위성 안테나 및 비균질 대기권을 고려한 우주 전파 해석
Analysis of space wave propagation considering satellite antenna and inhomogeneous atmosphere
- 주제(키워드) 광선추적법 , 기하광학법 , 우주전파해석
- 주제(DDC) 004.6
- 발행기관 아주대학교
- 지도교수 박용배
- 발행년도 2021
- 학위수여년월 2021. 8
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 일반대학원 AI융합네트워크학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000031159
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
지구를 공전하는 인공위성과 지상국 간의 통신에서, 전자파는 굴절, 감쇠, 지연 등의 대기 전파 영향을 받게 된다. 최근 인공위성과 지상국 간 대기권에서의 감쇠, 굴절, 지연 등을 예측하는 연구가 진행되었다. 하지만 실제 위성의 궤도 및 탑재 안테나를 고려한 연구는 수행되지 않았기 때문에, 이를 위해 위성 안테나 및 비균질 대기권의 해석이 요구된다. 본 논문에서는 위성 반사판 안테나의 복사 특성과 비균질 대기권 특성을 물리광학법, 광선추적법, 기하광학법으로 고려하여 해석하였다. 반사판 안테나는 급전부, 반사판으로 나누고, 급전 혼안테나에서 방사된 전자기장 성분을 이용하여 반사판 위에서 표면 전류를 계산하였다. 반사판은 focal length, 직경, 급전 구조에 따라서 형상이 결정되고, 원통좌표계의 반지름, 높이에 따라 수많은 표면으로 분할된다. 대기권 환경은 분할된 표면에서 표면등가전류에서 복사전자기장을 포함하는 전자기파 광선을 생성하여 해석한다. 대기권은 고도에 따라서 다수의 층으로 분할되고, 분할된 층에서의 굴절률은 측정된 기상정보를 이용하여 계산된다. 위성에서 지상국까지의 광선 전자기장 및 경로는 분할된 대기층을 통과할 때마다 층의 경계에서의 굴절률, 입사각을 이용하여 계산된다. 경로의 수렴을 위해 목표 관측점과 광선의 최종 도달 지점의 오차가 0.01 파장 미만이 되도록 광선 발사 각도를 수정하는 과정이 반복된다. 광선의 경로가 결정되면, 편파를 고려한 투과파 계산과 기하광학법을 이용한 전자기장 계산이 수행된다. 본 논문에서는 고주파 수치해석 기법을 이용하여, 위성 안테나 및 비균질 대기권 환경을 고려한 위성-지상국 간의 전파를 해석하였다. 본 방법을 통해 위성에서 지상국까지의 전파 특성을 정확하게 추정해야하는 항법, 감시, 별자리 네트워크 등의 위성 임무에 유용하다.
more초록/요약
In communication between satellites orbiting the earth and ground stations, electromagnetic waves are affected by atmospheric effects such as refraction, attenuation, and delay. Recently, researches have been conducted to predict attenuation, refraction, and delay in the atmosphere between satellites and ground stations. However, studies considering the actual satellite orbit and the mounted antenna have not been conducted, the analysis of the sate antenna and inhomogeneous atmosphere are required. In this paper, the radiation of reflector antenna and inhomogeneous atmosphere were analyzed by considering the physical optics, ray tracing technique, and geometrical optics. The reflector antenna was divided into a feed antenna and reflector, and the surface current was calculated on the reflector and electromagnetic fields from the feed horn antenna. The shape of the reflector is determined according to the focal length, diameter, and feed structure, and is divided into numerous surfaces according to the radius and height of the cylindrical coordinate system. Atmospheric environment is analyzed by generating rays, including electromagnetic field at surface equivalent current on a divided surface. The atmosphere is stratified into multiple layers by altitude, and the refractive index in the stratified layer is calculated using the meteorological data. The path and electromagnetic field of the ray from the satellite to ground stations are calculated using refractive index and the angle of incidence at the boundary of the stratified layer, when it passes through stratified atmospheric layers. For the convergence of the path, the process of modifying the angle of the ray is repeated so that the error between arrival point and target observation point is less than 0.01 wavelengths. When the path of the ray is determined, the transmitted wave calculation considering polarization and electromagnetic field calculation using geometrical optics are performed. In this paper, electromagnetic wave propagation between satellite and ground stations were analyzed by using high-frequency method considering satellite antenna and inhomogeneous atmosphere. Our method is useful for satellite mission such as navigation, surveillance, and constellation networks that require the accurate estimation of the satellite links from the satellite to the ground station.
more목차
제 1 장 서 론 1
제 2 장 위성 안테나의 복사 특성 해석 5
제 1 절 서론 5
제 2 절 구조 해석 6
2.2.1 급전 혼 안테나 6
2.2.2 파라볼라 반사판 안테나 8
제 3 절 계산 결과 10
2.3.1 피라미드 혼 안테나 10
2.3.2 파라볼라 반사판 안테나 12
제 4 절 결론 13
제 3 장 정지궤도 위성과 지상국 간의 전파 해석 14
제 1 절 서론 14
제 2 절 구조 해석 15
3.2.1 전파 해석 알고리즘 15
3.2.2 오프셋 파라볼라 반사판 안테나 17
3.2.3 비균질 대기권 환경 19
3.2.4 광선추적법 및 기하광학법 24
제 3 절 계산 결과 30
3.3.1 계산 결과 검증 30
3.3.2 시뮬레이션 결과 32
제 4 절 결론 38
제 4 장 저궤도 위성과 지상국 간의 전파 해석 39
제 1 절 서론 39
제 2 절 구조 해석 40
4.2.1 전파 해석 알고리즘 40
4.2.2 파라볼라 반사판 안테나 42
4.2.3 비균질 대기권 환경의 보간 43
제 3 절 계산 결과 54
4.3.1 계산 결과 검증 54
제 4 절 결론 66
제 5 장 결론 67
참고문헌 69
부록 74
