인공위성의 시스템 설계 및 운용에 대한 이해증진을 목적으로 국내에서는 2012년을 시작으로 매년 캔위성 경연대회가 개최되고 있다. 본 논문에서 제안한 캔위성은 2016년 경연대회에 출전한 SCSky(Smart Call from the Sky) CanSat으로, 주요임무는 캔위성에 탑재된 스마트폰을 이용하여 영상통화 연결을 통해 위성체 내 외부 및 비행영상 획득을 목표로 하고 있으며, 임무 구현을 위해 형상기억합금 와이어를 적용한 원격터치시스템을 개발하였다. 아울러 부가적인 임무로 비행 임무동안 보다 넓은 범위의 지상관측영상 획득을 목적으로 형상기억합금스프링을 적용한 광역스캔카메라 메커니즘을 개발하였다. 본 논문에서는 상기 캔위성에 대한 임무를 비롯해 개발 탑재체 및 캔위성 시스템 소개, 최종 비행시험결과에 대하여 서술하였다.
인공위성의 시스템 설계 및 운용에 대한 이해증진을 목적으로 국내에서는 2012년을 시작으로 매년 캔위성 경연대회가 개최되고 있다. 본 논문에서 제안한 캔위성은 2016년 경연대회에 출전한 SCSky(Smart Call from the Sky) CanSat으로, 주요임무는 캔위성에 탑재된 스마트폰을 이용하여 영상통화 연결을 통해 위성체 내 외부 및 비행영상 획득을 목표로 하고 있으며, 임무 구현을 위해 형상기억합금 와이어를 적용한 원격터치시스템을 개발하였다. 아울러 부가적인 임무로 비행 임무동안 보다 넓은 범위의 지상관측영상 획득을 목적으로 형상기억합금스프링을 적용한 광역스캔카메라 메커니즘을 개발하였다. 본 논문에서는 상기 캔위성에 대한 임무를 비롯해 개발 탑재체 및 캔위성 시스템 소개, 최종 비행시험결과에 대하여 서술하였다.
CanSat Competition has been annually held in South Korea since 2012 to give students an opportunity for better understanding of system design and operation processes of satellite. SCSky CanSat(Smart Call from the Sky Can Satellite) proposed in this study is a name of CanSat that was participated in ...
CanSat Competition has been annually held in South Korea since 2012 to give students an opportunity for better understanding of system design and operation processes of satellite. SCSky CanSat(Smart Call from the Sky Can Satellite) proposed in this study is a name of CanSat that was participated in 2016 CanSat competition. Its main mission objective is to obtain flight imaging data of inside and outside the CanSat through the video call using on-board smart phone in the CanSat. To implement this mission, we developed a remote touch system using SMA(Shape Memory Alloy) wire. In addition, a wide scan camera mechanism using SMA spring was developed to obtain ground imaging data during the mission. This study introduced the mission of the SCSky CanSat, as well as the description of on-board payloads, system design results, and flight test results.
CanSat Competition has been annually held in South Korea since 2012 to give students an opportunity for better understanding of system design and operation processes of satellite. SCSky CanSat(Smart Call from the Sky Can Satellite) proposed in this study is a name of CanSat that was participated in 2016 CanSat competition. Its main mission objective is to obtain flight imaging data of inside and outside the CanSat through the video call using on-board smart phone in the CanSat. To implement this mission, we developed a remote touch system using SMA(Shape Memory Alloy) wire. In addition, a wide scan camera mechanism using SMA spring was developed to obtain ground imaging data during the mission. This study introduced the mission of the SCSky CanSat, as well as the description of on-board payloads, system design results, and flight test results.
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문제 정의
SCSky CanSat의 주요 임무는 캔위성에 스마트폰을 탑재하여 지상 명령을 통한 원격 구동으로 지상에 있는 스마트 폰과의 영상통화 연결 및 캔위성 내/외부 영상 데이터 획득을 목표로 한다. 상기의 임무구현을 위하여 전력 인가에 따라 장력이 변화하는 형상기억합금(Shape Memory Alloy, SMA) 와이어를 이용하여 원격터치시스템(Remote Touch System, RTS)을 개발하였고, 이를 지상국 원격명령으로 구동하여 영상통화 연결 및 캔위성 내/외부 영상, 일련 과정 녹화를 수행한다.
본 논문에서 제안한 캔위성은 2016년 개최된 제 5회 캔위성 경연대회에 SCSky CanSat(Smart Call from the Sky Can Satellite)으로 참가한 캔 위성으로, 주요 임무는 스마트 폰을 캔위성에 탑재하여 지상국의 원격 명령을 통해 지상에 있는 스마트 폰과의 영상통화 연결 및 캔위성 내/외부 영상 데이터 획득을 목표로 한다. 또한, 부가적 임무로 지상국의 원격 명령을 통하여 광역 관측 영상 데이터 획득을 목표로 한다.
본 논문에서는 SCSky CanSat으로 명명된 캔위성의 설계 및 검증 과정을 서술하였다. SCSky CanSat은 주요 임무로 지상의 명령을 통한 원격터치시스템의 구동과 이를 통한 영상통화 연결 및 캔위성 내/외부 영상 획득을 수행하고, 부가적 임무로 지상의 명령을 통한 광역스캔카메라구동과 이에 따른 광역 관측 영상 데이터 획득을 수행하도록 개발되었다.
본 논문에서는 SCSky CanSat의 체계/부체계 설계 및 제작, EM(Engineering Model) 기능시험을 통한 설계 타당성 검증, 발사 결과 분석 및 운용결과에 대해 서술하였다.
제안 방법
통신 시스템은 위성의 상태정보 및 임무수행데이터를 지상국에 전송하고, 지상국으로부터 임무수행에 필요한 명령신호를 수신하는 역할을 한다. SCSky CanSat은 일반적으로 단거리 통신에 많이 사용하는 블루투스보다 먼 거리에서도 통신이 가능한 Zigbee 방식을 채택하였으며, Table 8에 나타낸 바와 같이 SENA사의 Zigbee Pro모듈을 이용하여 구성하였고 전파관리법상 허가나 신고 없이 사용이 가능한 2.4GHz 주파수 대역을 사용하였다.
4(a)와 같이 눌렸던 터치 버튼이 복원 스프링의 복원력에 의하여 원래의 위치로 되돌아와 스마트 폰의 화면을 터치하지 않게 된다[7]. 개념설계를 바탕으로 기능시험을 수행하였으며, 그 구성은 Fig. 6과 같다. 원격터치시스템의 제어를 위한 AVR 모듈과 모듈에서 출력되는 전류를 증폭시키기 위한 트랜지스터로 구성되어있으며, 시험결과는 Fig.
19(b)의 IMU데이터를 통하여 확인하였다. 또한, 영상데이터 분석결과 자세불안정 및 바람 등의 영향으로 영상이 고르지 않아 광역스캔카메라 고각방향 구동여부 확인에 어려움이 있었으며, 발사 임무 수행 후 광역스캔카메라의 정확한 작동여부를 확인하기 위하여 비행모델 캔위성을 고도 약 100m, 풍속 약 2.0m/s인 환경에서 임무를 재수행 하였다. 그 결과 Fig.
비행 모델에 대한 성능 실험을 위해 고온 조건에 대한 환경시험 및 통신 거리 검증을 위한 장거리 통신시험을 수행하였다.
이와 반대로 전력을 인가하지 않았을 경우 형상기억합금 스프링이 이완되며 두 대의 USB카메라가 원래의 위치로 되돌아오게 된다. 상기 탑재체의 기능시험을 위해 EM을 제작하여 기능시험을 수행하였으며, 시험 구성은 Fig. 10과 같다. 실제 운용 시와 동일하게 지상국 원격명령을 통하여 광역스캔카메라의 기능시험을 수행하였으며, 이를 통해 Fig.
SCSky CanSat의 주요 임무는 캔위성에 스마트폰을 탑재하여 지상 명령을 통한 원격 구동으로 지상에 있는 스마트 폰과의 영상통화 연결 및 캔위성 내/외부 영상 데이터 획득을 목표로 한다. 상기의 임무구현을 위하여 전력 인가에 따라 장력이 변화하는 형상기억합금(Shape Memory Alloy, SMA) 와이어를 이용하여 원격터치시스템(Remote Touch System, RTS)을 개발하였고, 이를 지상국 원격명령으로 구동하여 영상통화 연결 및 캔위성 내/외부 영상, 일련 과정 녹화를 수행한다.
아울러, 캔위성과 지상국간 통신성능을 검증하기 위하여 고도 약 80m에서 장거리 통신시험을 수행하였다. 임무수행 순서에 따라 기능시험을 진행을 하였으며, SCSky CanSat의 상태정보 전송 및 원격터치시스템의 구동에 따른 영상통화연결 및 광역스캔카메라 구동에 의한 광역 관측 영상 데이터 획득에 성공하였다.
열에 민감한 형상기억합금의 특성 상 Fig. 16과 같이 형상기억합금 와이어 및 스프링이 외부환경에 노출 되었을 경우에 대한 기능시험을 수행하였다. 외부환경을 모사하기 위해 40℃의 옥외에 약 30분간 방치 후 시험을 실시하였으며,실제 위성을 운용하는 것과 동일하게 지상국 무선 명령을 통해 캔위성의 상태정보 및 명령 송/수신을 수행하였다.
16과 같이 형상기억합금 와이어 및 스프링이 외부환경에 노출 되었을 경우에 대한 기능시험을 수행하였다. 외부환경을 모사하기 위해 40℃의 옥외에 약 30분간 방치 후 시험을 실시하였으며,실제 위성을 운용하는 것과 동일하게 지상국 무선 명령을 통해 캔위성의 상태정보 및 명령 송/수신을 수행하였다.
원격터치시스템은 SCSky CanSat의 MCU 포트제어를 통해 사용자가 원하는 번호를 터치할 수 있도록 설계하였다. 먼저, 원하는 번호에 5V, 500mA의 전력을 인가하였을 경우 Fig.
이와 함께, 부가적 임무로 형상기억합금 스프링을 이용하여 고각방향 회전이 가능한 광역스캔 카메라(Wide Swath Scan Camera, WSSC)를 개발하였으며, 지상원격 구동을 통해 광역관측영상 데이터 획득을 가능하도록 설계하였다. 상기에서 언급한 복수의 탑재체를 캔위성 측면부 및 하단부에 탑재하였으며, 캔위성의 형상은 Fig.
아울러, 캔위성과 지상국간 통신성능을 검증하기 위하여 고도 약 80m에서 장거리 통신시험을 수행하였다. 임무수행 순서에 따라 기능시험을 진행을 하였으며, SCSky CanSat의 상태정보 전송 및 원격터치시스템의 구동에 따른 영상통화연결 및 광역스캔카메라 구동에 의한 광역 관측 영상 데이터 획득에 성공하였다.
추가적으로 Fig. 17과 같이 비행시험과 유사한 낙하환경을 모사하기 위해 헬륨이 담긴 기상풍선을 이용하여 낙하시험을 수행하였으며, 지상의 원격 명령에 따른 구동과 상태정보 및 임무데이터 송/수신에 성공하였다.
대상 데이터
MCU의 포트제어를 통해 각 방향으로 카메라가 구동되도록 설계하였으며, 3.3V, 500mA의 전력을 인가하였을 경우 Fig. 9와 같이 각 카메라 한쪽의 형상기억합금 스프링이 원래 길이의 200%인 40mm가 수축되며, Fig. 8(b)와 같이 고각방향 회전운동을 부여하여 광역관측영상데이터를 획득하게 된다. 이와 반대로 전력을 인가하지 않았을 경우 형상기억합금 스프링이 이완되며 두 대의 USB카메라가 원래의 위치로 되돌아오게 된다.
SCSky CanSat은 2016년 8월 4일 고흥 항공우주연구원 항공우주센터에서 발사를 수행하였다. 모델로켓 발사 및 낙하산 전개에 성공하였고, 성공적인 데이터 수신을 확인하였다.
14는 SCSky CanSat의 전기적 구성을 나타내며, 위성의 상태정보와 임무 수행 데이터를 UART 인터페이스를 통해 통신보드로 전송한다. SCSky CanSat의 데이터 처리계는 ATmel사의 ATmega2560을 사용하였으며, 그 형상과 제원은 Table 5와 같다.
SCSky CanSat의 임무 수행에 필요한 탑재체는 원격터치시스템과 광역스캔카메라로 구성되며, 상기 탑재체는 전력 인가에 따른 장력 변화 특성을 가지는 형상기억합금 와이어와 스프링을 적용하여 설계하였다. 형상기억합금은 일본의 TOKI사에서 자체적으로 개발한 것으로, 약 60℃ 전후로 가열하면 수축하고 냉각하면 이완하는 특성을 가지며, 적은 전력으로도 큰 힘을 낼 수 있으며, 메커니즘의 소형화가 가능하다는 장점이 있다[5].
SCSky CanSat의 지상국은 Zigbee Pro의 USB Type 모듈을 시리얼 통신으로 연결하여 구성하였으며, Fig. 15는 상용 소프트웨어인 LabView를 통해 구축한 SCSky CanSat의 지상국 화면으로, 스마트 폰의 동작을 확인할 수 있는 LED, GPS 및 IMU 데이터, 자세 확인을 위한 3D-View panel, 명령 수신을 위한 패널, 캔위성 내부의 스마트 폰을 볼 수 있는 화면[8]으로 구성되어 있다.
또한, SCSky CanSat의 탑재체인 원격터치시스템과 광역스캔카메라를 구동하기 위해 OBC(On-Board Computer)에서 출력되는 미세한 전류를 충분히 증폭시키기 위하여 ULN2803 달링턴 트랜지스터를 사용하였으며, 이를 통해 약 500mA의 전류량을 얻을 수 있었다.
본 논문에서 제안한 캔위성은 2016년 개최된 제 5회 캔위성 경연대회에 SCSky CanSat(Smart Call from the Sky Can Satellite)으로 참가한 캔 위성으로, 주요 임무는 스마트 폰을 캔위성에 탑재하여 지상국의 원격 명령을 통해 지상에 있는 스마트 폰과의 영상통화 연결 및 캔위성 내/외부 영상 데이터 획득을 목표로 한다. 또한, 부가적 임무로 지상국의 원격 명령을 통하여 광역 관측 영상 데이터 획득을 목표로 한다.
Figure 3은 SCSky CanSat의 전반적인 운용 과정을 나타내며, 고도 약 350m에서 캔위성이 사출되고 나서 임무가 시작된다. 지상국으로 조도, GPS 및 IMU 데이터를 수신하고, 지상의 원격명령을 통해 원격터치시스템을 구동하여 영상통화를 연결하고 캔위성 내/외부 영상을 획득한다. 이와 함께, 광역스캔카메라를 구동하여 광역관측 영상데이터를 내장되어 있는 SD카드에 저장한다.
성능/효과
또한 기존의 고정된 카메라 방식과 광역스캔 카메라의 관측 폭을 비교하기 위하여 Table 3의 카메라 제원과 식 (1)을 통해 지상표본거리를 산출하였으며, 식 (2)를 이용하여 관측 폭을 도출하였다. Fig. 12는 Matlab 프로그램을 통하여 계산한 결과로 기존의 고정 카메라 보다 약 3배 넓은 관측 폭을 갖는 것을 확인할 수 있다.
0m/s인 환경에서 임무를 재수행 하였다. 그 결과 Fig. 21과 같이 기존의 고정카메라보다 더 넓은 관측 폭의 영상데이터가 획득됨을 확인하였다.
SCSky CanSat은 2016년 8월 4일 고흥 항공우주연구원 항공우주센터에서 발사를 수행하였다. 모델로켓 발사 및 낙하산 전개에 성공하였고, 성공적인 데이터 수신을 확인하였다.
10과 같다. 실제 운용 시와 동일하게 지상국 원격명령을 통하여 광역스캔카메라의 기능시험을 수행하였으며, 이를 통해 Fig. 11과 같이 고각 방향 회전 운동이 가능함을 확인하였다.
후속연구
발사 결과 SCSky CanSat의 상태정보 및 원격터치시스템의 구동에 의한 영상 데이터는 성공적으로 획득하였지만, 광역스캔카메라의 경우 바람에 의한 영상 데이터의 불확실성을 야기하였고, 향후, 광역스캔카메라의 보다 더 선명한 영상획득을 위해 진동절연 및 자세제어 기능의 추가가 필요할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
캔위성은 어떻게 임무수행을 하는가?
캔위성이란 미국 스탠포드 대학의 Robert Twiggs 교수에 의해 제안된 교육용 위성이며 일반적으로 음료수 캔 크기 내에 구조계, 전력계, 데이터처리계, 통신계, 탑재체 등의 위성 시스템을 구현한 것에서 명명의 유래를 찾을 수 있다. 또한, 캔위성은 일반적인 위성과는 달리 운용환경이 상이하며 일반적으로 로켓, 벌룬, 드론 등에의해 수백 미터 고도로 상승 후 낙하산에 의한 자유낙하 중에 사전에 계획된 임무를 수행한다. 따라서 일반적으로 위성에서 실시되는 환경시험 등은 실시하지 않고 주로 기능검증에 주안점을 둔 검증시험 후 비행시험을 통해 시스템의 운용성을 검증하는 형태로 개발이 이루어지고 있다[1].
캔위성과 일반위성은 개발단계에서 어떤 차이점이 있는가?
또한, 캔위성은 일반적인 위성과는 달리 운용환경이 상이하며 일반적으로 로켓, 벌룬, 드론 등에의해 수백 미터 고도로 상승 후 낙하산에 의한 자유낙하 중에 사전에 계획된 임무를 수행한다. 따라서 일반적으로 위성에서 실시되는 환경시험 등은 실시하지 않고 주로 기능검증에 주안점을 둔 검증시험 후 비행시험을 통해 시스템의 운용성을 검증하는 형태로 개발이 이루어지고 있다[1]. 또한 발사 및 임무 운용에 필요한 위성의 구성 요소를 매우 간단하게 구성하여 고공에서 짧은 시간동안 운용되며 캔위성을 활용하여 고도, GPS(Global Positioning System), IMU(Inertial Measurement Unit), 온도, 습도, 가속도, 지상 관측 영상 등의 정보 전송을 할 수 있고, 각종 메커니즘을 장착하여 위성 기능과 유사하게 자세제어 및 통신 위성 모사, 탐사선 모사 등 다양한 임무를 수행할 수 있다[2,3].
SCSky CanSat의 주요 임무 목표는 무엇인가?
SCSky CanSat의 주요 임무는 캔위성에 스마트폰을 탑재하여 지상 명령을 통한 원격 구동으로 지상에 있는 스마트 폰과의 영상통화 연결 및 캔위성 내/외부 영상 데이터 획득을 목표로 한다. 상기의 임무구현을 위하여 전력 인가에 따라 장력이 변화하는 형상기억합금(Shape Memory Alloy, SMA) 와이어를 이용하여 원격터치시스템(Remote Touch System, RTS)을 개발하였고, 이를 지상국 원격명령으로 구동하여 영상통화 연결 및 캔위성 내/외부 영상, 일련 과정 녹화를 수행한다.
참고문헌 (8)
S. H. Won, H. Y. Jun, S. H. Kim and S. R. Lee, "Very Small Satellite Program for Expending the Space Technology Base: CanSat Competition", The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, 2012, pp. 636-645
G. H. Shin, H. Y. Park, J. K. Seo, T. S. Jang, D. H. Kim and In Lee "Design and Implementation of Electronics for the First National CanSat Competition in Korea", Proceeding of the KSAS 2012 Fall Conference, 2012, pp. 914-918
Y. Park, J. K. Seo, G. H. Shin, T. S. Jang, D. H. Kim and In Lee "Design and Implementation of HW and SW for the first Cansat Competition in Korea", Proceeding of the KSAS 2012 Fall Conference, 2012, pp. 897-902
http://cansat.kaist.ac.kr/
http://www.toki.co.jp/biometal/
J. H. Park and S. N. Yun "Basic Characteristic of Shape Memory Alloy and Its Application", Journal of Drive and Control, Vol. 6, No.2, 2009, pp. 34-39
H. U. Oh, S. Taniwaki, N. Kinjyo and K. Izawa, "Flywheel Vibration Isolation Test Using a Variable-Damping Isolator", Smart Materials and Structures, Vol. 15, 2006 pp. 365-370
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