큐브위성 비행 소프트웨어 개발과정에서 큐브위성과 지상국간 데이터 송수신 시험이 필요한데 지상국 구축 비용과 공간성 등을 고려해 야외용 안테나를 사용하지 않는 실내용 지상국이 적합하다. 실내용 지상국 구축시 송신 출력이 높으면 큐브위성 통신시스템의 고장을 유발할 수 있음으로 지상국의 송신 출력이 큐브위성 통신시스템의 수신 허용범위 안에 있도록 설계하고, 이를 검증해야 한다. 본 논문에서는 UHF 및 VHF 주파수를 사용하는 큐브위성과의 데이터 송수신을 위한 실내용 지상국 구축에 대해 기술한다. 특히, 송신 출력을 저감하기 위한 방법으로 감쇄기를 사용하였는데, 송신단에 감쇄기를 연결하여 송신 출력과 감쇄기 수에 따른 감쇄 정도를 측정하고 이의 결과를 분석하여 기술하였다.
큐브위성 비행 소프트웨어 개발과정에서 큐브위성과 지상국간 데이터 송수신 시험이 필요한데 지상국 구축 비용과 공간성 등을 고려해 야외용 안테나를 사용하지 않는 실내용 지상국이 적합하다. 실내용 지상국 구축시 송신 출력이 높으면 큐브위성 통신시스템의 고장을 유발할 수 있음으로 지상국의 송신 출력이 큐브위성 통신시스템의 수신 허용범위 안에 있도록 설계하고, 이를 검증해야 한다. 본 논문에서는 UHF 및 VHF 주파수를 사용하는 큐브위성과의 데이터 송수신을 위한 실내용 지상국 구축에 대해 기술한다. 특히, 송신 출력을 저감하기 위한 방법으로 감쇄기를 사용하였는데, 송신단에 감쇄기를 연결하여 송신 출력과 감쇄기 수에 따른 감쇄 정도를 측정하고 이의 결과를 분석하여 기술하였다.
During developing cubesat flight software, Communication test between cubesat and ground station is needed. For this, we have constructed indoor ground station without outdoor antenna for decreasing total cost and time. In this time, if output power of ground station is high, it will affect for cube...
During developing cubesat flight software, Communication test between cubesat and ground station is needed. For this, we have constructed indoor ground station without outdoor antenna for decreasing total cost and time. In this time, if output power of ground station is high, it will affect for cubesat transceiver to be fail. For solving this problem, ground station must be designed for output power of it to be lower than input power of cubesat satellite, and it must be verified. In this paper, first, we describe cubesat indoor ground station using UHF and VHF. Second, we describe output power decreasing test for indoor operation of ground station by attaching attenuators in the end of the output connector.
During developing cubesat flight software, Communication test between cubesat and ground station is needed. For this, we have constructed indoor ground station without outdoor antenna for decreasing total cost and time. In this time, if output power of ground station is high, it will affect for cubesat transceiver to be fail. For solving this problem, ground station must be designed for output power of it to be lower than input power of cubesat satellite, and it must be verified. In this paper, first, we describe cubesat indoor ground station using UHF and VHF. Second, we describe output power decreasing test for indoor operation of ground station by attaching attenuators in the end of the output connector.
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문제 정의
본 절에서는 VHF, UHF에 대해 유선연결시험과 무선연결시험 결과에 대해 정리하였다. 각각의 시험은 감쇄기를 2 대, 3 대 연결했을 때의 결과를 포함한다.
이제까지 큐브위성 지상국 구축과 실내에서 큐브위성 통신모듈의 수신 범위를 고려한 지상국 송신 출력 저감 시험에 대해 살펴보았다. 결과적으로, 실내에서 IC-9100 무전기를 사용한 지상국을 구축할 경우, ISIS TRUXV 의 최대 수신 범위인 -40 dBm 보다 낮게 하기 위해 지상국에 감쇄기를 송신단에 연결하고, 지상국과 큐브위성 통신모듈을 유선으로 연결해야함을 확인하였고, 이를 기반으로 실내용 큐브위성 지상국을 구축하였다.
제안 방법
무선연결시험은 시험 공간에서 측정대상과의 거리에 따라 수신신호의 세기가 변화함으로, 30 cm 이내와 3 m일 때를 측정하였다. 30 cm인 경우의 VHF, UHF 시험결과는 표 7, 표 8과 같다.
송신출력 시험은 송신단과 스펙트럼 분석기를 유선으로 연결하는 유선연결시험과 송신단에 안테나를 연결하고 무선으로 측정하는 무선연결시험으로 구분하였다.
대상 데이터
UHF(430 Mhz) 유선연결시험의 경우는 표 6과 같다. VHF는 2 ~ 70W, UHF는 2 ~ 50 W의 범위에 대해 시험을 수행하였다.
지상국 구축에 있어 큐브위성 통신모듈의 수신범위가 고려되어야 한다. 본 논문에서 사용하는 큐브위성 통신모듈은 그림 1과 같이 ISIS사의 TRUXV 제품이며 주요사양은 표 1과 같다[3]. 수신 범위는 -105 dBm ~ -40 dBm 이다.
송신 출력을 확인하기 위한 도구로 전압측정기인 SX-600과 스펙트럼 분석기인 HP8564E 및 SA124B를 사용하였다. 관련도구는 표 3으로 정리하였다.
성능/효과
IC-9100 출력 범위는 VHF의 경우 2 W ~ 100W 이고, UHF의 경우 2 W ~ 75 W인데, SX-600으로 최대값을 측정해 보니, VHF, UHF의 최대 출력이 각각 70 W, 50 W임을 확인하였다. 그림 7은 VHF일 때 최대 출력값을 SX-600으로 측정한 결과이다.
이제까지 큐브위성 지상국 구축과 실내에서 큐브위성 통신모듈의 수신 범위를 고려한 지상국 송신 출력 저감 시험에 대해 살펴보았다. 결과적으로, 실내에서 IC-9100 무전기를 사용한 지상국을 구축할 경우, ISIS TRUXV 의 최대 수신 범위인 -40 dBm 보다 낮게 하기 위해 지상국에 감쇄기를 송신단에 연결하고, 지상국과 큐브위성 통신모듈을 유선으로 연결해야함을 확인하였고, 이를 기반으로 실내용 큐브위성 지상국을 구축하였다.
이의 원인을 파악하기 위해 감쇄기 각각을 1 대씩 연결하여 감쇄량을 측정한 결과 감쇄량이 일치하는 것으로 보아 감쇄기의 결함은 아닌 것으로 파악되며, 향후 이에 대한 정확한 원인 파악을 할 예정이다. 다만, 감쇄기를 3 대 연결했을 때 ISIS사의 TRUXV 제품의 최대 수신범위인 -40 dBm보다는 낮음을 확인하였다.
무선 연결시험 결과, 큐브위성 통신모듈의 수신허용범위인 -40 dBm보다 실제 수신된 신호가 높게 나와, 이 시험장치가 실내에서 무선으로 구성될 경우, 큐브위성 통신모듈에 고장을 유발 가능성이 있음을 확인하였다. 이는 실내에서 무선으로 구성시, 수신된 신호전력이 예상값보다 높게 나오는 원인은 실내무선환경은 송신 신호가 주변 물체(벽, 테이불 등)에 의해 반사되는 하나의 공진기(Cavity) 형태가 되기 때문에, 반사된 신호가 수신 신호 전력증가에 영향을 주기 때문으로 파악된다.
후속연구
유선연결시험 결과, 감쇄기를 2 대 연결했을 때는 송신 출력 예상값과 3 dBm 정도 오차로 유사했으나, 3대를 연결했을 때는 감쇄가 예상했던것에는 미치지 못했다. 이의 원인을 파악하기 위해 감쇄기 각각을 1 대씩 연결하여 감쇄량을 측정한 결과 감쇄량이 일치하는 것으로 보아 감쇄기의 결함은 아닌 것으로 파악되며, 향후 이에 대한 정확한 원인 파악을 할 예정이다. 다만, 감쇄기를 3 대 연결했을 때 ISIS사의 TRUXV 제품의 최대 수신범위인 -40 dBm보다는 낮음을 확인하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
송신출력 유선연결시험은 무엇을 테스트하기 위함인가?
그림 4, 5는 각각 송신출력 유선연결시험과 무선연결시험 구성도를 나타낸다. 유선연결시험은 예상출력값과의 비교를 통해 감쇄기의 성능이 이상이 없음을 확인하고, 무선연결시험은 실제 사용할 환경인 실내에서 안테나를 사용하여 무선으로 운용할 경우 최대 출력값을 측정한다. 이 때, 감쇄기의 수를 2 개 또는 3 개로 변화하고, 무선 연결시험에서 거리를 변화시켜 송신 출력의 변화를 확인하는데 있다.
지상국 구축에 있어서 송신출력을 큐브위성 수신범위 최대값 보다 낮게 하기 위해 설치하는 감쇄기의 경우, 연결 시 고려해야 할 점은 무엇인가?
감쇄기를 여러 개 연결할 때 직접 연결할 수도 있지만 감쇄기가 무겁기 때문에 이동하거나 부주위로 인해 연결 부위에 높은 하중이 발생하여 연결부위가 손상될 수 있다. 그림 2는 이러한 손상을 최소화하기 위해 1 m 정도의 연결 케이블을 사용하여 감쇄기를 연결한 모습을 보여준다.
큐브위성 분야에서 지상국의 역할은 무엇인가?
일반적인 내장형 소프트웨어 개발과 마찬가지로 큐브위성에 탑재되는 비행 소프트웨어 개발 역시 주로 실내에서 이루어진다. 이 때 큐브위성에서 전송한 TM(Telemetry)을 수신하고, 큐브위성으로 TC(Telecommand) 전송을 담당하는 지상국이 필요하다. 지상국은 실제 위성과의 교신을 목적으로 하지 않는다면, 구축 비용과 공간성을 고려하여 실외 안테나를 설치하지 않고 실내에서 데이터 송수신이 가능한 실내용 지상국을 구축할 필요가 있고, 특히, 고가의 큐브위성 통신 모듈이 고장이 나지 않도록 하기 위한 실내용 지상국의 출력 저감에 대한 고려가 필요하다.
참고문헌 (4)
A. Vazquez-Alvarez, R. Tubio-Pardavila, A. Gonzalez-Muino, F. Aguado-Agelet, M. Arias-Acuna, and J. Vilan-Vilan, Design of a Polarization Diversity System for Ground Stations of Cubesat Space Systems, IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 11, 2012
T. Leao, V. Mooney-Chopin, C. Trueman, Design and Implementation of a Diplexer and a Dual-Band VHF/UHF Antenna for Nanosatellites, IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 12, 2013
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