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문제 정의
- 본 글에서는 위성발사체(KSLV)를 국내 우주센터(고흥)에서 발사하기 위하여 우주센터에 설치, 운용하고자 하는 지상국비행종단지령 장비 에 대한 운용개념 및 시스템 성능 요구특성을 분석하여 위성발사체의 발사운용을 위한 최적의 시스템을 설계하는 방안을 제시하고 있다.
제안 방법
- 따라서 지상에서 요구되는 명령을 원하는 시점에 정상적으로 전송하기 위해서는 높은 시스템 신뢰도 및 가용도가 요구된다. 이러한 특성을 고려하여 지상국비행종단지령장비의 구성은 단순하면서도 명령신호의 처리에 대한 신뢰도를 높일 수 있는 방안으로 이중화(Redundancy) 구성을 고려하였다. 또한, 발사체의 비행궤적 및 특성(추진제)을 고려하여 시스템 운용개념을 정립하였다.
- 이러한 특성을 고려하여 지상국비행종단지령장비의 구성은 단순하면서도 명령신호의 처리에 대한 신뢰도를 높일 수 있는 방안으로 이중화(Redundancy) 구성을 고려하였다. 또한, 발사체의 비행궤적 및 특성(추진제)을 고려하여 시스템 운용개념을 정립하였다. KSLV-1의 경우 1단추진제로 액체연료가 사용되며 2단 추진제로 고체연료가 사용된다.
- 이러한 조건들에 의한 화염의 영향을 정확하게 정략적으로 예측하기는 사실상 어렵다. 따라서 이러한 점을 고려하여 발사 초기구간부터 2단점화가 시작되는 시점 전까지 (TBD Km)는 그림1과 같이 우주센터 내부에 이중화 구성 을 가지는 지 상국비 행 종단지 령 장비 를 운용하는 방안을 고려하였다. 2단 점화 시점부터 최종 위성이 분리되는 시점까지는 화염에 의한 신호 손실을 피할 수 있는 위치에 선박탑재형 다운레인지 (Down Range) 시스템을 운용하고자 하였으나, 서로 다른 두 곳(센터내부, 다운레인지)의 위치에서 시스템 제어 및 명령 전송이 이루어진다는 다운레인지 운용개념이 기술적, 관리적인 측면에서 매우 위험한 요소가 있다고 판단되었다.
- 아래 그림 1은 지상국비행종단지령장비의 운용개념 및 배치현황을 나타낸 것이다. 위 그림1과 같이, 비행안전통제원이 최종 비행종단명령을 내릴 수 있는 명령패널 (MCP: Master Command Panel)은 비행안전통제센터(FSC: Flight Safety Center)내에 설치되고, 비행종단명령 을 수신하여 처리 하고 전송하는데 필요한 모든 제어장치는 별도의 FTS 장비실에 설치되어 운용하도록 설계하였다. FTS 장비실은 비 행종단명령을 송신하기 위해 필요한 신호생 성기 (Encoder), 변조기 (Exciter), 고출력 증폭기 (HPA: High Power Amplifier), 안테나 및 각 장비를 모니터링하고 제어하기위한 감시 및 제어장치 (MCS: Monitoring & Control System)등이 이중화 형태로 구성되어 설치된다.
- 위 그림1과 같이 접시형의 예비안테나는 발사체 추적에 필요한 위치정보(Slaving Data)를 발사통제센터내의 컴퓨터로부터 수신 받아 자동추적 임무를 수행하게 된다. 감시 및 제어장치 (MCS)는 이중화로 구성된 지상국비행종단지령장비의 최종 상태정보 (Final Status Information)를 비행안전통제센터로 전송할 수 있도록 설계되었다. 이러한 정보는 비행안전통제 원이 지상국비행종단지령 장비 의 발사준비 상태 및 동작상태를 최종적으로 확인할 수 있도록 한다.
- 이는 특히 추적기능 없이 발사초기구간에서 발사체의 예측 불가능한 비행안전영역 이탈이 발생하더라도 이를 넓게 커버할 수 있도록 하였다. 예비 안테나(Narrow-Beam)는 주 안테나에 비해 원거리까지 위성발사체를 추적할 수 있도록 하기 위해 고 이득 및 추적기능을 갖춘 시스템이 되도록 설계하였다. 따라서 발사초기부터 위성발사체의 2단 점화 시점 전까지 두 대의 시스템이 주, 예비 개념으로 동일하게 사용되며 장애 발생 시 언제든지 상호 절체가 가능하도록 구성되어 있다.
- 고출력증폭기 의 최대 출력 은 위 성발사체 와의 통신거리, 수신기의 수신감도, 송, 수신 안테나의 이득을 고려하여 RF Link Budget을 통해 결정되었다. 또한, 높은 시스템 신뢰도를 고려하여 모듈형태의 소출력 증폭기가 결합되어 최종출력을 생성해 낼 수 있는 고체상태 고출력증폭기(SSPA: Solid State Power Amplifier) 구조가 요구되 었다.
- 또한, 높은 시스템 신뢰도를 고려하여 모듈형태의 소출력 증폭기가 결합되어 최종출력을 생성해 낼 수 있는 고체상태 고출력증폭기(SSPA: Solid State Power Amplifier) 구조가 요구되 었다. 즉, 소출력 증폭기중 일부 모듈에 장애가 발생하여 원하는 최종출력을 생성해내지 못하더라도 Isolation에 의해 나머지 모듈에서 생성되는 출력전력으로 명령신호를 전송할 수 있도록 설계하였다. 이러한 송신기 구조는 높은 시스템 신뢰성을 유지할 수 있어 지상국비행종단지령장비의 송신장치로 적합하다.
- 본 글에서는 위성발사체 (KSLV)의 발사에 필요한 지상국비행종단지령장비의 운용개념 및 시스템 구성, RF 장비의 요구사항에 대한 분석을 수행하였다. RF 장비의 설계를 위해서 실시한 RF Link Budget 분석은 송, 수신 장치의 특성 및 성능 외에 화염손실, 다중경로손실 및 추적손실 등의 양을 정확히 예측하기 어려운 부가적인 손실에 의해서 더욱더 크게 좌우됨을 알 수 있다.
이론/모형
- 지상국비행종단지령장비의 주요 성능규격 및 요구조건은 IRIG 표준을 만족하도록 설계하였고, 특히 본 장비의 신뢰도 및 가용도 부분에 대한 정의는 IRIG 표준 뿐만 아니라 미국의 EWR(Eastern Werstern Range) 과 FAA(Federal Aviation Administation) 사례를 참고하였다. 상기(上記) 표준 및 해외발사장의 사례를 바탕으로 도출된 나로우주센터 지상국비행종단지령장비를 위한 신뢰도 및 가용도의 정의 및 요구조건을 아래와 같이 정의하였다.
- 비행종단을 위한 명령신호는 명령신호의 코드화 빙식에 따라 IRIG(Inter-Range Instrumentation Group) 표준에서 규정한 IRIG 표준 음성 톤(Tone)의 조합방식을 적용하여 명령신호의 신뢰도와 안정성을 확보하도록 하였다. 또한 본 시스템은 조합된 명령신호가 송신기를 통하여 안테나로 전송되고 비행안전통제원이 전송된 최초 명령신호와 동일한지를 비교할 수 있는 Fail-Safe 방식이 적용되었다.
- 안정성을 확보하도록 하였다. 또한 본 시스템은 조합된 명령신호가 송신기를 통하여 안테나로 전송되고 비행안전통제원이 전송된 최초 명령신호와 동일한지를 비교할 수 있는 Fail-Safe 방식이 적용되었다. 즉, 이상(異狀)명령 신호의 오류가 감지될 경우 자동으로 명령을 중지하고 예비 장비로 절체가 이루어지는 개념이 적용되고 있다.
성능/효과
- 2단 점화 시점부터 최종 위성이 분리되는 시점까지는 화염에 의한 신호 손실을 피할 수 있는 위치에 선박탑재형 다운레인지 (Down Range) 시스템을 운용하고자 하였으나, 서로 다른 두 곳(센터내부, 다운레인지)의 위치에서 시스템 제어 및 명령 전송이 이루어진다는 다운레인지 운용개념이 기술적, 관리적인 측면에서 매우 위험한 요소가 있다고 판단되었다. 또한 발사체 비행안전영역에 대한 기술적인 분석결과, 위성발사체 2단 부분에 대한 비행종단 기능이 사실상 불필요한 것으로 판단되어 센터내부에만 2 대의 시스템을 배치하고 2단 점화시점 전까지 임무를 수행하는 것으로 운용개념을 최종적으로 정립하였다. 아래 그림 1은 지상국비행종단지령장비의 운용개념 및 배치현황을 나타낸 것이다.
- 본 장비의 성능을 위해 요구되는 가용도를 RF Link 상의 무선구간 신뢰도와 동일하게 99.9% 이상으로 정의하였다.
- RF 장비의 설계를 위해서 실시한 RF Link Budget 분석은 송, 수신 장치의 특성 및 성능 외에 화염손실, 다중경로손실 및 추적손실 등의 양을 정확히 예측하기 어려운 부가적인 손실에 의해서 더욱더 크게 좌우됨을 알 수 있다. 본 해석에서는 액체 추진제에 의한 손실을 고려하지 않았지만, 실제 비행 시에 그 손실 값이 어느 정도 발생할지 정확히 예측하기 어렵다.
후속연구
- 본 해석에서는 액체 추진제에 의한 손실을 고려하지 않았지만, 실제 비행 시에 그 손실 값이 어느 정도 발생할지 정확히 예측하기 어렵다. 본 글을 통해 나로우주센터 지상국비행종단지령장비의 운용개념 및 주요 요구특성을 살펴보았으며, 추가적인 문제점 및 개선사항에 대해서는 자체시험, 탑재체(수신기)와의 호환성 시험 및 나로우주센터 내부 장비와의 연동시험을 통해 보완해 나갈 예정이다. 아래 그림4는 나로우주센터 지상국비행종단지 령장비의 전체구성도이다.
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