KASI (Korea Astronomy and Space Science Institute) has developed an SLR (Satellite Laser Ranging) system since 2008. The name of the development program is ARGO (Accurate Ranging system for Geodetic Observation). ARGO has a wide range of applications in the satellite precise orbit determination and ...
KASI (Korea Astronomy and Space Science Institute) has developed an SLR (Satellite Laser Ranging) system since 2008. The name of the development program is ARGO (Accurate Ranging system for Geodetic Observation). ARGO has a wide range of applications in the satellite precise orbit determination and space geodesy research using SLR with mm-level accuracy. ARGO-M (Mobile, bistatic 10 cm transmitting/40 cm receiving telescopes) and ARGO-F (Fixed stationary, about 1 m transmitting/receiving integrated telescope) SLR systems development will be completed by 2014. In 2011, ARGO-M system integration was completed. At present ARGO-M is in the course of system calibration, functionality, and performance tests. It consists of six subsystems, OPS (Optics System), TMS (Tracking Mount System), OES (Opto-Electronic System), CDS (Container-Dome System), LAS (Laser System) and AOS (ARGO Operation System). In this paper, ARGO-M system structure and integration status are introduced and described.
KASI (Korea Astronomy and Space Science Institute) has developed an SLR (Satellite Laser Ranging) system since 2008. The name of the development program is ARGO (Accurate Ranging system for Geodetic Observation). ARGO has a wide range of applications in the satellite precise orbit determination and space geodesy research using SLR with mm-level accuracy. ARGO-M (Mobile, bistatic 10 cm transmitting/40 cm receiving telescopes) and ARGO-F (Fixed stationary, about 1 m transmitting/receiving integrated telescope) SLR systems development will be completed by 2014. In 2011, ARGO-M system integration was completed. At present ARGO-M is in the course of system calibration, functionality, and performance tests. It consists of six subsystems, OPS (Optics System), TMS (Tracking Mount System), OES (Opto-Electronic System), CDS (Container-Dome System), LAS (Laser System) and AOS (ARGO Operation System). In this paper, ARGO-M system structure and integration status are introduced and described.
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문제 정의
현재 ARGO-M 시스템의 서브시스템 별 개발 및 통합이 종료되었고, 시스템 보정 및 기능/성능 시험을 수행하고 있다. 본 논문에서는 ARGO-M 시스템 통합과 관련한 각 서브시스템 별 구성을 다루고자 한다.
가설 설정
1. 인공위성 추적 및 레이저 거리측정을 위한 송수신 광학계의 안정적인 지지기능.
3. 인공위성을 정확히 지향 및 추적하기 위한 방위축/고도축의 정밀 구동기능.
제안 방법
송신 광 검출기인 SPD의 출력 신호는 아날로그 신호로 이를 Event timer 및 광전자 제어기에 직접 연결하여 사용할 수 없다. Event timer 및 광전자 제어기는 표준 인터페이스를 만족하는 장치들로 이 장치에 연결하기 위해 PDU에서 SPD 입력 신호를 Event timer에 NIM(Nuclear Instrumental Module) 신호로 출력하고, 광전자 제어기에는 TTL(Transistor Transistor Logic) 신호를 출력한다. 수신 광 검출기인 C-SPAD 또한 입력신호가 PDU에 의해 NIM 신호로 출력되어 Event timer로 연결된다.
TMS는 광학망원경 및 부가장비들의 무게를 고려하여 최대 300 kg의 중량을 부하로 구동하도록 설계되었다. 기계시스템으로는 마운트 fork, 베이스, 방위축, 고 도축 구동부, 그리고 제어시스템은 목표 각도로 신속하고 정확히 지향하도록 제어하는 지향 서보제어기와 지속적인 위성추적을 위한 추적 서보제어기로 구성된다.
TMS는 광학망원경 및 부가장비들의 무게를 고려하여 최대 300 kg의 중량을 부하로 구동하도록 설계되었다. 기계시스템으로는 마운트 fork, 베이스, 방위축, 고 도축 구동부, 그리고 제어시스템은 목표 각도로 신속하고 정확히 지향하도록 제어하는 지향 서보제어기와 지속적인 위성추적을 위한 추적 서보제어기로 구성된다. 기계시스템에 사용된 주요 요소로, ETEL사의 구동 모터(direct drive motor), Renishow REXM 엔코더, 그리고 THK의 베어링이 사용되었다.
CDS에 접합되어 설치된 서브시스템 장비들은 약 60여개이며, 총 무게는 약 14,000 kg이고, 컨테이너 자체무게를 합산하면 약 21,000 kg에 이른다(박은서, 2011). 내부 장비들 간의 접속을 위하여 CDS 내에 cable way를 설계하여 효율적이고 안정적인 설치가 가능하도록 하였다. 3장에서 설명된 각 서브시스템간의 전기적 접합 개념도는 그림 15와 같이 정리할 수 있다.
망원경을 지지하는 피어 외에, 컨테이너 하부에 지승(ground supporter)을 설치하여 콘크리트 기반에 안정적으로 위치하도록 제작하였다. 또한 내장 장비들의 안정적인 작동을 위해 섭씨 18 ~ 20도로 온도를 유지하는 온습도 조절기를 채용했다.
외기의 낙뢰에 의한 장비손상을 방지하기 위해 낙뢰 보호 장치(surge protection device)를 마련했으며, 내부 화재의 피해를 줄이기 위해 내장은 불연 소재를 사용하였다. 망원경을 지지하는 피어 외에, 컨테이너 하부에 지승(ground supporter)을 설치하여 콘크리트 기반에 안정적으로 위치하도록 제작하였다. 또한 내장 장비들의 안정적인 작동을 위해 섭씨 18 ~ 20도로 온도를 유지하는 온습도 조절기를 채용했다.
목표물까지의 거리 측정 정밀도는, SLR 전용 측지 위성인 LAGEOS(LAser GEOdynamic Satellite, 고도 약 5,900 km) 추적인 경우 단일 발사(Single Shot, SS) 관측 값을 사용할 경우 10 mm, 정규점(Normal Point, NP) 관측 값(다수의 단일발사를 통해서 취득한 관측 값을 통계적으로 처리하여 하나의 관측 값으로 생성) 사용 시 5 mm이며, 시스템 교정을 위해 설정된 지상 목표물(Ground Target, GT)에 대한 거리측정 정밀도는 각각 3 mm(SS)와 1 mm(NP)를 목표로 한다(임형철 등, 2009). 목표물로부터 반사된 레이저 거리 측정 관측 값의 취득률 향상 및 정밀도 확보를 위하여 kHz 수준으로 펄스를 발진할 수 있는 레이저를 선택하였으며, 공간 필터와 스펙트럼 필터로 협대역 통과 필터를 적용하여 주-야간 모두 추적 임무를 수행할 수 있도록 하였다(박은서, 2011). ARGO-M 시스템은 그림 2와 같이 상용 운송수단으로 이동이 가능하도록 컨테이너 형태로 설계되었다.
실 운영 중 비상상황이 발생했을 때, 내부 장비를 보고하고 추가적인 피해를 줄이기 위해 비상정지 시스템을 별도로 설계하였다. 주요 서브시스템 장비 인근에 총 5개(운영 멀티모니터 전방, TMS 제어기 인근, 레이저 제어기 인근, TMS base 인근, LAS 제어기 인근, 그리고 돔 내) 비상정지 스위치를 장착하고, 이를 통합하여 제어할 수 있도록 하였다.
OES는 송수신 광 검출기, 시간 측정기, 그리고 광전자 제어기로 구성되어 있다. 이를 이용하여 레이저의 출발 및 도착 신호를 검출하고, 검출된 신호에 대한 정밀 시간 측정과 관련 장치의 전기적인 제어 기능을 수행한다. 송수신 광 검출기는 세 개의 요소 즉, 송신 광 검출기(Start Pulse Detector, SPD), 수신 광 검출기(Compensated Single Photon Avalanche Diode, C-SPAD), 그리고 위상보정 분배기(Comparator Unit 혹은 Pulse Distribution Unit, PDU)로 구성된다.
실 운영 중 비상상황이 발생했을 때, 내부 장비를 보고하고 추가적인 피해를 줄이기 위해 비상정지 시스템을 별도로 설계하였다. 주요 서브시스템 장비 인근에 총 5개(운영 멀티모니터 전방, TMS 제어기 인근, 레이저 제어기 인근, TMS base 인근, LAS 제어기 인근, 그리고 돔 내) 비상정지 스위치를 장착하고, 이를 통합하여 제어할 수 있도록 하였다. 아울러, 비상정지 시스템은 외부에 독립적으로 설치된 항공기 감시용 레이더의 항공기 검출 및 레이저 발진 정지신호를 LAS로 전달하는 역할도 포함한다.
대상 데이터
ARGO-M의 주 개발 목적은, 반사경 탑재 인공위성의 레이저 추적 자료를 이용하여 우주측지 연구 및 전 지구 관측 시스템(GEOSS)/전 지구 측지 시스템(GGOS)과 연계함은 물론, mm 수준의 정밀 거리측정으로부터 고정밀 궤도결정 기술을 확보하고 중점 과학기술에 제시된 우주감시 체계구축에 대한 초석을 마련하는 것이다(임형철 등, 2011). ARGO-M의 추적 대상은 고도 300 km에서 25,000 km 이내의 레이저 반사경을 장착한 인공위성이며, 저궤도 지구관측 위성, SLR 전용위성, GNSS 위성 등이 포함된다. 목표물까지의 거리 측정 정밀도는, SLR 전용 측지 위성인 LAGEOS(LAser GEOdynamic Satellite, 고도 약 5,900 km) 추적인 경우 단일 발사(Single Shot, SS) 관측 값을 사용할 경우 10 mm, 정규점(Normal Point, NP) 관측 값(다수의 단일발사를 통해서 취득한 관측 값을 통계적으로 처리하여 하나의 관측 값으로 생성) 사용 시 5 mm이며, 시스템 교정을 위해 설정된 지상 목표물(Ground Target, GT)에 대한 거리측정 정밀도는 각각 3 mm(SS)와 1 mm(NP)를 목표로 한다(임형철 등, 2009).
기준 시간은 ‘Symmericom Xli Time & GPS Frequency System’을 사용하였고 Event timer로 기준 시각 주파수인 10 MHz와 1 PPS 신호를 인가하는 역할을 수행한다. 광전자제어기는 오스트리아 Graz SLR 사이트로부터 제공 받았으며, SPD와 PDU는 자체 개발되었다. 각 장비들의 실사는 그림 13과 같다.
기계시스템으로는 마운트 fork, 베이스, 방위축, 고 도축 구동부, 그리고 제어시스템은 목표 각도로 신속하고 정확히 지향하도록 제어하는 지향 서보제어기와 지속적인 위성추적을 위한 추적 서보제어기로 구성된다. 기계시스템에 사용된 주요 요소로, ETEL사의 구동 모터(direct drive motor), Renishow REXM 엔코더, 그리고 THK의 베어링이 사용되었다. TMS의 구동은 AOS와 연동되어 제어된다(손영수, 2011).
광학 시스템(OPtics System, OPS)은 펄스 레이저를 궤도상에 운행하고 있는 목표 인공위성으로 발사하고, 반사된 레이저를 집광하는 역할을 한다. 레이저를 송수신하는 망원경은 송수신 분리형을 선택하였고, 각각의 렌즈와 거울의 지름은 10 cm, 40 cm 이다. 송신 망원경은 목표 인공위성의 고도에 따라 레이저 빔 퍼짐(transmitting beam divergence) 각을 조절할 수 있고, 수신 망원경의 시야각은 5′이며, 총 초점거리대 구경 비는 10.
9 mm)을 망원경의 광 경로로 30 mm 직경으로 확대 및 유도하는 레이저 유도계 광학 테이블 위에 장착된다. 레이저의 세기, 반복율(repetition rate) 등의 특성, 해외 SLR 사이트에서의 사용사례 및 이동형 SLR 시스템의 공간적 한계를 고려하여 미국 Photonics Industries(PI) 사의 RGL-532레이저를 채택하였다(이진영, 2011).
그림 14와 같이, 전형적인 반구개폐(clam shell)형태를 나타낸다. 설치될 컨테이너 상부 크기의 제한조건에 의해 외경 3,600 mm, 높이 2,000 mm로 설계되었으며, 좌우 각 3개의 판으로 이뤄진 돔의 무게는 약 2,500 kg이다. 돔 개폐에 사용되는 모터는 3상 220 V(0.
수신망원경은 유효직경 400 mm의 주경과 유효직경 80 mm의 부경으로 구성되며 주경과 부경의 거리는 485.722 mm이고 전체 수신광학계 시야각은 5′이다.
외기의 낙뢰에 의한 장비손상을 방지하기 위해 낙뢰 보호 장치(surge protection device)를 마련했으며, 내부 화재의 피해를 줄이기 위해 내장은 불연 소재를 사용하였다. 망원경을 지지하는 피어 외에, 컨테이너 하부에 지승(ground supporter)을 설치하여 콘크리트 기반에 안정적으로 위치하도록 제작하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
ARGO-M의 주 개발 목적은 무엇인가?
ARGO-M의 주 개발 목적은, 반사경 탑재 인공위성의 레이저 추적 자료를 이용하여 우주측지 연구 및 전 지구 관측 시스템(GEOSS)/전 지구 측지 시스템(GGOS)과 연계함은 물론, mm 수준의 정밀 거리측정으로부터 고정밀 궤도결정 기술을 확보하고 중점 과학기술에 제시된 우주감시 체계구축에 대한 초석을 마련하는 것이다(임형철 등, 2011). ARGO-M의 추적 대상은 고도 300 km에서 25,000 km 이내의 레이저 반사경을 장착한 인공위성이며, 저궤도 지구관측 위성, SLR 전용위성, GNSS 위성 등이 포함된다.
인공위성 레이저추적 시스템이란 무엇인가?
인공위성 레이저추적(Satellite Laser Ranging, SLR) 시스템은 위치가 정해진 사이트에서 목표 인공위성까지 레이저를 발사하고, 반사되어 되돌아오는 광자를 검출하여, 레이저가 왕복한 시간을 정확히 측정함으로써 사이트와 목표 인공위성까지의 거리를 정밀하게 측정하는 시스템이다. SLR 시스템은 현존하는 가장 정밀한 거리 측정 정밀도를 제공하고 있다.
참고문헌 (16)
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임형철, 서윤경, 박은서 등, 2011, 우주측지용 레이저추적시스템개발, 연구보고서, 한국천문연구원, p.2
임형철, 이진영, 2009, ARGO-M 시스템 요구사항 문서, ARGO-REQ-610-F00, 한국천문연구원, p.11
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