[논문]저궤도 위성과 지상국간 접속 환경을 활용한 임무수행능력 지상 검증 시험

이상록; 구인회; 임성빈

저궤도 위성과 지상국간 접속 환경을 활용한 임무수행능력 지상 검증 시험
Mission Operation Capability Verification Test for Low Earth Orbit(LEO) Satellite by Utilizing Interface Environment between LEO Satellite and Ground Station 원문보기

항공우주기술 = Aerospace engineering and technology, v.13 no.2, 2014년, pp.142 - 149

이상록 (다목적실용위성3A호체계팀) , 구인회 (위성지상시스템개발팀) , 임성빈 (다목적실용위성3A호체계팀)

초록
AI-Helper

저궤도위성은 발사 이후 초기 운영[1] 및 검보정 단계를 거쳐 정상 운영 단계로 진입한다. 정상 운영 단계에서는 이상 현상에 대한 대응조치[2], 궤도조정 작업 이외의 대부분 기간 동안 지상국으로부터 임무 명령을 수신하고 영상 촬영 및 전송 임무를 수행하게 된다. 저궤도위성과 지상국 시스템이 모두 관여된 임무수행능력은 저궤도위성 프로그램 성공 판단의 핵심 지표이고, 저궤도위성 프로그램 추진 목적과 일치하는 항목이기 때문에 지상 시험 단계에서 철저한 검증을 통해 신뢰성을 확보해야 한다. 지상 시험단계에서 지상국과 위성의 역할을 검증함으로써 임무수행능력에 대한 신뢰성을 확보하기 위해서는 저궤도위성의 실제 운용 상황과 유사한 시나리오를 작성하고 이를 바탕으로 명령을 생성하여 위성에 전달하며, 영상과 건강상태 텔레메트리(Telemetry) 데이터를 수신하는 등의 임무수행 전체 주기에 대한 검증이 필요하다. 이 논문은 저궤도위성과 지상국간 접속 환경을 활용해 수행된 임무수행능력 지상 검증 시험 설계 및 수행 결과에 대해 다룬다. 시험 설계시 고려되어야 할 항목과 이를 바탕으로 설계된 시험에 대해 상세히 서술하고 결과에 대해 정리하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

After launch of Low Earth Orbit(LEO) satellite, Initial Activation Checkout(IAC) and Calibration and Validation(Cal & Val) procedure are performed prior to enter normal operation phase. During normal operation phase, most of the time is allocated for mission operation except following up measures to anomaly and orbit maintenance. Since mission operation capability is key indicator for success of LEO satellite program and consistent with promotion purpose of LEO satellite program, reliability should be ensured by conducting through test. In order to ensure reliability by examining the role of LEO satellite and ground station during ground test phase, realistic test scenario that is similar to actual operation conditions should be created, and test that aims to verify full mission cycle should be performed by transmitting created command and receiving image and telemetry data. This paper describes the test design and result. Consideration items for test design are described in detail and result of designed test items are summarized.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 저궤도위성과 지상국간 접속 환경을 활용한 임무수행능력 지상 검증시험의 설계와 수행 결과에 대해서 정리하였다. 저궤도위성의 임무수행능력 검증시험 목표 선정과 이를 바탕으로 작성된 실제 임무수행 전체 주기와 유사한 시나리오에 대해 자세히 언급했다.
이후 시나리오를 이용해 생성된 명령을 활용해 시험을 수행해야 한다. 본 논문에서는 저궤도위성과 지상국간 접속 환경을 활용해 수행된 임무수행능력 지상 검증 시험의 설계 및 수행 결과에 대해 다룬다. 2절과 3절에서는 검증대상 목표 및 이를 바탕으로 설계된 시험 환경과 시나리오에 관해서 서술하며, 4절에서는 수행된 시험의 결과에 대해서 정리하고, 5절에서는 결론을 맺는다.
또한 저궤도위성의 임무 영상과 텔레메트리 데이터 전송 능력과 지상국 시스템의 수신 능력이 필요하다. 위와 같이 임무수행에는 저궤도위성과 지상국 시스템이 모두 관여되는 만큼 지상국 시스템과 저궤도위성 모두를 종합적으로 검증할 수 있는 목표를 선정함으로써 임무수행능력을 검증하고 이를 통해 신뢰성을 확보 하고자 하였다.
본 논문에서는 저궤도위성과 지상국간 접속 환경을 활용한 임무수행능력 지상 검증시험의 설계와 수행 결과에 대해서 정리하였다. 저궤도위성의 임무수행능력 검증시험 목표 선정과 이를 바탕으로 작성된 실제 임무수행 전체 주기와 유사한 시나리오에 대해 자세히 언급했다. 또한 시나리오를 바탕으로 촬영 지역 및 접속 일정을 선정하고 이를 이용해 임무명령을 생성했음을 보였다.

가설 설정

5) 영상 송수신 : 원활한 영상 획득을 위해서는 위성과 지상국의 역할이 모두 필요하다. 위성의 경우 지상국과의 정해진 규약에 따라 촬영 영상을 형식화 한 후 전송하는 능력이 필요하며, 지상국에서는 위성이 형식화해서 전달한 데이터를 수신하고 해제하는 능력이 필요하다.
7) 위성안테나 추적파라미터 파일 생성 : 저궤도위성에 탑재된 임무영상 전송용 안테나의 경우 방사 패턴이 전방향성이 아니다. 따라서 지상국 접속 시 원활한 영상 데이터 송수신을 위해 지상국에 설치된 안테나가 수신하기 적합한 방향으로 위성에 탑재된 안테나를 움직여주는 동작이 필요하며 이러한 동작을 위해 추적파라미터 파일 개념이 고안되었다[6].
8) 위성자세기동 명령 생성 : 저궤도위성은 영상촬영 시 정확한 목표물 지향을 위한 자세기동을 한다. 자세기동을 위한 명령은 유도파라미터 파일을 이용한 방식과 국지(Local Vertical, Local Horizontal) 명령을 이용한 방식이 있다.

제안 방법

지상국 시스템에서 생성한 위성안테나 추적 파라미터 파일 검증의 경우 추적파라미터 파일 명령이 정상적으로 생성되었음을 위성에 명령을 전송하고 수신되는 이벤트를 통해 확인 하였다. 더불어 추적파라미터 파일 구동명령이 전송된 이후 위성안테나의 움직임을 육안으로 모니터링함과 동시에 방위각 방향과 높이 방향 각도를 나타내는 텔레메트리를 확인했다. 확인결과 생성 시 의도한 구동 방향 및 극성대로 안테나가 정상적으로 지향함을 확인했고 결과는 그림 6, 7와 같다.
마지막으로 위성 데이터베이스와 위성운영시스템, 임무수행 기간 동안의 위성 버스 및 탑재체 건전성 확인은 시험을 진행 하면서 임무명령을 전송하고 이벤트와 텔레메트리를 수신하며 건전성을 확인하는 일련의 과정을 통해 검증했다.
이후 위성에 전원을 인가하고 위성 운영 시스템을 이용해 간단한 명령을 전송하고 수신되는 텔레메트리를 모니터링 함으로써 통신 링크의 정상적인 형성 및 위성의 동작 상태를 확인 했다. 버스 및 탑재체의 유닛을 실제 운용상황과 동일한 대기 상태로 진입시킴으로써 시험을 위한 준비를 완료하고 임무명령을 전송하였다. 임무수행능력 검증시험에 사용된 위성의 안전을 고려해 자세기동을 시뮬레이션 해주는 우주 역할 시뮬레이터를 연결 하지 않았다.
촬영모드 검증은 실시간의 경우에는 임무수행과 동시에 영상이 내려오고, 녹화의 경우 수신되는 영상이 없었으며, 재생의 경우 재생 시작 이후 영상이 정상적으로 수신됨과 관련 텔레메트리 확인을 통해 완료하였다. 시험 완료 이후 수신된 영상을 확인하는 과정에서 촬영영상의 종류 선택 및 영상 송수신을 확인 하였다. 지상 시험시 사용하는 영상 수신장비가 수신한 영상에는 이상이 없었으며, 지상국 시스템에서 사용하는 영상수신 장비의 경우 LHCP 채널의 수신 오류가 발견되어 수신에 사용되는 하드웨어 보완을 위한 조치를 취하였다.
영상송신기 조합, 촬영모드선택은 시험도중 임무영상 수신 과정을 통해 검증하였다. 위성에 탑재된 3개의 영상송신기는 다른 송신 주파수를 사용한다.
1개의 송신기에 오류가 발생하더라도 정상적인 임무 수행을 위해 1개의 송신기가 대체품 개념으로 탑재된 만큼 3개중 2개를 선택하는 발생 가능한 모든 조합에 대해서 영상이 정상적으로 송신 되는지 검증하는 것이 필요하다. 이를 검증함으로써 영상 저장장치에서 송신기로 영상을 전달하는 경로(Path)와 송신기에서 안테나로 영상이 전달되는 경로도 함께 검증된다.
시험 진행 이전 지상시험시설과 지상국간의 통신 링크를 형성했다. 이후 위성에 전원을 인가하고 위성 운영 시스템을 이용해 간단한 명령을 전송하고 수신되는 텔레메트리를 모니터링 함으로써 통신 링크의 정상적인 형성 및 위성의 동작 상태를 확인 했다. 버스 및 탑재체의 유닛을 실제 운용상황과 동일한 대기 상태로 진입시킴으로써 시험을 위한 준비를 완료하고 임무명령을 전송하였다.
지상국 시스템의 임무자세기동 절차 명령 생성은 지상국 시스템에서 생성한 명령 및 절대시간 명령의 시간 간격을 위성 모드변경 절차 권고사항과 비교함으로써 검증했다.
지상국 시스템에서 생성한 추적파라미터 파일의 올바른 극성 및 정확한 방향 지향은 원활한 영상 수신을 위해 필수적이므로 반드시 검증되어야 한다. 추적파라미터 파일 생성 검증을 위해 촬영지역 선택 시 안테나의 움직임이 크고 명확한 방향을 가지는 지역을 선정하며 추적파라미터 파일 구동시 육안 및 텔레메트리를 통해 안테나의 지향 방향을 확인한다.

대상 데이터

임무수행능력 지상검증 시험은 저궤도위성을 대상으로 수행되었다. 시험 진행 이전 지상시험시설과 지상국간의 통신 링크를 형성했다.

데이터처리

위성에 탑재된 3개의 영상송신기는 다른 송신 주파수를 사용한다. 시험도중 영상 수신 시 영상 수신장비의 스펙트럼 분석기(Spectrum Analyzer)에서 감지되는 수신 주파수와 송신기의 동작상태를 나타내는 텔레메트리 확인을 통해 영상송신기 조합 선택을 검증하였으며 결과는 그림 4, 5와 같다.

성능/효과

2) 촬영영상종류 선택 : 위성에 탑재된 카메라는 총 3가지 종류의 영상을 촬영할 수 있다. 사용자 선택에 따라서 3가지 중 1가지를 선택해서 촬영할 수도 있으며 동시에 모두 촬영할 수도 있다.
6) 위성 운영 서브시스템 : 위성 운영 서브시스템은 지상국 시스템의 일부인 임무 계획 서브 시스템을 이용해 계획되고 생성된 임무 명령을 위성에 전달하는 역할을 한다. 위성에 전달하는 명령의 경우 위성운영 시스템에서 형식화되며, 한 개의 명령 프레임으로 전달될 수 없는 긴 명령의 경우 전송시간 지연을 고려해 여러 개의 명령 프레임으로 나누어서 전달된다.
지상 시험시 사용하는 영상 수신장비가 수신한 영상에는 이상이 없었으며, 지상국 시스템에서 사용하는 영상수신 장비의 경우 LHCP 채널의 수신 오류가 발견되어 수신에 사용되는 하드웨어 보완을 위한 조치를 취하였다. 또한 영상 확인과정을 통해 위성과 지상국간 암호화 및 형식화 규약에는 이상이 없음을 확인 하였다.
또한 시나리오를 바탕으로 촬영 지역 및 접속 일정을 선정하고 이를 이용해 임무명령을 생성했음을 보였다. 마지막으로 생성된 명령을 이용해 시험을 수행하고 목표에 대한 검증을 성공적으로 완료했음을 시험 결과 분석을 통해 보였다. 이 논문은 저궤도위성의 성공적인 임무수행에 필요한 요소에 대한 이해와 추후 다른 프로그램에서 수행될 수 있는 임무수행능력 지상 검증시험에 도움을 줄 것이라 생각한다.
위성자세기동 명령 생성은 국지 명령의 경우 지상시스템에서 생성한 쿼터니언과 수식을 바탕으로 계산 값이 일치함을 확인했고 유도파라미터 파일의 경우 생성된 유도파라미터 파일명령을 위성에 전송하고 오류확인 부호 및 관련 텔레메트리를 확인함으로써 검증을 완료했다.
촬영모드 검증은 실시간의 경우에는 임무수행과 동시에 영상이 내려오고, 녹화의 경우 수신되는 영상이 없었으며, 재생의 경우 재생 시작 이후 영상이 정상적으로 수신됨과 관련 텔레메트리 확인을 통해 완료하였다. 시험 완료 이후 수신된 영상을 확인하는 과정에서 촬영영상의 종류 선택 및 영상 송수신을 확인 하였다.

후속연구

마지막으로 생성된 명령을 이용해 시험을 수행하고 목표에 대한 검증을 성공적으로 완료했음을 시험 결과 분석을 통해 보였다. 이 논문은 저궤도위성의 성공적인 임무수행에 필요한 요소에 대한 이해와 추후 다른 프로그램에서 수행될 수 있는 임무수행능력 지상 검증시험에 도움을 줄 것이라 생각한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지상국 접속 없이 수행되는 위성체 검증 단계에서는 어떤 것을 확인하는가?	가장 먼저 수행되는 임무수행능력 검증은 지상국 접속 없이 수행되는 위성체 검증이 있다. 이 단계에서는 탑재체[3]와 버스로 구성된 저궤도위성이 설계대로 제작되고 조립되었으며 정상적으로 동작하는지를 확인한다[4]. 위성체 검증이 완료된 후에는 실제 운용 상황과 유사한 저궤도위성과 지상국간 접속 환경을 활용한 임무수행 능력 지상검증 시험이 이루어진다.
	위성 데이터베이스는 무엇으로 구성되는가?	4) 위성 데이터베이스 : 위성 데이터베이스[5]는 크게 명령(Command), 이벤트(Event), 텔레메트리로 구성된다. 명령은 운용중인 위성에 사용자가 의도하는 동작을 수행하게 하고 이벤트, 텔레메트리는 위성의 상태를 모니터링 하는 용도로 사용된다.
	저궤도위성의 정상 운영 단계에서 수행하는 임무는 무엇이 있는가?	저궤도위성은 발사 이후 초기 운영[1] 및 검보정 단계를 거쳐 정상 운영 단계로 진입한다. 정상 운영 단계에서는 이상 현상에 대한 대응조치[2], 궤도조정 작업 이외의 대부분 기간 동안 지상국으로부터 임무 명령을 수신하고 영상 촬영 및 전송 임무를 수행하게 된다. 저궤도위성과 지상국 시스템이 모두 관여된 임무수행능력은 저궤도위성 프로그램 성공 판단의 핵심 지표이고, 저궤도위성 프로그램 추진 목적과 일치하는 항목이기 때문에 지상 시험 단계에서 철저한 검증을 통해 신뢰성을 확보해야 한다.

참고문헌 (7)

전문진, 권동영, 김대영 "저궤도위성의 본체 초기 점검", 항공우주기술 제11권 2호, 2012, pp33-38
이상록, 전현진, 전문진, 임성빈, "저궤도위성의 전력계 및 자세제어계 고장 관리 설계 검증시험", 항공우주기술 제12권 제2호, 2013, pp14-23
용상순, 신상윤, 최해진, "다목적실용위성3호 탑재체의 시스템 설계", 항공우주기술 제17권 제2호, 2008, pp48
윤영수, 조승원, 허윤구, 최종연, "저궤도위성 종합 시스템 시험", 한국우주과학회보 제19권 1호, 2010, pp63
이나영, 김대영, 김규선, "위성의 데이터베이스 관리 프로그램 설계", 한국우주과학회보 제 19권 2호, 2010, pp57
최수진, 정옥철, 백현철, 김용기, 정대원, "저궤도위성 셀 생성을 위한 다항식 차수 분석", 한국우주과학회보 제18권 1호, 2009
윤영수, 권재욱, 최종연, "저궤도위성 원격측정명령계 시험장비", 한국우주과학회보 제16권 1호, 2007

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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