[논문]전도성 전자파환경에서의 다목적실용위성 2호 시스템 설계 검증

김태윤; 임성빈; 최석원

doi:10.5139/jksas.2004.32.8.138

문제 정의

다목적실용위성 2호 시스템의 전도성 특성에 대한 설계 검증은 ETB 플랫폼에서 수행하게 되 며 검증시험의 주된 목적은 시스템 레벨에 대한 EMC 설계 검증을 수행하는데 있다. ETB 플랫폼에서의 전도성 특성시험은 위성체의 1차 (primary) 전원선과 2차(secondary) 전원선에 대한 노이즈 방출 및 노이즈 감응 시험으로 구성되며, 시험대상이 되는 1차 전원을 사용하는 하드웨어는 SARZ STA, DDC, RWA, Transponder가 있고 2차 전원을 사용하는 하드웨어는 OBC, ECU, RDU와 같은 프로세서가 있다.
본 논문에서는 전도성 전자파 환경에서의 다목적실용위성 2호 시스템 검증 과정 및 결과를 제시하였다. 검증 시험은 위성 시스템의 전기/전자적인 기능시험을 확인하기 위해 개발된 ETB 플랫폼에서 수행되었으며, 그 결과 위성의 전원선에서 방출되는 전류/전압노이즈가 버스 시스템에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 분석되었고, 6 dB EMC 안전성 마진을 고려한 전도성 노이즈 환경에서 다목적 실용위성 2호가 정상적으로 운용됨을 검증하였다.

제안 방법

이와 같은 전도성 검증시 험은 하드웨어의 안전성에 영향을 줄 수 있으므로 위성이 조립된 후에는 수행이 어려워 위성 시스템의 개발모델로 구성된 ETB 플랫폼(Electrical Test Bed)을 통해 위성 시스템에 대한 전도성 특성을 검증하게 된다ETB 플랫폼은 위성 시스템 개발에 앞서 위성의 전기/전자적인 인터페이스를 검증하는 역할을 수행하기 위해 개발된 시스템이다. ETB 플랫폼에서 수행하는 EMC 설계 검증은 위성의 SAR(Solar Array Regulator)로부터 공급받은 전원을 PCU(Power Control Unit)가 각 유닛에 분배하는 과정에서 전원선에서 방출되는 전도성 방출 특성을 측정하여 시스템에서 통제하는 전자파 규격에 적합한지를 검증하고, 방줄 레벨로부터 6 dB 시스템 안 전성마진을 고려한 레벨의 전도성 노이즈를 전원선에 인가하여 그 성능을 검증하게 된다[ 4].
시험은 ETB 플랫폼의 안전성을 고려하여 측정 포인트를 제공하기 위한 시험 보조 장치 및 BOB (Break-Out-Box)를 이용하여 PCU 출력단에 연결하여 수행한다. 시험 보조 장치는 PCU와 퓨즈 모 듈사이에 커넥터 세이버를 통해 연결하며, BOB 는 PCU와 1차 전원을 사용하는 하드웨어 간의 인터페이스 단자와 PCU와 2차 전원을 사용하는 하드웨어 인터페이스 단자에 어댑터 케이블을 통해 연결한다. 이는 버스 시스템의 하드웨어가 동작할 때 발생하는 전도성 노이즈를 측정할 수 있는 시험 포인트가 되며, 이를 통해 버스 시스템의 전원선에 노이즈를 인가할 수 있게 된다.
시험은 ETB 플랫폼의 안전성을 고려하여 측정 포인트를 제공하기 위한 시험 보조 장치 및 BOB (Break-Out-Box)를 이용하여 PCU 출력단에 연결하여 수행한다. 시험 보조 장치는 PCU와 퓨즈 모 듈사이에 커넥터 세이버를 통해 연결하며, BOB 는 PCU와 1차 전원을 사용하는 하드웨어 간의 인터페이스 단자와 PCU와 2차 전원을 사용하는 하드웨어 인터페이스 단자에 어댑터 케이블을 통해 연결한다.
위성을 구성하는 모든 하드웨어는 정상적인 위성 전압의 2베 이상의 노이즈 환경에서도 정상적으로 기능을 수행할 수 있어야 한다. 이를 검증하기 위해 전도성 방출 시험을 통해 측정한 전 도성 노이즈에 최소 6 dB의 마진을 더한 값을 위성 전원에 인젝션하여 ETB 플랫폼의 오동작 여부를 확인한다. 전도성 감응 시험은 ETB 플랫 폼에 정현파 신호 및 과도응답 펄스를 인가함으로써 위성 시스템의 응답 특성을 검증하게 되는 더), 이때 정현파 신호에 대한 전도성 감응시험은 30 Hz ~ 50 MHz 주파수 대역에서 수행되며 과도응답 펄스에 대한 시험은 양(+)의 펄스와 음(-) 의 펄스에 대해 수행된다.
정상 상태에서 ETB 플랫폼 전원선에서 발생하는 전도성 노이즈를 주파수 영역에서 측정하였을 때는 Fig. 9와 Fig. 10과 같은 특성을 보였으며 1차 전원선은 30 Hz ~ 50 MHz 주파수 대역에서, 2차 전원선은 10 kHz ~ 50 MHz 주파수 대역에서 측정이 이루어졌다. 1차 전원선 PCU star point에서의 전도성 노이즈는 GPS에 의한 1 kHz 미만의 저주파 노이즈 성분과 SAR에 의한 94 kHz의 노이즈 성분, PCU DC/DC converter에 의한 10 사 4z 이상의 노이즈 성분을 갖음을 시뮬레이션에 의해 해석되었는데, 이는 Fig.

대상 데이터

ETB 플랫폼은 개발모델로 구성되어 있으며 SAR(Solar Array Regulator), PCU(Power Control Unit), DDC(Deployment Device Controller)와 같은 전력계 하드웨어와, OBC(On-Board Computer), ECU(EPS Control Unit) 및 Transponder 등의 원격측정명령계, 그리고 RDU(Rem 아 e Drive Unit), STA(Star Tracker Assembly) 와 RWA(Reaction Wheel Assembly) 의 자세제어계 하드웨어들이 플랫폼에 설치되었고, 실제 하드웨어와 동일한 기능을 수행하는 각종 시뮬레이터 (Battery, GPS, Star Tracker, Vehicle Dynamics Simulators) 등으로 구성되어 있다. ETB 플랫폼에 탑재되는 시뮬레이터는 VDS의 컨트롤러에 의하여 모든 데이터를 제공받으며 ETB 플랫폼의 모든 서브 시스템 간의 데이터 송수신은 1553B 데이터 버스에 의해 이루어진다.
4와 같이 배치되어 운용되고 있으며 이들은 위성 버스 시스템의 전기적 인터페이스를 제공하는 하니스들로 연결된다. ETB 플랫폼은 개발모델로 구성되어 있으며 SAR(Solar Array Regulator), PCU(Power Control Unit), DDC(Deployment Device Controller)와 같은 전력계 하드웨어와, OBC(On-Board Computer), ECU(EPS Control Unit) 및 Transponder 등의 원격측정명령계, 그리고 RDU(Rem 아 e Drive Unit), STA(Star Tracker Assembly) 와 RWA(Reaction Wheel Assembly) 의 자세제어계 하드웨어들이 플랫폼에 설치되었고, 실제 하드웨어와 동일한 기능을 수행하는 각종 시뮬레이터 (Battery, GPS, Star Tracker, Vehicle Dynamics Simulators) 등으로 구성되어 있다. ETB 플랫폼에 탑재되는 시뮬레이터는 VDS의 컨트롤러에 의하여 모든 데이터를 제공받으며 ETB 플랫폼의 모든 서브 시스템 간의 데이터 송수신은 1553B 데이터 버스에 의해 이루어진다.

성능/효과

1차 전원을 사용하는 하드웨어의 경우 위성의 자세를 제어하기 위해 1000 ppm의 속도로 구동되는 RWA가 다른 하드웨어에 비해 지배적인 과도특성을 보였으며, 이는 순간 소모되는 전류량이 많음에 기인한 것이다. 2차 전원을 사용하는 하드웨어는 +5V, ±15V 의 모든 전원선에서 측정하였으며 측정 결과 모든 하드웨어에서의 과도 특성이 규격을 만족하였다. Fig.
본 논문에서는 전도성 전자파 환경에서의 다목적실용위성 2호 시스템 검증 과정 및 결과를 제시하였다. 검증 시험은 위성 시스템의 전기/전자적인 기능시험을 확인하기 위해 개발된 ETB 플랫폼에서 수행되었으며, 그 결과 위성의 전원선에서 방출되는 전류/전압노이즈가 버스 시스템에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 분석되었고, 6 dB EMC 안전성 마진을 고려한 전도성 노이즈 환경에서 다목적 실용위성 2호가 정상적으로 운용됨을 검증하였다. 그러나 본 논문에서 검증한 ETB 레벨의 전도성 전자파 환경의 경우 실제 시스템을 구성하는 모든 하드웨어가 탑재된 상태가 아니며, 전장품이 완전 조립된 시스템의 경우 유사하거나 이와 다른 패턴의 노이즈 분포를 가질 수 있다.
검증 시험은 위성 시스템의 전기/전자적인 기능시험을 확인하기 위해 개발된 ETB 플랫폼에서 수행되었으며, 그 결과 위성의 전원선에서 방출되는 전류/전압노이즈가 버스 시스템에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 분석되었고, 6 dB EMC 안전성 마진을 고려한 전도성 노이즈 환경에서 다목적 실용위성 2호가 정상적으로 운용됨을 검증하였다. 그러나 본 논문에서 검증한 ETB 레벨의 전도성 전자파 환경의 경우 실제 시스템을 구성하는 모든 하드웨어가 탑재된 상태가 아니며, 전장품이 완전 조립된 시스템의 경우 유사하거나 이와 다른 패턴의 노이즈 분포를 가질 수 있다. 본 논문에서 검증된 결과는 이를 해석하기 위한 바탕 자료가 될 것이며, 실제 분석 결과는 시스템 레벨에서의 시험에 반영될 것이다.
14 (a), (b) 는 1차 전원선에 인젝션 된 (+) 펄스, (-) 펄스파 형이며 (c), (d) 는 2차 전원에 인젝션 된 (+) 펄스, (-) 펄스 파형이다. 모든 전원선에 Fig. 13과 같은 정현파 노이즈와 Fig. 14와 같은 과도응답 펄스를 인젝션했을 때 ETB 플랫폼이 정상적으로 동작함을 검증하였다.
이 외- 같이 PCU나 프로 세서 의 전원선에 나타난 전압 노이즈는 버스 전압이 30V 이상이 되고 전압 변동 폭이 클 때 SAR 스위칭 노이즈에 의해 유기되어 나타난 것으로[5], 이와 같은 SAR의 스위칭 노이즈로 인한 전압변동은 실제 궤도환경에서 발생할 가능성이 매우 적다. 시험 결과 프로 세서의 동작으로 인한 4 Hz 전류노이즈는 프로 세서의 전압이나 버스 전압에 영향을 거의 주지 않으므로, 이 노이즈 성분으로 인해 해당 하드웨어는 물론 버스 시스템과 연결되어 있는 다른 하드웨어의 동작에 미치는 영향이 매우 미미한 것으로 판단된다.
11의 채널 1과 채널 3은 PCU에서 측정된 전류/ 전압노이즈이 며 체널 2와 채널 4는 OBC에서 측정된 4 Hz 성분의 전류 노이즈와 OBC 전원선에서 방출된 전압노이즈이다. 전원선에 나타난 전류/전압 노이즈에 대한 영향을 분석한 결과 PCU 전압이나 프로 세시 전압에서 측정된 전압노이즈는 4 Hz 전류 노이즈와 는 무관하게 발생되었으며, RDU, OBC, ECU에서 발생하는 4 Hz 전류 노이즈로 인한 버스 전압의 변화는 거의 관측되지 않았다. Fig.
7(a)는 1차 전원선에서 측정한 리플 전압이며 (b) 는 2차 전원선(+5V)에서 측정한 것이다. 측정 결과 정상 상태에서 방출되는 리플 전압은 1차 전원의 경우 시스템 설계 파라미터인 500 mVpp, 2차 전원인 경우 250 mVpp 이하로 측정되었다.
8의 측정 결과와 유사한 패턴을 갖고 있다. 측정 결과, 시스템에서 요구하는 전도성 노이즈 만족하였으며 Fig. 9와 Fig. 10의 지배적인 노이즈 성분은 위성의 SAR 스위칭 주파수(94 kHz) 성분과 그 하모닉 성분이다. Fig.

후속연구

그러나 본 논문에서 검증한 ETB 레벨의 전도성 전자파 환경의 경우 실제 시스템을 구성하는 모든 하드웨어가 탑재된 상태가 아니며, 전장품이 완전 조립된 시스템의 경우 유사하거나 이와 다른 패턴의 노이즈 분포를 가질 수 있다. 본 논문에서 검증된 결과는 이를 해석하기 위한 바탕 자료가 될 것이며, 실제 분석 결과는 시스템 레벨에서의 시험에 반영될 것이다.
정상 상태에서의 전도성 방출시험은 ETB 플랫폼이 정상 상태로 동작하고 있는 동안에 발생되는 시간 영역과 주파수 영역에서의 전도성 방출 특성을 측정하는 것으로 하드웨어의 정상적인 동작을 통하여 전체 시스템에서의 전류/전압 변동률을 측정하고, 주파수 대역에서의 노이즈 특성을 측정하게 된다. 전도성 방출 시험 결과는 전도성 감응 시험을 수행하기 위한 인젝션 레벨을 정의하는데 이용될 것이다.

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