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.
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.
A space-borne earth observation camera is an electro-optical instrument to measure the characteristics of the earth's surface, and to transmit the measured data to a ground station(s). The specifications of a space-borne camera, such as resolution, swath width and observation bands, are determined b...
A space-borne earth observation camera is an electro-optical instrument to measure the characteristics of the earth's surface, and to transmit the measured data to a ground station(s). The specifications of a space-borne camera, such as resolution, swath width and observation bands, are determined by its mission objectives. This paper lists some specifications of a camera suitable for small satellite and then presents an optical design, with the results of tolerancing analysis, which satisfies the given specifications. tions.
A space-borne earth observation camera is an electro-optical instrument to measure the characteristics of the earth's surface, and to transmit the measured data to a ground station(s). The specifications of a space-borne camera, such as resolution, swath width and observation bands, are determined by its mission objectives. This paper lists some specifications of a camera suitable for small satellite and then presents an optical design, with the results of tolerancing analysis, which satisfies the given specifications. tions.
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문제 정의
본 논문에서는 탑재체의 크기와 무게와 비례하는 개발비 및 개발 기간과 국내업체의 제작능력 등을 고려하여, 소형위성에 탑재될 수 있는 고해상도 광학카메라의 설계를 제시한다. 최근 미국도 안정성, 적응성 및 여러 개의 위성을 이용한 위성군의 형성 등을 고려, 소형위성을 이용한 고해상도 카메라의 개발을 추진하고 있다μ
가설 설정
이러한 것을 고려하여 설계한 허용오차설계 값들이 표 9 및 10에 나타나 있다. (조립 시 부경의 광축 상의 위치 (axial position) 최적화에 의한 alignment# 가정하였음.)
제안 방법
첫째로, 경량화를 위해 주경을 지지하는 밑판을 honey-comb구조로 설계하였으며, 경통은 복합재료(carbon composite)를 사용하여 무게를 줄이기로 결정했다. 둘째로, atheramlization을 얻기 위해 기본적으로 모든 구성요소가 거의 0(<10%)에 가까운 열팽창 계수를 갖아 외부의 온도 변화에 대해 insensitive하게끔 설계하였다. 3.
5 m의 지상해상도를 갖기 위해서는 초점거리가 1918 mm가 되어야 한다. 소형위성에 탑재되기 위해서는 광학계의 길이가 가장 작은 Cassegrain이 가장 적합한 것으로 판단되어 이를 기준으로 광학 설계를 수행하였다.
위의 조건을 포함한 표 3에 있는 필수 조건을 만족시키는 광학계를 찾기 위하여 Cassegrain 광학계 중 설계 조건을 변형시키며, RMS spot size를 merit function으로 하는 최적해를 찾았다(표 5). (MTF및 Encircled Energy 값들은 부경 및 보조 구조물에 의한 광량 손실을 고려한 값임.
그림 3는 광기계 개념 설계를 보여준다. 첫째로, 경량화를 위해 주경을 지지하는 밑판을 honey-comb구조로 설계하였으며, 경통은 복합재료(carbon composite)를 사용하여 무게를 줄이기로 결정했다. 둘째로, atheramlization을 얻기 위해 기본적으로 모든 구성요소가 거의 0(<10%)에 가까운 열팽창 계수를 갖아 외부의 온도 변화에 대해 insensitive하게끔 설계하였다.
위성의 고도는 위에서 언급한 더부살이 방식으로 발사되었을 때 원격탐사 위성이 갖는 전형적인 고도 685 km로 정하였다. 한편, 카메라의 직경을 작게 만들더라도 충분한 광량을 얻기 위하여 TDI (Time Delay & Integration) CCD를 선택하였으며, 전체 길이를 줄이기 위해서 한 소자크기가 7 |im인 CCD를 선택했다.
대상 데이터
본 논문에서 제시하는 카메라는 2.5 m(흑백)와 5 m(칼라) 의지 상 해상도를 가지며 한 번에 20km의 관측폭을 촬영할 수 있도록 설계되었고, 이에 따른 규격은 표 3과 같다. 위성의 고도는 위에서 언급한 더부살이 방식으로 발사되었을 때 원격탐사 위성이 갖는 전형적인 고도 685 km로 정하였다.
성능/효과
또한, 설계의 허용오차 해석을 한 결과 조립 후의 부경의위치와 기울기가 가장 엄중하다는 것을 알았고, 주어진 성능을 얻기 위해서는 주경 및 부경의 거리가 ±3 um이내로, 그리고 기울기가 ±50 arcsec이내이어야 함을 얻었다. 이러한, 허용오차를 만족시켰을 때 본 논문에서 제시한 설계는 실제 작동 시 10%(흑백)의 MTF값을 얻을 수 있다.
lens가 필요하다는 것도 알았다. 또한, 예외적으로 corrector lens의 optical power가 적은 관계로 같은 종류의 lens를 사용해도 된다는 것을 알았다. 이를 바탕으로 설계한 결과 7 pim pitch크기의 CCD를 사용한 경우 35%(흑백)의 MTF 값을 얻을 수 있었다.
또한, 일반적으로 색수차를 고려하여 서로 다른 종류의 렌즈를 사용하지만, 보정렌즈의 optical power가 매우 적은 관계로 색수차가 적어 다른 종류의 렌즈를 사용함으로써 얻는 광학적 효과가 적음을 알았다(다른 종류의 렌즈 사용 시 오히려 색수차를 보정하기 위해 다른 수차가 증가함을 알았다). 따라서, 제작의 용이성과 다음에 논의되는(광학 및 기계적) 열팽창효과를 고려하여, 보정렌즈들은 모두 BK7을 사용하기로 결정하였으며, 이에 따른 광학 설계 및 결과를 표 6과 그림 1에 나타내었다.
소형 위성용 지구관측용 카메라로는 Cassegrain type이 가장적 합한 것으로 판단되며 , Cassegrian type으로는 고도 685 km 상공에서 20km의 관측 폭을 가지기 위해서는 2개 이상의 corrector lens가 필요하다는 것도 알았다. 또한, 예외적으로 corrector lens의 optical power가 적은 관계로 같은 종류의 lens를 사용해도 된다는 것을 알았다.
이러한, 허용오차를 만족시켰을 때 본 논문에서 제시한 설계는 실제 작동 시 10%(흑백)의 MTF값을 얻을 수 있다.
또한, 예외적으로 corrector lens의 optical power가 적은 관계로 같은 종류의 lens를 사용해도 된다는 것을 알았다. 이를 바탕으로 설계한 결과 7 pim pitch크기의 CCD를 사용한 경우 35%(흑백)의 MTF 값을 얻을 수 있었다.
후속연구
둘째로, atheramlization을 얻기 위해 기본적으로 모든 구성요소가 거의 0(<10%)에 가까운 열팽창 계수를 갖아 외부의 온도 변화에 대해 insensitive하게끔 설계하였다. 3.3절의 허용오차를 만족시키며 최대한 경량화를 할 수 있는 상세 기계 설계오k active thermal control이 필요한지를 결정지을 열해석등이 앞으로 실행되어져야 할 것이다.
본 논문에서 제시한 광학 및 허용오차 설계가 실제 제작 가능한지 열해석을 포함한 상세 기계 설계 및 해석이 앞으로 실행되어야 할 것이다.
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