정지궤도 위성은 일정한 위치에서 지구를 지속적으로 관측할 수 있어 통신, 기상 관측, Global Positioning System (GPS) 위성 등에 유리하지만, 정지궤도 내에서 주변 위성 간의 간섭이 생길 수 있어 궤도에 위치시킬 수 있는 위성의 수가 제한되어 있다. 반면에 경사 궤도 위성의 경우 궤도의 설계에 따라 우주에 위치시킬 수 있는 위성의 수에 대한 제약이 적고 더 넓은 영역에 대해 커버리지를 가질 수 있다는 장 점이 있어 항법 위성에 널리 채택이 되고 있는 추세이다. 본 논문에서는 우주 방사선 예측 소프트웨어 OMERE와 SPENVIS를 이용해 정지궤도 위성과 경사궤도 위성에 대해 우주 방사선 환경을 비교 분석하였 다. 누적 방사선량에 가장 큰 영향을 주는 요소는 Van-Allen Belt의 Trapped Electron으로써, Altitude가 20,000 km 부근에서 최대 Flux를 가지고 지구에서 멀어질수록 다시 그 값이 낮아진다. 경사궤도 위성의 경 우 Latitude가 적도면으로 일정한 정지궤도 위성과 달리 남반구부터 북반구까지 표동을 하게 되는데, 이때 Altitude도 Latitude가 변함에 따라 정지궤도의 Altitude인 36,000 km보다 낮아지거나 높아지며 변하게 된다. 그 결과 경사궤도 위성은 상대적으로 Electron Flux가 낮은 영역에서 표동을 하게 되어 동일한 임무기간 동안 정지궤도 위성 보다 낮은 방사선량에 노출이 된다. 다만 경사궤도를 설계할 때 누적 방사선 량에 대한 설계 부담을 줄이기 위해서는 위성이 적도면 (Latitude = 0) 부근을 지날 때 Altitude가 Electron Flux가 높은 영역인 20,000 km 주변을 지나지 않도록 궤도를 설계하는 것이 필요하다.

Analysis on Space Radiation Environment of Inclined Orbit Satellite

Taehyo Kim*, Woojun Lee

Geostationary satellites can continuously observe the Earth from a specific location, making them advantageous for communications, weather observation, and GPS satellites. However, in geostationary orbit, interference between surrounding satellites can occur, so the number of satellites that can be placed into orbit is limited. On the other hand, inclined orbit satellites have fewer limitations on the number of satellites that can be deployed in space depending on the orbital design and have the advantage of being able to cover a wider area, so they are widely adopted as navigation satellites. In this paper, we compared and analyzed the space radiation environments of geostationary orbit satellites and inclined orbit satellites using space radiation prediction software OMERE and SPENVIS. The factor with the greatest influence on Total Ionizing Dose is the Van-Allen Belt's Trapped Electron, which has a maximum magnetic flux around 20,000 km altitude and decreases again with distance from the Earth. In the case of inclined orbit satellites, unlike geostationary satellites whose latitude is constant in the equator plane, they drift from the southern hemisphere to the northern hemisphere. At this time, as the latitude changes, the altitude also changes, becoming lower or higher than the geostationary orbit altitude of 36,000 km. As a result, inclined orbit satellites drift in regions of relatively low electron flux and are exposed to lower radiation doses than geostationary satellites during the same mission period. However, in order to reduce the design burden of accumulated radiation dose when designing an inclined orbit, it is necessary to design the orbit so that when the satellite passes near the equatorial plane (latitude = 0), it does not pass near an altitude of 20,000 km, an area where electron flux is high.

Keywords: inclined orbit, space radiation environment, total ionizing dose

Speaker 김태효* 한국항공우주연구원