체에서 보면 대기 굴절률이 약 50 km 이상 고도에서는 거의 일정하여 전파 굴절이 없음을 알 수 있으며, 그림 2(b) 확대 그림에서 보면 지수 모델과 측정 데이터가 잘 들어맞음을 확인할 수 있다.
앞서 지수 모델에서 보듯이, 전파 굴절도 프로파일의 특성은 표면 굴절도와 굴절도 감쇄율에 의해 결정되며, 그 중에서도 전파 굴절은 주로 굴절도 감쇄율에 의해 결정된다[12]. 따라서 한국 전파 굴절도 특성을 분석하기 위해 지역별/계절별 굴절도 감쇄율 특성을 분석하였다. 또한 비교를 위해 ITU-R에서 제시한 중위도 여름철/겨울철 표준대기[10]의 굴절도 감쇄율과 비교하였다. 그림 3은 국내 기상관측소 중 동해/서해/남해 및 육지의 굴절도 감쇄율에 대한 평균 및 표준 편차를 나타낸다. 비교 대상인 중위도 여름철 표준 대기의 굴절도 감쇄율은 52.77 N/km이며, 겨울철 표준 대기의 굴절도 감쇄율은 35.92 N/km였다. 평균 굴절도 감쇄율에 대해 그 결과를 살펴보면, 여름철 동해는 표준 대기와 비슷한 특성을 갖는 반면, 타 지역에서는 표준 대기보다 큰 것을 확인할 수 있으며, 겨울철에는 동해 및 육지에서 표준 대기와 유사한 특성을 갖는 것을 확인할 수 있다. 또한 그 차이에 있어서 겨울철에 전체적으로 표준 대기와 차이가 감소하며, 표준 편차 역시 겨울에는 작고, 여름에 크게 나타남을 확인할 수 있다. 이는 표준 대기로 굴절 오차를 보상할 경우 여름철에 오차가 크게 나타날 수 있음을 의미하며, 동해의 경우 서해 및 남해에 비해 오차가 작을 수 있음을 의미한다. 육지의 경우엔 겨울철에는 표준 대기와 유사하지만, 여름철에는 차이가 크게 발생하는데, 이는 여름철 지면 복사열로 인한 현상으로 판단된다.
지표면으로부터 고도 약 50～2,000 km에 존재하는 전리층에서는 전파가 그 경로를 따라 전파되면서 전파 속도가 감소하게 된다. 이는 시간 지연을 발생시키며, 이러한 지연 시간은 식 (3)과 같다[3],[9].
여기서 t는 진공에서의 전파 속도 대비 지연 시간 [sec]을 나타내고, f는 주파수 [Hz], NT는 전파 경로 상의 총 전자함유량(total electron content: TEC) [el]을 나타낸다. 이 때 총 전자함유량은 전파 경로 상의 총 전자를 나타내기 때문에 전파 경로 상의 전자 농도를 적분하여 계산할 수 있다[3].
여기서 s는 전파 경로 [m]를 나타내고, ne는 전파 경로 상의 전자 농도 [el/m3]를 나타낸다. 여기서 전자 농도는 태양 활동 및 계절 등에 따라 변하며, 이를 반영하여 총 전자함유량 계산을 위한 모델로 IRI(International reference ionosphere) 모델[13] 및 NeQuick2 모델[14] 등이 있다. 이러한 모델을 통해 태양 활동, 계절 등의 영향을 고려하여 특정 시간에 따른 총 전자함유량 도출이 가능하다. 그러나 전리층에 대한 레이다 영향을 분석하기 위해서는 특정 시간이 아닌 전반적인 특성이 중요하며, 전리층의 총 전자함유량은 천정 방향 기준으로 10−16～10−18의 범위 내에 존재한다[9]. 즉, 위의 총 전자함유량의 범위는 최소값 및 최댓값을 나타내므로 전리층에 의한 오차 범위 분석이 가능하기 때문에, 본 논문에서는 이를 기준으로 총 전자함유량을 계산하였다. 또한 이는 천정 방향 기준이므로 레이다 고각이 감소할수록 전파 경로가 증가하여 총 전자함유량이 증가하게 되며, 이는 다음과 같이 계산할 수 있다[3].
여기서 는 천정 방향에 대한 총 전자함유량 [el]이며, 는 레이다 고각에 따른 총 전자함유량 [el]을 나타내고, θ는 레이다 고각 [°]을 나타낸다. 따라서 위 식들을 적용하면, 전리층 시간 지연에 의한 주파수 및 레이다 고각별 거리 오차 도출이 가능하다.
Ⅲ. 레이다 오차 도출 모형
우주감시레이다에서 운용 환경에 의한 오차는 크게 전파 굴절에 의한 고도 오차 및 전리층 시간 지연에 의한 거리 오차로 구분되며, 각 오차에 대한 영향 분석을 위해 서로 분리하여 레이다 오차를 도출하였다.
먼저 굴절에 의한 고도 오차는 고도별 전파 굴절도가 변함에 따라 전파가 굴절되어 발생하는 오차로 그 개념은 그림 4와 같다. 그림 4에서와 같이 특정 고도 h1에 대상 표적이 존재할 경우 레이다에서는 굴절된 전파에 의한 고각(θ)과 거리 정보를 획득하게 되며, 이 정보를 통해 표적 고도를 추정하게 된다. 이 때 굴절을 고려하지 않고 표적 고도를 추정하게 될 경우 표적 고도는 h3가 되어 h3−h1만큼 오차가 발생하게 된다. 따라서 이에 대한 보상이 필요하게 되며, 이를 보상하기 위해서는 실시간으로 고층 대기 정보가 필요하다. 그러나 이는 현실적으로 어렵기 때문에 표준 대기를 가정하여 보상할 수 있다. 그러나 표준 대기 또한 실제 대기와는 차이가 있기 때문에 h2−h1의 오차가 발생하게 된다. 본 논문에서는 레이다에서 표준 대기를 이용해 오차를 보상하였다고 가정하여 h2−h1의 오차를 도출하였다. 거리 오차는 식 (5)를 통해 레이다 고각에 따른 총 전자함유량을 계산하고 식 (3)에 의해 전리층에 의한 시간 지연을 계산 후 빛의 속도를 곱해 거리 오차를 계산하였다.
그림 5는 위와 같은 대기 굴절에 의한 고도 오차 및 전리층에 의한 거리 오차를 도출하는 모형을 나타낸다. 이러한 레이다 오차 도출 모형을 보면, 우선 레이다 및 표적 파라미터로 레이다 주파수, 레이다 사이트 높이, 레이다 고각, 표적 고도를 입력하고, 대기 굴절 관련 파라미터로 기상관측소와 계절을 입력하면, 기상관측소의 계절별 표면굴절도와 굴절도 감쇄율로부터 지수 모델을 이용해 실제 대기의 전파 굴절도 프로파일을 생성한다. 그리고 이 전파 굴절도 프로파일을 이용해 광선 추적 모델(ray tracing model)로부터 레이다 고각별 표적 고도까지의 실제 전파 경로를 계산하게 되며, 이로부터 표적까지의 거리가 도출된다. 그러면 레이다는 표적까지의 거리 및 레이다 고각으로부터 표적 고도를 산출하게 되는데 이 때 실제 대기 상태를 모르는 상태에서 대기 굴절을 보상하기 위해 표준 대기를 가정하여 광선 추적 모델로부터 표적 고도를 추정한다. 그 후 모의 상에서 실제 표적 고도를 알고 있으므로 위와 같이 추정된 표적 고도를 이용해 고도 오차를 계산한다. 또한 레이다 주파수 및 고각에 따라 평균 총 전자함유량 및 지연시간을 계산하고, 이로부터 전리층에 의한 거리 오차를 계산하게 된다. 표 1은 레이다 및 표적에 대한 입력 파라미터를 나타낸다. 레이다 사이트 높이는 100 m로 가정하였으며, 표적물 고도는 우주감시레이다의 주 감시영역인 저궤도영역(low earth orbit: LEO)인 400 km로 설정하였다. 레이다 고각은 0°～90°까지 10° 간격으로 설정하였는데, 0° 및 90°는 전파 굴절도 프로파일 영향이 없기 때문에 1° 및 89°로 대체하여 모의하였다. 또한 주파수는 VHF(300 MHz), L-band(1 GHz), S-band(3 GHz), C-band(6 GHz), X-band(10 GHz)로 설정하였다.
| Parameter | Input value |
|---|---|
| Frequency [GHz] | 0.3, 1, 3, 6, 10 |
| Radar site altitude [m] | 100 |
| Radar elevation [°] | 1, 10, 20, ⋯ 70, 80, 89 |
| Target altitude [km] | 400 |
Ⅳ. 레이다 오차 특성 분석 및 토의
전파 굴절에 의한 고도 오차의 경우 각 계절별로 약 180여 개 기상데이터 샘플에 대해 도출된 고도 오차의 평균 및 표준 편차를 계산하였으며, 표 2 및 표 3은 각각 레이다 고각에 따른 지역별/계절별 고도 오차의 평균과 표준 편차를 나타내며, 그림 6은 전파 굴절에 의한 레이다 오차 특성을 도식한 그림이다. 그 결과를 살펴보면, 전파 굴절에 의한 평균 고도 오차 및 표준 편차가 비슷한 양상을 보이며, 여름철에는 남해 > 서해 = 육지 > 동해 순이고 겨울철에는 남해 > 서해 > 동해 = 육지 순으로 오차가 크게 발생하였다. 이러한 양상은 2-3절에서 살펴본 한국 전파 굴절도의 굴절도 감쇄율 특성과 동일하게 나타남을 확인할 수 있다. 또한 레이다 고각에 따른 특성을 살펴보면, 레이다 고각이 증가함에 따라 오차는 지수적으로 급격히 감소하며, 지역 및 계절에 따른 영향이 감소함을 확인할 수 있다. 따라서 레이다 조향 범위 설계 시 운용 목적에 따라 레이다 고각이 낮을 경우 레이다 사이트 선정 및 계절적 영향 등을 고려하여야 하며, 표준 대기 모델로는 굴절 오차 보상에 한계가 있으므로 추가적인 보상 알고리즘 연구가 필요하다. 그에 반해 레이다 고각이 높을 경우, 지역 및 계절을 크게 고려할 필요가 없을 뿐 아니라 추가적인 보상 알고리즘이 크게 필요하지 않다. 그러나 일반 적으로 레이다 조향 범위가 기준 방향(boresight)을 중심으로 ±30°～±60°임을 감안할 때, 기준 방향이 천정 방향을 향하더라도 일부 고각에서 수 십～수 백 m의 굴절 오차가 발생 가능하므로 이를 감안하여 우주감시레이다를 설계해야 한다.
전리층의 시간 지연에 의한 거리 오차는 주파수 및 총 전자함유량에 의해 결정된다. 앞서 설명한 바와 같이 전리층의 총 전자함유량은 천정 방향 기준으로 10−16～10−18의 값을 가지기 때문에 이 최소값 및 최댓값에 대해 식 (5)를 통해 고각별 총 전자함유량을 계산하고, 식 (3)에 의해 전리층에 의한 시간 지연을 계산 후 빛의 속도를 곱해 거리 오차를 계산하였다. 이를 통해 주파수 및 레이다 고각별 최대/최소 오차를 도출하였으며, 표 4는 이를 정리한 표이고, 이를 그림 7에 도식하였다. 총 전자함유량의 최소값과 최대값 차이에 의해 거리 오차 또한 레이다 고각별로 100배 차이가 발생하며, 식 (3)에 의해 주파수의 제곱에 반비례하여 오차가 발생하였다. 또한 레이다 고각이 낮아질수록 전파 경로가 기하급수적으로 증가하므로 거리 오차가 급격히 증가한다. 이는 반대로는 레이다 고각이 증가할 경우, 거리 오차 감소폭이 매우 작음을 의미하며, 레이다 조향 범위에 대한 조정만으로는 이온층에 의한 거리 오차를 제거할 수 없음을 의미하므로 레이다 운용주파수와 조향 범위를 동시에 고려하거나, 이온층에 의한 영향을 보상하기 위한 알고리즘이 필요하다.
앞서 우주감시레이다의 외부 환경인 대기권에 의한 굴절 오차 및 전리층 거리 오차 특성에 대해 각각 살펴보았다. 이러한 외부 환경에 의한 오차는 레이다 운용 시 필연적으로 발생하기 때문에 레이다 요구사항 중 정확도 제원을 만족하기 위해서는 오차를 최소화하기 위한 설계 파라미터를 조정하거나 보상 알고리즘을 통해 오차를 보상하는 방법을 주로 사용하게 된다. 본 논문에서는 레이다 오차 특성을 최소화하기 위한 레이다 설계 고려사항에 대해 설명한다.
기존 우주감시레이다는 우주감시 임무뿐 아니라, 대륙간 탄도 미사일(international ballistic missile: ICBM)에 대한 조기 경보 임무를 동시에 수행하기 위해 레이다 조향각의 중심이 고각 10°～20°를 기준으로 설정되어 있으며, 최대출력을 낮추기 위해 주파수는 주로 VHF 대역 또는 UHF 대역을 사용하여 왔다. 그러나 이 경우, 앞서 살펴본 바와 같이 전파 굴절에 의한 오차 및 전리층 거리 오차가 매우 크게 발생하여 레이다 정확도가 매우 낮게 된다. 이러한 대표적인 우주감시레이다로 미국의 Pave Paws가 있으며, 그림 8은 그 형상을 나타낸다[15]. 최근에는 우주개발과 더불어 우주감시 임무의 중요성이 높아짐에 따라 우주감시 임무에 집중한 레이다들이 개발되고 있다. 그 대표적인 사례인 미국의 Space Fence 우주감시레이다[16]는 그림 9(a)에서 보듯이 송수신 배열안테나가 천정을 바라보게 설치되어 그림 9(b)와 같이 조향 범위가 천정을 기준으로 ±45°인 부채꼴로 설계되었다. 즉, 레이다 고각이 45°～90°이기 때문에 레이다 고각이 커서 굴절 오차의 영향을 최소화하였다. 이러한 레이다 조향 범위는 커버리지(coverage)를 나타내며, 조향 범위가 커질수록 더 다양한 경로의 표적을 감시할 수 있는 장점이 있지만, 더 낮은 레이다 고각에서도 조향이 가능해야 하기 때문에 그림 6에서 보듯이 굴절 오차의 영향을 더 크게 받게 되는 단점이 있다.
또한, Space-Fence 우주감시레이다는 S-band를 운용 주파수로 선택하고 있어 전리층의 거리 오차 영향을 기존 우주감시레이다의 VHF 대역 또는 UHF 대역에 비해 최소화하였다. 이렇게 운용 주파수를 높이면 해상도 면에서 유리할 뿐 아니라, 전리층에 의한 거리 오차를 감소시킬 수 있으나, 이 경우 레이다 공식[17]에 의해 SNR(Signal to Noise Ratio)이 감소하여 최대탐지거리 성능이 떨어지게 되므로 trade-off를 통해 레이다 설계를 최적화시킬 필요가 있다.
최근 국내에서도 우주감시레이다 개발 필요성에 따라 관련 연구가 수행된 바 있으며, 이에 대한 연구 결과가 발표되었다[18]. 이 연구에서 제안된 국내 우주감시레이다는 L-band를 운용 주파수로 선택하고 있으며, 천정 방향을 기준으로 ±45°의 조향 범위를 갖는다. 이 제안된 우주감시레이다를 토대로 대기권에 의한 영향을 분석하기 위해 그림 10에 굴절 오차와 전리층 거리 오차를 함께 도식하였다. 이때 굴절 오차는 지역 및 계절에 따른 평균 고도 오차를 도식하였으며, 거리 오차는 L-band와 S-band에 대해 총 전자함유량 범위의 중간 값인 10−17에 대해 도식하였다. 우선 L-band에서 레이다 고각이 90°인 천정 기준으로 ±45° 조향 범위를 가질 경우, 가장자리인 45°～50° 구간에서는 굴절 오차가 더 큰 영향을 미치며, 최대 약 10 m의 오차를 발생시킨다. 그에 비해 레이다 고각이 50° 이상에서는 전리층에 의한 거리 오차가 주요 오차 원인이 되며, 약 5 m의 오차를 발생시킨다. 만약 운용 주파수를 S-band로 변경할 경우 전리층에 의한 거리 오차는 거의 영향이 없으나, 굴절 오차는 주파수와 무관하기 때문에 동일하며, 최대탐지거리 성능 면에서 손해를 보기 때문에 L-band가 보다 유리할 것으로 판단된다. 이러한 오차 특성은 우주감시 임무에 따라 요구되는 정확도 성능에 영향을 미치며, 운용주파수 및 조향 범위와 연관되어 있으므로 레이다 설계 시 이를 고려한 최적화가 반드시 필요하다.
Ⅴ. 결 론
본 논문에서는 우주감시레이다에 대한 지구 대기권에 의한 굴절 오차 및 거리 오차를 도출함으로써 지구 대기권 영향을 분석하였다. 이를 위해 굴절 오차의 경우, 국내 기상관측소 측정 데이터를 이용하여 지역별/계절별 특성을 고려한 전파 굴절도 프로파일을 도출하고, 광선추적법을 이용해 레이다 고각별로 고도 오차를 도출하고, 그 특성을 분석하였다. 그 결과, 레이다 고각이 낮을 경우, 레이다 사이트 선정 및 계절적 영향 등을 고려하여야 하며, 표준 대기 모델로는 굴절 오차 보상에 한계가 있어 추가적인 보상 알고리즘 연구가 필요하다. 반면, 레이다 고각이 높을 경우, 지역 및 계절을 고려할 필요가 없고, 보상 알고리즘 또한 크게 필요하지 않다. 거리 오차는 주파수 및 레이다 고각에 따라 분석한 결과, 레이다 고각이 낮아지면 거리 오차가 기하급수적으로 증가하게 되나, 고각이 높아지면 거리 오차 감소폭이 급격히 감소하므로 조향 범위 조정만으로는 이온층에 의한 거리 오차 제거가 어려우며, 운용 주파수와 조향 범위를 동시에 고려해야 한다. 마지막으로 이러한 굴절 오차 및 전리층 거리 오차에 의해 최근 우주감시레이다는 천정 방향을 기준으로 조향 범위를 설정하고 있으며, 운용 주파수는 최대탐지거리와 이온층 영향을 고려하여 L-band 또는 S-band를 선택하고 있다. 그리고 우주감시레이다 설계 시 운용 요구사항 만족도 및 설계 파라미터 간 trade-off를 통해 최적화된 설계가 필요함을 확인하였다. 따라서 본 연구 결과인 지구 대기권에 의한 우주감시레이다 오차 특성은 향후 우주감시레이다 설계에 활용될 것으로 기대된다.
