The first Korea lunar orbiter, Korea Pathfinder Lunar Orbiter (KPLO), has been in development since 2016. After launch, the KPLO will execute several maneuvers to enter into the lunar mission orbit, and will then perform lunar science missions for one year. Among these maneuvers, the lunar orbit insertion (LOI) is the most critical maneuver because the KPLO will experience an extreme velocity change in the presence of the Moon's gravitational pull. However, the lunar orbiter may have a delayed LOI burn during operation due to hardware limitations and telemetry delays. This delayed burn could occur in different captured lunar orbits; in the worst case, the KPLO could fly away from the Moon. Therefore, in this study, the burn delay for the first LOI maneuver is analyzed to successfully enter the desired lunar orbit. Numerical simulations are performed to evaluate the difference between the desired and delayed lunar orbits due to a burn delay in the LOI maneuver. Based on this analysis, critical factors in the LOI maneuver, the periselene altitude and orbit period, are significantly changed and an additional delta-V in the second LOI maneuver is required as the delay burn interval increases to 10 min from the planned maneuver epoch.
In this paper, a brief but essential development strategy for the lunar orbit determination system is discussed to prepare for the future Korea's lunar missions. Prior to the discussion of this preliminary development strategy, technical models of foreign agencies for the lunar orbit determination system, tracking networks to measure the orbit, and collaborative efforts to verify system performance are reviewed in detail with a short summary of their lunar mission history. Covered foreign agencies are European Space Agency, Japan Aerospace Exploration Agency, Indian Space Research Organization and China National Space Administration. Based on the lessons from their experiences, the preliminary development strategy for Korea's future lunar orbit determination system is discussed with regard to the core technical issues of dynamic modeling, numerical integration, measurement modeling, estimation method, measurement system as well as appropriate data formatting for the interoperability among foreign agencies. Although only the preliminary development strategy has been discussed through this work, the proposed strategy will aid the Korean astronautical society while on the development phase of the future Korea's own lunar orbit determination system. Also, it is expected that further detailed system requirements or technical development strategies could be designed or established based on the current discussions.
The deep space orbit determination software (DSODS) is a part of a flight dynamic subsystem (FDS) for the Korean Pathfinder Lunar Orbiter (KPLO), a lunar exploration mission expected to launch after 2018. The DSODS consists of several sub modules, of which the orbit determination (OD) module employs a weighted least squares algorithm for estimating the parameters related to the motion and the tracking system of the spacecraft, and subroutines for performance improvement and detailed analysis of the orbit solution. In this research, DSODS is demonstrated and validated at lunar orbit at an altitude of 100 km using actual Lunar Prospector tracking data. A set of a priori states are generated, and the robustness of DSODS to the a priori error is confirmed by the NASA planetary data system (PDS) orbit solutions. Furthermore, the accuracy of the orbit solutions is determined by solution comparison and overlap analysis as about tens of meters. Through these analyses, the ability of the DSODS to provide proper orbit solutions for the KPLO are proved.
To prepare for a Korean lunar orbiter mission, a precise lunar orbit propagator; Yonsei precise lunar orbit propagator (YSPLOP) is developed. In the propagator, accelerations due to the Moon's non-spherical gravity, the point masses of the Earth, Moon, Sun, Mars, Jupiter and also, solar radiation pressures can be included. The developed propagator's performance is validated and propagation errors between YSPOLP and STK/Astrogator are found to have about maximum 4-m, in along-track direction during 30 days (Earth's time) of propagation. Also, it is found that the lifetime of a lunar polar orbiter is strongly affected by the different degrees and orders of the lunar gravity model, by a third body's gravitational attractions (especially the Earth), and by the different orbital inclinations. The reliable lifetime of circular lunar polar orbiter at about 100 km altitude is estimated to have about 160 days (Earth's time). However, to estimate the reasonable lifetime of circular lunar polar orbiter at about 100 km altitude, it is strongly recommended to consider at least $50\;{\times}\;50$ degrees and orders of the lunar gravity field. The results provided in this paper are expected to make further progress in the design fields of Korea's lunar orbiter missions.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.46
no.12
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pp.1028-1036
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2018
KARI plans to launch Korea Pathfinder Lunar Orbiter (KPLO) to the Moon by December 2020 for the first step of the Korea Lunar Exploration Project. This orbiter will be launched to obtain lunar exploration technologies and science data in advance before launching a main orbiter and a lunar probe. This paper describes the verification of thermal design for the orbiter. It is exposed to more extreme thermal environment than that of low Earth orbit satellite due to the heavy infrared emission of the Moon. Accordingly, a thermal design considering this environment is needed to maintain the temperature of payloads and components equipped in the orbiter within operating temperature range in all orbits. We performed the thermal analysis for Earth-Moon transfer orbit, lunar mission orbit and lunar eclipse required for thermal design verification of the lunar orbiter. As a result, this thermal design met the design requirements.
The current study designs the mission orbit of the lunar CubeSat spacecraft to measure the lunar local magnetic anomaly. To perform this mission, the CubeSat will impact the lunar surface over the Reiner Gamma swirl on the Moon. Orbit analyses are conducted comprising ${\Delta}V$ and error propagation analysis for the CubeSat mission orbit. First, three possible orbit scenarios are presented in terms of the CubeSat's impacting trajectories. For each scenario, it is important to achieve mission objectives with a minimum ${\Delta}V$ since the CubeSat is limited in size and cost. Therefore, the ${\Delta}V$ needed for the CubeSat to maneuver from the initial orbit toward the impacting trajectory is analyzed for each orbit scenario. In addition, error propagation analysis is performed for each scenario to evaluate how initial errors, such as position error, velocity error, and maneuver error, that occur when the CubeSat is separated from the lunar orbiter, eventually affect the final impact position. As a result, the current study adopts a CubeSat release from the circular orbit at 100 km altitude and an impact slope of $15^{\circ}$, among the possible impacting scenarios. For this scenario, the required ${\Delta}V$ is calculated as the result of the ${\Delta}V$ analysis. It can be used to practically make an estimate of this specific mission's fuel budget. In addition, the current study suggests error constraints for ${\Delta}V$ for the mission.
Kim, Young-Rok;Song, Young-Joo;Park, Jae-ik;Lee, Donghun;Bae, Jonghee;Hong, SeungBum;Kim, Dae-Kwan;Lee, Sang-Ryool
Journal of Astronomy and Space Sciences
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v.37
no.4
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pp.237-247
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2020
The ground tracking support is a critical factor for the navigation performance of spacecraft orbiting around the Moon. Because of the tracking limit of antennas, only a small number of facilities can support lunar missions. Therefore, case studies for various ground tracking support conditions are needed for lunar missions on the stage of preliminary mission analysis. This study analyzes the ground supporting condition effect on orbit determination (OD) of Korea Pathfinder Lunar Orbiter (KPLO) in the lunar orbit. For the assumption of ground support conditions, daily tracking frequency, cut-off angle for low elevation, tracking measurement accuracy, and tracking failure situations were considered. Two antennas of deep space network (DSN) and Korea Deep Space Antenna (KDSA) are utilized for various tracking conditions configuration. For the investigation of the daily tracking frequency effect, three cases (full support, DSN 4 pass/day and KDSA 4 pass/day, and DSN 2 pass/day and KDSA 2 pass/day) are prepared. For the elevation cut-off angle effect, two situations, which are 5 deg and 10 deg, are assumed. Three cases (0%, 30%, and 50% of degradation) were considered for the tracking measurement accuracy effect. Three cases such as no missing, 1-day KDSA missing, and 2-day KDSA missing are assumed for tracking failure effect. For OD, a sequential estimation algorithm was used, and for the OD performance evaluation, position uncertainty, position differences between true and estimated orbits, and orbit overlap precision according to various ground supporting conditions were investigated. Orbit prediction accuracy variations due to ground tracking conditions were also demonstrated. This study provides a guideline for selecting ground tracking support levels and preparing a backup plan for the KPLO lunar mission phase.
Korea Aerospace Research Institute(here after KARI) has a plan to launch experimental lunar orbiter in 2018, and lunar orbiter and lander in 2020. There are several ways to go to the moon. Which one is direct transfer trajectory and another one is phasing loop transfer trajectory and the other one is WSB trajectory. Regardless of the transfer trajectories, LOI maneuver is the most important maneuver of all mission sequences because if this burn is failed, it is too difficult to get into the lunar orbit in the future. This paper describes first LOI target value of foreign lunar orbiters and analyzes orbital variations of experimental lunar orbiter according to various target values. By analyzing the variation of orbiter parameter after first LOI, proper orbital period for LOI target value are recommended to meet the inclination, apoapsis and periapsis altitude constraints.
Young-Joo Song;Jonghee Bae;SeungBum Hong;Jun Bang;Donghun Lee
Journal of Astronomy and Space Sciences
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v.40
no.3
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pp.123-129
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2023
This paper presents an analysis of the trans-lunar trajectory insertion performance of the Korea Pathfinder Lunar Orbiter (KPLO), the first lunar exploration spacecraft of the Republic of Korea. The successful launch conducted on August 4, 2022 (UTC), utilized the SpaceX Falcon 9 rocket from Cape Canaveral Space Force Station. The trans-lunar trajectory insertion performance plays a crucial role in ensuring the overall mission success by directly influencing the spacecraft's onboard fuel consumption. Following separation from the launch vehicle (LV), a comprehensive analysis of the trajectory insertion performance was performed by the KPLO flight dynamics (FD) team. Both orbit parameter message (OPM) and orbit determination (OD) solutions were employed using deep space network (DSN) tracking measurements. As a result, the KPLO was accurately inserted into the ballistic lunar transfer (BLT) trajectory, satisfying all separation requirements at the target interface point (TIP), including launch injection energy per unit mass (C3), right ascension of the injection orbit apoapsis vector (RAV), and declination of the injection orbit apoapsis vector (DAV). The precise BLT trajectory insertion facilitated the smoother operation of the KPLO's remainder mission phase and enabled the utilization of reserved fuel, consequently significantly enhancing the possibilities of an extended mission.
This paper considers the trajectory design problem for a lunar orbiter when launched by KSLV-II. KSLV-II puts its kick motor stage and lunar orbiter into a low earth orbit, and then the kick motor stage performed the translunar injection. To simulate more realistic situations, TLI (Trans-Lunar Injection) and LOI (Lunar Orbit Injection) maneuvers are modeled as finite burns. The feasibility of the lunar mission by KSLV-II are confirmed by the numerical results that show the reasonable required-velocity and propellant usage.
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