[논문]큐브위성용 상용 전력계 부품을 적용한 영구자석 자세제어 안정화 방식 큐브위성의 전력계 개념설계

박태용; 채봉건; 정현모; 오현웅

doi:10.20910/jase.2014.8.1.042

큐브위성용 상용 전력계 부품을 적용한 영구자석 자세제어 안정화 방식 큐브위성의 전력계 개념설계
Conceptual Design of Electrical Power Subsystem for Cube Satellite with Permanent Magnet Attitude Stabilization Method 원문보기

The role of Electrical Power Subsystem (EPS) is to generate a power and distribute it to the electrical devices for the system operation. For on-orbit operation of cube satellite, it is also necessary to supply power to on-board mission devices as commercial satellite does. Recently, commercial EPS products dedicated for the cube satellite application has been developed and widely used for the power subsystem design. In this paper, a permanent magnet attitude stabilization method without external power has been introduced because it has advantage from power consumption point of view and the EPS design of cube satellite by applying the commercial EPS products has been introduced and investigated. This paper also deals with the specification of the commercial EPS products for the beginner of the cube satellite design.

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문제 정의

본 논문에서는 태양전지 판, 배터리, 전력계 보드 등의 큐브위성 전용 상용 전력계 제품 현황을 소개하였으며, 이를 바탕으로 위성의 임무특성과 전력계 요구조건을 고려하여 전력계를 설계, 분석하여 최종적으로 전력계 하드웨어를 선정하였으며, 설계의 타당성을 예측하였다. 또한 본 논문에서는 큐브위성의 자세제어를 위해 전력을 필요로 하지 않는 영구자석을 이용한 수동형 자세제어 안정화 방식을 소개하였다.
본 논문에서는 큐브위성 전력계 초기설계자를 위해 큐브위성 전용 태양전지 판과 배터리, 전력계 보드의 제품 사양, 특성, 구매비용에 대하여 현황을 소개하였으며, 위성의 자세제어를 위해 전력소모가 없이도 가능한 영구자석 자세제어 안정화 방식의 개요를 기술하였다. 큐브위성의 전력계 설계를 위하여 전체 시스템 요구조건으로부터 전력계 요구조건을 도출하고 평균전력분석, 최대전력분석 등의 전력계 분석을 수행하였으며, 분석 결과 전력계 설계요구조건을 모두 만족함을 확인하였다.
이러한 위성의 특성을 고려한 전력계 요구조건 분석을 토대로 태양전지 판, 배터리, 전력계 보드 등을 상용 제품으로 선정하여 전력계를 설계 및 구성하였다. 본 논문에서는 태양전지 판, 배터리, 전력계 보드 등의 큐브위성 전용 상용 전력계 제품 현황을 소개하였으며, 이를 바탕으로 위성의 임무특성과 전력계 요구조건을 고려하여 전력계를 설계, 분석하여 최종적으로 전력계 하드웨어를 선정하였으며, 설계의 타당성을 예측하였다. 또한 본 논문에서는 큐브위성의 자세제어를 위해 전력을 필요로 하지 않는 영구자석을 이용한 수동형 자세제어 안정화 방식을 소개하였다.

제안 방법

Transcuber의 임무와 운용궤도 조건 등을 고려하여 적절한 임무 수행이 가능하도록 전력계 설계를 수행하였다. Table 5는 Transcuber의 탑재체 및 전자장비 등의 제품 정보 등을 토대로 2장의 큐브위성의 임무정의에서 서술한 각 운용모드 별 전력 소모량을 추정한 결과이다.
Transcuber의 전력계 요구조건으로부터 전력계 설계를 진행하였다. 각 부체계로부터 요구전력량과 예상 생산전력량을 산출하여 태양전지 판의 요구면적과 실제 구조적인 가용면적을 도출하여 임무수행 가능여부를 확인하였다.
Transcuber의 전력계 요구조건으로부터 전력계 설계를 진행하였다. 각 부체계로부터 요구전력량과 예상 생산전력량을 산출하여 태양전지 판의 요구면적과 실제 구조적인 가용면적을 도출하여 임무수행 가능여부를 확인하였다. 전력계 설계에 따라, 3절에 제시 된 큐브위성 전용 상용제품들 중 하나를 최종적으로 선정하였다.
이러한 위성의 특성을 고려한 전력계 요구조건 분석을 토대로 태양전지 판, 배터리, 전력계 보드 등을 상용 제품으로 선정하여 전력계를 설계 및 구성하였다. 본 논문에서는 태양전지 판, 배터리, 전력계 보드 등의 큐브위성 전용 상용 전력계 제품 현황을 소개하였으며, 이를 바탕으로 위성의 임무특성과 전력계 요구조건을 고려하여 전력계를 설계, 분석하여 최종적으로 전력계 하드웨어를 선정하였으며, 설계의 타당성을 예측하였다.
또한, 전력계 보드는 과전류, 과전압 등에도 안정적으로 전력을 조절, 분배해야 한다. 이러한 전력계 요구조건을 만족하기 위하여 4.2절과 4.3절에서 전력계 분석을 수행하였다.

대상 데이터

Transcuber의 시스템 요구조건과 설계제안사항에 따라 최종적으로 Spectrolab의 ‘TASC Solar Cell’ 제품을 선정하였다.
전력계 보드는 제품 자체의 우수한 성능과 구조적 효율성을 고려하여 Clydespace의 EPS 제품인‘CS-1UEPS2-10’을 선정하였으며, 배터리 또한 8.2 V, 1250 mA로 10 W 용량의 Li-ion 재질의 배터리로 선정하였다.
각 부체계로부터 요구전력량과 예상 생산전력량을 산출하여 태양전지 판의 요구면적과 실제 구조적인 가용면적을 도출하여 임무수행 가능여부를 확인하였다. 전력계 설계에 따라, 3절에 제시 된 큐브위성 전용 상용제품들 중 하나를 최종적으로 선정하였다.

성능/효과

Transcuber의 예상 임무기간인 1년 동안의 위성의 예상 충 방전 횟수는 약 5420 회이다. 배터리 용량으로부터 전력이 10 W라는 점을 고려하였을 때, 위성이 임무기간 동안 약 40 %의 충분한 DOD 마진으로 충분히 임무수행이 가능함을 확인하였다. 또한, 이러한 이유로 전력 해석에서 요구 배터리 용량 등의 별도의 배터리 관련 해석은 생략되었다.
여기서 C-rate는 Current rate로, 충전 또는 방전 전류를 배터리의 정격용량으로 나눈 값이며 C/2라는 수치는 배터리 전체 용량을 2시간 만에 모두 방전한다는 의미이다. 약 5000 회의 충 방전을 하였을 때, DOD감소는 약 30 % 가량인 것으로 확인되었다. Transcuber의 예상 임무기간인 1년 동안의 위성의 예상 충 방전 횟수는 약 5420 회이다.
으로부터 도출하였다. 이러한 가정으로부터 분석을 수행하고, 적정 마진을 고려하여 임무수행에 충분한 전력공급이 가능함을 알 수 있었다.
본 논문에서는 큐브위성 전력계 초기설계자를 위해 큐브위성 전용 태양전지 판과 배터리, 전력계 보드의 제품 사양, 특성, 구매비용에 대하여 현황을 소개하였으며, 위성의 자세제어를 위해 전력소모가 없이도 가능한 영구자석 자세제어 안정화 방식의 개요를 기술하였다. 큐브위성의 전력계 설계를 위하여 전체 시스템 요구조건으로부터 전력계 요구조건을 도출하고 평균전력분석, 최대전력분석 등의 전력계 분석을 수행하였으며, 분석 결과 전력계 설계요구조건을 모두 만족함을 확인하였다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

큐브위성에서 자기 토커를 이용한 3축 자세제어 방식의 장단점은 무엇인가?

큐브위성에서 일반적인 능동형 자세제어 방식으로 쓰이는 자기 토커를 이용한 3축 자세제어 방식은 별도의 지향성능을 가질 수 있지만, 임무 시 전력을 일정량 소모한다는 단점이 있다. 한국항공대학교의 1 U 큐브위성인 HAUSAT[2]의 경우, 중력구배 붐과 자기 토커로 구성된 자세제어 계의 구동시의 소모 전력량이 총 175 mW 가량 되었다.

인공위성 전력계의 역할은 무엇인가?

인공위성의 전력계는 일반적으로 전력 공급을 통해 위성 시스템이 적절한 동작과 생존을 가능하게 한다. 이를 위하여 일반적인 일차 전원인 태양광 에너지로부터 전력을 생산, 조절, 분배하는 것은 위성 운용의 기본이 된다.

Transcuber의 각 임무모드를 설명하라.

Transcuber는 각 임무모드 별로 운용하게 된다. 초기모드는 위성의 궤도진입 직후의 모드로 1차 전개모드는 위성에 탑재된 카메라를 이용하여 지구를 배경으로 한 태극기 영상을 획득 하는 것으로 이를 위해 태양전지 판과 안테나 등의 전개를 하게 된다. 2차 전개모드에서는 태극기 영상획득 임무를 끝낸 후, 지구 영상정보 획득을 위해 태극기 판넬을 전개하여 카메라 시야각을 확보하고 지구의 영상촬영을 수행하게 된다. 비상모드 시에는 위성의 생존을 위해 위성의 전자장비 및 탑재체 등이 최소 전력 모드로 전환하게 된다.

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