[논문]Modelica를 이용한 인공위성 동작 통합시뮬레이션 프로그램 개발

진재현; 박봉규

doi:10.20910/jase.2015.9.3.039

[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

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 tool among design engineers of different fields. As a result, the efficiency to design a satellite is expected to increase. This program has been coded by Modelica language which supports acausal and object oriented programming methods. Libraries are developed for satellite simulation, and simulation results are presented.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

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.
본 논문에서는 통합 시뮬레이션 프로그램 개발 내용을 소개한다. 2절에서는 모델리카에 대하여 간단하게 소개하고, 3절에서는 위성의 동작에 대한 시뮬레이션 모듈(라이브러리)을 설명한다.
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.

가설 설정

시뮬레이션을 위해 설정한 가상의 위성은 질량 500 kg의 중소형급이며, 고도 600 km에서 원 궤도를 따라 비행한다고 가정하였다. 먼저, 위성을 안정화시키는 시뮬레이션을 수행하였다.
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.
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(p_i)와 방향(g_i)을 이용하여 위성에 가하는 힘과 모멘트를 계산할 수 있다.

제안 방법

인공위성의 비행 궤도에서는 외란의 요소가 미미하기 때문에 단기간의 운동은 시뮬레이션 결과와 일치하는데[2], 이를 바탕으로 자세 제어 시스템을 설계한다. 구조해석 소프트웨어를 이용하여 하중에 대한 구조물의 거동을 시뮬레이션 하면서 구조물의 상세설계를 수행하거나[3], 축적된 데이터를 이용하여 우주방사능의 영향도 시뮬레이션을 이용하여 예측한다[4].
뒤에 설명할 커넥터를 통해서 위성의 모든 상태(각속도, 자세 등)에 대한 직접 접근이 가능한데, 일부 정보만 제공하여 자이로 센서, 쿼터니언 측정 센서(별 센서), 방향각 센서(별 센서)를 모델링하였다.
시뮬레이션을 위해 설정한 가상의 위성은 질량 500 kg의 중소형급이며, 고도 600 km에서 원 궤도를 따라 비행한다고 가정하였다. 먼저, 위성을 안정화시키는 시뮬레이션을 수행하였다. Fig.
본 논문에서는 네 가지의 커넥터를 정의하였다(Fig. 12 참고). 사용 전력, 추진제 질량, 강체/질점 운동, 그리고 반작용 휠의 각속도와 관련된 것이다.
추력은 반작용 휠과는 달리 연료를 소모하기 때문에 추력 사용에 따른 질량과 관성 모멘트 행렬의 변화가 발생한다. 연료탱크(FuelTank)를 설정하여 추력 사용에 따른 연료 변화를 모니터링 한다. 이것은 위성의 수명을 예측하는데 사용할 수 있다.
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 자세 제어 시스템을 설계한다. 구조해석 소프트웨어를 이용하여 하중에 대한 구조물의 거동을 시뮬레이션 하면서 구조물의 상세설계를 수행하거나[3], 축적된 데이터를 이용하여 우주방사능의 영향도 시뮬레이션을 이용하여 예측한다[4].
추력기 (thruster)는 장착위치(p_i)와 방향(g_i)을 이용하여 위성에 가하는 힘과 모멘트를 계산할 수 있다. 추력기는 일반적으로 일정한 크기의 추력을 잠깐 동안 가하여 위성의 자세에 변화를 주는데, 본 논문에서는 편의상 가변 추력으로 설정하여 일반적인 구동기와 비슷하게 동작하는 것처럼 모델링 하였다.

대상 데이터

15)는 일련의 임무를 반복 수행하는 것이다. 반작용 휠은 3개를 사용하였다. 50초 동안 제어동작 없이 외란에 의하여 위성의 자세와 각속도가 변하게 되고, 50초 동안은 각속도 수렴 동작을 수행하고, 300초 동안 각도를 원하는 값으로 수렴시키고, 100초 동안은 반작용 휠의 모멘텀을 제거해주는 모멘텀 덤핑을 수행한다.

이론/모형

커넥터는 두 지점의 변수에 대한 연결조건을 의미하는데, Kirchhoff 법칙을 적용한다. 예를 들면 Fig.
힘(force)에 의해 선속도와 위치가 변하는 것은 질점 동역학(particle dynamics)에 해당되며, Newton 역학의 가속도 방정식(F = ma)을 이용하여 계산한다. 적분 결과는 속도와 위치가 되는데, 이는 궤도상에서의 위성의 위치를 구하는데 사용된다.

성능/효과

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. 다양한 관점에서 위성의 동작을 확인할 수 있기 때문에 위성의 개념 설계 및 운영 검증에 유용할 것으로 판단된다.
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. 프로그램을 개발하기 위하여 모델리카(Modelica)라는 언어를 채택하였는데, 모델리카의 장점인 방정식 기반 코딩, 객체지향적 프로그래밍, 커넥터 기능을 활용함으로써, 다물리(multi physics) 현상이 포함된 인공위성의 전체적인 동작을 쉽게 프로그래밍 할 수 있었다.

후속연구

다양한 관점에서 위성의 동작을 확인할 수 있기 때문에 위성의 개념 설계 및 운영 검증에 유용할 것으로 판단된다. 통합 시뮬레이션 프로그램을 사용한다면, 개념설계 단계부터 각 부문을 통합함으로써, 개발담당자들의 의사소통을 효과적으로 지원하여 위성개발의 효율성을 높일 수 있을 것으로 기대하며, 프로그램의 서브 모듈을 상세화 함으로써 개념 설계 이후의 단계에서도 사용할 수 있을 것이다.

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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저자의 다른 논문 :

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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