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[국내논문] Modelica를 이용한 인공위성 동작 통합시뮬레이션 프로그램 개발
Development of Integrated Simulation Program for Artificial Satellite Operations by Modelica 원문보기

항공우주시스템공학회지 = Journal of aerospace system engineering, v.9 no.3, 2015년, pp.39 - 46  

진재현 (순천대학교 우주항공공학전공) ,  박봉규 (한국항공우주연구원 정지궤도복합위성사업단)

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

An integrated simulation program for an artificial satellite's operation has been developed. The program integrates and simulates orbit mechanics, attitude control, power/energy transition and mass variation. In the early stages of satellite development, this program can be used as a communication t...

Keyword

#Integrated satellite simulation program   #Modelica   #Acausal simulation  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 이러한 이유로 저자는 인공위성의 개념 설계 및 동작 검증에 필요한 통합 시뮬레이션 프로그램을 개발하였다. 이 프로그램은 위성 궤도 역학, 자세 제어 시스템 동작과 이에 따른 위성의 자세 동역학 시뮬레이션, 전력 생성 및 소모에 따른 변화 모니터링, 그리고 추력기 사용에 따른 추진 연료량의 변동 등을 통합적으로 시뮬레이션 할 수 있다.
  • 본 논문에서는 통합 시뮬레이션 프로그램 개발 내용을 소개한다. 2절에서는 모델리카에 대하여 간단하게 소개하고, 3절에서는 위성의 동작에 대한 시뮬레이션 모듈(라이브러리)을 설명한다.
  • 본 논문에서는 인공위성의 궤도역학, 자세제어, 전력계통, 추진계통에 대한 통합 시뮬레이션 프로그램을 개발하였다. 몇 개의 시나리오를 이용하여 개발한 프로그램의 기능을 검증하였는데, 임무에 따라 반작용 휠의 동작상태를 모니터링하고 소요되는 전력과 연료량을 정확하게 분석할 수 있었다.

가설 설정

  • 본 논문에서는 자세 제어용 시스템 위주로 설명한다. 추력기는 단일 추진제, 이원 추진제, 이온 추력기 등이 있으며, 동작 방식도 다양한데[16], 여기에서는 질량 소모계산이 간단한 이온 추력기를 가정하였다. 추력기 (thruster)는 장착위치(pi)와 방향(gi)을 이용하여 위성에 가하는 힘과 모멘트를 계산할 수 있다.
  • η는 전체 효율(생산 및 저장)이고, A는 면적, 그리고 p는 면적당 발생 전력을 의미한다. 전력을 소모하는것 중에서 반작용 휠은 가해지는 토크의 제곱에 비례 하는 전력을 소모한다고 가정하였으며(Eq. 3), 작동에따라 배터리로부터 전기에너지를 가져간다. 나머지 장비들은 Payload라는 모델에 평균 사용량을 부과하여 지속적으로 사용한다.
  • 시뮬레이션을 위해 설정한 가상의 위성은 질량 500 kg의 중소형급이며, 고도 600 km에서 원 궤도를 따라 비행한다고 가정하였다. 먼저, 위성을 안정화시키는 시뮬레이션을 수행하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
인공위성이 고가인 이유는? 인공위성은 한정된 수량(일반적으로 특별한 목적에 한하여 1대씩 생산)으로 생산하기 때문에 아주 고가이며, 개발비용을 낮추기 위해서는 개발의 효율성을 아주 높여야 한다. 이를 위하여, 거의 모든 개발 부문에서 컴퓨터 시뮬레이션 기술을 활용하고 있다[1].
인공위성의 자세제어 시스템은 어떤 결과를 바탕으로 설계하는가? 이를 위하여, 거의 모든 개발 부문에서 컴퓨터 시뮬레이션 기술을 활용하고 있다[1]. 인공위성의 비행 궤도에서는 외란의 요소가 미미하기 때문에 단기간의 운동은 시뮬레이션 결과와 일치하는데[2], 이를 바탕으로 자세제어 시스템을 설계한다. 구조해석 소프트웨어를 이용하여 하중에 대한 구조물의 거동을 시뮬레이션 하면서 구조물의 상세설계를 수행하거나[3], 축적된 데이터를 이용하여 우주방사능의 영향도 시뮬레이션을 이용하여 예측한다[4].
인공위성의 개발의 효율성을 높이기 위해 어떤 기술을 활용하는가? 인공위성은 한정된 수량(일반적으로 특별한 목적에 한하여 1대씩 생산)으로 생산하기 때문에 아주 고가이며, 개발비용을 낮추기 위해서는 개발의 효율성을 아주 높여야 한다. 이를 위하여, 거의 모든 개발 부문에서 컴퓨터 시뮬레이션 기술을 활용하고 있다[1]. 인공위성의 비행 궤도에서는 외란의 요소가 미미하기 때문에 단기간의 운동은 시뮬레이션 결과와 일치하는데[2], 이를 바탕으로 자세제어 시스템을 설계한다.
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참고문헌 (17)

  1. Eickhoff, J., Simulating Spacecraft Systems, Springer-Verlag, 2009. 

  2. Park, K., et. al., "AOCS Library Development for KARI Satellite Design System," Proceedings of KSAS 2014 Spring Conference, pp.1004-1007, 2014. 

  3. Hwang, D., "Design and Analysis of Satellite Structure," Journal of the Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol.27, No.2, pp.111-121, 1999. 

  4. Hong, S. and Heo, J., "Study on the Design of GEO Satellite System in Space Radiation Environment," Journal of the Korea Society For Simulation, Vol.19, No.4, pp.123-128, 2010. 

  5. Lee, N., et. al.,, "Parametric Analysis for System Conceptual Design of Small Observation Satellite," Proceedings of KSAS 2012 Spring Conference, pp.1072-1078, 2012. 

  6. Fritzson, P., Principles of Object Oriented Modeling and Simulation with MODELICA 2.1, Wiley-IEEE Press, 2004. 

  7. Elmqvist, H., "Modelica evolution - from my perspective," Proceedings of the 10th International Modelica Conference 2014 (Keynote speech), 2014. 

  8. Kofranek, J., Matejak M., and Privitzer P., "Causal or Acausal Modeling: Labour for Humans or Labour for Machines," Proceedings of the 16th Annual Conference In Technical Computing, pp.1-19, 2008. 

  9. Noh, D. and Jang, J., "Shape Design Sensitivity Analysis Case of the Valves Installed in the Hydraulic Driving Motor," Journal of the Korea Society For Simulation, Vol.22, No.3, pp.81-87, 2013. 

    원문보기 상세보기 crossref

  10. Lee, Y. and Yoo, Y., "Modeling and Simulation of a Hydraulic Servo Actuator Cushion for Power Plants," Journal of the Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineeres, Vol.29, No.1, pp.7-12, 2013. 

    원문보기 상세보기 crossref

  11. Looye, G., "The New DLR Flight Dynamics Library," Proceedings of the 6th International Modelica Conference, Vol. 1, pp.193-202, 2008. 

  12. Moormann, D., and Looye, G., "The Modelica Flight Dynamics Library," Proceedings of the 2nd International Modelica Conference, pp.275-284, 2002. 

  13. Iderbrant, A., and Fritzson, P., "Aircraft - A Modelica Library for Aircraft Dynamic Simulation," Proceedings of the 5th EuroSim Congress on Modeling and Simulation, Paris, pp.6-10, 2004. 

  14. Pulecchi, T., Casella, F., and Lovera, M., "A Modelica Library for Space Flight Dynamics," Proceedings of the 5th International Modelica Conference, Vienna, Austria, pp.107-116, 2006. 

  15. Stevens, B., Lewis, L., Aircraft Control and Simulation, John Wiley & Sons, 2003. 

  16. Park, E. and Park, B., "Geostationary Satellite Thruster Modeling," Aerospace Engineering and Sciences, Vol.2, No.2, pp.96-104, 2003. 

  17. Fortescue, P., Stark, J., and Swinerd, G., Spacecraft Systems Engineering, John Wiley & Sons, 2003. 

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