[논문]큐브위성 STEP Cube Lab.의 지상국 시스템 설계

전영현; 채봉건; 정현모; 전성용; 오현웅

doi:10.20910/jase.2012.6.4.034

큐브위성 STEP Cube Lab.의 지상국 시스템 설계
Design of Ground Station System for CubeSat STEP Cube Lab. 원문보기

CubeSats classified as pico-class satellite require a ground station to track the satellite, transmit a command, and receive an on-orbit data such as SOH (State-of-Health) and mission data according to the operation plan. For this, ground station system has to be properly designed to perform a communication to with the satellite with enough up- and down-link budgets. In this study, a conceptual design of the ground station has been performed for the CubeSat named as STEP Cube Lab. (Cube Laboratory for Space Technology Experimental Project). The paper includes a ground station hardware interface design, link budget analysis and a ground station software realization. In addition, the operation plan of the ground station has been established considering the STEP Cube Lab. mission requirements.

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문제 정의

05dB로 본 큐브위성의 링크버짓 요구조건인 3dB이상을 충족하는 링크 마진이 확보됨을 알 수 있다. 이로부터 본 큐브위성의 시스템 요구조건을 충족하며 목표 임무궤도에서의 통신 가능성을 확인하였다.

제안 방법

685m이며, 이에 따른 Far-Field 거리 값은 8m로 도출되었다. 따라서 위성은 지상국과 8m 이상 떨어진 거리에서 최종 ETE 시험을 수행하여야 하며, 이를 비롯한 요구조건을 고려한 ETE 시험을 수행하였다. Fig.
본 지상국은 앞서 기술한 RF(Radio Frequency) 하드웨어와 가설된 안테나 동축 케이블 대한 검증을 수행하였다. Fig.
위성과의 원활한 통신을 위하여 로테이터를 이용하여 안테나를 위성방향으로 구동 및 지향시키며, 동축절환기를 이용하여 송·수신모드를 전환함으로써 위성과 동일한 반이중통신방식으로 위성과 통신이 가능하도록 구현한다. 상기 지상국 임무장비들의 요구전력을 공급하기 위하여 별도의 전원공급기를 설치하였다.
상기에서 수행한 하드웨어 인터페이스 설계에 따라 구축된 지상국 시설에 대한 인터페이스 검증이 이루어져야 하며, 이에 따른 RF(Radio Frequency) 하드웨어와 가설된 안테나 동축 케이블에 대한 검증 방법을 기술하였다. RF(Radio Frequency) 하드웨어와 안테나 동축 케이블에 대한 인터페이스 검증은 SWR(Standing Wave Ratio)미터기를 이용하여 SWR 값과 송수신기의 송신 출력 값 확인을 통해 가능하다.
업링크와 다운링크 소프트웨어는 리눅스 환경의 우분투 운영체제를 기반으로 자체 개발 및 검증을 수행하였다. 우선, 지상국 소프트웨어 개발을 하기에 앞서 위성의 운용 모드별 데이터가 정의 및 분류가 되어야하며, 이에 따라 분류한 데이터를 Table 5에 나타내었다.
위성과의 원활한 통신을 위하여 로테이터를 이용하여 안테나를 위성방향으로 구동 및 지향시키며, 동축절환기를 이용하여 송·수신모드를 전환함으로써 위성과 동일한 반이중통신방식으로 위성과 통신이 가능하도록 구현한다.
STEP Cube Lab.의 지상국 설계를 위하여 하드웨어와 소프트웨어로 분류하였으며, 지상국 하드웨어의 경우 장비선정 및 인터페이스 설계 링크버짓 분석을 수행하였다. 분석 결과, 업링크, 다운링크 마진 값이 각각 33.
05dB로 통신계 요구조건인 3dB 이상의 마진 확보가 가능함을 확인하였다. 지상국 소프트웨어의 경우 위성 추적 소프트웨어로 HRD를 사용 할 예정이며, 업링크와 다운링크 소프트웨어는 리눅스 환경의 우분투 운영체제를 기반으로 자체 개발하고 ETE 시험을 통해 검증을 수행하였다.

대상 데이터

에 장착된 UHF 안테나가 무지향성 원형편파를 형성하는 것을 고려하여, 이와 동일하게 원형 편파를 형성하는 M2사의 436CP42UG 제품을 선정하였다.
지상국 하드웨어는 본 큐브위성의 통신 서브시스템의 요구조건에 부합하며, 제품 간의 호환이 가능한 제품으로 선정하였다. Table 1은 STEP Cube Lab.
통신 시 데이터의 변·복조 작업을 수행하는 TNC (Terminal Node Controller)는 위성과 동일한 MSK 방식과 CSP방식을 지원하는 Gomspace사의 TNC_4 제품을 선정하였다.

성능/효과

3와 같이 전원공급기를 이용하여 요구전력을 송수신기에 공급하며, 동축케이블을 통해 송수신기, SWR 미터기, 안테나 순으로 시험 장비를 구성하였고, 위의 구성으로 시험을 수행한 결과를 Table 2에 나타내 었다. IC-9100의 UHF대역 최대 출력인 75W로 출력 하였을 때, SWR 측정값이 1.1로 1.5이하의 요구조건을 만족하였으며, 송수신기 출력 측정 결과는 70W로 5W의 송신출력 손실이 발생하였으나, 이후 링크버짓 분석을 수행하여 충분한 링크마진 확보로 위성과의 통신 수행에 지장이 없음을 확인하였다.
의 지상국 설계를 위하여 하드웨어와 소프트웨어로 분류하였으며, 지상국 하드웨어의 경우 장비선정 및 인터페이스 설계 링크버짓 분석을 수행하였다. 분석 결과, 업링크, 다운링크 마진 값이 각각 33.5dB, 13.05dB로 통신계 요구조건인 3dB 이상의 마진 확보가 가능함을 확인하였다. 지상국 소프트웨어의 경우 위성 추적 소프트웨어로 HRD를 사용 할 예정이며, 업링크와 다운링크 소프트웨어는 리눅스 환경의 우분투 운영체제를 기반으로 자체 개발하고 ETE 시험을 통해 검증을 수행하였다.
Table 3, 4은 각각 STEP Cube Lab. 업링크 및 다운링크에 대한 링크버짓 분석을 수행한 결과를 각각 나타내며, 업링크 시 33.5dB, 다운링크 시 13.05dB로 본 큐브위성의 링크버짓 요구조건인 3dB이상을 충족하는 링크 마진이 확보됨을 알 수 있다. 이로부터 본 큐브위성의 시스템 요구조건을 충족하며 목표 임무궤도에서의 통신 가능성을 확인하였다.
지상국 설계에 있어서는 STEP Cube Lab.의 통신 서브시스템 요구조건에 적합한 지상국 하드웨어 선정 및 인터페이스 설계를 수행하였으며, 이를 토대로 링크 버짓 분석을 수행하여 데이터 전송에 대한 마진 확보가 가능함을 입증하였다. 지상국 소프트웨어의 경우 리눅스(Linux) 환경의 우분투(Ubuntu) 운영 체제를 기반으로 자체개발을 하였으며, 위성의 궤도 운용 및 임무수행 계획에 따라 정의된 기능요구조건을 토대로 지상국 개발 및 검증을 수행하였다.

후속연구

본 큐브위성은 2015년 발사를 목표로 근지점, 원 지점이 각각 450km, 650km이며, 경사각 90°인 극궤도에서 운영될 예정이다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

큐브위성이란?

극초소형으로 분류되는 큐브위성은 1U(10cm× 10cm×10cm) 크기의 정육면체 형상 및 무게 1.33kg 이하의 설계 요구조건을 갖는 위성을 말한다. 큐브위성은 중·대형급 상용위성에 비해 개발기간이 짧고 저비용으로 개발이 가능한 장점으로 우주 과학실험, 개발부품의 사전 궤도검증 및 교육적 목적으로 전 세계적으로 활발한 개발이 이루어지고 있다[1].

큐브위성의 장점은 무엇인가?

33kg 이하의 설계 요구조건을 갖는 위성을 말한다. 큐브위성은 중·대형급 상용위성에 비해 개발기간이 짧고 저비용으로 개발이 가능한 장점으로 우주 과학실험, 개발부품의 사전 궤도검증 및 교육적 목적으로 전 세계적으로 활발한 개발이 이루어지고 있다[1].

극초소형으로 분류되는 큐브위성은 어떤 목적으로 활발한 개발이 이루어지는가?

33kg 이하의 설계 요구조건을 갖는 위성을 말한다. 큐브위성은 중·대형급 상용위성에 비해 개발기간이 짧고 저비용으로 개발이 가능한 장점으로 우주 과학실험, 개발부품의 사전 궤도검증 및 교육적 목적으로 전 세계적으로 활발한 개발이 이루어지고 있다[1].

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