• 위성 정밀 궤도 제어에 비잔틴 장애 허용(Byzantine fault tolerance)을 최초로 실무적으로 통합하여, 30%가 손상된 노드가 있음에도 불구하고 10 m 미만의 지상 궤도(ground track) 정확도를 달성함. • 제어 입력에 대해 직접 투표하는 추력 수준 합의(thrust-level consensus) 메커니즘을 새롭게 제안하며, 상태 추정치가 아니라 제어 입력을 대상으로 하여 이질적인 위성 특성을 자동으로 보정하면서 악의적 공격을 억제함. • ‘합의 항력(consensus drag)’ 현상 발견: 중간 수준의 통신 열화(링크 손실 10%)가 역설적으로 완전 연결 대비 추적 정확도를 27% 향상시킴. • 몬테카를로 검증(N=100회) 결과, 비잔틴 비율 전반에 걸쳐 통계적으로 안정적인 균일한 강건성(CV<20%, p=0.43)과 95% 이상의 합의 성공을 보임. 대규모 위성 성좌는 비잔틴 장애를 견디면서도 정밀한 궤도 기하를 유지하기 위해 자율 분산 제어가 필요하나, 전통적인 중앙집중형 구조는 O(N3) 복잡도, 단일 지점 취약성, 통신 지연으로 인해 50대 이상의 위성에서는 실패한다. 본 논문은 RGT-Walker 성좌를 대상으로, PBFT 원리를 통합하고 고정밀 광학 위성 간 링크(optical inter-satellite link) 모델링을 결합한 비잔틴 내성 분산 추력 합의 프레임워크를 제안한다. 이 알고리즘은 위성이 상태 추정치가 아니라 제어 입력에 대해 투표하는 직접 추력 수준 합의를 사용하며, 물리 검증, GPS 교차 검증, 가상 분할(virtual partitioning)이라는 3단계 검증을 함께 적용하여 악의적 제안을 억제한다. 7개 시나리오(명목, 비잔틴 장애 10%/20%/30%, 링크 손실 1%/5%/10%)에 대한 평가는 균일한 강건성을 입증한다: 지상 궤도 오차는 10 m 미만, PBFT 한계(비잔틴 비율 30%)에서도 합의 성공률은 95%를 초과한다. 몬테카를로 검증(N=100회)은 통계적 안정성(CV<20%, ANOVA p=0.43)을 확인한다. 고정밀 광학 ISL(inter-satellite link) 모델링은 완전 연결 대비 링크 손실 10%가 추적 정확도를 27% 향상시키는 역직관적인 ‘합의 항력’ 현상을 보여준다. 이 알고리즘은 O(N log N) 복잡도를 달성하고, 중앙집중형 제어 대비 73% 연료 절감 효과를 제공하며, 100대 이상의 위성으로 확장 가능하다. 이를 통해 정밀 궤도 제어에서의 비잔틴 장애 허용을 위한 최초의 실무적 접근을 제시한다.

본 연구는 위성 군집에서의 실시간 분산 교란 보상을 위한 협력적 신경망(NN-Shared) 프레임워크를 제안하며, 이는 RGT-Walker의 폐형(closed-form) 해에 기반한다. 기존의 추종-리더(leader-follower) 또는 독립적(independent) 기법과 달리, 군집 내 모든 위성은 구조적 동질성과 교란의 동질성을 완전히 공유하므로, 교란 및 오차 정보의 실시간 집단 학습과 교환이 가능하다. 폐형 RGT-Walker 정식화는 강하게 규칙적이고 주기적인 궤도 패턴을 제공하며, 고전적인 J 2 기반 모델과 비교하여 딥러닝의 예측 및 일반화 능력이 더 우수함이 이론적 및 실험적으로 입증된다. 수치 시뮬레이션 결과, NN-Shared 방식은 군집 수준에서 제어 노력, 연료 소모, 궤적 오차 측면에서 칼만(Kalman), PID 및 계층적(hierarchical) 방법과 같은 기존 제어기보다 크게 뛰어나다. 이러한 결과는 실제 공간 환경에서 차세대 자율적 고정밀 위성 군집 운용의 필수 요소로서, 분산 신경 협력 제어 및 정보 공유를 배치하기 위한 실질적·기술적 기반을 제공한다.

본 연구는 저추력 시스템을 위한 시간 기반 자동 궤도 제어 법칙을 제안하며, 특정 위성군의 궤도 구성을 유지하기 위해 궤도 튜브(orbit tube)를 적용하는 방안을 함께 다룬다. 현재의 궤도 구성은 최근 개발된 RGT-Walker(Repeating Ground Track and Walker) 방법을 사용하여 위성 집단이 단일 지상궤도를 비행하도록 설계되어 있으나, 섭동의 영향으로 인해 궤도 구성을 유지할 수 없다. 본 연구는 반장축만을 이용하는 시간 기반 자율 제어 기법을 통해 특정 궤도 튜브 내에서 궤도 구성을 유지함으로써 이 문제를 해결한다. 이러한 노력은 복잡한 센서 운용의 단순화 및 위성군의 주기적이고 동일한 반복 지상궤도 운용을 통한 자동 궤도 제어 명령 시스템의 구현과 같은 임무 운용의 작업량을 유의미하게 감소시키는 데 기여한다. 또한 본 연구는 재방문 성능 평가, 센서 운용 계획, 연료 소모 분석을 포함하는 다양한 의미 있는 실험적 시뮬레이션 결과를 제공한다. 특히 제안된 on–off 자율 제어 법칙은 기존 제어 방법과 비교하여 저추력 시스템에서 연료 소모를 유의미하게 감소시키는 것으로 검증되었다.

이 논문은 관심 영역 내 관측 목표를 지향하는 위성 군집에 대한 최적화 방법을 제시한다. 구체적으로, 위성 군집은 해당 지역에서 분산된 목표물에 대한 관측 우선순위와 가중치를 고려하여 최적화되며, 밀집된 목표물에는 집중적으로 배치될 수 있다. 전 세계적으로 규칙적인 분포의 특성으로 인해, 광범위하게 연구되어 온 Walker 군집은 관측 가중치 및 목표물에 대한 집중 관측을 기반으로 한 임무 설계 측면에서 제한이 있다. 이에 따라 본 연구는 일반적인 Walker 기법의 한계를 해결하면서, 위성이 관측 목표에 접근하는 횟수(number of accesses)에 기반하여 다양한 최적화 문제를 적용하는 방법을 제안한다. 본 연구의 최적화 및 타기팅은 반복 지상 궤도의 동적 모델에 기반한 군집 설계, 지상 궤도에 대한 기하학적 분석을 통해 센서 스와스의 근사해를 구하는 과정, 그리고 다중 목표물을 위한 Access Matrix의 구현을 통해 달성된다. 이러한 연구 결과는 Walker 군집에 비해 재방문 성능을 현저히 감소시키며, 다중 목표물을 위한 위성 그룹의 최적화된 군집 설계 기술을 시사한다.

• 위성 정밀 궤도 제어에 비잔틴 장애 허용(Byzantine fault tolerance)을 최초로 실무적으로 통합하여, 30%가 손상된 노드가 있음에도 불구하고 10 m 미만의 지상 궤도(ground track) 정확도를 달성함. • 제어 입력에 대해 직접 투표하는 추력 수준 합의(thrust-level consensus) 메커니즘을 새롭게 제안하며, 상태 추정치가 아니라 제어 입력을 대상으로 하여 이질적인 위성 특성을 자동으로 보정하면서 악의적 공격을 억제함. • ‘합의 항력(consensus drag)’ 현상 발견: 중간 수준의 통신 열화(링크 손실 10%)가 역설적으로 완전 연결 대비 추적 정확도를 27% 향상시킴. • 몬테카를로 검증(N=100회) 결과, 비잔틴 비율 전반에 걸쳐 통계적으로 안정적인 균일한 강건성(CV<20%, p=0.43)과 95% 이상의 합의 성공을 보임. 대규모 위성 성좌는 비잔틴 장애를 견디면서도 정밀한 궤도 기하를 유지하기 위해 자율 분산 제어가 필요하나, 전통적인 중앙집중형 구조는 O(N3) 복잡도, 단일 지점 취약성, 통신 지연으로 인해 50대 이상의 위성에서는 실패한다. 본 논문은 RGT-Walker 성좌를 대상으로, PBFT 원리를 통합하고 고정밀 광학 위성 간 링크(optical inter-satellite link) 모델링을 결합한 비잔틴 내성 분산 추력 합의 프레임워크를 제안한다. 이 알고리즘은 위성이 상태 추정치가 아니라 제어 입력에 대해 투표하는 직접 추력 수준 합의를 사용하며, 물리 검증, GPS 교차 검증, 가상 분할(virtual partitioning)이라는 3단계 검증을 함께 적용하여 악의적 제안을 억제한다. 7개 시나리오(명목, 비잔틴 장애 10%/20%/30%, 링크 손실 1%/5%/10%)에 대한 평가는 균일한 강건성을 입증한다: 지상 궤도 오차는 10 m 미만, PBFT 한계(비잔틴 비율 30%)에서도 합의 성공률은 95%를 초과한다. 몬테카를로 검증(N=100회)은 통계적 안정성(CV<20%, ANOVA p=0.43)을 확인한다. 고정밀 광학 ISL(inter-satellite link) 모델링은 완전 연결 대비 링크 손실 10%가 추적 정확도를 27% 향상시키는 역직관적인 ‘합의 항력’ 현상을 보여준다. 이 알고리즘은 O(N log N) 복잡도를 달성하고, 중앙집중형 제어 대비 73% 연료 절감 효과를 제공하며, 100대 이상의 위성으로 확장 가능하다. 이를 통해 정밀 궤도 제어에서의 비잔틴 장애 허용을 위한 최초의 실무적 접근을 제시한다.

본 연구는 위성 군집에서의 실시간 분산 교란 보상을 위한 협력적 신경망(NN-Shared) 프레임워크를 제안하며, 이는 RGT-Walker의 폐형(closed-form) 해에 기반한다. 기존의 추종-리더(leader-follower) 또는 독립적(independent) 기법과 달리, 군집 내 모든 위성은 구조적 동질성과 교란의 동질성을 완전히 공유하므로, 교란 및 오차 정보의 실시간 집단 학습과 교환이 가능하다. 폐형 RGT-Walker 정식화는 강하게 규칙적이고 주기적인 궤도 패턴을 제공하며, 고전적인 J 2 기반 모델과 비교하여 딥러닝의 예측 및 일반화 능력이 더 우수함이 이론적 및 실험적으로 입증된다. 수치 시뮬레이션 결과, NN-Shared 방식은 군집 수준에서 제어 노력, 연료 소모, 궤적 오차 측면에서 칼만(Kalman), PID 및 계층적(hierarchical) 방법과 같은 기존 제어기보다 크게 뛰어나다. 이러한 결과는 실제 공간 환경에서 차세대 자율적 고정밀 위성 군집 운용의 필수 요소로서, 분산 신경 협력 제어 및 정보 공유를 배치하기 위한 실질적·기술적 기반을 제공한다.

본 연구는 저추력 시스템을 위한 시간 기반 자동 궤도 제어 법칙을 제안하며, 특정 위성군의 궤도 구성을 유지하기 위해 궤도 튜브(orbit tube)를 적용하는 방안을 함께 다룬다. 현재의 궤도 구성은 최근 개발된 RGT-Walker(Repeating Ground Track and Walker) 방법을 사용하여 위성 집단이 단일 지상궤도를 비행하도록 설계되어 있으나, 섭동의 영향으로 인해 궤도 구성을 유지할 수 없다. 본 연구는 반장축만을 이용하는 시간 기반 자율 제어 기법을 통해 특정 궤도 튜브 내에서 궤도 구성을 유지함으로써 이 문제를 해결한다. 이러한 노력은 복잡한 센서 운용의 단순화 및 위성군의 주기적이고 동일한 반복 지상궤도 운용을 통한 자동 궤도 제어 명령 시스템의 구현과 같은 임무 운용의 작업량을 유의미하게 감소시키는 데 기여한다. 또한 본 연구는 재방문 성능 평가, 센서 운용 계획, 연료 소모 분석을 포함하는 다양한 의미 있는 실험적 시뮬레이션 결과를 제공한다. 특히 제안된 on–off 자율 제어 법칙은 기존 제어 방법과 비교하여 저추력 시스템에서 연료 소모를 유의미하게 감소시키는 것으로 검증되었다.

이 논문은 관심 영역 내 관측 목표를 지향하는 위성 군집에 대한 최적화 방법을 제시한다. 구체적으로, 위성 군집은 해당 지역에서 분산된 목표물에 대한 관측 우선순위와 가중치를 고려하여 최적화되며, 밀집된 목표물에는 집중적으로 배치될 수 있다. 전 세계적으로 규칙적인 분포의 특성으로 인해, 광범위하게 연구되어 온 Walker 군집은 관측 가중치 및 목표물에 대한 집중 관측을 기반으로 한 임무 설계 측면에서 제한이 있다. 이에 따라 본 연구는 일반적인 Walker 기법의 한계를 해결하면서, 위성이 관측 목표에 접근하는 횟수(number of accesses)에 기반하여 다양한 최적화 문제를 적용하는 방법을 제안한다. 본 연구의 최적화 및 타기팅은 반복 지상 궤도의 동적 모델에 기반한 군집 설계, 지상 궤도에 대한 기하학적 분석을 통해 센서 스와스의 근사해를 구하는 과정, 그리고 다중 목표물을 위한 Access Matrix의 구현을 통해 달성된다. 이러한 연구 결과는 Walker 군집에 비해 재방문 성능을 현저히 감소시키며, 다중 목표물을 위한 위성 그룹의 최적화된 군집 설계 기술을 시사한다.

초록 본 연구는 지구동기궤도(GSO) 군집 설계를 위한 전용 폐형식 해(dedicated closed-form solution)와 위성 위상(satellite phasing) 규칙을 제안한다. GSO 위성의 궤적은 회전 속도가 지구의 회전 속기와 동일하기 때문에 특징적인 여덟자(figure-eight) 모양을 보인다. GSO는 특정 지역에 대해 우수한 커버리지 성능을 제공한다는 장점이 있다. 최근 몇몇 국가들은 GSO를 기반으로 하는 지역 항법 시스템의 개발을 시작하였다. 효과적인 지역 항법 성능 분석을 위해 다양한 GSO 군집 설계가 존재하나, 전용 GSO 군집 해는 아직 제시되지 않았다. 본 연구는 이러한 군집을 위한 해를 제공하고, 여러 경우에 대해 기하학적 정밀도 희석(geometric dilution-of-precision) 성능을 비교 분석하고 평가함으로써 그 실용성을 입증한다.

관심 영역 내 각 표적(target)에 대해 원하는 재방문 성능(revisit performance)을 달성하기 위한 위성 군집(satellite constellations) 최적화 방법과 일련의 프로세스 전략을 제안한다. 주기적 특성을 갖는 반복 지상 궤적(repeat ground track) 궤도 개념을 사용하여, 각 표적에 대해 원하는 재방문 성능을 달성하기 위한 맞춤형 지역-위성-군집(regional-satellite-constellation) 방법을 개발하였다. 본 연구는 네 가지 프로그램을 나타내는 네 부분으로 구성된다. 즉, 최적화 기법을 통해 궤도 요소(orbit elements)를 찾는 과정, 표적과 위성 간의 접근 행렬(access matrix)을 생성하는 과정, 원하는 재방문 성능을 달성하기 위해 각 표적에 필요한 위성 수를 도출하는 과정, 그리고 궤도면(orbital plane)을 최소화하여 위성 그룹을 배치하는 과정이다. 이후 본 최적화 방법의 우수성은, 기존의 통상적 워커(Walker) 방법과 비교하여 재방문 성능에 대한 수치 비교 및 등고선 분포(contour distributions)를 통해 검증된다.

연속적 및 주기적 커버리지에서의 커버리지 일관성과 발사 비용 문제를 해결하기 위하여, 본 연구는 반복 지상궤도(ground track) 궤도에 대한 규칙적이고 대칭적인 성좌(constellation) 방법과 성좌 설계를 위한 폐형식 해(closed-form solution)를 제안한다. 본 연구에서 개발한 운동방정식은 프톨레마이오스의 주전원(deferent) 및 외심원(epicycle) 체계에 대한 기하학적 분석을 통해 구현되었으며, 해는 설계 파라미터들로 구성되었다. 따라서 기존의 성좌 방법과 달리 설계와 분석을 동시에, 그리고 효율적으로 수행할 수 있다. 제안된 성좌 방법의 성능은 성능지표(figure of merit) 민감도 및 커버리지 일관성 측면에서 전형적인 워커(Walker) 성좌와 비교되었고, 그 우수한 성능이 검증되었다. 또한 동일한 반복 지상궤도 궤도를 사용하는 플라워(Flower) 성좌와의 비교를 발사 비용 문제 및 성좌 설계에 관한 이론적 비교를 통해 평가하였다.