CNUSAIL-1은 태양돛을 탑재한 3U크기의 큐브위성이다. 주 임무는 저궤도에서 태양돛을 전개하는 것이며, 추가적으로 태양돛 전개와 태양돛 운용에 따른 위성의 자세/궤도변화를 확인하는 임무를 수행한다. 이를 위해, 위성의 각 시스템은 위성의 동적 데이터와 태양돛 작동 사진을 수집하고 지상국으로 전송한다. 본 논문에서는 이와 같은 임무를 수행하는 CNUSAIL-1의 태양돛 임무를 소개하고 시스템 개념설계 결과를 나타낸다. 탑재체인 태양돛의 구동 및 운용 원리를 구현하고, 버스시스템을 자세제어계, 통신계, 전력계, 명령 및 데이터 처리계, 구조 및 열 제어계로 나누어 개념 설계를 수행한다.
CNUSAIL-1은 태양돛을 탑재한 3U크기의 큐브위성이다. 주 임무는 저궤도에서 태양돛을 전개하는 것이며, 추가적으로 태양돛 전개와 태양돛 운용에 따른 위성의 자세/궤도변화를 확인하는 임무를 수행한다. 이를 위해, 위성의 각 시스템은 위성의 동적 데이터와 태양돛 작동 사진을 수집하고 지상국으로 전송한다. 본 논문에서는 이와 같은 임무를 수행하는 CNUSAIL-1의 태양돛 임무를 소개하고 시스템 개념설계 결과를 나타낸다. 탑재체인 태양돛의 구동 및 운용 원리를 구현하고, 버스시스템을 자세제어계, 통신계, 전력계, 명령 및 데이터 처리계, 구조 및 열 제어계로 나누어 개념 설계를 수행한다.
The CNUSAIL-1 project aims to develop and operate a 3U-sized cube satellite with solar sail mechanism. The primary mission is to successfully deploy the solar sail in a low earth orbit, and the secondary mission is to collect the scientific data for the effect of the solar sail deployment and operat...
The CNUSAIL-1 project aims to develop and operate a 3U-sized cube satellite with solar sail mechanism. The primary mission is to successfully deploy the solar sail in a low earth orbit, and the secondary mission is to collect the scientific data for the effect of the solar sail deployment and operation on orbit maneuver and attitude change of the cube satellite. For this, the bus system will collect and transmit the dynamic data of the satellite and the visual images of the solar sail operation. This paper describes solar sail mission and conceptual design of CNUSAIL-1. The actuation/operation of the solar sail and the bus system are preliminarily designed in terms of attitude control system, communication system, electrical power system, command and data handling system, structure and thermal control system is designed.
The CNUSAIL-1 project aims to develop and operate a 3U-sized cube satellite with solar sail mechanism. The primary mission is to successfully deploy the solar sail in a low earth orbit, and the secondary mission is to collect the scientific data for the effect of the solar sail deployment and operation on orbit maneuver and attitude change of the cube satellite. For this, the bus system will collect and transmit the dynamic data of the satellite and the visual images of the solar sail operation. This paper describes solar sail mission and conceptual design of CNUSAIL-1. The actuation/operation of the solar sail and the bus system are preliminarily designed in terms of attitude control system, communication system, electrical power system, command and data handling system, structure and thermal control system is designed.
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문제 정의
본 논문에서는 CNUSAIL-1의 임무와 개념설계 결과를 기술한다. 2장에서는 태양돛 임무와 임무분석결과를 소개하고, 3장과 4장에서는 탑재체인 태양돛과 버스시스템의 개념설계 결과를 제시한다.
본 논문에서는 태양돛을 탑재한 초소형위성 CNUSAIL-1의 임무를 소개하고, 시스템의 개념설계를 수행하였다. 위성의 시스템을 구분하여 탑재체는 태양돛의 형상과 전개장치를 고안하고 태양돛의 상태를 감시하는 촬영시스템을 설계하였으며, 버스시스템은 자세제어, 통신, 전력, 명령 및 데이터 처리, 구조 및 열 제어계로 나누어 개념설계를 진행하였다.
의 돛을 전개한다. 본 연구에서는 붐의 복원력에 전개되는 사출 메커니즘을 고안하였다. 붐의 재질은 Carbon Steel을 사용하였으며, 형상은 C자 형상으로 붐의 형상이 변형되었을 때 복원력에 의해 원래 형상으로 복원된다.
주 임무인 태양돛 시험의 목적은 태양돛 운용을 통한 자세/궤도 영향성을 분석하고 대형 태양돛 기반 심우주 탐사 임무의 테스트베드 역할을 수행하며, 우주 파편제거를 위한 De-Orbit Sail위성의 기반기술을 연구하는 것이다. 태양돛 운용에 따른 데이터는 태양돛 운용 시뮬레이션을 수행하고, 센서를 통한 위성의 상태정보를 임무모드별로 수집하며, 데이터 처리 소프트웨어를 통해 데이터베이스를 구축한다.
가설 설정
5%)으로 나타났다. 또한 궤도 재진입 모드를 가정하여 위성의 수명을 분석하였다. 분석조건은 Worst Case로 전파모델은 SGP4를 사용하고, 운용 기간동안 10m2면적의 항력의 영향을 가정하였다.
또한 궤도 재진입 모드를 가정하여 위성의 수명을 분석하였다. 분석조건은 Worst Case로 전파모델은 SGP4를 사용하고, 운용 기간동안 10m2면적의 항력의 영향을 가정하였다. 분석결과 Worst Case시 총 77일 동안 운용되는 것을 확인 하였다.
제안 방법
4개의 붐을 모두 촬영하기 위해서 렌즈의 시야각은 최소 90°이상으로 설계하였다.
CNUSAIL-1 의 임무 기간은 3개월이며, 태양돛 임무를 수행하기 때문에 위성의 태양 노출시간을 분석하였다. 분석결과 일기간은 평균 64.
CNUSAIL-1의 통신 가능성을 확인하기 위해 링크 버짓 해석을 수행하였다. AMSAT IARU Link Budget 스프레드 시트를 기반으로 Eb/No Method (bit energy to noise density ratio) 방법을 적용하여 링크 버짓을 도출하였다[8].
9와 같이 구성되어있다. PID제어기를 사용하여, 4개의 쿼터니안을 이용하여 모든 축의 자세값을 동시에 제어한다.
전개장치 중심에 위치한 스핀들 실린더는 4개의 붐을 고정하고, 붐이 복원력에 의해 사출 될 수 있도록 회전한다. 가이드는 붐 사출 시 스핀들 실린더의 회전속도가 붐의 사출 속도보다 빨라 전개 장치 내부에서 감겨있는 붐이 풀리는 현상을 방지하기 위해 토크 스프링을 이용하여 붐의 사출속도가 조절되도록 설계하였다.
태양돛 운용에 따른 데이터는 태양돛 운용 시뮬레이션을 수행하고, 센서를 통한 위성의 상태정보를 임무모드별로 수집하며, 데이터 처리 소프트웨어를 통해 데이터베이스를 구축한다. 또한, 태양돛의 전개과정 및 상태를 감시하기 위해 두 대의 카메라를 이용하여 촬영시스템을 구현한다.
설계한 태양돛 전개장치의 전개 가능성을 확인하기위해 태양돛의 면적을 4m2로 축소 제작하여 Fig. 6과 같이 전개시험을 수행하였다. 전개장치의 작동은 수동적 방법과 능동적 방법을 고려하고 있으며 본 시험에서는 서보모터를 이용한 능동적 방법으로 수행하였다.
본 논문에서는 태양돛을 탑재한 초소형위성 CNUSAIL-1의 임무를 소개하고, 시스템의 개념설계를 수행하였다. 위성의 시스템을 구분하여 탑재체는 태양돛의 형상과 전개장치를 고안하고 태양돛의 상태를 감시하는 촬영시스템을 설계하였으며, 버스시스템은 자세제어, 통신, 전력, 명령 및 데이터 처리, 구조 및 열 제어계로 나누어 개념설계를 진행하였다. 또한, 위성의 운용을 관제하기 위한 지상국의 개념 설계를 수행하였으며, 향후 개념설계 결과를 토대로 시스템의 상세설계를 진행할 예정이다.
의 태양돛을 전개하고, 태양돛으로 인한 자세 및 위치 변화데이터를 획득하며, 임무 말 태양돛을 이용하여 지구로 재진입 하는 임무를 수행한다. 이를 위해 시스템을 Space, Launch, Ground Segment로 나누어 탑재체인 태양돛과 버스시스템 설계를 진행하였다.
6과 같이 전개시험을 수행하였다. 전개장치의 작동은 수동적 방법과 능동적 방법을 고려하고 있으며 본 시험에서는 서보모터를 이용한 능동적 방법으로 수행하였다. 전개시험 결과 태양돛이 모두 전개 된 것을 확인 하였다.
설정한 데이터 구성을 토대로 Table 8과 같이 초기 운용시 5일동안의 데이터량을 분석하였다. 초기 운용시 비콘과 위성의 텔레메트리를 생성하고, 임무데이터는 태양돛 전개시와 전개후로 나누어 촬영데이터와 텔레메트리를 수집한다. 태양돛 전개 시에는 전개과정을 찍으므로 2방향으로 최소 5장을 촬영하며, 전개 후에는 돛의 상태를 확인하기위해 하루 1번 사진데이터를 수집한다.
CNUSAIL-1은 주임무로 궤도 안착 후 태양돛을 전개하고 운용을 하며, 이를 위해 3축 안정화방식의 태양돛 전개 메커니즘을 개발한다. 추가적으로 태양돛 전개시 위성의 자세 변화 데이터와 태양돛 운용에 따른 궤도 운동데이터를 수집하며, 태양지향, 궤도 재진입에 따른 자세제어를 수행한다.
주 임무인 태양돛 시험의 목적은 태양돛 운용을 통한 자세/궤도 영향성을 분석하고 대형 태양돛 기반 심우주 탐사 임무의 테스트베드 역할을 수행하며, 우주 파편제거를 위한 De-Orbit Sail위성의 기반기술을 연구하는 것이다. 태양돛 운용에 따른 데이터는 태양돛 운용 시뮬레이션을 수행하고, 센서를 통한 위성의 상태정보를 임무모드별로 수집하며, 데이터 처리 소프트웨어를 통해 데이터베이스를 구축한다. 또한, 태양돛의 전개과정 및 상태를 감시하기 위해 두 대의 카메라를 이용하여 촬영시스템을 구현한다.
각각의 부품들을 순차적으로 배열하며, 최상단부에는 카메라가 탑재되며 태양돛은 하단부에 탑재된다.태양돛 전개전 태양전지판을 전개하게 되며, 태양전지판은 토크스프링과 열선을 이용한 구속 메커니즘을 이용하여 전개하도록 설계하였다.
태양돛의 전개과정 및 상태를 감시하기 위해 촬영 시스템를 고안하였다. 촬영시스템을 위해 CMOS인 C3188A 카메라를 선정하였으며, C3188A의 제원은 Table 3과 같다.
본 연구에서는 붐의 복원력에 전개되는 사출 메커니즘을 고안하였다. 붐의 재질은 Carbon Steel을 사용하였으며, 형상은 C자 형상으로 붐의 형상이 변형되었을 때 복원력에 의해 원래 형상으로 복원된다. 전개장치는 이러한 붐의 특성을 이용하여 Fig.
비콘신호는 CW를 사용하여 모스부호로 위성의 기본상태 및 자세정보, 홈페이지주소를 첨부하여 전송한다. 비콘의 데이터량은 총 61바이트로 Table 6과 같이 바이트단위로 비콘 프레임 포맷을 구성하였다. 여기서 B는 Battery, E는 Error, P는 Position, V는 Velocity이다.
상태데이터, 임무데이터, 명령과 같은 텔레메트리는 AX.25프로토콜을 사용한다. 텔레메트리 데이터는 총 98바이트로 Table 7과 같이 비트단위로 나누어 구성하였다.
14 g이다. 임무 특성상 구조모델을 자체적으로 제작하며, Aluminum2024-T351재료를 사용할 예정이다.
태양돛의 전개과정 및 상태를 감시하기 위해 촬영 시스템를 고안하였다. 촬영시스템을 위해 CMOS인 C3188A 카메라를 선정하였으며, C3188A의 제원은 Table 3과 같다.
초기 운용시 비콘과 위성의 텔레메트리를 생성하고, 임무데이터는 태양돛 전개시와 전개후로 나누어 촬영데이터와 텔레메트리를 수집한다. 태양돛 전개 시에는 전개과정을 찍으므로 2방향으로 최소 5장을 촬영하며, 전개 후에는 돛의 상태를 확인하기위해 하루 1번 사진데이터를 수집한다.
25프로토콜을 사용한다. 텔레메트리 데이터는 총 98바이트로 Table 7과 같이 비트단위로 나누어 구성하였다.
이론/모형
CNUSAIL-1의 통신 가능성을 확인하기 위해 링크 버짓 해석을 수행하였다. AMSAT IARU Link Budget 스프레드 시트를 기반으로 Eb/No Method (bit energy to noise density ratio) 방법을 적용하여 링크 버짓을 도출하였다[8]. 해석결과 고도각 10°조건에서 업링크 29.
CNUSAIL-1은 3U큐브위성이므로 Table 9와 같은 제원을 따른다. 구조설계는 Cubesat Design Specification를 따랐으며, 질량은 총 3245.14 g이다. 임무 특성상 구조모델을 자체적으로 제작하며, Aluminum2024-T351재료를 사용할 예정이다.
위성의 초기 운용시 자세 결정은 TRIAD방법을 이용하며, 오차를 최소화하기 위해서 Wahba’s Equation을 도입하고 Markley방법을 이용하여 자세를 결정한다[4-6].
성능/효과
분석조건은 Worst Case로 전파모델은 SGP4를 사용하고, 운용 기간동안 10m2면적의 항력의 영향을 가정하였다. 분석결과 Worst Case시 총 77일 동안 운용되는 것을 확인 하였다.
CNUSAIL-1 의 임무 기간은 3개월이며, 태양돛 임무를 수행하기 때문에 위성의 태양 노출시간을 분석하였다. 분석결과 일기간은 평균 64.72분(65.5%)이며, 식기간은 평균 38.08분(35.5%)으로 나타났다. 또한 궤도 재진입 모드를 가정하여 위성의 수명을 분석하였다.
따라서 태양지향모드에서는 모든 태양전지판에서 전력을 생산할 수 있다. 전력생산량을 계산해 보았으며, 계산 결과 1주기당 10.728W ~ 12.612W의 전력을 생산할 수 있는 것을 확인하였다. Table 5는 시스템의 소비전력을 분석한 결과로 통신모드에서 최대 6.
해석결과 고도각 10°조건에서 업링크 29.0 dB, 다운링크 4.3 dB로 요구조건 3dB를 만족하는 통신 마진을 확인하였다.
후속연구
CNUSAIL-1의 지상통제장비 소프트웨어는 상용프로그램 HRD(Ham Radio Deluxe)을 이용하여 위성 추적, 무전기 원격제어를 수행할 예정이다. 또한, 수집한 데이터는 저장장치를 통해 웹서버로 연결하여 관리자가 열람하고, 비콘 신호는 아마추어 무선사가 수신할 수 있도록 하며, 획득한 임무데이터는 웹 사이트에 게시를 할 예정이다.
CNUSAIL-1의 지상통제장비 소프트웨어는 상용프로그램 HRD(Ham Radio Deluxe)을 이용하여 위성 추적, 무전기 원격제어를 수행할 예정이다. 또한, 수집한 데이터는 저장장치를 통해 웹서버로 연결하여 관리자가 열람하고, 비콘 신호는 아마추어 무선사가 수신할 수 있도록 하며, 획득한 임무데이터는 웹 사이트에 게시를 할 예정이다.
위성의 시스템을 구분하여 탑재체는 태양돛의 형상과 전개장치를 고안하고 태양돛의 상태를 감시하는 촬영시스템을 설계하였으며, 버스시스템은 자세제어, 통신, 전력, 명령 및 데이터 처리, 구조 및 열 제어계로 나누어 개념설계를 진행하였다. 또한, 위성의 운용을 관제하기 위한 지상국의 개념 설계를 수행하였으며, 향후 개념설계 결과를 토대로 시스템의 상세설계를 진행할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
CNUSAIL-1의 주임무는?
CNUSAIL-1은 태양돛을 탑재한 3U크기의 큐브위성이다. 주 임무는 저궤도에서 태양돛을 전개하는 것이며, 추가적으로 태양돛 전개와 태양돛 운용에 따른 위성의 자세/궤도변화를 확인하는 임무를 수행한다. 이를 위해, 위성의 각 시스템은 위성의 동적 데이터와 태양돛 작동 사진을 수집하고 지상국으로 전송한다.
CNUSAIL-1이란?
CNUSAIL-1은 태양돛을 탑재한 3U크기의 큐브위성이다. 주 임무는 저궤도에서 태양돛을 전개하는 것이며, 추가적으로 태양돛 전개와 태양돛 운용에 따른 위성의 자세/궤도변화를 확인하는 임무를 수행한다.
태양돛이란 어떤 방식인가?
태양돛은 태양 복사압의 편향에 의해 추진되는 우주비행체의 추진방식이다. 장거리 항해의경우 추진제와 연료의 양에 의해 우주선의 크기가 커지거나 한정된 연료에 의해 한정된 범위에서 항해를 해야 하는 단점이 있으므로, 이를 해결하기 위해 태양돛의 개념이 도입되었다[1].
참고문헌 (8)
Wikipedia, Solar_sail, http://en.wikipedia.org/wiki/, last accessed on 20 Jan 2014.
SJohnson, Les and Young, Roy and Barnes, Nathan and Friedman, Louis and Lappas, Vaios and McInnes, Colin, 2012, "Solar Sails : Technology and demonstration status." International Journal of Aeronautical & Space Sciences, 13 (4). pp. 421-427.
S. Nasir Adeli, V. J. Lappas, 2010, "Deployment system for the cubesail nano-solar sail mission", in 24th AIAA, Small Satellites, 43
H. D. BLACK. "A passive system for determining the attitude of a satellite", AIAA Journal, Vol. 2, No. 7 (1964), pp. 1350-1351.
Wahba, G., "A Least-Squares Estimate of Satellite Attitude," SIAM Review, Vol. 7, No. 3, July 1965,pp. 409.
Markley, F. L., "EQUIVALENCE OF TWO SOLUTIONS OF WAHBA'S PROBLEM", The Journal of the Astronautical Sciences, Vol. 147, Adv v147, pp151-159.
Psiaki, M.L. Thre-Axis Attitude determination via Kalman Filtering of Magnetometer Data, Journal of Guidance, Control and Dynamics, Vol13, May-June 1990
Amsat, amsat.org, AMSAT / IARU Annotated Link Model System, Rev2.4.1.
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