본 연구에서는 국내 우주센터(고흥)에서 위성발사체(KSLV : Korea Space Launch Vehicle) 발사를 위하여 설치 운용될 원격측정(telemetry) 지상 수신국 시스템에 대한 설계를 수행하였다. 국내환경에 맞는 최적의 시스템 설계를 위하여 먼저 우주센터의 지형 지리적 환경 및 위성발사체의 특성을 고려한 지상 수신국 시스템의 배치방안을 도출하고, 발사체에 탑재되는 송신부 특성을 고려하여 최대추적거리(RFLink Budget 요구성능) 및 수신시스템 요구 성능, 자료처리 시스템 요구 성능 등을 분석하였다. 이러한 분석을 바탕으로 발사체로부터 전송되는 원격측정 신호를 안정적으로 수신, 저장, 처리할 수 있는 수신 및 처리 시스템과 시각장비, 교정장비 및 운용통제장비를 설계하였다. 또한, 발사임무진행을 위한 주요 자료를 통제센터(RCC 및 RSC)에 실시간으로 제공하기 위하여 원격측정 자료의 최대 허용 지연시간 및 통신방식을 검토하고, 효율적인 발사임무진행이 가능하도록 양질의 자료를 실시간으로 제공하는 최적의 시스템을 설계하였다.
본 연구에서는 국내 우주센터(고흥)에서 위성발사체(KSLV : Korea Space Launch Vehicle) 발사를 위하여 설치 운용될 원격측정(telemetry) 지상 수신국 시스템에 대한 설계를 수행하였다. 국내환경에 맞는 최적의 시스템 설계를 위하여 먼저 우주센터의 지형 지리적 환경 및 위성발사체의 특성을 고려한 지상 수신국 시스템의 배치방안을 도출하고, 발사체에 탑재되는 송신부 특성을 고려하여 최대추적거리(RF Link Budget 요구성능) 및 수신시스템 요구 성능, 자료처리 시스템 요구 성능 등을 분석하였다. 이러한 분석을 바탕으로 발사체로부터 전송되는 원격측정 신호를 안정적으로 수신, 저장, 처리할 수 있는 수신 및 처리 시스템과 시각장비, 교정장비 및 운용통제장비를 설계하였다. 또한, 발사임무진행을 위한 주요 자료를 통제센터(RCC 및 RSC)에 실시간으로 제공하기 위하여 원격측정 자료의 최대 허용 지연시간 및 통신방식을 검토하고, 효율적인 발사임무진행이 가능하도록 양질의 자료를 실시간으로 제공하는 최적의 시스템을 설계하였다.
The design on the Telemetry Ground System for launch of KSLV(Korea Space Launch Vehicle) in the korean Space center has been conducted in this study. For the optimized system design, first of all, the system deployment plan reflecting the topographic and geographic environments of the space center a...
The design on the Telemetry Ground System for launch of KSLV(Korea Space Launch Vehicle) in the korean Space center has been conducted in this study. For the optimized system design, first of all, the system deployment plan reflecting the topographic and geographic environments of the space center and launch vehicle characteristics has been developed. The RF link budget analysis for the maximum tracking range, requirement for receiving subsystem including antenna subsystem, requirement for data processing subsystem are also analyzed based on the On-Board Telemetry characteristics and launch vehicle parameters. Based on those analysis, telemetry ground system containing tracking/receiving subsystem, recording subsystem and data processing subsystem, timing subsystem, calibration subsystem and monitoring and control subsystem are designed. Futhermore, the analysis for the maximum permissible data latency and communication protocol between each telemetry station and control center are conducted and the entire system is designed so that the major telemetry parameters selected to the best quality are provided in real time to the control center(RCC, RSC) for the launch mission operation.
The design on the Telemetry Ground System for launch of KSLV(Korea Space Launch Vehicle) in the korean Space center has been conducted in this study. For the optimized system design, first of all, the system deployment plan reflecting the topographic and geographic environments of the space center and launch vehicle characteristics has been developed. The RF link budget analysis for the maximum tracking range, requirement for receiving subsystem including antenna subsystem, requirement for data processing subsystem are also analyzed based on the On-Board Telemetry characteristics and launch vehicle parameters. Based on those analysis, telemetry ground system containing tracking/receiving subsystem, recording subsystem and data processing subsystem, timing subsystem, calibration subsystem and monitoring and control subsystem are designed. Futhermore, the analysis for the maximum permissible data latency and communication protocol between each telemetry station and control center are conducted and the entire system is designed so that the major telemetry parameters selected to the best quality are provided in real time to the control center(RCC, RSC) for the launch mission operation.
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문제 정의
또한 지상 수신국 시스템의 특성은 발사체에 탑재되는 송신부 시스템의 특성 및 통신 거리에 크게 좌우된다. 따라서 본 연구에서는 위성발사체를 국내 우주센터(고흥)에서 발사하기 위하여 우주센터에 설치, 운용하고자 하는 원격측정 지상국 시스템에 대한 운용개념 및 요구 특성을 분석하고, 위성발사체 발사 운용을 위한 최적의 시스템을 설계, 검토하였다.
우주센터에서 사용할 원격측정 수신 장비의 주요 목적은 발사체의 발사로부터 위성 분리까지 원격측정신호를 안정적으로 확보하고 주요 자료를 실시간으로 처리하여, 발사임무 진행을 위한 판단자료를 제공하는 것이다. 원격즉정 지상국시스템은 IRIG (Inter-Range Instrumentation Group) 표준을 따르며 Asynchronous Embedded 형식의 데이터를 포함한 2개의 PCM 데이터 채널과 1개의 영상신호 채널 등 3개의 RF 신호를 동시에 수신할 수 있어야 하며, 수신된 신호는 저장과 동시에 실시간으로 처리되어 임무 (Mission) 진행자들에게 분배, 표시되어야 한다.
RF link Budget 분석은 주어진 환경에서 수신 신호의 신호 대 잡음비 (SNR: Signal to Noise Ratio)를 분석함으로써 수신신호의 비트오류확류BER: Bit Error Rate) 및 여유(Fade Margin) 를 분석하여 기본적인 자료를 산출하기 위한 것이다. 즉, 가장 경제적이며 안정적으로 신호를 수신하기 위한 RF 시스템의 기본 요구 성능을 도출하기 위한 것이다. 수신신호의 신호대 잡음비와 자유공간 손실은 다음 식에 의하여 구할 수 있다.
따라서 이러한 통신선로 상에서 발생되는 신호의 왜곡 및 변형에 대처하고 안정적으로 신호를 수신하기 위해서 본 연구에서는 우편파(RHCP) 와 좌편파(LHCP) 신호를 동신에 수신하여 합성하는 편파다중수신 (Polarization Diversity Combining Receiving) 기법을 적용하는 수신시스템을 설계하였다.
가설 설정
즉, 송신안테나 패턴의 조절, 비행중의 발사체 자세제어 및 송신 안테나의 위치를 조절하여 수신 시스템 방향으로 송신 안테나 패턴상의 Null 구간을 피할 수 있도록 하는 것이 필요하다. 일반적인 미사일 송신 안테나의 이득은 -40 ~ +6dBi 정도이지만2) 본 연구에서는 Null을 고려한 송신안테나 이득을 -8dBi로 가정하였다.
. Slaving 운용을 위한 RCC와의 통신자료기록 장치의 저장 용량은 기록되.어질 데이터의 종류와 양 그리고 기록시간(최소30분-)에 따라 결정되는데 저장되는 신호(데이터)의 종류마다 Bit rate 와 Sampling rate 가 다르며 Sampling Resolution에 따라 최종 기록되는 비트 속도가 결정되므로 이러한 점을 충분히 고려하여 Disk 용량을 산정하였다.
제안 방법
이 구간에서는 제1추적소 단독으로 신호를 추적 수신하여야 한다. 이러한 점을 보완하고 발사 초기구간 동안 안정적인 신호 획득을 위해 우주센터 내부에 Back-up 시스템을 설치, 운용하도록 설계하였다.
일반적으로 안테나의 G/T 요구 성능은 안테나로부터 수신기까지의 잡음증가 때문에 전체 수신 시스템의 G/T 요구 성능보다 더 요구된다. 특히 제2추적소 안테나 시스템은 위성발사체 발사시 원격측정자료 수신용으로 사용할 뿐만 아니라 평상시에는 위성 지상관제 시스템(TT&C)으로 활용할 수 있도록 하기 위해서 동시에 송/수신이 가능한 구성을 갖도록 설계하였다. 따라서 Feed 부분에 송/수신용 Filter 및 Diplexer가 추가적으로 삽입되어 그에 따른 안테나 G/T 특성에서 IdB 이상의 추가적인 손실이 발생한다.
안테나 Pedestal 의 구동범위는 +/-360deg(Az)z -5 - 185deg(El) 이고, 최대 구동 속도 및 가속도는 15deg/sec, 15deg/sec/sec로 정의하였다. RF 신호에 대한 추적모드는 자동추적 (Auto), 수동추적 (Manual), 외부추적 (Program 또는 Slaving) 등의 다양한 방식으로 가능하도록 하였다.
어떠한 데이터의 손실도 없이 복구가 가능한 Disk Mirroring 구조로 .구성하였으며/ 데이터 분배의 과정은 실시간 데이터 전송의 속도를 보장하기 위해 Fast Ethernet망을 고려하였다. 그림 4는 원격지와 센터, 내부에서 운용되어질실시간 자료처리시스템의 내부 구성도이다.
그림4와 같이 Frame Synchronizer만을 통과한 데이터는 원천 데이터 (Raw data) 라 하고, Frame Synchronizer-1- 통과한 후 응용 S/W 에 의해 공학적 단위까지 변환 처리된 데이터를 처리 데 이 터 (Processed data) 라 정의 하 였 다. 각 원격지의 자료처리시스템은 필요에 따라 2 종류의 데이터를 모두 전송할 수도 있고, 선택적으로 전송할 수 있는 개념으로 설계하였다. 또한 실제 운용 전에 자료처리 프로그램의 점 검 을 위한 PCM 데 이 터 의 Simulation 및 시스템 점검 (BERT: Bit Error Test)을 위해서 Simulator를 삽입하였다.
각 원격지의 자료처리시스템은 필요에 따라 2 종류의 데이터를 모두 전송할 수도 있고, 선택적으로 전송할 수 있는 개념으로 설계하였다. 또한 실제 운용 전에 자료처리 프로그램의 점 검 을 위한 PCM 데 이 터 의 Simulation 및 시스템 점검 (BERT: Bit Error Test)을 위해서 Simulator를 삽입하였다.
각 원격지에서 수신 처리된 신호를 비행 통제 자료로 사용하기 위해서, 3곳에서 수신하는 신호 중 최상의 신호만을 선택하여 실시간으로 통제 컴퓨터 및 기타 운용자에게. 제공하는 신호선택기 (B.
신호 선택기는 서로 다른 지연 시간을 갖고 도착한 동일한 데이터를 비교하기 하기 위해서, 이들을 버퍼에 잠시 저장한 후 각 데이터의 시 각을 동기시켜서 비교, 선택 한다. 따라서 신호 선택기 내의 버퍼용량선택은 실시간 전송 데이터 속도 및 지연 시간을 고려하여 설계하여야 한다.
Slaving 운용을 위한 RCC와의 통신자료기록 장치의 저장 용량은 기록되.어질 데이터의 종류와 양 그리고 기록시간(최소30분-)에 따라 결정되는데 저장되는 신호(데이터)의 종류마다 Bit rate 와 Sampling rate 가 다르며 Sampling Resolution에 따라 최종 기록되는 비트 속도가 결정되므로 이러한 점을 충분히 고려하여 Disk 용량을 산정하였다.
이러한 RAID 방식은 그 준위(Level) 에 따라 데이터 기록 용량이 다르며, 상위 레벨일수록 데이터를 안전하게 '기록할 수 있지만 한정된 Disk 용량에 따른^록용량이 매우 낮다. 또한 '이러한 데이터의 영구 보존을 위해 Storage Back-up 시스템으로 테이프를 함께 사용하도록 기록장치를 구성하였다.
일반적으로 발사장 및 시험장에서는 기준시각으로 미국 시험장 표준인 IRIG 표준을 사용한다. 우주센터에서는 1 millisecond의 분해능을 갖는 IRIG-B 기준시각을 표준으로 사용하며, 이를 위하여 각 추적소의 시스템은 각각의 GPS 장비 및 IRIG-B . 시각 발생 장비로 구성된 기준시각 발생장치를 사용한다.
각 원격지 및 센터내부에는 각 수신국 시스템의 설정, 구성, 감시하고 제어하기 위한 중앙 제어장치를 두어 시스템 운용 및 관리의 효율성을 높이도록 하였다. 이 시스템(MCS)은 각 수신국에 있는 모든 시스템을 자동적으로 Pollin各하여 감시하고 테스트 할 수 있는 기능과 보정 장비, 안테나 Controller, 수신기 -Combiner, 자료처리 시스템 등의 구성 및 설정 기능을 갖는다.
이 시스템(MCS)은 각 수신국에 있는 모든 시스템을 자동적으로 Pollin各하여 감시하고 테스트 할 수 있는 기능과 보정 장비, 안테나 Controller, 수신기 -Combiner, 자료처리 시스템 등의 구성 및 설정 기능을 갖는다. MCS와 다른 모든 구성시스템 간의 통신은 LAN(lOOMbps)을 통해 이루어져 원격지에서 지상수신국 시스템을 설정 제어할 수 있도록 히-여 원격지에서의 NORAD TLE 모드로 운용이 가능하도록 한다. 이 시스템이 갖추어야할 기본적인 기능을 아래와 같이 정의하였다.
스템의 일부를.개조함으로써 위성발사체 발사뿐만 아니라 평상시에 위성지상관제 시스템으로 운용할 수 있도록 신호의 수신뿐만 아니라 동시에 Up-link 신호를 송신할 수 있도록 RF 채널을 구성하였다.
대상 데이터
그러므로 잘못된 위치 선정은 발사체로부터 송신되는 원천 신호 자체를 안정적으로 수신하지 못하는 문제를 일으킬 수 있다. 이러한 기술적 사항과 운용 관리의 편리성 측면을 고려하여 최종 2곳을 선정하였다. 원격측정 지상국 시스템 위치로 선정한 2곳은 그림 1과 같이 발사체의 비행방향 전방 좌/우측에 배치된다.
원격측정 지상국 안테나의 형태는 Prime Focus feed 의 Parabola 안테나와 Elevation over Azimuth 형태의 Pedestal로 구성하였다. 수신 편파 특성은 동시에 두 개의 원편파 (RHCP, LHCP) 신호를 출력한다.
이론/모형
'기록장치는 실시간 기록되는 데이터를 안전하게 보존하기 위해서 데이터 Mirroring이 가능한 RAID 기록방식을 사용하였다. 이 RAID 방식은 Format의 종류에 따라 데이터를 기록하는 방식과 사용할 수 있는 .
따라서 실시간 임무 수행에; 필수적인 수십~수백 Kbps 정도의 주요 자료(Quick Look Message)만을 선택하여 실시간으로' 전송하며, 전체 원시자료는 사후 자료 처리 과정 (Post-Mission Data Analysis) 으로 처리하도록 구성하여야"한다. 또한 TCP/IP 방식보다 소요 대역폭을 반으로 줄일 수 있는 UDP/1P 방식을 사용하였다.
후속연구
지구곡률에 의하여 약 2000km 정도로 제한된다. 또한 추적 시스템의 정확한 추적(통신) 거리 산출을 위해서는 발사체의 비행 궤적자료, 발사체 운용 및 동작 시나리오, 비행궤적에서의 중요 Event 발생지점에 대한정보가 있어야 하며, 발사체의 송신특성 및 전파경로 손실 그리고 수신국의 안테나 특성 등을 고려한 RF Link Budget 분석이 필요하다. RF link Budget 분석은 주어진 환경에서 수신 신호의 신호 대 잡음비 (SNR: Signal to Noise Ratio)를 분석함으로써 수신신호의 비트오류확류BER: Bit Error Rate) 및 여유(Fade Margin) 를 분석하여 기본적인 자료를 산출하기 위한 것이다.
제 2추적소의 경우에는 앞에서 기술한 거리에 교정용 송신장비의 설치가 가능하나, 제1 추적소의 경우에는 적당한 위치가 없는 환경이며, 11m 크기의 Aperture 안테나의 경우 시스템 레벨 테스트 등을 적당하게 수행할 수 있는 보정장치와 안테나간의 거리는 0.5D2/A ~ 2D2/X 범위도 허용할 수 있는 것으로 분석되어 D2/X ~ 2D2/X범위의 거리에 설치할 예정이다.
수신국 시스템은 대 형 안테니"대신에 빔폭이 넓으며, 이득이 적고 추적기능이 없는: 소형안테나를 사용하며, 제2 추적소 시스템의; 경우 송/수신겸용이 가능한 안테나를 사용하여 위성 관제용(TT&C)으로 활용이 가능하도록 한 것이 차이가 난다 위성 발사체용 원격측정 수신시스템은 발사장 주위뿐만.아니라 지구 곡률에 의해 통신이 두절되는 수평선 너머에서의 신호 수신을 위한 Down Range System이 필요하며, 앞으로 Down Range System에 대한 설계와 기존 시스템과의 통합을 위한 연구가 진행되어야 한다.
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