전세계적으로 적용되는 개발개념인 보다 빨리, 더 좋게, 더 값싼 위성을 설계하는 일에 있어 향상된 자세결정시스템을 도입하는 것은 자명한 일이라고 할 수 있다. 오늘날 CCD나 APS 기반의 별추적기는 현존하는 위성의 자세결정용 센서중에서 가장 좋은 정밀도를 제공하고 있다. 본 논문에서는, 별추적기의 기본적인 동작원리와 관련 기술의 개요를 소개함과 동시에 별추적기 개발에서 주요 이슈가 되었던 기술들을 비교 분석한다. 또한 별스캐너로부터 MEMS기술을 적용한 별추적기에 이르기까지, 별추적기의 간추린 역사와 세계 각국에서의 개발현황을 소개한다.
전세계적으로 적용되는 개발개념인 보다 빨리, 더 좋게, 더 값싼 위성을 설계하는 일에 있어 향상된 자세결정시스템을 도입하는 것은 자명한 일이라고 할 수 있다. 오늘날 CCD나 APS 기반의 별추적기는 현존하는 위성의 자세결정용 센서중에서 가장 좋은 정밀도를 제공하고 있다. 본 논문에서는, 별추적기의 기본적인 동작원리와 관련 기술의 개요를 소개함과 동시에 별추적기 개발에서 주요 이슈가 되었던 기술들을 비교 분석한다. 또한 별스캐너로부터 MEMS기술을 적용한 별추적기에 이르기까지, 별추적기의 간추린 역사와 세계 각국에서의 개발현황을 소개한다.
In order to accelerate the evolution of faster, better, cheaper spacecraft, it is evident that greatly enhanced general-purpose attitude determination methods are needed Currently, star tracker sensors based on charge coupled devices (CCD) or active pixel sensors(APS) enable one to obtain the best s...
In order to accelerate the evolution of faster, better, cheaper spacecraft, it is evident that greatly enhanced general-purpose attitude determination methods are needed Currently, star tracker sensors based on charge coupled devices (CCD) or active pixel sensors(APS) enable one to obtain the best spacecraft attitude estimation among the existing sensors for attitude determination. In this paper, basic principles of star tracker technology are explained including major issues arising in design and development of star tracker. Also, an historical overview and worldwide survey associated with various star trackers from star scanner through microelectromechanical system(MEMS)-based star tracker is offered.
In order to accelerate the evolution of faster, better, cheaper spacecraft, it is evident that greatly enhanced general-purpose attitude determination methods are needed Currently, star tracker sensors based on charge coupled devices (CCD) or active pixel sensors(APS) enable one to obtain the best spacecraft attitude estimation among the existing sensors for attitude determination. In this paper, basic principles of star tracker technology are explained including major issues arising in design and development of star tracker. Also, an historical overview and worldwide survey associated with various star trackers from star scanner through microelectromechanical system(MEMS)-based star tracker is offered.
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문제 정의
본 논문에서는, 별추적기의 기본적인 동작원리와 관련 기술의 개요를 소개함과 동시에 별추적기 개발에서 주요 이슈가 되었던 기술들을 비교 분석한다. 또한 Star Scanner로부터 MEMS기술을 적용한 별추적기에 이르기까지, 별추적기의 간추린 역사와 미국과 유럽을 중심으로 한 세계 각국에서의 개발현황을 소개한다.
본 논문에서는, 별추적기의 기본적인 동작원리와 관련 기술의 개요를 소개함과 동시에 별추적기 개발에서 주요 이슈가 되었던 기술들을 비교 분석한다. 또한 Star Scanner로부터 MEMS기술을 적용한 별추적기에 이르기까지, 별추적기의 간추린 역사와 미국과 유럽을 중심으로 한 세계 각국에서의 개발현황을 소개한다.
이상에서 별추적기 기술의 기본원리와 종류, 그리고 관련 기술 및 개발동향에 대해 알아보았다. 세계적인 기술 추세를 보면 별추적기가 가장 많이 활용되고 있는 인공위성의 경우 고신뢰도와 고정밀도를 지향하며 발전하고 있다.
성능/효과
(4) STELLAR는 Fairchild사의 100 x 100 CCD센서와 INTEL사의 8080 마이크로프로세서를 채택하고 10개의 별을 동시에 추적할 수 있으며 약 7 arcsec의 정밀도에 3도의 FOV를 갖는 것이었으며 소프트웨어의 변경을 통해 광범위한 우주비행임무를 수행하도록 설계되어 그 당시의 별추적기에서는 볼 수 없었던 획기적인 구조로 설계되었다. 이후 NASA JPL에서는 관측용 기구와 행성탐사위성 등 다양한 비행체에 STELLAR시리즈를 개발하여 탑재한 바 있으며 STELLAR 시리즈는 당시 다른 형태의 별추적기를 제작해오던 Ball Aerospace와 HDOS(Hughes Danbury Optical Systems)에 영향을 미쳐 CCD를 채택한 별추적기의 시대를 여는 견인차 역할을 하였다.
APS의 구조는 빛을 받아 들이는 수광부의 경우 CCD와 같이 픽셀(Photo Diode 또는 Photo Transistor)로 이루어져 있으나 각각의 픽셀내에 포토디텍터와 영상 해독용 증폭기(Amplifier)가 결합되어 내장되어 있어서 픽셀에서 픽셀로 전하가 전달되는 CCD 방식과는 달리 단일 픽셀의 영상 신호가 X-Y 금속와이어를 통해 바로 전달되는 구조를 갖고 있다. A/D 변환기가 소자에 포함되어 있어 중심찾기(Centroiding) 알고리즘을 구현한 로직을 소자에 포함시킬 수 있을 뿐 아니라 탑재 컴퓨터 하드웨어에도 바로 연결할 수 있으며, CCD에 비해 전력소모도 훨씬 적은 장점이 있어 소형 저전력이 요구되는 초소형 위성에도 적합하다.
1980년대에 들어 NASA JPL에서는 ASTROS라는 CCD별추적기 시리즈를 개발하여 우주왕복선에 탑재한 자외선 망원경실험과 마리너 2호 및 CRAF 위성에 탑재하여 성공을 거둔바 있다. ASTROS 별추적기는 RCA CCD와 Texas Instrument의 SBP 9889 마이크로프로세서를 기반으로 하여 8.2Mv 까지 감지할 수 있고 3개의 별을 동시에 추적할 수 있는 기능을 가지고 있었으나 전력소모가 상대적으로 크고 중량이 28kg나 나가는 대형 시스템이었다.
후속연구
별추적기 기술은 국내에도 광학계 및 센서제작 등의 하드웨어 기술과 별추적 알고리즘 및 자세결정 소프트웨어 기술은 한국항공우주연구원, KAIST, 쎄트렉아이 등을 중심으로 상당부분 축적되어 있음에도 불구하고 국내수요가 적고 국내 실용급위성에서의 신뢰도문제 등으로 인하여 국산화를 시도하기 어려우며 기존 실용급 별추적기 시장의 대부분을 미국과 유럽이 양분하고 있는 상황은 별추적기를 우리나라 독자기술로 개발하여 실용급 위성에 적용하는 걸림돌이라고 하겠다. 교육과학기술부를 중심으로 추진중인 우주핵심기술개발사업의 지원을 통하여 우리나라 고유의 저가형 고성능 별추적기를 개발하고 검증위성으로 계획중인 첨단소형위성에 시험탑재하여 충분한 성능검증을 거친다면 5~10년내에 국내외 우주시장에 자국의 별추적기가 진출하여 경쟁할수 있을 것으로 예상된다.
별추적기는 지구센서나 태양센서 등의 타 자세센서에 비해 월등한 자세정밀도를 가지고 있어 고정밀 지향이라는 시대적 요구를 가장 잘 만족하고 있으며 태양센서나 지구센서가 자체정보만으로 인공위성의 3축자세를 결정할 수 없기 때문에 타 센서의 정보를 탑재 소프트웨어를 통하여 종합처리를 해야 하는 반면 별추적기는 자체 소프트웨어의 처리를 통하여 3축 자세정보를 결정하므로 고신뢰도의 요구조건에도 잘 부응하는 센서이다. 별추적기의 가격이 대당 50만불에서 200만불에서 형성되는 것이 일반적이므로 우리나라에서 개발할 환경이 하루빨리 조성된다면 부가가치 면에서도 큰 이득을 볼 수 있는 효과도 기대해 볼 수 있으리라 생각된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
우주비행체의 자세는 어떻게 정의되는가?
일반적으로 인공위성을 포함한 우주비행체의 자세는 비행체의 세 축에 대한 Euler회전각도인 피치(Pitch), 롤(Roll), 요(Yaw)로 정의 되는 것이 일반적이다. 이 자세각들은 비행체의 몸체에 고정된 좌표계가 관성좌표계의 기준 위치로부터 얼마만큼 회전되었나를 나타낸다.
Star Tracker이 기존의 일정한 물리적 원리에 따라 단순하게 반응하여 측정하고자 하는 위치나 자세에 해당하는 아날로그/디지털 신호를 출력하는 자세 결정센서와 차별화되는 점은?
인공위성의 자세정보를 제공하는 다양한 센서 중에서 가장 뛰어난 정확도를 제공하여주는 것이 Star Tracker(별추적기 또는 별센서, 이하 별추적기)로 알려져 있다. 일정한 물리적 원리에 따라 단순하게 반응하여 측정하고자 하는 위치나 자세에 해당하는 아날로그/디지털 신호를 출력하는 기존 자세 결정센서와는 달리, 별추적기는 하늘의 별 사진을 찍어 후처리에 필요한 화상처리를 하는 CCD카메라와 별 카탈로그를 저장하고, 저장된 별의 패턴과 관측된 별의 패턴을 비교 분석 하여 인공위성의 자세를 결정하고, 결정된 자세를 인공위성의 자세제어 시스템에 전달하여 주는 탑재(On-Board)컴퓨터 및 관련 소프트웨어로 구성되어 있는 하나의 통합시스템이다.
인공위성의 자세정보를 제공하는 센서 중 가장 뛰어난 정확도를 제공해주는 것은?
인공위성의 자세정보를 제공하는 다양한 센서 중에서 가장 뛰어난 정확도를 제공하여주는 것이 Star Tracker(별추적기 또는 별센서, 이하 별추적기)로 알려져 있다. 일정한 물리적 원리에 따라 단순하게 반응하여 측정하고자 하는 위치나 자세에 해당하는 아날로그/디지털 신호를 출력하는 기존 자세 결정센서와는 달리, 별추적기는 하늘의 별 사진을 찍어 후처리에 필요한 화상처리를 하는 CCD카메라와 별 카탈로그를 저장하고, 저장된 별의 패턴과 관측된 별의 패턴을 비교 분석 하여 인공위성의 자세를 결정하고, 결정된 자세를 인공위성의 자세제어 시스템에 전달하여 주는 탑재(On-Board)컴퓨터 및 관련 소프트웨어로 구성되어 있는 하나의 통합시스템이다.
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