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문제 정의
- 본 논문에서는 다목적실용위성 5호의 SAR 신호 특성을 고려하여 능동 트랜스폰더에서 요구되는 사양을 도출하였고, 이를 만족하기 위한 설계 및 구현을 하였으며, 자체 시험을 통해 기능 및 성능 검증을 수행하였다. 해외 위성과의 연동시험을 통해 시간 지연 효과 및 RCS 정확도에 대한 확인을 하였고, 최종적으로 다목적실용위성 5호의 검·보정을 수행하는데 적합함을 알 수 있었다.
제안 방법
- RCS의 제어 성능 측정에서는 그림 9에서 나타낸 것처럼 혼 안테나를 이용하여 시험용 펄스 신호를 능동 트랜스폰더로 송신하면 능동 트랜스폰더에서는 입력 전력속 밀도 조건에 맞는 신호가 입력되고, 이 때 설정된 RCS에 따라 해당 출력 레벨의 신호가능동 트랜스폰더에서 출력되어 송신 안테나에서 분리된 선로를 통해 스펙트럼 분석기로 입력되어 1 dB 단위로 입력 전력속 밀도가 변동될 때 일정한 출력신호가 생성되는지를 확인하였다.
- 각 부 시스템이 요구사항을 모두 만족하는 것을 검증한 이후 조립 및 전체 통합시험을 수행하였다.
- 고온고습 시험은 50도의 온도와 습도 90 %의 조건에서 10시간을 유지하면서 3시간 단위로 측정을 하였고, 저온은 —10도의 온도에서 10시간을 유지하면서 3 시간 단위로 측정을 수행하였다.
- 공급되는 전원의 형태는 220 V의 일반전기를 사용할 수 있으나, 주로 야외에 설치되는 점을 고려하여 일반 자동차 배터리 전원을 활용할 수 있도록 24 Vdc를 인가할 수 있게 설계하였다.
- 26 GHz의 PLL(Phase Lock Loop)의 출력 신호를 합성하여 생성하였다. 국부발진 신호와 9.66 GHz 정현파 신호의 coherence를 위해 10 MHz 기준 신호를 분기하여 적용하였다.
- 능동 트랜스폰더 내부의 온도 및 소자들의 성능 저하에 따른 신호 레벨의 측정 오차를 최소화하기 위해 실제 위성 교신 준비 과정에는 신호 발생 모듈에서 생성한 9.66 GHz의 정현파 신호를 송·수신 모듈에 인가한 후에 신호 모니터링 모듈을 통한 채널보정을 수행한다.
- 능동 트랜스폰더에 대한 자체 조립 및 시험이 완료된 이후 독일의 TerraSAR-X 위성을 이용하여 영상 상에 나타난 능동 트랜스폰더의 시간 지연 효과와 RCS 정확도를 확인하였다.
- 능동 트랜스폰더의 위치를 가상적으로 이동하기 위해 내부적으로 인가하는 시간 지연의 효과를 분석하였다. 그림 2는 위성의 SAR 신호가 입사될 때 표적거리(slant range)와 지상거리(ground distance)를 나타낸 것이다.
- 본 논문의 능동 트랜스폰더는 내부의 RF 송·수신 회로에 의해서 수신된 SAR 신호가 30～50 dBsm의 범위에서 선택된 RCS를 나타내도록 SAR 신호를 출력하여 위성으로 재전송하는 기능을 탑재하였다.
- 송·수신 채널 링크 분석을 통해서 입력신호의 전력속 밀도(PFD)의 크기, RCS에 따른 출력 신호의 크기 및 송·수신 채널 간의 격리도(isolation)에 대한 요구사항을 도출하였다.
- 시간 지연 효과에 의해 위성이 바라보는 방향에서 더 멀어지는 곳으로 능동 트랜스폰더는 가상 이동을 하므로, 시험 당일 위성 통과는 남에서 북으로 진행하고, SAR 촬영을 위한 위성 지향 방향은 오른쪽이므로 능동 트랜스폰더는 논산 탑정호 주변에서 오른쪽에 호수가 있는 곳에 설치를 하였다.
- 신호 대 잡음비 측정은 조립된 능동 트랜스폰더에서 안테나와 연결되는 케이블을 분리한 후에 능동 트랜스폰더의 입력에 신호발생기를 연결하고, 능동 트랜스폰더 출력에 스팩트럼 분석기를 연결하여 측정하였다. 그림 10은 RCS가 30 dBsm일 때 측정된 신호 대 잡음비를 나타낸 것이다.
- 신호 대 잡음비 측정은 최저 RCS 값인 30 dBsm을 기준으로 하여 수행되었으며, 설계상의 대역폭인 300 MHz를 고려하여 9.66 GHz의 캐리어 신호의 레벨과 9.81 GHz에서의 잡음 레벨의 비로써 측정을 수행하였다. 그 결과, 신호 대 잡음비가 약 43.
- 안테나 이득은 당초 예상한 결과인 20 dB보다 2.5 dB가 높아졌으며, RCS을 맞추기 위해 송·수신 채널링크 분석을 재수행하여 디지털 제어 감쇄기의 제어를 위한 LUT(Look-Up Table)에 반영하였고, 출력신호의 크기를 조정하였다.
- 앞서 송·수신 채널 링크 분석을 통해 도출된 95 dB의 격리도 요구 특성을 만족하기 위해 송신과 수신 안테나 간격을 2.6 m로 제작하였다.
- 이러한 기능 구현을 위해서 위성에서 전달한 SAR 신호에 대해 수신이 감지가된 이후에는 입력되는 신호의 크기에 따라 내부 이득을 조절해야 한다. 이 경우 내부 제어회로에서의 처리 시간을 보상하기 위해 최초 펄스가 감지될 경우, 의사(pseudo) 펄스 신호를 바로 전송하고, 두 번째 펄스 신호가 감지될 시점에 처음 수신되어 크기가 보상된 펄스 신호를 전송하도록 구현하였다. 수신 펄스 감지는 제어 보드에서 4 M/sample의 ADC(Analog-to-Digital Converter) 출력 신호를 판별함으로써 수행되며, 200 ms의 단위로 대표 값이 기록된 후 위성 통과 후에 로그 파일로 저장된다.
- 이외에 내부 시간 지연회로를 이용하여 SAR 영상에서 가상 이동 효과를 얻을 수 있다. 이러한 능동 트랜스폰더의 개발을 위해 다목적실용위성 5호에서 요구되는 사양을 결정하고, 제작 및 조립 후에 다양한 시험을 통해 기능과 성능을 검증하였다. 위성과 연동하여 시간 지연 효과에 의해 실제 영상에서 미미한 차이로 예상되는 이동거리와 실제 영상에서 나타난 이동거리가 서로 유사함이 확인되었다.
- 9 dB가 고려되지 않고 출력 신호 레벨이 조절됨을 확인하였다. 이러한 부분은 위성 연동 시험 후 수정 조치를 하여 출력 신호를 모니터링한 후 디지털 제어 감쇄기(DCA)를 조절할 때 동축케이블 손실만큼을 보상하도록 조치하였다. 1.
- 또한, 임의의 장소에 설치된 이후 계산된 방위각으로 안테나의 방향을 변경하기 위해 방위각이 0도인 지점, 즉 진북(true north)을 정확히 찾아야 한다. 이를 위해 능동 트랜스폰더는 GPS 수신기의 지표 정보 및 내부에 장착된 자이로컴퍼스(gyrocompass)에서 측정된 자북(magnetic north) 정보를 이용하여 서로 다른 장소에 이동 설치가 되더라도 위성 통과를 수행할 수 있도록 설계하였다.
- 송·수신 채널 링크 분석을 통해서 입력신호의 전력속 밀도(PFD)의 크기, RCS에 따른 출력 신호의 크기 및 송·수신 채널 간의 격리도(isolation)에 대한 요구사항을 도출하였다. 입력 신호의 전력속 밀도의 크기를 결정하기 위해 식 (1)을 이용하여 위성 송신 전력 및 송신 안테나의 이득으로 구성된 위성의 유효등방성 방사 전력(EIRP: Effective Isotropic Radiated Power)을 갖는 레이더 신호가 능동 트랜스폰더의 수신 안테나 전단에 도달할 때의 전력속 밀도를 계산하였다.
- 다목적실용위성 5호의 SAR 안테나는 입사각(incident angle)에 따른 다양한 빔을 사용한다. 채널링크 분석에서는 이러한 입사각에 따른 위성 SAR 안테나와 지상 능동 트랜스폰더 간의 거리를 산출한 후에 능동 트랜스폰더의 수신 전력속 밀도를 산출하였다. 그 결과, —53.
- 특히 능동 트랜스폰더의 본체에 따른 불필요한 반사를 최소화하기 위해 혼 안테나의 지향 방향을 본체와 45도 차이를 줌으로서 안테나가 위성을 지향할 때 위성으로 전달된 SAR 신호가 본체에서는 45도와 135도로 기울어진 면을 통해 위성의 방향과는 다르게 반사되도록 하였다.
- 표 1의 요구사항을 만족하도록 능동 트랜스폰더의 송·수신 채널링크 분석, 지연회로에 의한 효과 분석, 그리고 세부 모듈 구성 설계를 수행하였다.
- 환경시험에서는 고온 고습과 저온일 때의 조건으로 하여 입력 신호 모니터링 및 RCS 설정에 따라 출력 신호가 일정하게 출력되는지를 확인하였다. 그림 11은 측정 시설 안에 위치한 능동 트랜스폰더를 나타낸 것이다.
성능/효과
- RCS 정확도와 관련하여 능동 트랜스폰더에서 설정한 RCS는 45 dBsm이었으나, TerraSAR-X 위성의 영상에서 확인된 RCS는 43.6 dBsm으로써 약 1.4 dB가 작게 나타났다. 이에 대한 원인을 분석한 결과, 본체에서 출력 안테나와 연결해 주는 80 cm의 동축케이블에 대한 손실인 0.
- 81 GHz에서의 잡음 레벨의 비로써 측정을 수행하였다. 그 결과, 신호 대 잡음비가 약 43.6 dB이므로 앞서 요구된 30 dB를 만족함을 알 수 있다.
- 그 결과, 총 4가지의 송·수신 안테나 조합에 대한 측정 결과가 격리도 요구사항을 모두 만족하고 있음을 알 수 있다.
- 1차 고온고습 시험에서 RCS가 50 dBsm일 때, 출력 신호가 나오지 않는 문제가 발생되어 확인 결과, 본체 기구 내부에 습기가 발생되어 송신 모듈의 증폭기가 오동작을 한 것이 원인이었다. 문제가 발생된 부품을 교체한 후에 본체 기구의 바닥 면에 방열 팬을 부착함으로써 2차 시험에서는 모든 RCS에 대해 요구되는 성능이 만족됨을 확인하였다.
- 이러한 능동 트랜스폰더의 개발을 위해 다목적실용위성 5호에서 요구되는 사양을 결정하고, 제작 및 조립 후에 다양한 시험을 통해 기능과 성능을 검증하였다. 위성과 연동하여 시간 지연 효과에 의해 실제 영상에서 미미한 차이로 예상되는 이동거리와 실제 영상에서 나타난 이동거리가 서로 유사함이 확인되었다. 이러한 결과에 따라 본 능동 트랜스폰더는 다목적실용위성 5호 발사 후 검·보정으로 활용하기에 적합할 것으로 예상된다.
- 이러한 결과로부터 수신 신호 측정의 정확도는 +/— 0.3 dB이고, —65～—45 dBW/m2의 입력 전력속 밀도에 대한 RCS의 변동은 요구되는 +/— 0.5 dB을 만족함을 알 수 있다.
- 5 dB에 대해서는 가정된 대기 손실의 오차 및 RCS 안정도(stability)에 의한 오차 등이 반영된 것으로 예상되며, 추후 다목적실용 위성 5호 위성을 이용하여 다수의 위성 연동 시험을 통해 통계적으로 레벨 차이에 대해 보정(calibration)을 수행할 예정이다. 이상과 같이 능동 트랜스폰더의 조립 후 지상 시험과 TerraSAR 위성 연동 시험까지의 결과를 통해 표 1에서 요구하는 사양은 모두 만족함을 확인하였다.
- 4 dB가 작게 나타났다. 이에 대한 원인을 분석한 결과, 본체에서 출력 안테나와 연결해 주는 80 cm의 동축케이블에 대한 손실인 0.9 dB가 고려되지 않고 출력 신호 레벨이 조절됨을 확인하였다. 이러한 부분은 위성 연동 시험 후 수정 조치를 하여 출력 신호를 모니터링한 후 디지털 제어 감쇄기(DCA)를 조절할 때 동축케이블 손실만큼을 보상하도록 조치하였다.
- 5 미터가 된다. 한편, 시험에서 능동 트랜스폰더는 시간 지연을, 1,760 ns로 설정하였고, 이때 지상 이동 예상 거리는 약 393.67 미터이므로 영상에서의 결과와 비교하면 약 2.17 미터의 미약한 차이로 예상되는 이동 거리와 일치함을 알 수 있었다.
- 해외 위성과의 연동시험을 통해 시간 지연 효과 및 RCS 정확도에 대한 확인을 하였고, 최종적으로 다목적실용위성 5호의 검·보정을 수행하는데 적합함을 알 수 있었다.
후속연구
- 이러한 부분은 위성 연동 시험 후 수정 조치를 하여 출력 신호를 모니터링한 후 디지털 제어 감쇄기(DCA)를 조절할 때 동축케이블 손실만큼을 보상하도록 조치하였다. 1.4 dB에서 0.9 dB를 제외한 0.5 dB에 대해서는 가정된 대기 손실의 오차 및 RCS 안정도(stability)에 의한 오차 등이 반영된 것으로 예상되며, 추후 다목적실용 위성 5호 위성을 이용하여 다수의 위성 연동 시험을 통해 통계적으로 레벨 차이에 대해 보정(calibration)을 수행할 예정이다. 이상과 같이 능동 트랜스폰더의 조립 후 지상 시험과 TerraSAR 위성 연동 시험까지의 결과를 통해 표 1에서 요구하는 사양은 모두 만족함을 확인하였다.
- 위성과 연동하여 시간 지연 효과에 의해 실제 영상에서 미미한 차이로 예상되는 이동거리와 실제 영상에서 나타난 이동거리가 서로 유사함이 확인되었다. 이러한 결과에 따라 본 능동 트랜스폰더는 다목적실용위성 5호 발사 후 검·보정으로 활용하기에 적합할 것으로 예상된다.
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