[논문]과학기술위성 2호(STSAT-2)의 고 정밀 디지털 태양센서(FDSS) 설계 및 분석

이성호; 장태성; 김세일; 임종태

doi:10.5139/jksas.2005.33.10.093

초록
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본 논문은 과학기술위성2호 핵심우주기술시험용 탑재체인 고 정밀 디지털 태양센서의 개발에 관한 것이다. 고 정밀 디지털 태양센서는 국내 최초의 디지털 태양센서로서 CMOS image sensor를 이용한다. FDSS는 광학부, FPGA(Field Programable Gate Array)부 및 MCU(Micro controller unit)부로 구성되어있다. 본 논문에서는 구경(Aperture)의 설계와 관련된 광학부의 광학특성 분석에 중점을 두어 기술하고자 한다. 또한 CMOS image sensor(CIS) 화소 면에 투사되는 태양광의 광학적 특성도 분석한다.

Abstract ▼ AI-Helper

We have developed the FDSS (Fine Digital Sun Sensor) for the space technology of the STSAT-2 (Seience & Technology Satellite 2). The FDSS is firstly developed by using CMOS image sensor(CIS) in South Korea. The FDSS consists of the optics part, FPGA(Field Programable Gate Array) part, and MCU(Micro ...

We have developed the FDSS (Fine Digital Sun Sensor) for the space technology of the STSAT-2 (Seience & Technology Satellite 2). The FDSS is firstly developed by using CMOS image sensor(CIS) in South Korea. The FDSS consists of the optics part, FPGA(Field Programable Gate Array) part, and MCU(Micro controller unit)part. This paper will focus on the optical characteristics of the optics part and describe the configuration of FDSS with the design of aperture. We also analyze the characteristic of optics about the pixel of the CMOS image sensor.

Keyword

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문제 정의

본 논문에서는 FDSS를 설계하는데 있어서 광학적인 특성을 우선 파악하여 태양입사광의 정밀측정 가능성을 확인하고자 하며 특히 Aperture(구경)를 통과한 광원의 회절특성을분석하여 설계를위한 적절한 구멍의 크기를 결정하고 아울러 오차(error) 특성도 분석 해 본다.

제안 방법

수 있게 된다. 입사 태양광선의 에너지 분포를 바탕으로 가장 적절한 세기의 태 양광선으로 낮추고 필터 링 하여 가장 효과적인 알고리즘을 채택하여 야 한다. 또한 투과율이 적은 필터는 투과특성이 고르지 않고 노이즈를 생성하게 된다.
지금까지 FDSS의 광학부에서 발생되는 입사광선의 특성을 분석하였다. 현재까지의 분석 결과 입사되는 태양광원은 Bessel 함수를 가지고 Airydisk 형태를 취하며 Centroid Algorithrml이용하여 데이터를 처리하면 목표한 성능의 FDSS를 개발할 수 있을 것으로 예견된다.
본 논문을 통하여 FDSS의 광학부분의 광학적인 특성을 살펴보고 분석하여 Centroid Algorithm을 적용할 수 있음을 확인하였고 이를 이용하여 예상되는 에러도 도출하였다. 이러한 분석 결과를 통하여 알 수 있듯이 aperture를 통해 입사되는 태양광선은 Airy disk형태의 원형디스크를 만들고 각 화소별로 에너지도 구별됨을 확인할 수 있었다.

이론/모형

식은 (14)과 같다. 본 논문에서도 Centroid Algorithm을 이용하여 중심을 찾는다. 그림 7의중심점 (X, Y)를 구하는 식은 다음과 같다.

성능/효과

그림 2에서 보는 봐와 같이 첫 번째로 광원이 구멍을 통해 감쇠되고 필터링되어 CIS에 투사하여 광 에너지를 전기신호로 변환하도록 하는 광학부가 있다. 두 번째로 CIS가 동작할 수 있도록 구동 신호를 발생시키고 센서로부터 변환된 디지털 데이터 신호를 저장하고 MCU 와 명령을 처리하는 FPGA부가 있다.
또한 투과율이 적은 필터는 투과특성이 고르지 않고 노이즈를 생성하게 된다. 그러므로 투과율을 50%로 올리고 동일한 BPF를 사용하는 방법을 사용하여야 보다 안정되고 우수한 성능의 FDSS를 개발할 수 있다. 이를 위해서는 적절한 노출시간을 선택하여 최적의 신호를 얻을 수 있도록 하는 것이다.
위의 결과에서 볼 수 있듯이 Error < 2.0E-4 degree 로서 목표로 하는 0.03도 보다 약 150배이상 좋은 성능을 가지는 것을 알 수 있다. 하지만 실제 구현된 회로에서는 각종 전기적인 노이즈 및 기계적인 align 에러 등 예상외의 에러요인이 상존한다.
에러도 도출하였다. 이러한 분석 결과를 통하여 알 수 있듯이 aperture를 통해 입사되는 태양광선은 Airy disk형태의 원형디스크를 만들고 각 화소별로 에너지도 구별됨을 확인할 수 있었다. 또한 예상되는 에러도 목표하는 정밀도룰 만족시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.
이러한 분석 결과를 통하여 알 수 있듯이 aperture를 통해 입사되는 태양광선은 Airy disk형태의 원형디스크를 만들고 각 화소별로 에너지도 구별됨을 확인할 수 있었다. 또한 예상되는 에러도 목표하는 정밀도룰 만족시킬 수 있음을 확인할 수 있었다. 그리고 앞으로 실제로 구현될 회로에서는 온도, 전원 특성, 각 화소의 감도 비 균일성인 FPN(Fixed Pattern Noise)등과 같은 에러요인들을 충분하게 고려하여 개발하여야 보다 우수한 정밀도의 디지털 태양센서를 개발 할 수 있을 것이다.

후속연구

특성을 분석하였다. 현재까지의 분석 결과 입사되는 태양광원은 Bessel 함수를 가지고 Airydisk 형태를 취하며 Centroid Algorithrml이용하여 데이터를 처리하면 목표한 성능의 FDSS를 개발할 수 있을 것으로 예견된다. 지금까지의 분석 결과와 CIS의 사양을 이용하여 오차특성을 아래 그림 8과 같이 simulation하여 보았다.
또한 예상되는 에러도 목표하는 정밀도룰 만족시킬 수 있음을 확인할 수 있었다. 그리고 앞으로 실제로 구현될 회로에서는 온도, 전원 특성, 각 화소의 감도 비 균일성인 FPN(Fixed Pattern Noise)등과 같은 에러요인들을 충분하게 고려하여 개발하여야 보다 우수한 정밀도의 디지털 태양센서를 개발 할 수 있을 것이다.

참고문헌 (4)

옥건호, '인공 위성용 태양센서의 제작에 관한 연구,' 석사학위논문, 한국과학기술원, pp. 1-30, 1993
J. R. Wertz, 'Spacecraft Attitude Determination and Control' Kluwer Academic Publishers: Dordrecht, pp. 221-230, 1988
W. J. Lason and J. R. Wertz, 'Space mission analysis and design', 2nd edition, Dordrecht, pp. 360-363, 1992
Hecht, 'Optics', Addison Wesley, USA, pp. 585-615,2000

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