[논문]SIGMA 큐브위성의 비행 소프트웨어 개발

이정호; 이성환; 이정규; 이효정; 신재혁; 정선영; 오영석; 진호

doi:10.5139/jksas.2016.44.4.363

SIGMA 큐브위성의 비행 소프트웨어 개발
Development of Flight Software for SIGMA CubeSat 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.44 no.4, 2016년, pp.363 - 372

이정호 (School of Space Research, Kyung Hee University) , 이성환 (School of Space Research, Kyung Hee University) , 이정규 (School of Space Research, Kyung Hee University) , 이효정 (School of Space Research, Kyung Hee University) , 신재혁 (School of Space Research, Kyung Hee University) , 정선영 (School of Space Research, Kyung Hee University) , 오영석 (School of Space Research, Kyung Hee University) , 진호 (School of Space Research, Kyung Hee University)

초록
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SIGMA(Scientific cubesat with Instruments for Global Magnetic field and rAdiation) 큐브 위성은 근 지구 자기장 세기와 우주 방사선량 측정을 위해 경희대학교에서 개발한 초소형 인공위성이다. 우주 임무 수행을 위해 비행 소프트웨어는 위성을 제어하고 데이터를 처리하는 중요한 역할을 담당한다. 본 연구에서는 SIGMA 큐브위성의 임무 수행을 위해 비행소프트웨어를 구현한 것으로서 일반적으로 임베디드 시스템에서 사용하는 실시간 운영체제를 사용하지 않고 단일 프로세스 내에서 모든 태스크를 처리하도록 구현하였다. 이는 SIGMA 큐브위성의 임무 수행 절차와 시스템 제어 방법을 고려한 것으로서 소프트웨어의 오버헤드(overhead)를 낮추고 임무 수행에 집중할 수 있는 효과적인 방법이다.

Abstract ▼ AI-Helper

SIGMA(Scientific cubesat with Instruments for Global Magnetic field and rAdiation) CubeSat has been developed for magnetic field measurement of the Earth and space radiation measurement at Kyung Hee university. The flight software plays important roles in controlling the satellite and processing the data in the space mission. In this paper, the Flight Software has been implemented to process all the tasks in the one thread without RTOS(Real Time Operating System). This is an effective mothed not only to concentrate the space mission of CubeSat but also to reduce the overhead of the Flight Software by considering the mission perform procedures and the system control methods.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

OPERATION 응용 프로그램은 위성 운용 시나리오에 따라 나누어진 7개 모드를 각각의 태스크로 구분하여 태스크 매니저(task manager)가 필요에 따라 적절한 태스크를 선택하여 실행할 수 있도록 하였다. 이로써 비행 소프트웨어 내부적으로 중복되는 기능들을 하나로 통합하고 단순화 하여 효과적인 명령 수행이 가능하도록 하였다. Fig.

제안 방법

APP 부분은 OPERATION 응용 프로그램과 CONSOLE 응용 프로그램으로 나누어지는데 APP Launcher에 의해 OPERATION 또는 CONSOLE 응용 프로그램이 동작하도록 구현하였다.
OPERATION app을 이용한 검증은 운용 시나리오에 따른 각 태스크의 동작을 검증하였다. 시험 환경은 상향링크(Uplink) 통신을 위해 USRP(Universal Software Radio Peripheral) 무선 장비를 이용하였고, 하향링크(Downlink) 통신을 위해 FUN Cube용 Dongle 안테나를 사용하였다.
OPERATION 응용 프로그램은 위성 운용 시나리오에 따라 나누어진 7개 모드를 각각의 태스크로 구분하여 태스크 매니저(task manager)가 필요에 따라 적절한 태스크를 선택하여 실행할 수 있도록 하였다. 이로써 비행 소프트웨어 내부적으로 중복되는 기능들을 하나로 통합하고 단순화 하여 효과적인 명령 수행이 가능하도록 하였다.
SIGMA 큐브위성의 비행 소프트웨어는 실시간 운영체제를 사용하지 않고 하나의 프로세스에서 위성의 모든 기능을 처리할 수 있도록 구현하였다. 이를 위해 먼저 위성의 각 기능들을 분류하여 독립적으로 실행할 수 있도록 모듈화(modularity)하였다.
SIGMA 큐브위성의 비행 소프트웨어는 위성 및 탑재체 제어와 임무 수행 방식을 고려하여 개발하였다. 비행 소프트웨어의 구조는 중앙 제어 방식의 설계 패턴을 바탕으로 위성의 각 기능들을 모듈화하고 운용 시나리오에 따라 7개의 태스크를 정의하여 구현하였다.
이 방식은 상태 머신(state machine)을 이용하여 시스템 전반을 제어하는 하나의 컨트롤러(controller)를 사용한다[4]. SIGMA 큐브위성의 비행 소프트웨어는 중앙제어방식의 설계 패턴을 이용하였으며 위성의 각 기능에 따라 작업 단위를 나누고 모듈화(modularity)하여 구현하였다.
TC와 TLM 데이터는 환형 큐(circular queue) 데이터 구조를 이용하여 관리하도록 구현하였다. 환형 큐 데이터 구조는 1차원적인 배열 형태의 큐를 원형으로 구성한 것이다.
각 파티션에 블록 저장 시 파티션의 마지막 블록까지 모두 저장되어 있는 경우 파티션의 처음부터 다시 저장하는 환형 구조를 갖도록 구현하였다. 이때 파티션의 앞 블록에 있는 데이터를 지상국에서 다운로드 하지 못했다면 데이터 손실이 일어나는 단점이 있다.
비행 소프트웨어 검증은 먼저 CONSOLE 응용 프로그램 실행 상태에서 각 서브시스템에 명령을 수행하여 정상 동작하였음을 확인하였다. 그리고 OPERATION 응용 프로그램 실행 상태에서 지상국의 무선 통신 시스템을 이용하여 HK 데이터, 탑재체 실행 및 과학 데이터를 수신하여 위성의 정상 동작을 확인하였다.
데이터 저장 방식은 HK 데이터와 MAG 및 TEPC 과학 데이터의 생성량을 고려하여 SD Card에 파티션(partition)을 나누고 512 바이트 단위의 블록으로 읽고 쓰도록 하였다. 이 때 블록 접근 방법은 따로 파일 시스템을 사용하지 않기 때문에 일반적인 파일 형태가 아닌 메모리 주소를 이용한 접근 방법을 사용하였다.
데이터 처리에 있어서 각 통신 패킷 데이터는 환형 큐 구조로 관리할 수 있도록 하였으며 HK 데이터와 과학 데이터는 512 바이트의 블록 단위로 SD Card에 저장하도록 하였다.
또한 SIGMA 큐브위성의 탑재 컴퓨터는 자체 개발하였기 때문에 만약 실시간 운영체제를 포팅하려면 하드웨어에 맞게 커널을 수정하고 검증해야하는 절차가 필요하기 때문에 이에 따른 개발 기간이 길어질 수밖에 없다. 따라서 SIGMA 큐브위성의 비행 소프트웨어는 시스템 제어를 단순화하고 우주 임무 수행을 순차적으로 집중할 수 있는 효율적인 구조와 위성 전체 개발 기간을 고려하여 단일 프로세스 내에서 모든 기능을 처리하도록 구현하였다.
모듈화된 기능들을 계층화하여 각 모듈간의 상호동작이 가능하도록 하였고 위성운용 시나리오에 따라 7개의 운용 모드들을 각각의 태스크로 구분하여 각 모듈을 제어할 수 있도록 구현하였다.
비행 소프트웨어의 BOOT 부분은 시스템을 초기화하고 APP 부분은 OPERATION 또는 CONSOLE 응용 프로그램을 선택적으로 실행할 수 있도록 하였다.
비행 소프트웨어의 구조는 시스템 초기화를 위한 BOOT 부분과 임무 수행을 위해 응용 프로그램이 실행되는 APP(application) 부분으로 나누어 구현하였다. APP 부분은 OPERATION 또는 CONSOLE 응용 프로그램을 선택적으로 실행할 수 있다.
SIGMA 큐브위성의 비행 소프트웨어는 위성 및 탑재체 제어와 임무 수행 방식을 고려하여 개발하였다. 비행 소프트웨어의 구조는 중앙 제어 방식의 설계 패턴을 바탕으로 위성의 각 기능들을 모듈화하고 운용 시나리오에 따라 7개의 태스크를 정의하여 구현하였다. 이는 소프트웨어의 구조적 측면과 동작 실행에 있어서 복잡성을 낮추고 효율을 증대시켜 위성 본연의 임무를 효과적으로 수행할 수 있도록 하였다.
CONSOLE app을 이용한 검증은 각 서브시스템들의 동작을 위한 드라이버 소프트웨어 기능을 검증하였다. 시험 환경은 먼저 각 서브시스템들을 PC104 커넥터가 서로 연결되어 있는 시험용 Flat 보드에 연결하고 PC와 탑재 컴퓨터를 연결한 다음 각 서브시스템에 명령을 하나씩 전달하여 데이터를 정상적으로 읽어 오는지 확인하였다. Fig.
시험 환경은 상향링크(Uplink) 통신을 위해 USRP(Universal Software Radio Peripheral) 무선 장비를 이용하였고, 하향링크(Downlink) 통신을 위해 FUN Cube용 Dongle 안테나를 사용하였다. 시험은 USRP 장비를 이용하여 명령 코드를 위성으로 전송하고 위성에서 해당 결과 데이터가 Dongle 안테나를 통해 들어오는지 확인하였다. Fig.
데이터 저장 방식은 HK 데이터와 MAG 및 TEPC 과학 데이터의 생성량을 고려하여 SD Card에 파티션(partition)을 나누고 512 바이트 단위의 블록으로 읽고 쓰도록 하였다. 이 때 블록 접근 방법은 따로 파일 시스템을 사용하지 않기 때문에 일반적인 파일 형태가 아닌 메모리 주소를 이용한 접근 방법을 사용하였다. Table 4는 SD Card의 파티션 정보이다.
SIGMA 큐브위성의 비행 소프트웨어는 실시간 운영체제를 사용하지 않고 하나의 프로세스에서 위성의 모든 기능을 처리할 수 있도록 구현하였다. 이를 위해 먼저 위성의 각 기능들을 분류하여 독립적으로 실행할 수 있도록 모듈화(modularity)하였다. 모듈화는 코드의 재사용성을 높이고 소프트웨어의 구조를 단순화 할 수 있으며 수정이 쉬운 장점을 가지고 있다[7].
전체적인 데이터의 흐름은 Telecommand를 수신하면 패킷을 CMD(command) 큐(queue)에 추가하고 각 명령을 해석하여 실행한다. 명령 실행후 생성된 데이터는 SD card에 저장하거나 바로 패킷 형태로 변환하여 TLM(telemetry) 큐에 저장한다.
컴파일된 실행 파일은 ST-Link USB Dongle 장비로 호스트 PC와 위성 탑재 컴퓨터를 연결하고 ST-Link 유틸리티 프로그램을 이용하여 다운로드 하였다. Fig.
탑재 컴퓨터를 비롯한 각각의 하드웨어를 제어하고 우주 임무를 수행하기 위한 SIGMA 큐브위성의 비행 소프트웨어는 실시간 운영체제를 사용하지 않고 하나의 프로세스 내에서 모든 명령을 처리하는 방식으로 구현하였다. 이는 SIGMA 큐브위성의 우주 임무를 위한 탑재체 제어에 있어서 반드시 실시간 처리를 요구하지 않으며 생성된 데이터는 따로 가공하지 않고 바로 저장하여 지상국으로 전송하는 매우 단순한 구조이기 때문이다.
패킷의 헤더는 패킷 시작을 알리는 Sync 바이트(0xCC)와 패킷 타입, 카테고리(category), 그룹 패킷 여부와 패킷 번호, 그리고 명령 코드와 파라미터 길이로 구성하였다. 패킷 타입은 TC와 TLM을 구분하고 카테고리는 패킷을 처리할 서브시스템을 나타낸다.
SIGMA 큐브위성의 비행 소프트웨어 검증은 두 가지 방식으로 진행 되었다. 하나는 CONSOLE app을 실행한 상태에서 각 서브시스템들의 동작 기능을 시험하였고 다른 하나는 OPERATION app을 실행한 상태에서 무선 통신장비를 이용하여 AX.25 프로토콜로 명령을 송신하고 결과 데이터를 수신함으로서 소프트웨어의 동작을 검증하였다.

대상 데이터

SIGMA 큐브위성의 임무 기간은 총 3개월이다. 3개월 중 처음 2주간은 HK 데이터를 토대로 위성의 동작상태를 모니터링하고 이후 MAG와 TEPC 탑재체를 각각 1개월씩 실행하여 과학 데이터를 수집한다. Fig.
SIGMA 큐브위성에서 처리하는 데이터의 종류는 위성 상태 정보를 담고 있는 HK 데이터, MAG 탑재체로부터 얻어진 자기장 측정 데이터, TEPC 탑재체로부터 얻어진 방사선 흡수량 데이터, 지상국으로부터 실행할 명령 코드를 담고 있는 Telecommand 데이터, 명령 수행 결과를 지상국으로 전송할 Telemetry 데이터가 있다. 여기서 HK, MAG, TEPC 데이터는 SD card에 저장 되어 관리되고 Telecommand와 Telemetry는 메모리에 저장되어 관리된다.
본 논문의 구성은 2장 시스템 요구조건, 3장 위성 운용 시나리오, 4장 개발 환경, 5장 비행 소프트웨어 구조, 6장 데이터 처리, 7장 시험 및 검증, 8장 결론으로 구성된다.
소스 코드는 C 프로그래밍 언어를 사용하여 작성하였고 SIGMA 큐브위성의 탑재 컴퓨터에 사용된 MCU가 ST사 제품이기 때문에 ST사에서 제공하는 라이브러리를 함께 사용하였다.
OPERATION app을 이용한 검증은 운용 시나리오에 따른 각 태스크의 동작을 검증하였다. 시험 환경은 상향링크(Uplink) 통신을 위해 USRP(Universal Software Radio Peripheral) 무선 장비를 이용하였고, 하향링크(Downlink) 통신을 위해 FUN Cube용 Dongle 안테나를 사용하였다. 시험은 USRP 장비를 이용하여 명령 코드를 위성으로 전송하고 위성에서 해당 결과 데이터가 Dongle 안테나를 통해 들어오는지 확인하였다.
응용 프로그램용 패킷은 헤더(header) 4 바이트, 명령 코드 1 바이트, 그리고 파라미터(parameter)로 구성하였다. 파라미터의 길이는 가변적인데 TC(tele-command)의 경우 최대 195 바이트이고, TLM(telemetry)의 경우 최대 230 바이트이다.

데이터처리

CONSOLE app을 이용한 검증은 각 서브시스템들의 동작을 위한 드라이버 소프트웨어 기능을 검증하였다. 시험 환경은 먼저 각 서브시스템들을 PC104 커넥터가 서로 연결되어 있는 시험용 Flat 보드에 연결하고 PC와 탑재 컴퓨터를 연결한 다음 각 서브시스템에 명령을 하나씩 전달하여 데이터를 정상적으로 읽어 오는지 확인하였다.

이론/모형

이러한 우주 임무 수행을 위해서는 탑재체뿐만 아니라 위성 전체를 제어하는 탑재 컴퓨터가 필요하다. SIGMA 큐브위성의 탑재 컴퓨터는 상용 탑재 컴퓨터를 사용하지 않고 자체 개발한 것으로 ARM Cortex-M4 기반의 MCU(Micro Controller Unit)를 사용하였다. Fig.
반면 개발에 사용된 호스트(host) PC는 인텔 x86 기반의 CPU와 윈도우 7 운영체제를 사용한다. 따라서 ARM용 크로스 컴파일(cross-compile) 환경을 구축하기위해 KEIL사에서 제공하는 ARM용 MDK (Microcontroller Development Kit)를 사용하였다. MDK에는 소스 코드 편집을 위한 에디터(editor)와 크로스 컴파일을 위한 ARM용 C/C++컴파일러가 포함되어 있다[6].

성능/효과

예를 들면 무선 통신에서 발생할 수 있는 데이터 손실을 감안하여 보다 효과적인 패킷 처리 방식이나 위성 운영을 위한 명령어 구조 등을 보다 효율적으로 구성할 수 있을 것이다. 본 연구에서 제시한 비행 소프트웨어 구조 및 동작 방법은 SIGMA 큐브위성의 독립적이고 간결한 탑재체 제어와 순차적인 임무 수행 방식의 이유로 효과적인 방법이다.
비행 소프트웨어 검증은 먼저 CONSOLE 응용 프로그램 실행 상태에서 각 서브시스템에 명령을 수행하여 정상 동작하였음을 확인하였다. 그리고 OPERATION 응용 프로그램 실행 상태에서 지상국의 무선 통신 시스템을 이용하여 HK 데이터, 탑재체 실행 및 과학 데이터를 수신하여 위성의 정상 동작을 확인하였다.

후속연구

본 소프트웨어는 운영시험을 거쳐 발사를 준비 중이며, 향후 위성운영을 통해 보다 개선된 방향으로 발전할 수 있을 것이다. 예를 들면 무선 통신에서 발생할 수 있는 데이터 손실을 감안하여 보다 효과적인 패킷 처리 방식이나 위성 운영을 위한 명령어 구조 등을 보다 효율적으로 구성할 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	SIGMA(Scientific cubesat with Instruments for Global Magnetic field and rAdiation) 큐브 위성이란?	SIGMA(Scientific cubesat with Instruments for Global Magnetic field and rAdiation) 큐브 위성은 근 지구 자기장 세기와 우주 방사선량 측정을 위해 경희대학교에서 개발한 초소형 인공위성이다. 우주 임무 수행을 위해 비행 소프트웨어는 위성을 제어하고 데이터를 처리하는 중요한 역할을 담당한다.
	우주 임무 수행에 있어 비행 소프트웨어는 무엇을 수행하는가?	SIGMA(Scientific cubesat with Instruments for Global Magnetic field and rAdiation) 큐브 위성은 근 지구 자기장 세기와 우주 방사선량 측정을 위해 경희대학교에서 개발한 초소형 인공위성이다. 우주 임무 수행을 위해 비행 소프트웨어는 위성을 제어하고 데이터를 처리하는 중요한 역할을 담당한다. 본 연구에서는 SIGMA 큐브위성의 임무 수행을 위해 비행소프트웨어를 구현한 것으로서 일반적으로 임베디드 시스템에서 사용하는 실시간 운영체제를 사용하지 않고 단일 프로세스 내에서 모든 태스크를 처리하도록 구현하였다.
	SIGMA 큐브위성의 비행 소프트웨어를 하나의 프로세스 내에서 모든 명령을 처리하는 방식으로 구현한 이유는?	탑재 컴퓨터를 비롯한 각각의 하드웨어를 제어하고 우주 임무를 수행하기 위한 SIGMA 큐브위성의 비행 소프트웨어는 실시간 운영체제를 사용하지 않고 하나의 프로세스 내에서 모든 명령을 처리하는 방식으로 구현하였다. 이는 SIGMA 큐브위성의 우주 임무를 위한 탑재체 제어에 있어서 반드시 실시간 처리를 요구하지 않으며 생성된 데이터는 따로 가공하지 않고 바로 저장하여 지상국으로 전송하는 매우 단순한 구조이기 때문이다. 또한 위성의 전력 시스템, 자세 제어 시스템, 통신 시스템 등은 독립적인 서브시스템으로 탑재 컴퓨터가 직접 제어하지 않고 10초 간격의 충분한 시간 간격으로 시스템을 모니터링하기 때문에 탑재 컴퓨터에 부담이 적다.

참고문헌 (9)

Puig-Suari, J., "CubeSat Design Specification Rev. 13," The CubeSat Program, Cal Poly SLO, 2014.
Lee S., Lee J. K., Kum K. et al., "Development of SIGMA(KHUSAT-3) CubeSat Mssion" SSC14-P4-2, SmallSat Conference, 2014
Nam, U. W., Park, W. K., Lee, J. J., et al., "Calibration of TEPC for CubeSat Experiment to Measure Space Radiation," Journal of astronomy and space sciences, 2015, pp.145-149.

원문보기 상세보기
Fant, J., Gomaa, H., and Pettit, R., "Architectural Design Patterns for Flight Software," 2011 14th IEEE International Symposum on Object/Component/Service - Oriented Real-Time Distributed Computing Workshops, 2011, pp.97-101.
Yoon, S. Y, Kim, Y. H, Yoon, J. W, Seon, J. H, Jin, H, Lee, D. H, "Initial Operational Scenario of TRIO-CINEMA Spacecraft," Journal of the Korean society for aeronautical & space sciences, 2012 , pp.1053-1058.
http://www.keil.com
Hansen, L., and Hansen, J., "Reusable, modular, and scalable flight software," Aerospace Conference, 2014 IEEE, 2014, pp.1-7.
William A. Beech, Douglas E. Nielsen, and Jack Taylor, "AX.25 Link Access Protocol for Amateur Packet Radio Version 2.2," Tucson Amateur Packet Radio Corporation, 1998.
Horowitz, E., Sahni, S., and Anderson-Freed, S., Fundamentals of data structures in C, Silicon Press, 2007

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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