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문제 정의
- 수신용량에 따라 다르지만 다목적실용위성 3호 기준으로 5초 촬영 영상의 경우 15분 이내에 한국항공우주연구원에서 처리가 가능하다. 본 논문에서 설명하는 극지 통합수신시스템은 위성별로 운영하는 수신시스템을 하나의 시스템으로 통합하여 수신가능하도록 설계 개발하여, 운영 및 유지보수의 편의성이 증대되도록 하였다. 극지 통합수신시스템은 크게 위성에서 전송된 데이터를 수신하는 수신시스템과 해외에서 수신된 데이터를 실시간으로 전송하기 위한 전송시스템으로 나눌 수 있다.
- 본 논문에서는 다중위성 운영을 위한 극지 통합수신시스템의 설계와 개발과정을 소개한다. 통합수신시스템은 크게 수신스케줄을 입력받아 수신시간에 맞춰 서브시스템을 제어하는 서버와 안테나의 출력신호를 입력받아 저장하는 리시버와 운영자가 수신 상태를 확인할 수 있는 클라이언트로 구성된다.
- 본 논문에서는 한국항공우주연구원과 국내 개발업체와 함께 개발한 극지 수신통합시스템의 설계 및 개발에 대하여 설명하고, 전체 개발과정을 소개하였다. 개발된 극지 통합수신시스템은 다년간의 극지 수신소의 운영개념을 바탕으로 24시간 안정적인 운영이 가능하고, 유지보수가 적합하도록 설계하였으며, 특히 다양한 시험을 통하여 안정적으로 동작함을 검증하였다.
제안 방법
- CADU 데이터를 De-randomization을 수행하고 RS-decoding을 수행하여 SourcePacket을 추출하고 위성별로 스펙에 맞게 L0F파일로 저장한다. CADU 데이터는 ASM을 제외한 모든 데이터가 randomize 되어 있어 CCSDS에서 권장하는 Psuedo-randomizer 알고리즘에 의해 생성된 sequence를 입력된 데이터와 XOR 연산을 수행하여 De-randomize를 수행하였다. 다음으로 ASM과 헤더 정보를 제외한 모든 데이터는 오류 정정을 위해 RS(255,223)를 사용하였다.
- bypass 데이터는 그림9와 같이 매 프레임마다 전송되는 CADU 데이터를 순차적으로 저장한 파일이다. CADU 데이터를 De-randomization을 수행하고 RS-decoding을 수행하여 SourcePacket을 추출하고 위성별로 스펙에 맞게 L0F파일로 저장한다. CADU 데이터는 ASM을 제외한 모든 데이터가 randomize 되어 있어 CCSDS에서 권장하는 Psuedo-randomizer 알고리즘에 의해 생성된 sequence를 입력된 데이터와 XOR 연산을 수행하여 De-randomize를 수행하였다.
- Phase5에서는 DTS를 HDR에 연결하여 소프트웨어 기능 테스트를 수행하였다. DTS의 출력 신호를 Demodulator의 입력으로 사용하여 실제수신과 동일한 환경 하에 모든 소프트웨어의 기능시험을 수행하였다. 마지막으로 Phase6에서는 실제 안테나의 RF 케이블과 HDR과 연결하여 수신 테스트를 수행하고, 수신 데이터를 L0F로 생성하여 처리시스템으로 처리한 후 KGS(Korea Ground System)에서 수신받은 데이터와 바이너리 비교하여 운영 테스트를 수행하였다.
- 컨버터는 신호변환과 이중화 시스템에 신호를 동시에 입력하기 위해 신호를 분배하는 역할을 한다. Demodulator의 ECL신호를 입력받기 위해 컨버터에 채널당 4개(Data+, Data-, Clock+, Clock-)의 SMA 커넥터를 입력단자로 설계하고 변환된 LVDS신호를 8개의 SMA 커넥터를 통해 출력되도록 제작하였다. 한 개의 컨버터는 총 2개의 채널 신호를 입력받고 4개의 채널 신호를 출력하도록 설계하였다.
- 그림 9와 같이 Phase1에서는 시스템에서 사용하는 모든 ECL 케이블에 대해 Bit Analyzer를 사용하여 300Mbps로 ECL신호를 케이블에 입력하여 BER시험을 수행하였다. Phase2 에서는 컨버터와 프레임 동기 카드를 연결하는 LVDS 케이블에 대해 Bit Analyzer에서 LVDS신호를 입력하고 LVDS 신호로 입력받아 BER시험을 수행하였다. 이때 LVDS 케이블의 한쪽 인터페이스는 D-Sub 이므로 검증이 완료된 테스트용 D-Sub 케이블을 연결하여 시험을 수행하였다.
- 이때 LVDS 케이블의 한쪽 인터페이스는 D-Sub 이므로 검증이 완료된 테스트용 D-Sub 케이블을 연결하여 시험을 수행하였다. Phase3에서는 컨버터를 시험하기 위해 Phase1에서 검증이 완료된 ECL케이블을 컨버터와 연결하여 Bit Analyzer에서 ECL 신호를 출력하고 LVDS 신호를 입력받아 BER시험을 수행하였다. BER시험은 20분간 10회 수행되었으며, 케이블이 길수록 에러가 발생할 확률이 높아지므로 설치된 장소의 환경에 이해가 선행되어야 한다.
- DTS를 사용함으로써 수신 스케줄에 관계없이 수신 모의 테스트를 진행할 수 있으므로 DTS의 구축이 무엇보다 중요하다. Phase4에서는 DTS의 입력으로 사용되는 다목적실용위성 2호/3호/5호의 모의 데이터를 제작하였고, DTS에서 이 데이터를 읽어 ECL로 출력하여 프레임 동기 카드 테스트를 수행하였다.
- Phase5에서는 DTS를 HDR에 연결하여 소프트웨어 기능 테스트를 수행하였다. DTS의 출력 신호를 Demodulator의 입력으로 사용하여 실제수신과 동일한 환경 하에 모든 소프트웨어의 기능시험을 수행하였다.
- 그러나 위성의 수신흐름을 그대로 모사해 주는 시스템을 통해 운영환경과 유사한 환경에서 시스템의 성능에 대한 검증을 수행한다. 개발된 극지 통합수신시스템은 수신시험 성공의 확률을 높이기 위하여 표3과 같이 하드웨어의 각 모듈을 시험하는 단위시험과 실제운영과 같은 환경에서 소프트웨어의 기능을 확인하는 기능시험, 실제 위성에서 데이터를 수신하는 운영시험으로 나누어 단계적으로 시험을 수행하였다.
- 개발된 극지통합수신시스템은 이중화된 최소한의 장비를 사용하여 다중위성에 대한 데이터 수신이 가능하도록 설계되어 극지에서 추가적인 위성 운영이 요구될 때 장비 도입 없이 기존 시스템에 소프트웨어 모듈만을 추가함으로써 원격지에서도 위성이 추가되도록 업데이트가 가능하도록 개선시켰다. 또한 해외지상국의 다목적실용위성 수신시스템 구축 시 개발된 극지 통합수신시스템의 시스템 아키텍처 및 개발과정을 활용할 수 있을 것이다.
- 고속프레임 동기를 위해 LVDS 인터페이스를 사용하므로 ECL신호를 LVDS로 변환하는 컨버터를 제작하였다. 컨버터는 신호변환과 이중화 시스템에 신호를 동시에 입력하기 위해 신호를 분배하는 역할을 한다.
- 일반적인 수신시스템은 위성이 발사되기 전에 개발이 완료되므로, 실제 위성에서 전송된 데이터를 통해 수신시험을 수행할 수 없다. 그러나 위성의 수신흐름을 그대로 모사해 주는 시스템을 통해 운영환경과 유사한 환경에서 시스템의 성능에 대한 검증을 수행한다. 개발된 극지 통합수신시스템은 수신시험 성공의 확률을 높이기 위하여 표3과 같이 하드웨어의 각 모듈을 시험하는 단위시험과 실제운영과 같은 환경에서 소프트웨어의 기능을 확인하는 기능시험, 실제 위성에서 데이터를 수신하는 운영시험으로 나누어 단계적으로 시험을 수행하였다.
- 그림 9와 같이 Phase1에서는 시스템에서 사용하는 모든 ECL 케이블에 대해 Bit Analyzer를 사용하여 300Mbps로 ECL신호를 케이블에 입력하여 BER시험을 수행하였다. Phase2 에서는 컨버터와 프레임 동기 카드를 연결하는 LVDS 케이블에 대해 Bit Analyzer에서 LVDS신호를 입력하고 LVDS 신호로 입력받아 BER시험을 수행하였다.
- 극지 통합수신시스템은 안테나를 통해 입력된 신호를 동기화하기 위해 프레임 동기 카드를 사용하였다. 다목적실용 위성 2호/3호의 X-band 다운링크속도는 160Mbps이고 다목적실용위성 5호의 X-band 다운링크속도는 155Mbps이므로, 세 개 위성의 데이터가 모두 수신 가능하여야 하므로 채널당 최소 160Mbps 이상을 보장해야 한다.
- 단위 시험에서는 수신시스템에 사용되는 모든 장치를 대상으로 BER(Bit Error Rate)시험을 수행하였다.
- 리시버는 일반 Workstation을 사용하였으며, 한 개의 PC 당 두 개의 프레임 동기 카드가 장착된다. 또한 리시버의 안전성과 디스크 입출력 속도를 감안하여 Raid로 구성하고, OS는 MS Window 서버군을 설치하였다.
- 통합수신시스템은 크게 수신스케줄을 입력받아 수신시간에 맞춰 서브시스템을 제어하는 서버와 안테나의 출력신호를 입력받아 저장하는 리시버와 운영자가 수신 상태를 확인할 수 있는 클라이언트로 구성된다. 리시버에는 위성에서 전송한 신호를 동기화하기 위해 프레임 동기 카드가 장착되었고, 각 위성별 특성을 분석하여 소프트웨어를 모듈화하여 설계하고 개발하였다. 극지통합수신시스템은 이중화된 단일시스템에서 다목적실용 위성 2호/3호/5호의 데이터를 수신하는 시스템으로 단일시스템으로 개발되어 유지관리가 용이하다는 장점이 있으며, 소프트웨어를 모듈 단위로 개발하여 추가적인 위성 운영시 모듈단위 개발이 가능하다.
- DTS의 출력 신호를 Demodulator의 입력으로 사용하여 실제수신과 동일한 환경 하에 모든 소프트웨어의 기능시험을 수행하였다. 마지막으로 Phase6에서는 실제 안테나의 RF 케이블과 HDR과 연결하여 수신 테스트를 수행하고, 수신 데이터를 L0F로 생성하여 처리시스템으로 처리한 후 KGS(Korea Ground System)에서 수신받은 데이터와 바이너리 비교하여 운영 테스트를 수행하였다. 위에서 설명한 바와 같이 총 여섯 단계의 시험절차를 거쳐 시스템의 무결성을 검증하였다.
- 소프트웨어는 크게 스발바르에 설치되는 수신 소프트웨어, 트롬소에 설치되는 전송소프트웨어, 한국항공우주연구원에 설치되는 처리소프트웨어로 나뉜다. 스발바르에는 수신 스케줄을 관리하는 KIPS 서버, 수신 상태를 확인할 수 있는 KIPS 클라이언트, 수신을 담당하는 KIPS 리시버와 K2/K3/K5 위성의 수신 공통 모듈을 처리하는 KIPS 리시빙 코어로 크게 네 가지 소프트웨어를 개발하였고, 트롬소의 전송소프트웨어는 압축하여 전송하는 Compressor를 개발하였고, KARI에는 수신데이터를 L0F로 변환 하는 K2/K3/L5 L0FGenerator와 K2 L0F 파일을 L0로 파일로 생성하는 K2L0Generator로 개발하였다. 그림7은 각 시스템의 소프트웨어 구성을 나타낸다.
- 위성에서 전송된 CADU(Channel Access Data Units)는 고속 프레임 동기 카드를 통해 동기화를 수행하여 저장하고, L0FGenerator를 통해 De-Randomization과 RS Decoding을 수행하여 L0F 형태로 변환하였다.
- 마지막으로 Phase6에서는 실제 안테나의 RF 케이블과 HDR과 연결하여 수신 테스트를 수행하고, 수신 데이터를 L0F로 생성하여 처리시스템으로 처리한 후 KGS(Korea Ground System)에서 수신받은 데이터와 바이너리 비교하여 운영 테스트를 수행하였다. 위에서 설명한 바와 같이 총 여섯 단계의 시험절차를 거쳐 시스템의 무결성을 검증하였다.
- Phase2 에서는 컨버터와 프레임 동기 카드를 연결하는 LVDS 케이블에 대해 Bit Analyzer에서 LVDS신호를 입력하고 LVDS 신호로 입력받아 BER시험을 수행하였다. 이때 LVDS 케이블의 한쪽 인터페이스는 D-Sub 이므로 검증이 완료된 테스트용 D-Sub 케이블을 연결하여 시험을 수행하였다. Phase3에서는 컨버터를 시험하기 위해 Phase1에서 검증이 완료된 ECL케이블을 컨버터와 연결하여 Bit Analyzer에서 ECL 신호를 출력하고 LVDS 신호를 입력받아 BER시험을 수행하였다.
- 극지에서 운영되는 통합수신시스템은 운영자의 MT 등록을 제외하고 무인으로 365일 자동으로 운영되어야 하며, 촬영영상의 수신 실패 시 촬영계획에 소요된 리소스 (촬영계획 소요시간, 위성 자원 등)의 손실이 상당하므로 무엇보다 안정적으로 운영되어야 한다. 이러한 고려사항을 반영하여 극지에 설치되는 소프트웨어는 안전성을 최우선으로 설계하였다.
- H사의 프레임 동기 카드는 입력 인터페이스로 RS422, LVDS, TTL을 지원하는데, 최소 160Mps를 지원해야 하므로 고속프레임 동기가 가능한 LVDS 인터페이스를 사용하였다. 이를 위해 그림4와 같이 프레임 동기 카드에 PC Slot을 제작하여 LVDS port 와 PC Slot을 연결하도록 카드를 수정하였고 PC Slot과 수신기와의 연결을 위한 케이블을 제작하였다. PC쪽 케이블 커넥터는 9 pin D-SUB, SMA로 제작하였다.
- 항공우주연구원에 전송된 분할 압축된 데이터는 단방향 USB를 사용하여 내부망에 전송되면, Decompressor가 위성별로 압축을 해제하고 L0FGenerator의 입력 폴더로 복사한다. 전송시스템은 자동으로 데이터의 유무를 판단하여 24시간 실시간으로 전송되도록 개발되었다.
- 스발바르에서 수신 받은 데이터는 Compressor를 통해 암호화 압축되어 항우연으로 전송되는데, 수신 데이터 용량이 큰 경우 압축을 위한 대기시간이 길어지므로, 빠르게 전송하기 위해 1G씩 분할 압축하여 한다. 전송이 완료되었다는 이벤트를 받으면 De-compressor가 자동으로 압축을 해제하여 위성별로 구분하여 L0FGenerator의 입력폴더로 복사한다.
- 프레임 동기 카드와 소프트웨어의 기능을 테스트하기 위해 DTC(Data Transmit Card)가 장착된 DTS(Data Transmit System)를 사용하였다. DTS는 위성을 모사하는 시뮬레이션 PC로 상용 Demodulator의 출력과 동일한 ECL 방식을 사용한다.
- Demodulator의 ECL신호를 입력받기 위해 컨버터에 채널당 4개(Data+, Data-, Clock+, Clock-)의 SMA 커넥터를 입력단자로 설계하고 변환된 LVDS신호를 8개의 SMA 커넥터를 통해 출력되도록 제작하였다. 한 개의 컨버터는 총 2개의 채널 신호를 입력받고 4개의 채널 신호를 출력하도록 설계하였다. 다목적실용위성3호는 160Mbps로 4채널을 통해 데이터를 다운링크 하므로 총 두 개의 컨버터가 필요하다.
- 이는 프레임 동기 카드에서 제공하는 함수의 실행시간과 관련된다. 현재 프레임 동기 카드의 초기화에 2초가 필요하므로, 매 dump마다 초기화 하는 것은 불가능하므로 한 contact에서 카드 초기화는 1회만 실행하고, dump 시작과 종료 시 start/stop 함수를 사용하여 수신 데이터를 저장하였다. 각 위성별 카드 제어는 그림8과 같다.
대상 데이터
- H사의 프레임 동기 카드는 입력 인터페이스로 RS422, LVDS, TTL을 지원하는데, 최소 160Mps를 지원해야 하므로 고속프레임 동기가 가능한 LVDS 인터페이스를 사용하였다. 이를 위해 그림4와 같이 프레임 동기 카드에 PC Slot을 제작하여 LVDS port 와 PC Slot을 연결하도록 카드를 수정하였고 PC Slot과 수신기와의 연결을 위한 케이블을 제작하였다.
- CADU 데이터는 ASM을 제외한 모든 데이터가 randomize 되어 있어 CCSDS에서 권장하는 Psuedo-randomizer 알고리즘에 의해 생성된 sequence를 입력된 데이터와 XOR 연산을 수행하여 De-randomize를 수행하였다. 다음으로 ASM과 헤더 정보를 제외한 모든 데이터는 오류 정정을 위해 RS(255,223)를 사용하였다.
성능/효과
- 본 논문에서는 한국항공우주연구원과 국내 개발업체와 함께 개발한 극지 수신통합시스템의 설계 및 개발에 대하여 설명하고, 전체 개발과정을 소개하였다. 개발된 극지 통합수신시스템은 다년간의 극지 수신소의 운영개념을 바탕으로 24시간 안정적인 운영이 가능하고, 유지보수가 적합하도록 설계하였으며, 특히 다양한 시험을 통하여 안정적으로 동작함을 검증하였다.
후속연구
- 개발된 극지통합수신시스템은 이중화된 최소한의 장비를 사용하여 다중위성에 대한 데이터 수신이 가능하도록 설계되어 극지에서 추가적인 위성 운영이 요구될 때 장비 도입 없이 기존 시스템에 소프트웨어 모듈만을 추가함으로써 원격지에서도 위성이 추가되도록 업데이트가 가능하도록 개선시켰다. 또한 해외지상국의 다목적실용위성 수신시스템 구축 시 개발된 극지 통합수신시스템의 시스템 아키텍처 및 개발과정을 활용할 수 있을 것이다.
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