[논문]NASA CFS에 기반한 초소형 위성용 비행소프트웨어 개발에 관한 연구

최원섭; 김진형; 김해동

doi:10.5139/jksas.2016.44.11.997

NASA CFS에 기반한 초소형 위성용 비행소프트웨어 개발에 관한 연구
A Study on developing Flight Software for Nano-satellite based on NASA CFS 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.44 no.11, 2016년, pp.997 - 1005

최원섭 (Korea Aerospace Research Institute) , 김진형 (Korea Aerospace Research Institute) , 김해동 (Korea Aerospace Research Institute)

초록
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비행소프트웨어는 지상국으로부터의 명령을 처리하고 위성의 제어, 미션 데이터 처리 등 위성운영에 있어서 핵심적인 역할을 담당한다. 비행소프트웨어는 그 특성상 신뢰성의 확보가 가장 중요하고 이를 위해서는 수많은 검증과 테스트를 필요로 한다. 이는 개발 비용과 기간 증가의 주요 요인이 된다. 이에 NASA에서는 모듈화 및 재사용성이 강조되는 비행소프트웨어 플랫폼을 개발하여 위성 프로젝트에 적용을 하였는데 그 결과물이 CFS(Core Flight System)이다. 본 연구에서는 NASA CFS 에 기반하여 초소형위성용 비행소프트웨어의 개발을 진행하였다. CFS에서 제공되는 핵심적인 서비스 및 기능을 테스트하였고 이를 적용하여 소프트웨어 설계 및 구현을 진행하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Flight software plays an important role in operating satellites, such as processing commands from ground station, controlling satellites and processing mission data. Reliability is the most important thing in flight software and many verifications and tests are needed for assuring it. this causes an increase of cost and period of development. So NASA has developed a reusable flight software platform to apply to their satellite projects. The CFS(Core Flight System) is the very result. We are developing our flight software for a nano-satellite based on NASA CFS. We have tested core services and functions provided in CFS and we have designed and implemented flight software based on these.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

CFS는 cFE에서 제공되는 핵심적인 기능 이외에 미션에 선택적으로 적용할 수 있는 기능들을 어플리케이션의 형태로 제공하는데 이번 절에서는 이러한 어플리케이션에 대하여 소개한다. 대부분의 어플리케이션들이 위성 미션에서 공통적으로 사용될 수 있는 필수 기능들을 제공한다.
NASA의 오픈소스 비행소프트웨어 플랫폼인 CFS에 기반한 비행소프트웨어 개발에 관한 연구를 진행하였다. CFS의 소프트웨어 구조를 파악하고 제공되는 기능에 관하여 알아보았다. 이를 통해 초소형위성을 위한 기능 및 모듈을 선별하였고 이에 대한 테스트를 진행하였다.
NASA의 오픈소스 비행소프트웨어 플랫폼인 CFS에 기반한 비행소프트웨어 개발에 관한 연구를 진행하였다. CFS의 소프트웨어 구조를 파악하고 제공되는 기능에 관하여 알아보았다.
이에 본 논문에서는 CFS에 기반한 초소형위성용 비행소프트웨어 개발에 관한 내용을 기술한다. 적용 시스템은 현재 항공우주연구원에서 개발 중인 6U급의 큐브위성이다.
현재 FSW는 개발이 진행 중으로 미션 어플리케이션들은 설계 및 구현이 진행 중에 있다. 이에 본 논문에서는 CFS에서 제공되는 커맨드 기반의 주요 서비스 및 어플리케이션 기능에 대한 테스트만을 진행하였다.

제안 방법

- Housekeeping(HK) : HK는 Housekeeping 텔레메트리를 관리하는 기능을 제공한다. cFE 및 각 어플리케이션에서 송신되는 텔레메트리를 수신하여 이들을 편집, 취합하여 Combined telemetry 형태로 메시지를 지상국으로 송신한다. 이는 상황에 따라 필요한 텔레메트리 메시지만 볼 수 있도록 해주고, 메시지 오버헤드를 줄여 줄 수 있어 다운링크 대역을 효율적으로 사용할 수 있도록 해준다.
CFS 기반의 소프트웨어 구현을 위해서는 소프트웨어 구조 및 특성, 그리고 제공되는 기능에 대한 이해가 필수적이다. 그리고 CFS에 기반하여 초소형위성용 비행 소프트웨어를 설계하고 구현을 진행하여 그 사용 가능성을 확인하였다.
이를 통해 초소형위성을 위한 기능 및 모듈을 선별하였고 이에 대한 테스트를 진행하였다. 그리고 미션에 특화된 기능을 구현하기 위하여 추가적인 어플리케이션의 설계를 진행하였다. 비행소프트웨어의 구현 및 실행은 초소형위성에 사용 예정인 것과 동일한 CPU가 장착된 평가보드와 Linux를 기반으로 하였으며 PC상의 테스트프로그램을 이용하여 UDP를 통해 데이터를 송/수신하였다.
먼저 비행소프트웨어가 수행되고 대기 상태에서 각 태스크의 수행 성능 및 CPU 부하를 측정하였다. 성능 측정을 위한 데이터 수집은 ES에서 제공되는 명령 기반의 서비스를 이용하였고 이때 생성된 데이터는 CFS에서 제공되는 툴을 이용하여 그 결과를 확인하였다.
- Software Bus(SB) : 어플리케이션 간의 통신을 위한 소프트웨어 메시지 버스를 제공한다. 메시지 파이프 생성, 메시지 송신 및 수신에 관련된 API를 제공하여 각 어플리케이션들이 메시지 버스를 사용하여 통신할 수 있도록 한다. 메시지를 송신하고 수신하는 어플리케이션은 서로 완전히 독립적으로 동작한다.
그리고 미션에 특화된 기능을 구현하기 위하여 추가적인 어플리케이션의 설계를 진행하였다. 비행소프트웨어의 구현 및 실행은 초소형위성에 사용 예정인 것과 동일한 CPU가 장착된 평가보드와 Linux를 기반으로 하였으며 PC상의 테스트프로그램을 이용하여 UDP를 통해 데이터를 송/수신하였다. 이후 탑재컴퓨터의 개발이 완료되면 개발하고 있는 비행소프트웨어를 그대로 이식할 예정이며 추가적으로 하드웨어와 인터페이스 되는 부분의 장치 드라이버 및 이에 대응되는 I/O 어플리케이션을 구현할 예정이다.
먼저 비행소프트웨어가 수행되고 대기 상태에서 각 태스크의 수행 성능 및 CPU 부하를 측정하였다. 성능 측정을 위한 데이터 수집은 ES에서 제공되는 명령 기반의 서비스를 이용하였고 이때 생성된 데이터는 CFS에서 제공되는 툴을 이용하여 그 결과를 확인하였다. 성능 모니터링 툴을 이용한 결과는 Fig.
CFS의 소프트웨어 구조를 파악하고 제공되는 기능에 관하여 알아보았다. 이를 통해 초소형위성을 위한 기능 및 모듈을 선별하였고 이에 대한 테스트를 진행하였다. 그리고 미션에 특화된 기능을 구현하기 위하여 추가적인 어플리케이션의 설계를 진행하였다.
개발 중인 초소형위성의 탑재컴퓨터는 Xilinx Zynq-7000 All Programmable SOC를 사용하여 개발 중에 있다. 이에 동일한 CPU를 가진 Zedboard라는 평가보드를 사용하여 소프트웨어의 구동 및 기능을 테스트하였다. 하드웨어와 직접 연결되는 I/O 어플리케이션 이외의 것들은 사용예정인 탑재컴퓨터와 동일한 환경에서의 테스트가 가능하다.
커맨드 스케줄링 기능도 테스트를 진행하였다. ATS로 커맨드 스케줄링을 위해서는 Fig.
PC의 테스트 프로그램과 비행소프트웨어간의 데이터 송수신은 UDP 통신을 통해 이루어진다. 테스트는 PC의 테스트프로그램에서 기능 수행을 위한 커맨드를 송신했을 때 정상적으로 그 기능이 실행되었는지 확인하는 방법으로 진행하였다.
17은 평가 보드 콘솔을 통한 스케줄링 수행결과를 보여준다. 테이블 업데이트를 위하여 load, verification, update 명령을 차례로 수행하였고 이후 ATS 수행 커맨드를 전송하였다. ATS에 스케줄링 된 커맨드가 수행되면서 위에서 설명된 동작들이 차례로 실행됨을 확인할 수 있다.

대상 데이터

이에 본 논문에서는 CFS에 기반한 초소형위성용 비행소프트웨어 개발에 관한 내용을 기술한다. 적용 시스템은 현재 항공우주연구원에서 개발 중인 6U급의 큐브위성이다. 먼저 CFS에 대한 기본적인 이해를 위하여 이에 대한 개요를 설명하고 CFS에서 제공되는 핵심적인 서비스와 모듈에 대하여 설명한다.

성능/효과

13과 같다. 각각의 태스크는 500ms, 1s 등의 주기에 맞추어 정상적으로 실행되고 있음을 확인할 수 있었고, Fig. 13에서는 CPU idle 상태의 CPU 점유율이 94.627%이고 SCH 어플리케이션의 점유율이 3.734%임을 확인할 수 있다. SCH의 어플리케이션은 시스템의 스케줄링을 위한 작업을 담당하고 있으므로 대기 상태에서도 다른 어플리케이션에 비해 많은 CPU 사용을 보인다.
SCH의 점유율은 스케줄링이 필요한 어플리케이션이 증가하면 그 양도 같이 증가할 것으로 보인다. 그러나 idle 상태의 점유율이 거의 대부분을 차지하고 있어 CFS 플랫폼이 기본적으로 차지하는 CPU부하가 크지 않음을 확인할 수 있었다.

후속연구

이후 탑재컴퓨터의 개발이 완료되면 개발하고 있는 비행소프트웨어를 그대로 이식할 예정이며 추가적으로 하드웨어와 인터페이스 되는 부분의 장치 드라이버 및 이에 대응되는 I/O 어플리케이션을 구현할 예정이다. 그리고 미션에 특화된 어플리케이션의 구현 및 테스트를 진행할 예정이다.
비행소프트웨어의 구현 및 실행은 초소형위성에 사용 예정인 것과 동일한 CPU가 장착된 평가보드와 Linux를 기반으로 하였으며 PC상의 테스트프로그램을 이용하여 UDP를 통해 데이터를 송/수신하였다. 이후 탑재컴퓨터의 개발이 완료되면 개발하고 있는 비행소프트웨어를 그대로 이식할 예정이며 추가적으로 하드웨어와 인터페이스 되는 부분의 장치 드라이버 및 이에 대응되는 I/O 어플리케이션을 구현할 예정이다. 그리고 미션에 특화된 어플리케이션의 구현 및 테스트를 진행할 예정이다.
현재는 웹사이트를 통하여 소스코드와 관련 문서들이 공개되어 있어 누구나 아무런 제한 없이 다운로드 받고 사용할 수 있다[4]. 하지만 아무리 검증이 되고 잘 만들어진 플랫폼이라 하더라도 특정 시스템에 처음 적용하는 것은 어려움과 위험이 따르기 마련이고 자체적인 검증 또한 필요할 것이다. 이러한 목적으로 초소형위성은 아주 좋은 적용 대상이라 할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	CFS란 무엇인가?	CFS는 LRO, LADEE, Morpheus등 NASA의 우주탐사 프로젝트에 적용되고 검증이 된 비행소프트웨어 플랫폼이다[3]. 현재는 웹사이트를 통하여 소스코드와 관련 문서들이 공개되어 있어 누구나 아무런 제한 없이 다운로드 받고 사용할 수 있다[4].
	CFS를 사용하여 얻고자 하는 효과는 무엇인가?	◾짧은 시간 내에 고품질의 비행소프트웨어 개발 ◾시간/비용에 대한 불확실성 최소화 ◾조직 간의 협업 증대 ◾유지보수의 용이 ◾소프트웨어의 재사용성 강화
	큐브위성의 사용 목적은 어떻게 변화하였는가?	초소형위성(Nano-Satellite)은 그 무게가 1kg 에서 10kg사이의 위성을 통칭하는 것으로 대부분 큐브위성의 형태를 가진다. 잘 알려진 대로 큐브위성은 원래 교육적인 목적으로 1999년 California Polytechnic 주립대와 Stanford 대학교에서 시작되었으나, 최근에는 우주상에서의 알고 리즘 테스트, 과학실험 등의 실험 목적뿐만 아니라 지구 관측, 통신 등 다양한 미션으로 그 사용 영역이 넓어지고 있다. 작은 위성이라 하더라도 위성이 가져야 할 기본적인 기능은 모두 구현되어야 하고 이러한 기능들이 초소형위성을 통하여 검증이 된다면 일반적인 위성으로의 적용도 고려해 볼 수 있을 것으로 기대한다.

참고문헌 (6)

Jonathan Wilmot, "A Core Flight Software System", Third IEEE/ACM/IFIP International Conference on Hadware/Software Codesign and System Synthesis, 2005.
D.Ganesan, M.Lindvall, C.Ackermann, D.McComas, and M.Bartholomew, "Verifying architecture design rule of the flight software product line", Proceedings of the 13th International Software Product Line Conference, Carnegie Mellon University, 2009, pp. 161-170.
Alan Cudmore, "NASA/GSFC's Flight Software Architecture : Core Flight Executive and Core Flight System", NASA Flight Software Workshop, 2008.
https://cfs.gsfc.nasa.gov
Jonathan Wilmot, "A Core Plug and Play Architecture for Reusable Flight Software Systems", 2nd IEEE International Conference on Space Mission Challenges for Information Technology, 2006.
"Flight Software Application Developers Guide : Core Flight Software", NASA GSFC, 2014.

저자의 다른 논문 :

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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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