[논문]극소형 위성 HAUSAT-1의 3축 자세 안정화 시스템 설계

서승원; 정남숙; 장영근

doi:10.5139/jksas.2003.31.7.100

[국내논문] 극소형 위성 HAUSAT-1의 3축 자세 안정화 시스템 설계
The 3-Axis Attitude Stabilization System Design of Picosat Hausat-1 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.31 no.7, 2003년, pp.100 - 111

서승원 (한국항공대학교 항공우주공학과 대학원) , 정남숙 (한국항공대학교 항공우주공학과 대학원) , 장영근 (한국항공대학교 항공우주공학과)

초록
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극소형 피코위성 HAUSAT-1(Hankuk Aviation University SATellite-1)의 궤도는 고도 650km~800km, 경사각 65도 또는 98도에서 비행할 예정이다. 저궤도에서 운용되기 때문에 외란으로 작용하는 요소 중 지구중력과 지구 자기장에 의한 영향이 크다. HAUSAT-1은 자세제어를 하기 위해서 자기 토커를 사용하며, 부가적으로 탑재체인 태양전지셀 전개 매커니즘을 중력구배 붐으로 사용한다. 위성의 자세 안정화 성능을 판단하기 위해서 MATLAB을 이용해서 시뮬레이션 하였고, 시뮬레이션은 8차 자기장 모델, 비선형 외란 방정식, 그리고 비선형 위성 자세방정식을 사용해서 수행되었다. 시뮬레이션을 통해서 HAUSAT-1의 중력구배붐 전개 전과 후 그리고 외란에 의한 자세 변화를 확인하고 결과를 비교했다. 자기 토커를 이용한 효율적인 HAUSAT-1의 자세제어 시스템 개발을 위한 자세 안정화 방법에 대해서도 분석하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The HAUSAT-1(Hankuk Aviation University SATellite-1) will orbit at the altitude of 650km-800 km with 65 or 98 degree inclination angle. The effects of magnetic field and Earth gravity are more predominant than other space disturbances because the HAUSAT-1 will be positioned in LEO(Low Earth Orbit). The HAUSAT-1 design implements a magnetic control system and gravity-stable system which implement the solar panel deployment system. The simulation using MATLAB was performed to make sure the attitude stability of HAUSAT-1, which is based on the 8th order magnetic field model and non-linear equations of disturbances and the HAUSAT-1 attitude. The stability is investigated for two different HAUSAT-1 configurations and attitude which are affected by disturbances through simulation. The results for gravity-gradient stable and non gravity-gradient stable system are compared. Methodology of attitude stabilization was explored to develop an effective attitude control system for the HAUSAT-1 using magnetic torquers.

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문제 정의

HAUSAT-1은 위성공학을 공부하는 학생들이 극소형위성을 설계 개발함으로써 위성시스템 전체의 설계과정을 이해하는 위성분야의 전문 인력을 양성하는 것과 위성을 궤도상에서 실제 운용함에 있어, 차후의 개발에 필요한 각종 데이터의 수집을 목적으로 한다. 또한 위성의 데이터 송출과 태양전지판 전개실험 그리고 우주용 GPS를 이용한 위성추적실험을 위성 개발의 주 임무로가지고 있다.
자기 토커는 무게를 많이 차지하지 않고, 다른 서브시스템과 내부공간에서 많은 제약이 없다는 것이 큰 장점으로 작용한다. 부가적으로 탑재체 중 태양전지판전개 실험 장치를 전개했을 때, 중력 구배 붐과같은 효과가 나오므로 이에 대한 고려를 하였다.
식 (1)은 위의 분류를 식으로 나타낸 것이다. 우주환경에서 지구중력에 의한 토크를 따로 분류한 이유는 중력 구배 붐의 영향을 판단하기 위해서이다.
본 논문에서는 HAUSAT-1의 자세변화에 영향을 주는 궤도환경을 분석하고 궤도상에 있을 때, 위성에 주는 영향을 수학적인 모델링을 통해서 알아보았다. 또 외란 속에서도 HAUSAT-1의 자세를 일정하게 유지할 수 있는 자세제어 시스템을 설계하기 위해서 여러가지 시나리오를 구성한 다음 비선형 운동방정식을 이용해서 시뮬레이션을 하였다.

제안 방법

본 논문에서는 위성의 자세를 변화시키는 외란을 모델링하고 위성의 자세를 비선형 위성 자세 방정식으로 모델링 하였다. 그리고 여러가지 시 나리오를 선정 해 서 시뮬레이션을 수행 하였다.
모델링 하였다. 그리고 여러가지 시 나리오를 선정 해 서 시뮬레이션을 수행 하였다. HAUSAT-1 은 위성의 외란에 의한 자세 변화를 제어하기 위해서 저궤도에서 장점이 많은 자기토커를 사용할 것이며, 이 제어 방법의 검증을 위해 시뮬레이션을 수행하고 결과를 분석하였다.
그리고 여러가지 시 나리오를 선정 해 서 시뮬레이션을 수행 하였다. HAUSAT-1 은 위성의 외란에 의한 자세 변화를 제어하기 위해서 저궤도에서 장점이 많은 자기토커를 사용할 것이며, 이 제어 방법의 검증을 위해 시뮬레이션을 수행하고 결과를 분석하였다. 시뮬레이션 결과를 통해서 외란에 의한 영향과 자세제어시스템의 제어 알고리즘의 적합성, 그리고 자세제어 방법의 적합성을 판단한다.
HAUSAT-1의 시뮬레이션을 수행하기 위해서 궤도상에서 접할 수 있는 시나리오를 선정한 다음 수동적인 방법에 의한 자세변화를 분석한다.
그리고 지구 자기장을 시뮬레이션을 한 다음 위성의 자세를 제어할 알고리즘을 작성하고 종합적으로 모든 요소들을 고려해서 시뮬레이션을 수행한다.
위의 세 가지 경우에 대한 시나리오를 시뮬레이션 하였다.
중력 구배 붐을 전개했을 때와 하지 않았을 때의 차이도 시뮬레이션 하여 비교하였다.
필요하다. 위의 결과를 이용해서 위성에 자세제어 알고리즘을 작성했다.
그림 9와 같이 위성이 궤도를 돌고 있을 때 두가지 경우를 고려해서 자세제어 알고리즘을 설계하였다.
위성의 자세제어 시스템의 설계를 검증하기 위해서 비선형 외란 방정식, 비선형 위성 자세방정식 그리고 자세제어 알고리즘을 MATLAB을 이용하여 HAUSAT-1의 자세를 시뮬레이션 하였다. 그림 13은 MATLAB을 이용한 소스 프로그램의 흐름도이다.
그림 17, 18, 19 모두 자기 토커를 켜서 일정시간 동안 유지를 했는데, 실제로는 자기 센서를 사용해서 위성의 자세를 판단해야 하기 때문에 일정시간 동안 계속 자기 토커를 사용할 수 없다. 그래서 일정한 간격을 가지고 자기 토커의 on/off를 해서 지속적으로 사용하는 것과 같은 효과를 얻을 수 있도록 설계를 하였다.
또 외란 속에서도 HAUSAT-1의 자세를 일정하게 유지할 수 있는 자세제어 시스템을 설계하기 위해서 여러가지 시나리오를 구성한 다음 비선형 운동방정식을 이용해서 시뮬레이션을 하였다.
이러한 요소들에 의해서 발생하는 토크를 실제와 가깝게 계산하기 위해서 비선형 외란 방정식과 비선형 위성 자세방정식을 만들고 두 식을 합쳐서 지배 방정식을 만들었다.
HAUSAT-1 에서 자세정보를 얻기 위해서 지자기 센서를 사용하는데 자기 토커와 서로 간섭을 일으키기 때문에, 자기 토커의 on/off 지연 시간에 대한 고려가 필요하다. 센서로 얻은 정보를 이용해서 자기 토커를 자기 모멘트를 발생하는 방향을 결정하는 알고리즘을 실제로 구형해서 검증하였다. 센서로부터 자세 정보를 얻고 전자부에서 판단을 한 다음 구동부에 명령을 내리는 순간까지의 시간을 계산하고, 이 계산 결과를 이용해서 자기 토커가 반웅 할 때까지의 시간을 계산하였다.
센서로 얻은 정보를 이용해서 자기 토커를 자기 모멘트를 발생하는 방향을 결정하는 알고리즘을 실제로 구형해서 검증하였다. 센서로부터 자세 정보를 얻고 전자부에서 판단을 한 다음 구동부에 명령을 내리는 순간까지의 시간을 계산하고, 이 계산 결과를 이용해서 자기 토커가 반웅 할 때까지의 시간을 계산하였다. 이때 일정한 간격을 가지면서 자기 토커를 on/off해서 지속적인 자기 토커와 같은 효과를 얻는 부분이 고려되었다.
이때 일정한 간격을 가지면서 자기 토커를 on/off해서 지속적인 자기 토커와 같은 효과를 얻는 부분이 고려되었다. 또한 자기 토커를 사용하고 난 후 발생하는 잔류 자기 모멘트에 의한 자기 센서 간섭과 전자 부품에 의해서 생기는 자기장에 대한 간섭도 고려하였다.
자기 토커를 사용한 위성 자세 안정화 시뮬레이션을 위해서 위성의 자세변화를 식 (8)과 같이 비선형 운동방정식으로 모델링을 했다.

이론/모형

자기 토커를 이용한 자세안정화방법을 비선형으로 모델링한 것과 위성의 자세제어에 필요한지 구자기 장을 모델 링한 것을 MATLAB을 이 용해서 시뮬레이션 했다. 시뮬레이션을 수행하는 순서는 그림 5와 같다.
것을 알 수 있다. 이 결과를 바탕으로 HAUSAT-1 의 자기 토커의 사용시간에 대해서고려를 했으며, 전체 자세제어 시스템 알고리즘에 반영이 되었다. 그림 17, 18, 19 모두 자기 토커를 켜서 일정시간 동안 유지를 했는데, 실제로는 자기 센서를 사용해서 위성의 자세를 판단해야 하기 때문에 일정시간 동안 계속 자기 토커를 사용할 수 없다.

성능/효과

HAUSAT-1 은 위성의 외란에 의한 자세 변화를 제어하기 위해서 저궤도에서 장점이 많은 자기토커를 사용할 것이며, 이 제어 방법의 검증을 위해 시뮬레이션을 수행하고 결과를 분석하였다. 시뮬레이션 결과를 통해서 외란에 의한 영향과 자세제어시스템의 제어 알고리즘의 적합성, 그리고 자세제어 방법의 적합성을 판단한다.
궤도환경 분석을 통해서 저궤도를 돌고 있는 HAUSAT-1 에 영향을 많이 미치는 우주환경 요소는 지구 자기장과 지구 중력이라는 것을 알게 되었다. 이러한 요소들에 의해서 발생하는 토크를 실제와 가깝게 계산하기 위해서 비선형 외란 방정식과 비선형 위성 자세방정식을 만들고 두 식을 합쳐서 지배 방정식을 만들었다.
HAUSAT-1의 중력 구배 붐은 중력 구배붐의 길이가 길지 않기 때문에 다른 위성에서 사용하는 중력 구배 붐 정도의 효과를 보기는 어렵다. HAUSAT-1의 위치에 따른 자세제어 방법은 위성이 접하는 자기장에 대한 정보를 알아야만 정확한 자세제어를 할 수 있다는 것을 알 수 있었다. 그리고 같은 조건에서 자기 토커의 사용시간별 시뮬레이션 결과를 보면서 자기 토커의 특성을 파악할 수 있었고, 실제로 자기 토커 사용에 따른 효율을 알 수 있었다.
HAUSAT-1의 위치에 따른 자세제어 방법은 위성이 접하는 자기장에 대한 정보를 알아야만 정확한 자세제어를 할 수 있다는 것을 알 수 있었다. 그리고 같은 조건에서 자기 토커의 사용시간별 시뮬레이션 결과를 보면서 자기 토커의 특성을 파악할 수 있었고, 실제로 자기 토커 사용에 따른 효율을 알 수 있었다.

참고문헌 (8)

장영근, 이동호, "인공위성 시스템 설계공학", 경문사, 1997.
P C.Huges, "Spacecraft Attitude Dynamics", John Wiley & Sons, 1986.
Marcel J.SIDI, "Spacecraft Dynamics and Control", Cambridge Univ. Press, 1997.
Kristin L. Makovec. "A nonlinear magnetic controller for three-axis stability of nanosatellites", MS Thesis, Virginia Tech, pp. 54, 2001.
서승원 외 2명, "피코위성 HAUSAT-1의 자세제어 시스템 개념설계", 2002년도 항공우주학회 춘계 논문집
Willey J. Larson, James R. Wertz, "Space Mission Analysis and Design", 3rd Edition, Space Technology Library, 1999.
S. W. Seo, S. O. Kim, "HAUSAT-1 PDR Document", Space System Research Lab, 2002.
Vladimir A. Chobotov, "Orbital Mechanics", 3rd Edition, AIAA Education Series, 2002.

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