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문제 정의
- 이 논문에서는 개발된 시스템의 예상되는 기대 성능을 기존의 시스템과 비교 계산해 본 것이다. 교체한 모터의 구동드라이버 내에는 모터 출력값에 대한 궤환 시스템이 구성되어 있고, 또한 구동기어의 역행 보상기능이 추가로 내장되어 있어 망원경시스템의 주기오차를 어느 정도 감소시킬 수 있을 것이다.
제안 방법
- CCD 화각내에서 점상으로 대상물을 지속적으로 추적할 수 있도록 제어프로그램을 개발하여 명령 신호 제어주기를 최소화하였고 이에 따른 시스템의 제어부 및 구동부를 개조하였다. 그 결과 표 1에서처럼 기존의 LX-200 12인치 망원경시스템 보다 향상된 엔코더 분해능과 구동속도를 가지면서 명령 신호 제어주기가 기존에 최소 500ms이었던 것을 25배 향상된 20ms까지 가능하게 되었다.
- 지속적으로 위치시키기가 매우 유리하게 될 것이다. LX-200 12인치 f/10인 망원경에 AP-6E lKxlK CCD 카메라와 SBIG(Santa Babara Instrument Group) 분광기를 부착하였을 경우 모터의 명령 신호 제어주기별로 CCD 화각내에서의 flipping 오차범위를 비교해 보았다. 계산된 CCD 화각은 27.
- Meade사의 LX-200 12인치 기존 망원경시스템에서 무정류 직류 서보모터로 교체하고 PC에 모션 컨트롤러를 내장 후, 개발된 제어프로그램을 이용하여 모터의 명령신호 주기를 1000ms, 500ms, 20ms로 각각 변화시키면서 위성관측 가능시간대 동안 인공위성의 궤적오차를 계산하여 상호 비교해 보았다. 궤도계산을 위한 대상 인공위성은 ISS(International Space Station)로 그림 4에서와 같이 600sec 동안 경희대학교 인공위성 관측지 좌표상에서 시현 되었다.
- 그림 7에서 상용시스템의 500ms 제어주기 보다 개선된 20ms 제어주기 시스템은 최대 약 55배 향상된 정밀도를 가짐을 볼 수 있다. 그림 4에서와 같이 ISS 위성이 천정 궤적 부근을 지날 때는 시스템의 방위각 축 변화율이 최대 ll°/sec까지 이르러 기존의 상용시스템의 구동속도인 6°/sec를 가지고는 추적 이 되지 않으므로 1000ms과 500mse 그림 8에서 제외되고, 구동속도가 18°/sec로 개선된 시스템을 이용했을 경우인 20ms 제어주기일 때의 오차각만 측정하였다. 천정부근으로 접근할 때와 멀어질 때가 천정부근에서보다 상대적으로 위성의 시야 이동 거리가 작기 때문에 오차량이 적게 나타나고 있다.
- 표 1. 기존 구동부와 교체된 구동부의 성능 비교.
- sec 이하까지도 낮출 수 있다. 기존의 LX-200 12인치 망원경 시스템의 주 용도는 일반 천체 관측용이었기 때문에 이 시스템을 이용하여 인공위성을 관측할 때는 구동 명령을 연속적으로 주는 변칙적인 방법을 사용하였다. 이러한 경우 시스템 통신상에 과부하가 걸리게 되고 망원경의 전자부에 상당한 무리를 가하게 된다.
- 1988). 기존의 궤도계산 프로그램은 FORTRAN이 나 PASCAL, 또는 C 언어로 대부분 작성되어 있으나 이번 연구에서는 궤도계산 및 제어프로그램 모두를 Visual Basic 언어로 제작했다. Visual Basice 윈도우 환경에 적합한 그래픽 사용자 연결(GUI, Graphic User Interface) 프로그램의 제작이 용이하고 사용자에 의한 프로그램 해석 및 분석이 쉬워진다는 장점이 있다.
- 2G급 PC 정도로 CPU 속도가 충분히 빠른 것을 채 택하면 Visual Basic으로도 만족스러운 결과를 얻을 수 있다. 또한, 그림 2에서처 럼 CPU의 부담을 줄이기 위해 PC 는 궤도계산만 담당하고 모터의 궤환기능은 모터드라이버가 담당하도록 폐회로(Closed Loop) 제어방식으로 구동 프로그램을 개발하였다.
- 모터 부분은 소형 DC 모터에서 브러시, 정류자 등 기계적 인 접촉부를 들어내고 이 것을 전기적으로 바꾸어 놓은 직류모터 인 무정류자 직류모터로 교체하여 기 계식 접점에 의한 스파크(spark), 회 전소음과 같은 잡음 현상을 제거하였다. 또한, 빈번하게 변화하는 인공위성의 위치나 속도 명령에 대해서 실시간 유연하고 신속하며 정확하게 추종할 수 있도록 설계되어 있는 서보시스템을 추가로 도입하였다. 무정류자 직류 서보모터는 기동 회전력(torque)과 출력효율이 우수하고 가변속 위치 및 속도제어에 유용하며 인가전압에 대하여 회 전특성이 직선적으로 비례하는 특성을 가지고 있다(이왕헌 1992).
- 각각 교체하였고, 각 동력전달부(방위각, 고도)는 모두 설계 및 제작을 하였다. 모터 부분은 소형 DC 모터에서 브러시, 정류자 등 기계적 인 접촉부를 들어내고 이 것을 전기적으로 바꾸어 놓은 직류모터 인 무정류자 직류모터로 교체하여 기 계식 접점에 의한 스파크(spark), 회 전소음과 같은 잡음 현상을 제거하였다. 또한, 빈번하게 변화하는 인공위성의 위치나 속도 명령에 대해서 실시간 유연하고 신속하며 정확하게 추종할 수 있도록 설계되어 있는 서보시스템을 추가로 도입하였다.
- 모터드라이버는 시스템을 제어하는 가장 하부구조로서 모터를 직접 제어하는 장치이다. 모터의 초기 응답특성과 가변속 제어능력 향상을 위해 비례, 미분 및 적분동작의 3가지 조합으로 모터를 제어하여 실제 목표값과의 편차를 최소화하고 응답속도를 향상시켜 신속히 목표값에 정밀하게 추종할 수 있도록 비례미적분(PID, Proportional Integral Differential) 논리 제어방식을 도입하였다. 모터드라이버 내에 궤환(feed back) 시스템이 구성되어 있어 제어프로그램이 이를 직접 담당할 필요.
- 서보드라이버는 PID Logic 제어방식 도입과 자체 궤환기능을 추가하여 PC의 부하를 줄여 빠른 모터제어가 가능하도록 하였다. 제어프로그램은 그래픽 사용자 연결 환경에 강한 Visual Basic으로 제작했으며 모션 컨트롤러의 특정한 번지에 명 령을 전달하는 것은 Visual C++을 이용하여 동적 링크 라이브러리(DLL, Dynamic Link Library)를 제작하였다.
- 이 연구에서는 Meade사의 LX-200 12인치 망원경시스템을 도입하여 소형 DC 모터를 무정류자 직류(BLDC, BrushLess Direct Current) 서보(servo) 모터로 교체하고, 이에 따른 제 어부를 개조한 후 연속적인 정밀 위치 및 속도제어가 가능하도록 모터 구동드라이버로 전달되는 명령신호(command signal) 제어주기를 최소화하는 인공위성 관측용 제어/구동프로그램을 개발하였다. 저궤도 인공위성추적 시 이미지의 flipping 현상을 최소화함으로써 향후 저궤도 인공우주물체의 측광 및 분광 관측이 훨씬 용이해질 것이다.
- 이번 시스템 제작에서는 LX-200 12인치 2축 제어용 망원경시스템을 도입하여 저궤도상의 인공위성 추적을 보다 유연(smoother)하고 연속적(continuous)으로 정밀하게 수행할 수 있도록 그림 1과같이 시스템의 구동부인 모터와 구동 드라이버, 그리고 제어부인 모션 컨트롤러(motion controller)를 구입하여 각각 교체하였고, 각 동력전달부(방위각, 고도)는 모두 설계 및 제작을 하였다. 모터 부분은 소형 DC 모터에서 브러시, 정류자 등 기계적 인 접촉부를 들어내고 이 것을 전기적으로 바꾸어 놓은 직류모터 인 무정류자 직류모터로 교체하여 기 계식 접점에 의한 스파크(spark), 회 전소음과 같은 잡음 현상을 제거하였다.
- 좌우된다. 이번 연구에서 채택한 모터 구동방식은 기본적으로 펄스폭 변조(PWM, Pulse Width Modulation) 방식이며 서보드라이버에 의해 위치와 속도제어를 하게 된다. 이 제어에는 비례 미적분 논리회로가 내장되어 있고 비례미적분 제어에 의해 PC에서 계산된 인공위성의 변위값이 전달되면 무정류 직류 서보드라이버는 최대한 전압을 끌어올려 모터속도를 최단시간에 목표값에 도달하게 한다.
- 인공위성을 포함한 천체 관측용 망원경시스템은 망원경의 초기 위치를 정확하게 파악할 수 있는 초기화(initialization) 작업이 중요하다. 이번 연구에서는 무정류자 직류 서보드라이버에 절대치 엔코더(encoder) 대응기능을 추가하여 망원 경의 초기화 작업을 자동적으로 수행하게 하였다. 초기 위 치는 항상 방위 각이 0°, 고도는 90°가 되도록 설정하였다.
- 저궤도 인공우주물체의 정밀 추적, 관측을 위해 기존의 LX-200 12인치 망원경시스템의 구동부 및 제어부를 개조하면서 이미지의 연속적인 실시간 제어가 가능하도록 제어 및 구동프로그램도 개발했다. 현재 상용화되어 있는 대부분의 인공위성 추적용 제어 프로그램의 명령신호 주기는 최소 500ms를 가지고 있어 관측시간대 동안 지속적으로 속도가 변화되는 인공위성을 관측시 이미지의 flipping 현상이 두드러지게 된다(e.
- 가능하도록 하였다. 제어프로그램은 그래픽 사용자 연결 환경에 강한 Visual Basic으로 제작했으며 모션 컨트롤러의 특정한 번지에 명 령을 전달하는 것은 Visual C++을 이용하여 동적 링크 라이브러리(DLL, Dynamic Link Library)를 제작하였다. 즉, 전체 사용자 인터페이스 프로그램은 VisualBasic으로 제작하였으며 모터제어는 Visual Basic에서 동적 링크 라이브러리를 호출하여 제어하는 방식을 취했다.
- 제어프로그램은 그래픽 사용자 연결 환경에 강한 Visual Basic으로 제작했으며 모션 컨트롤러의 특정한 번지에 명 령을 전달하는 것은 Visual C++을 이용하여 동적 링크 라이브러리(DLL, Dynamic Link Library)를 제작하였다. 즉, 전체 사용자 인터페이스 프로그램은 VisualBasic으로 제작하였으며 모터제어는 Visual Basic에서 동적 링크 라이브러리를 호출하여 제어하는 방식을 취했다. 이 방식은 향후 프로그램의 개선과 계산 알고리즘 변경시 제어 및 구동프로그램은 다시 수정할 필요가 없으므로 매우 편리하다.
- 이러한 경우 시스템 통신상에 과부하가 걸리게 되고 망원경의 전자부에 상당한 무리를 가하게 된다. 현재 LX-200 망원경시스템을 이용한 상용 인공위성 추적프로그램의 제어 주기는 50(hns에서부터 1000ms 정도로서 관측시간대 동안 계속하여 가감속 운동을 하고, 특히 천정 부근에서 매우 빠른 각속도를 가지는 인공위성의 실시간 추적에는 한계가 있어 이번 연구에서는 명령 신호 제어주기를 20ms 이하까지 조정할 수 있도록 하드웨어를 교체하고 이에 맞는 제어 및 구동프로그램을 제작하였다.
대상 데이터
- 그림 4. 경희대학교 관측소에서 시현된 ISS 궤적(관측자료: ISS. 2003.1.13. 19:25:51 관측, Long. 127°04, 54.6, , 1 Lat. 37°14'19.1").
- 보았다. 궤도계산을 위한 대상 인공위성은 ISS(International Space Station)로 그림 4에서와 같이 600sec 동안 경희대학교 인공위성 관측지 좌표상에서 시현 되었다.
- 인공위성 궤도계산 수치모델 자료는 북미방공사령부(NORAD, NORth american Aerospace Defense command)에서 제공하는 SGP-4 모델과 SDP-4 모델을 이용했다. SGP-4는 저궤도 인공위성용 궤도계산 모델로서 섭동요소로 중력효과와 대기 저항력 효과를 고려하였다.
성능/효과
- CCD 화각내에서 점상으로 대상물을 지속적으로 추적할 수 있도록 제어프로그램을 개발하여 명령 신호 제어주기를 최소화하였고 이에 따른 시스템의 제어부 및 구동부를 개조하였다. 그 결과 표 1에서처럼 기존의 LX-200 12인치 망원경시스템 보다 향상된 엔코더 분해능과 구동속도를 가지면서 명령 신호 제어주기가 기존에 최소 500ms이었던 것을 25배 향상된 20ms까지 가능하게 되었다. 이미지 flipping 현상에 의한 오차범위도 기존의 모터 명령신호 제어주기가 500ms 경우 최대 341.
- 166pixel에 해당한다. 따라서 명령신호 제어주기를 각각 1000ms, 500ms, 20ms로 주었을 때 계산된 최대 이미지 떨림 양은 각각 341.5pixel, 170.6pixel, 6.25pixel로 나타났다. 1000ms, 500ms 제어주기 일 경우 분광관측시 슬릿폭보다 각각 최대 82배, 41배나 크게 벗어나게 된다.
- , Boshart 2002). 따라서 분광관측시 슬릿내 대상물의 지속적인 위치 유지가 어려우므로 이번 개선된 시스템에서는 모션컨트롤러와 모터드라이버 사이의 모터 명령 신호 제어주기를 최소 20ms까지 줄일 수 있게 했다.
- 0046"가 회 전하게 되므로 위성 추적시 망원경의 제어를 좀더 세분화하여 정밀하게 제어할 수 있게 되었다. 또한, 교체한 모터의 출력토크가 매우 크기 때문에 기어비를 줄임으로써 망원경의 구동속도를 약 2.9배 향상시킬 수 있었다. 최종 출력토크는 모터의 평균토크에 총 기어비와 웜기 어 효율(0.
- 그 결과 표 1에서처럼 기존의 LX-200 12인치 망원경시스템 보다 향상된 엔코더 분해능과 구동속도를 가지면서 명령 신호 제어주기가 기존에 최소 500ms이었던 것을 25배 향상된 20ms까지 가능하게 되었다. 이미지 flipping 현상에 의한 오차범위도 기존의 모터 명령신호 제어주기가 500ms 경우 최대 341.5 pixel이었던 것을 20ms에서는 6.25pixel까지 줄일 수 있어 약 55배 향상된 시스템 추적정밀도를 가지게 되었다.
후속연구
- 것이다. 교체한 모터의 구동드라이버 내에는 모터 출력값에 대한 궤환 시스템이 구성되어 있고, 또한 구동기어의 역행 보상기능이 추가로 내장되어 있어 망원경시스템의 주기오차를 어느 정도 감소시킬 수 있을 것이다. 그러므로 개선된 시스템 자체만의 검증 절차는 의미가 없다고 판단되고, 향후 인공위성에 대한 실제관측을 통하여 시스템 검증작업은 수행이 되어야 할 것이다.
- 교체한 모터의 구동드라이버 내에는 모터 출력값에 대한 궤환 시스템이 구성되어 있고, 또한 구동기어의 역행 보상기능이 추가로 내장되어 있어 망원경시스템의 주기오차를 어느 정도 감소시킬 수 있을 것이다. 그러므로 개선된 시스템 자체만의 검증 절차는 의미가 없다고 판단되고, 향후 인공위성에 대한 실제관측을 통하여 시스템 검증작업은 수행이 되어야 할 것이다.
- 기존의 소형 망원경시스템을 이용하여 저궤도 인공위성을 관측시 나타나던 CCD 화각내 대상물의 이미지 flipping 현상을 크게 줄임으로써 저궤도 인공위성의 측광 및 분광관측이 훨씬 용이할 것이다. CCD 화각내에서 점상으로 대상물을 지속적으로 추적할 수 있도록 제어프로그램을 개발하여 명령 신호 제어주기를 최소화하였고 이에 따른 시스템의 제어부 및 구동부를 개조하였다.
- 현재 북미방공사령부에서 제공되는 SDP-4 모델 및 SGP-4 궤도계산 모델을 사용하고 있으나 개발된 시스템 제어프로그램은 향후 개선될 어느 계산프로그램과도 호환이 가능하다는 장점이 있다. 또한, 개발된 제어 및 구동 프로그램과 무정류 직류 서보모터 하드웨어 시스템은 기존의 천체관측용 망원경에 모두 적용이 가능하고, 또한 모터의 교체가 용이하여 향후 인공위성 관측용 대형시스템 제작에도 쉽게 응용이 가능하리라 판단된다.
- 제어주기를 최소화하는 인공위성 관측용 제어/구동프로그램을 개발하였다. 저궤도 인공위성추적 시 이미지의 flipping 현상을 최소화함으로써 향후 저궤도 인공우주물체의 측광 및 분광 관측이 훨씬 용이해질 것이다.
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