다목적 실용위성(KOMPSAT) 시리즈는 전력버스가 위성의 배터리와 직접 연결되어 있어 버스전압이 배터리와 동일하며, 전력조절기(Power Regulator)의 스위칭 듀티 값이 위성 탑재 소프트웨어에 의해 제어되는 소프트웨어 제어방식의 비조절형 버스 시스템 (Unregulated Bus System)을 사용한다. 본 논문에서는 이와 같은 소프트웨어 제어방식 비조절형 버스시스템을 채택하는 위성의 전력조절기 모듈화에 적용 가능한 새로운 전원단 회로를 제안하며 제안된 전원단의 모드별 동작 특성을 해석하고 시뮬레이션 결과와 비교, 검토한다. (중략)
국가우주개발 중장기 계획의 일환으로 "통신방송위성(CBS: Communications and Broadcasting Satellite) 탑재체 개발 사업"이 한국전자통신연구원을 중심으로 국내산업체와 공동으로 추진되었다. 통신탑재체는 Ku대역 및 Ka대역 통신중계기와 안테나로 구성되며, 2000년 5월부터 2003년 4월까지 3년 동안 기술검증모델 탑재체가 개발되었다. 본 사업에서 통신방송위성을 위한 위성버스체는 개발되지 않으므로 위성을 이루는 통신탑재체와 버스체의 구성이 완벽하지 않았다. 이러한 문제를 해결하기 위해 위성버스체를 대신할 소프트웨어 위성시뮬레이터의 개발이 요구되었다. 개발에 적용된 위성버스체는 무궁화위성 버스체를 그 대상 모델로 가정하였다. 독립적으로 존재하는 하드웨어 통신탑재체와 소프트웨어 위성시뮬레이터의 연동은 통신탑재체의 기능 시험 및 검증을 목적으로 개발된 전기적 지상시험장치(EGSE: Electrical Ground Support Equipment)의 전력, 원격명령 및 원격측정 시스템(PCTS: Power, Command and Telemetry System)을 통해 이루어지도록 설계되었다. 이러한 시스템 개발을 통해 하드웨어 통신탑재체와 실시간으로 연동되는 Hardware-in-the-loop(HITL) 통신방송위성 시뮬레이터(CBSSIM: CBS Simulator)를 구현하였다. CBSSIM의 위성버스체 모델은 모멘텀 바이어스 삼축 안정화 방식의 정지궤도 위성이고, CBSSIM은 PCTS와 TCP/IP로 연결되고, 통신탑재체는 DC하니스 및 MIL-STD-1553B로 PCTS와 연결된다. CBSSIM은 실시간 처리부을 통해 통신탑재체와 위성버스체 모델로 원격명령을 전송하며, 통신중계기로부터 실제 원격측정 자료와 위성버스체 모델로부터 생성된 원격측정 자료를 수집한다. CBSSIM은 다양한 그래픽 사용자 인터페이스(GUI: Graphic User Interface)를 통해 위성의 상태를 감시할 수 있으며, 통신위성의 발사 전후 및 궤도 운용시의 상태를 모사할 수 있다. 본 논문에서는 객체지향 기법에 의해 위성버스체를 모사한 CBSSIM과 통신탑재체 및 통신탑재체와 CBSSIM을 연동시키는 PCTS를 포함한 HITL시뮬레이터의 설계 및 구현 내용에 관해 기술한다.에 관해 기술한다.
인공위성은 다양한 센서장치, 구동장치, 전자장치들로 구성되어 있으며, 위성을 제어하는 컴퓨터 장치는 이들 장치들과 다양한 종류의 통신 버스로 연결되어있다. 정의된 프로토콜에 따라 명령을 전송하고 장치들의 상태 정보를 수집하여 위성을 운영한다. 위성에서 많이 사용되는 대부분의 상용 센서나 구동장치들은 표준화된 버스 (ex, 1553B, CAN, UART, etc ...) 인터페이스를 지원한다. 그러나 위성의 임무나 설계에 맞게 특수하게 제작된 장치의 경우는 범용의 버스보다는 용도에 적합한 프로토콜이 설계되고 제작된다. 본 논문에서는 2018년 발사 예정인 정지궤도복합위성 컴퓨터 장치 (GMU) 내의 프로세스 모듈과 시스템의 이상상태를 감지하여 GMU의 운용 모드 및 형상의 변경을 담당하는 MRE 모듈사이의 통신을 담당하는 IMGL 설계를 소개하고 IMGL 운영을 담당하는 소프트웨어 설계 및 구현 내용을 기술한다.
정지궤도 복합위성용 전력조절장치는 위성의 전력버스에 필요한 전력을 조절하고 배터리의 충전과 방전을 제어하고 관리한다. 전력조절장치의 용량은 1kw로 하고 태양 전지의 어레이는 4개의 패널로 구성되며 S3R(Sequential Switching Shunt Regulator)을 이용하여 조절된 버스전압은 완전조절 50Vdc으로 한다. 변환된 전력은 위성부하에 필요한 전력을 분배하는 PDM(Power Distribution Module)에 공급된다. 남은 전력은 BCR(Battery Charge Regulator)를 통해 배터리에 전력을 충전하고 전력이 부족할 때 BDR(Battery Discharge Regulator)를 통해 방전을 하여 버스전압에 전력을 공급한다.
인공위성의 전력요구가 증가함에도 전력손실과 무게증가를 최소화하기 위하여 버스전압은 점차 증가되고 있는 추세이다. 기존보다 높은 버스전압을 수용할 수 있는 새로운 전력변환장치가 개발되었으며 이에 적합한 태양전지배열기의 최적화 설계가 필요하다. 본 연구에서는 높은 버스전압의 전력변환장치에 적합한 태양전지배열기의 개발에 관하여 기술한다. 태양전지배열기는 태양전지의 직병렬 연결을 재구성하고 해석을 통하여 적합한 블록킹 다이오드 및 블리드 저항을 선정하여 최적화 설계가 이루어졌다. 설계된 태양전지배열기는 인공위성의 우주환경과 임무수명에 따른 감쇄요인을 반영하여 전력을 예측함으로써 요구조건의 만족여부를 확인하였다.
저궤도 인공위성에서 SAR 위성 탑재체의 전류 소모량이 약 150A로 예측된다. 이러한 높은 전류 소모는 배터리-위성버스-탑재체로 이루어진 인터페이스에서 전압 강하를 유기하여 위성 본체의 전장품과 탑재체의 동작 전압을 낮추게 되어 정상 동작을 보장하지 못하게 된다. 따라서, 탑재체 동작에 따른 버스 전압과 탑재체 입력 전압 강하의 예측이 반드시 필요하다. 본 해석에서는 전압강하의 요인이 될 수 있는 하니스 및 접촉 저항에 대한 worst case analysis를 수행하여 탑재체 동작시 발생할 수 있는 전압 강하를 예측한다.
아리랑 위성은 자세, 전력, 열 제어 및 지상 명령 수신, 측정 데이터 수집 그리고 탑재체 지원을 위해서 3개의 80CI86 프로세서를 사용하고 있다. 단일 프로세서가 아니 여러 프로세서가 존재하게 되면 상호 간의 메시지 전달을 위해 통신 채널이 요구된다. 프로세서간의 상호 통신을 위해서 직접 연결을 사용하기도 하지만 아리랑 위성은 모듈화 개념 및 향후 확장을 위해서 MIL-STD-1553B 표준 버스 방식을 채택하고 있다. 메시지는 지상 명령 전송 및 측정 데이터 수집을 포함하므로 원활한 통신이 이루어지지 않을 경우, 위성 시스템에 심각한 문제를 발생킨다. 일반적으로 위성설계는 안정성과 신뢰성을 추구하므로 통신 설계는 다중 프로세서가 존재하는 위성의 경우 매우 중요한 의미를 지닌다. 본 논문에서는 아리랑 위성 MIL-STD-1553B 데이터 버스의 버퍼링(Buffering) 설계와 메시지의 적절한 배치를 통한 Timed-Scheduling설계 개념을 설명한다.
소형위성은 저비용으로 단기간에 개발이 가능하기 때문에 이를 통해 폭 넓은 우주 연구를 수행할 수 있고 다양한 분야의 활용 가능하다. 소형위성은 빠른 개발이 가능한 이점이 있다. 따라서 신속 대응 우주 구현이 주목됨에 따라 소형위성의 역할이 급속히 증가하고 있다. 하지만 소형위성은 기존의 위성에 비해 크기나 전력의 제약이 많기 때문에 고성능의 안정적인 시스템을 기대하기는 어렵다. 이러한 문제점을 해결하고 빠른 개발을 위해 표준화와 모듈화 설계가 필요하다. 모듈화는 플러그 앤 플레이(Plug-and-Play)를 지원하여 수일 내에 인공위성 제작 및 시험을 가능하게 한다. 이러한 모듈 간의 원활한 데이터 통신을 위해서는 데이터 버스의 표준이 요구된다. CAN 통신 방식은 플러그 앤 플레이에 가장 효과적으로 대처 할 수 있는 통신방식으로 꼽힌다. CAN은 높은 신뢰성을 가지며 분산 시스템을 지원하여 위성의 호환성을 높여준다. 따라서 시험이 용이해지고 짧은 기간에 고성능의 안정적인 위성 개발이 가능하게 된다. 본 논문에서는 모듈화 방식의 소형위성 개발 방안에 대해 제안하고, CAN을 데이터 버스로 적용하여 소형위성 내부 데이터 인터페이스 버스를 설계하고 시험을 통해 적합성을 분석하여 기술하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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