정지궤도 복합위성 2호는 현재 기상 및 해양관련 관측임무를 수행중인 천리안위성의 임무승계를 위해 현재 개발이 진행 중이다. 천리안위성에 비해 수명이 확대되고, 임무 탑재체의 중량도 증가하여 추진제량의 대폭 증가가 필요한 것으로 분석되고 있다. 이로 인해 추진제 탱크의 확장이 불가피하여 현재 가용한 탱크를 기반으로 구조체 설계에 대한 비교 연구가 수행되었다. 정지궤도위성의 추진제 탱크 수용은 크게 측면 고정식 구형 탱크의 수직 배치방식과 극 고정식 실런더형 탱크의 수평 배치방식으로 구분된다. 추진제량 확대에 따라 두가지 방식 모두 구조체 내부에 충분한 강성확보와 하중전달을 목적으로 튜브형 구조물이 적용되며, 이를 토대로 구조체 설계가 이루어 진다. 본 논문에서는 이러한 추진계 탱크 수용 방식을 기반으로 정지궤도 복합위성에 적용될 구조체 설계 개념을 제시하고, 비교 연구를 통해 각 방식이 갖는 구조체 설계의 장단점을 기술하고자 한다.
인공위성의 궤도진입, 궤도수정 및 자세제어를 담당하는 추진체계는 위성의 용도와 궤도위치, 자세/궤도제어 방식 등을 고려하여 설계하여야 한다. 현재까지도 널리 사용되고 있는 인공위성 추진체계는 AKM(Apogee Kick Motor)과 단일 추진제 추력기로 구성된 "통상 추진체계"이나 최근에는 AKE(Apogee Kick Engine)과 이원 추진제추력기로 구성된 "통합 추진체계" 그리고 이와 유사한 "완전통합 추진체계", "이중 추진체계" 등이 기술적 선택방안으로 제안되어 일부 적용되고 있는 실정이며 이러한 추진체계의 효과적 실용화를 위해서 단일 추진제(하이드라진) 추력기의 성능향상 및 이원 추진제 엔진과 이원 추진제 추력기의 기술개선 연구가 이루어지고 있다.원 추진제 엔진과 이원 추진제 추력기의 기술개선 연구가 이루어지고 있다.
1980년대부터 위성의 상업화가 성공적으로 이루어졌기 때문에 위성망 주파수 및 궤도 자원에 대한 부족 문제가 심각하게 쟁점화 되었다. 그러므로, 각국은 위성망 자원 확보 및 보호를 위해 자국에게 유리한 정책을 펴고 있으며, 새로운 위성망 자원을 선점하기 위한 연구를 수행하고 있다. 세계 각 국가의 위성망 자원 확보에 대한 정책의 이해와 통찰은 위성망 주파수 업무의 지표가 된다. 본 논문에서는 특히 대한민국 주위의 일본, 러시아 및 중국의 정책을 언급한다. 또한, 본 논문에서는 위성망을 총괄하는 일본, 러시아, 중국의 주관청 조직을 언급한다. 한국항공 우주연구원은 다목적실용위성 1호와 2호의 위성망 주파수와 궤도를 확보하고 있으며 다목적실용위성 3호 및 5호의 위성망 등록을 추진하고 있다. 향후 주변 3국과의 위성망 조정이 필요하게 되었을 때 정책동향과 조직의 이해는 타 주관청의 조정동의를 획득하게 해 줄 것이다.
본 연구에서는 다수의 우주 환경 관측용 탑재체를 장착한 6U급 초소형위성에 대한 열모델을 구축하여 이를 기반으로 수행된 열설계에 대해 기술하였으며, 궤도 열해석을 통해 적용된 열설계의 유효성을 입증하였다. 초소형위성의 특성을 고려하여 표면 처리 및 절연체, 열전도체 등의 수동 열제어 기법 위주로 열설계를 진행하였지만, 배터리 및 추력기 등과 같이 작동 온도의 범위가 좁고 궤도 열환경에 직접적으로 노출되는 부품들에 대해서는 능동 열제어 기법 중 하나인 히터를 적용하였다. 궤도 열해석 조건은 기본적으로 위성의 궤도 조건을 바탕으로 하며, 임무 시나리오에 따른 발열량 및 위성의 자세에 따라 임무 모드, 초기 운용 모드, 비상운용 모드, 편대 비행 모드로 분류하여 궤도 열해석을 수행하였다. 각 모드 별 해석 결과를 통해 모든 부품들이 작동 온도 조건을 만족하는 것을 확인하였고, 비상운용 모드의 해석 결과를 통해 배터리 및 추력기의 히터 용량과 작동 주기를 산출하였다.
오늘날 위성핵심기술은 동보성, 광역성, 고 정밀성, 항 재난성 등을 고려하여 다양한 정보를 제공할 수 있는 방향으로 개발되고 있다. 또한 분야별로 우주발사체, 위성 버스, 위성 탑재체, 지상국시스템 이외에 측위, 영상 등의 기술이 융합되는 방향으로 진화되고 있다. 특히 우주기술 기반 지구관측 정보서비스를 위해서는 막대한 초기 투자비용이 요구된다. 우주개발 분야와 연계되는 특성에 따라 세계 주요국은 우주개발프로그램을 통해 위성기술을 확보하고 있다. 이러한 위성기술동향 및 변화에 따라 우리나라는 차세대 정지궤도 지구관측위성 국내 자립 개발에 대한 필요성을 인정하고 효율적인 사업 추진을 위한 제반 세부추진 계획 등의 기반사항을 마련하고 있다. 우리나라에서도 위성 선진국들처럼 정지궤도 지구관측위성 개발과 관련한 개발목표의 효율적인 추진, 기술 감리 및 품질보증체계의 확립, 우주기술의기획, 평가 및 관리를 통해 위성 개발 프로그램의 추진계획, 진행과정 및 결과가 투명하게 수행되어야 한다. 이를 위해 체계적이고 지속적으로 정지궤도 지구관측위성 개발 사업을 일원화하여 관리할 수 있는 부처별 전문 조직 체계의 운영이 필요하다. 따라서 본 논문에서는 국내 외 정지궤도 위성 개발 사업의 관리체계를 기반으로 우리나라 차세대 정지궤도 지구관측위성 개발 사업관리 개선 방안을 제시한다.
인공위성은 지상에서부터 발사 및 궤도 운용까지 다양한 전자파 환경에 노출되며 이러한 환경에서의 위성 운용을 검증하기 위하여, 다양한 전자파 환경을 모사하는 전자파 환경시험을 수행하게 된다. 특히, 궤도내에서 위성의 운용시 지상국과의 교신을 위하여 X 밴드 안테나와 S 밴드 안테나에서 지상국으로 강한 전자기파를 방사하게 되는데, 이 방사에너지가 위성에 영향을 주는지 검증하는 시험을 지상에서 수행한다. 이런 시험을 RFC (RF Auto-Compatibility) 시험이라고 부른다. RFC 시험은 위성으로부터 방사되는 전자기파가 외부에 새어나가지 않도록 전자파 챔버내에서 시험하며, 강한 전자기파를 흡수할 수 있는 고전력 전파 흡수체가 설치된 전자파 챔버가 필요하다. RFC 시험시 X 밴드 안테나와 S 밴드 안테나를 최대 전력으로 방사시키고, 이때 위성 주변에 전자파 센서를 부착하여 전계강도를 측정함으로써 위성으로 입사되는 전자기파의 세기가 적정 레벨 이하인지를 검증하고, 동시에 위성의 운용상태를 확인하여 위성에 영향이 없음을 검증한다. 본 논문에서는 다목적 실용위성 3호의 RFC 시험시 측정된 전계강도를 이론적으로 검증하고, RS 시험시 인가하는 레벨과의 상관관계를 설명한다. RS 시험 레벨의 선정은 위성 안테나의 방사레벨과 관련이 있으며 RFC 시험결과를 검토함으로써 RFC 시험 결과의 유효성과 RF 레벨 요구사항의 적절성을 검증한다.
위성에 탑재된 지구관측용 카메라는, 지상의 망원경과 같은 원리로, 우주상공에서 지표면 관측을 자동적으로 수행하고 관측정보를 지상으로 전달해 주는 장치다. 이용 목적에 따라 카메라의 해상도 또는 분해능, 관측대역, 관측폭, 위성의 궤도 등의 규격이 결정된다. 고해상도는 카메라 관련 제반 기술 및 경험이 부족한 국내의 여건에 적합한 소형 위성용 고해상도 카메라의 규격을 제시하며 이에 따른 광학 설계와 제작, 조립 및 측정오차를 제시한다.
태양과 달에 의한 섭동력은 정지궤도 위성 궤도 평면의 수직 방향으로 영향을 미쳐 궤도경사각과 승교점 적경을 변화시킨다. 궤도경사각의 변화는 정지궤도 위성의 직하점 위도를 변화시키며 그 크기는 궤도경사각 크기와 같다. 따라서 추력기를 사용하여 위성의 궤도경사각과 승교점 적경을 조정함으로써 직하점 위도를 일정한 범위 내에서 유지시킬 필요가 있으며 이것이 정지궤도 위성의 남북방향 위치유지 (North-South station keeping)이다. 본 연구에서는 Track-Back Chord Target(TBCT), Maximum Compensation Target(MCT), Minimum Fuel Target(MFT) 기법의 비교 분석을 통해 통신해양기상위성 1호에 가장 적합한 남북방향 위치유지 기법을 결정하였다. 비교분석을 위해 세 가지 기법을 이용하여 2008년 12월부터 1년간 남북방향 위치유지 시뮬레이션을 수행하였다. 그 결과 통신해양기상위성 1호의 남북방향 위치유지 기법으로 1년간 필요한 속도증분이 가장 적은 MFT 기법과 위치유지시 궤도경사각 진화 범위가 가장 작은 TBCT 기법이 적합하다고 판단하였다.
본 논문에서는 지상국에서 추적한 저궤도 위성의 방위각 및 고도각을 관측자료로 이용하여 궤도결정을 수행한 결과를 분석하였다. 지상국 추적 데이터는 발사 후 초기 궤도결정을 위한 관측자료로 유용하게 사용된다. 이를 위해 지상국 추적데이터에 대한 표준 인터페이스 포맷을 정리하였고, 특정 지상국에 대한 추적 데이터의 통계적인 특성을 살펴보았다. 최소자승법을 이용한 궤도결정을 위해 연속되는 교신패스를 통해 얻은 아리랑 2호의 방위 각/고도각을 축적하여 관측자료로 이용함으로써 다양한 조합에 따른 궤도결정 결과를 분석하였고, 궤도결정 성능 검증을 위해 GPS 항행해를 이용한 궤도결정 값과 비교하였다.
본 논문은 정지궤도위성을 이용한 표준시각/주파수 전송시스템의 동기 오차 요인을 분석하고, 한국과 같이 영토가 작은 국가의 경우, 정지궤도 위성을 이용하는 방식의 이점을 단파 또는 광 전용망을 이용하는 지상망 방식, 그리고 저궤도 위성을 이용하는 GPS방식과 비교 분석한다. 또한, 본 논문은 현재 서비스를 제공 중이거나 연구가 진행중인 단방향 위성 시각 전송 서비스를 고찰하고 특히, 무궁화 위성을 이용한 고정밀도의 표준시각/주파수 전 송서비스를 제공하기 위해 요구되는 동기오차 보정기술에 관하여 연구한다. 국가적 통신망 동기를 위한 표준 시각/주파수의 동기 정확도를 만족시킬 수 있는 효과적인 동기 오차 보정 방식으로 차동(differential mode)보정방식을 제안하고 그 성능을 분석하였으며 시각 정확도 와 주파수 정확도의 관계를 분석하였다. 모의실험 결과, 정상적인 시스템 운영하에서 시각 정확도와 주파수 정확도는 각각 100ns(95%)와 10-11(7일이상) 보다 우수한 것으로 분석되었 으며 본 논문에서 제시한 성능 개선 방안을 적용함으로써 보다 높은 정확도의 시각/주파수 동기가 가능함을 확인하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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