2000년 이후로 발사된 큐브위성의 수는 약 750기(2017년 8월 기준)로 큐브위성의 제작과 발사가 급증하였다. 1999년 큐브위성의 규격이 발표된 이래로, 큐브위성은 단순한 교육 및 기술 검증 목적을 넘어 우주탐사나 지구관측 등 상업용으로 사용될 만큼 괄목할 만한 성장을 이뤘으며, 최근에는 그 형태나 임무의 다양성이 더욱 증가되고 있다. 국내에서는 2000년 부터 일부 대학교 및 개인이 독자적으로 큐브위성 제작을 수행하였고, 2012년 들어 과학기술정보통신부 주최, 한국항공우주연구원 주관으로 큐브위성 경연대회를 개최하면서 큐브위성 개발을 본격화하였다. 또한, 한국항공우주연구원, 한국천문연구원 등 국내 연구소에서도 우주과학 및 우주탐사에 활용하기 위해 큐브위성 제작을 시작하였다. 국내에서 2017년 8월 현재까지 제작완료하거나 제작중인 큐브위성은 총 19기이며, 본 논문에서는 큐브위성의 기술동향과 국내에서 현재까지 제작된 큐브위성에 대해 자세히 살펴본다.
2000년 이후로 발사된 큐브위성의 수는 약 750기(2017년 8월 기준)로 큐브위성의 제작과 발사가 급증하였다. 1999년 큐브위성의 규격이 발표된 이래로, 큐브위성은 단순한 교육 및 기술 검증 목적을 넘어 우주탐사나 지구관측 등 상업용으로 사용될 만큼 괄목할 만한 성장을 이뤘으며, 최근에는 그 형태나 임무의 다양성이 더욱 증가되고 있다. 국내에서는 2000년 부터 일부 대학교 및 개인이 독자적으로 큐브위성 제작을 수행하였고, 2012년 들어 과학기술정보통신부 주최, 한국항공우주연구원 주관으로 큐브위성 경연대회를 개최하면서 큐브위성 개발을 본격화하였다. 또한, 한국항공우주연구원, 한국천문연구원 등 국내 연구소에서도 우주과학 및 우주탐사에 활용하기 위해 큐브위성 제작을 시작하였다. 국내에서 2017년 8월 현재까지 제작완료하거나 제작중인 큐브위성은 총 19기이며, 본 논문에서는 큐브위성의 기술동향과 국내에서 현재까지 제작된 큐브위성에 대해 자세히 살펴본다.
Since 2000, about 750 cubesats have been launched as of August 2017 and development and the launch of cubesat increased exponentially. Since standard of cubesat has been proposed in 1999, cubesats have grown considerably beyond the scope of education and technology verification to commercial use in ...
Since 2000, about 750 cubesats have been launched as of August 2017 and development and the launch of cubesat increased exponentially. Since standard of cubesat has been proposed in 1999, cubesats have grown considerably beyond the scope of education and technology verification to commercial use in the area of space exploration and earth observation, and the variety of cubesat mission and type has increased recently. In Korea, some universities and individuals have independently developed cubesats since 2000, and cubesat contests which were organized by KARI and sponsored by Ministry of Science and ICT from 2012 highly contributed to cubesat development in Korea. In addition, domestic institutes such as KARI, KASI started to develop cubesats for space science and exploration mission. Nineteen cubesats have been progressed or completed in development until now. In this paper, we present the technical trend and describe all cubesats in Korea.
Since 2000, about 750 cubesats have been launched as of August 2017 and development and the launch of cubesat increased exponentially. Since standard of cubesat has been proposed in 1999, cubesats have grown considerably beyond the scope of education and technology verification to commercial use in the area of space exploration and earth observation, and the variety of cubesat mission and type has increased recently. In Korea, some universities and individuals have independently developed cubesats since 2000, and cubesat contests which were organized by KARI and sponsored by Ministry of Science and ICT from 2012 highly contributed to cubesat development in Korea. In addition, domestic institutes such as KARI, KASI started to develop cubesats for space science and exploration mission. Nineteen cubesats have been progressed or completed in development until now. In this paper, we present the technical trend and describe all cubesats in Korea.
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문제 정의
KAIST의 LINK는 2U 크기의 큐브위성으로 2012 경연대회에서 선정되었으며, 서울대학교의 SNUSAT-1과 마찬가지로 국제 큐브위성 프로그램인 QB50에도 선정되어 열권 및 이온층 대기 관측을 목표로 제작되었다. LINK 위성은 이온/중성자 질량 분광기 및 이온층의 전자 밀도와 온도를 측정하기 위한 랑뮈어 탐침기를 탑재하여 동시간대의 데이터를 함께 측정하고자 하였다[26]. LINK는 2017년 5월 ISS에서 궤도에 진입하였고, 당일 비콘 수신을 통해 위성의 정상동작을 확인하였다[27].
SNUGLITE 큐브위성은 2U 크기 위성으로 큐브위성용 이중주파수 GPS 수신기를 개발하고, 이를 이용한 전리층 변화 감지를 위해 실제 저궤도 환경에서의 운용을 검증하는 것을 목표로 하고 있다. 자세결정 및 제어 알고리즘을 개발하여 이를 다양한 탑재체에 적용시키는 기술적 임무를 포함하고 있다.
따라서 SNIPE 프로젝트에서는 총 4개의 초소형 위성을 이용해서 Fig. 14와 같이 궤도에 수직, 수평방향으로 2개씩 정렬한 후 위성간 거리를 10km에서 100km로 늘려가면서 관측된 데이터를 바탕으로 관측된 입자파동의 시간/공간적 분해능을 갖는 관측데이터를 얻음으로써 Electron Microburst, Trough & Polar Cap Patches, Equatorial Plasma Bubble, Electro-Magnetic Ion Cyclotron Waves 등의 현상의 원인을 규명하고자 한다.
또한, HiREV 위성은 추후 저비용 우주탐사 임무에 활용이 가능한 표준 버스 플랫폼의 개발을 목적으로 서브시스템에 대한 국산화 및 고성능화를 진행하였다. 그 결과 Fig.
앞으로, 독창적인 임무를 가진 큐브위성의 발사 및 운영이 이루어진다면 외국과의 경쟁도 충분히 가능할 것으로 보인다. 본 논문에서는 큐브위성 기술동향과 함께 국내에서 개발 완료되거나 진행중인 19기의 큐브위성에 대해 상세히 살펴보고자 한다.
지금까지, 큐브위성의 기술동향과 국내에서 개발완료 및 개발중인 19기의 큐브위성에 자세히 살펴보았다. 국내에서 초기에는 교육적 목적으로 대학교 단독으로 개발하는 사례가 많았으나, 큐브위성 경연대회를 통한 큐브위성 제작과, 최근에는 항우연, 천문연 등 출연연에서도 우주연구를 위한 큐브위성 제작중에 있다.
제안 방법
“OS0 DE OSSI1 ANYOUNG”로 시작하는 모스부호 비콘을 전송하고, 오픈 프로토콜을 사용해 이를 비출 수 있는 4개의 LED를 탑재하였다.
분리형 우주 망원경의 경우 기존 단일 위성에서 초점거리 조절에 대한 한계를 극복하고자 개발되었으며, 위성의 편대 비행을 통해 목표 분해능에 도달할 수 있는 차세대 우주망원경의 형태이다. 두 위성의 상대 위치와 상대 자세를 동시에 일치 시키는 관성 정렬 상태를 유지해야 하며, 이를 위해 비전 정렬 시스템을 이용하였다. 이밖에도 상대궤도 결정을 위해 위성 간 통신이 이루어져야 하며 추력기를 이용하여 궤도 제어를 수행한다.
또한 자기장 센서는 큐브위성에 적합하도록 기존의 다른 위성에 활용되던 것을 소형화 하여 설계하였으며, 1nT의 분해능과 ±50,000nT의 측정 범위를 갖으며 이를 활용하여 우주 자기장을 측정할 계획이다.
또한, 광학탑재체에서 대량의 영상 이미지 및 센서 데이터 처리를 위해 상용 OBC도 탑재하고 있다. 위성 시스템의 소프트웨어 부분에서도 미국 NASA에서 공개한 CFS(Core Flight Software)를 적용하여 표준화된 탑재 비행소프트웨어 개발 플랫폼을 제공함으로써 안정성 및 재생산성 등의 활용성을 확보하였다.
대상 데이터
2015년에 개최된 큐브위성 경연대회의 선정팀은 총 3팀으로 서울대학교 SNUGLITE, SNUSAT, 한국항공대학교 VisionCube이다. 각 팀에서 개발중인 3개의 큐브위성의 임무 및 시스템 특징은 Table 6과 같다.
국내에서는 2000년 초부터 현재까지 19기의 큐브위성을 제작 완료 또는 제작 중에 있으며, 이 중 6기가 발사되었다. 2017년 5월 국제우주정거장(ISS, International Space Station)으로부터 궤도에 투입된 2012 큐브위성 경연대회 선정팀 KAIST의 2U 큐브위성 LINK는 HK(House Keeping) 데이터를 수신하여 위성의 상태를 확인하였고, 2017년 8월 현재 임무를 수행 중에 있다.
서울대학교의 SNUSAT-1/1b는 2U 크기의 쌍둥이 큐브위성으로 약 90일 동안 열권 저층부 탐사를 진행하는 과학 임무와 구동기 센서의 고장검출, 분리 및 복구(FDIR, Fault Detection, Isolation, and Recovery) 등 기술적 임무를 목표로 개발되었다. SNUSAT-1/1b 위성은 KAIST의 LINK와 함께 2017년 5월에 궤도에 투입되었다[36].
일례로 OBC(On-Board Computer)의 경우 큐브위성에 많이 사용되는 400MHz급 프로세서보다 고성능인 866MHz 프로세서를 탑재하여 제작하였다. 또한, 광학탑재체에서 대량의 영상 이미지 및 센서 데이터 처리를 위해 상용 OBC도 탑재하고 있다.
이와 같이 큐브위성을 이용한 우주기술의 발전은 그 대상이 지구에서 우주로 넘어가고 있으며, 이에 따라 심우주 탐사를 위한 기술개발에도 활용되기 시작했다. 일례로 태양돛(Solar Sail)기술 개발을 위해 2015년 발사된 LightSail-1은 Fig. 8과 같이 3U 크기의 큐브위성으로 태양돛 전개 시험을 마쳤다. 그리고 본 임무 수행을 위한 LightSail-2를 2018년에 발사 할 예정이다[15,16].
이론/모형
넓은 영역에서 불규칙적으로 발생하는 메가번개를 탐지하여 영상 이미지를 획득하고 온보드 처리하여 압축된 영상을 지상국으로 전송한다[34]. 운용 시나리오는 메가 번개의 크기, 지속시간 및 발생 빈도를 고려하여 설정하였으며, 번개 탐지 검출기로 MaPMT를 사용하였다. 또한 번개 검출 및 영상 확보를 위하여 정밀 자세제어 시스템 및 3개의 micro-CMG를 사용하여 3축 자세제어를 수행할 예정이다.
성능/효과
또한, HiREV 위성은 추후 저비용 우주탐사 임무에 활용이 가능한 표준 버스 플랫폼의 개발을 목적으로 서브시스템에 대한 국산화 및 고성능화를 진행하였다. 그 결과 Fig. 13과 같이 탑재컴퓨터, 태양센서, 자기토커, 반작용휠, 전력계 보드, 별센서, 태양전지판 등의 부품을 국산화 하였다.
위성의 주요 임무는 기 수행된 국내의 우주 핵심기술을 발굴 및 탑재하여 궤도상에서 검증하는 것이며, 이를 위해 다수의 탑재체가 장착되었다. 첫째로 무충격 구속 분리장치는 기존 큐브위성에 적용된 나일론 커팅 방식에 비해 높은 체결력과 낮은 충격량을 지니며, 적용 방법에 따라 동시 구속 및 분리가 가능한 장점을 갖는다. MEMS 집광형 태양전지 시스템은 태양광 사각지대에서의 집광을 통해 전력 생성 효율성을 증가시킨다.
후속연구
각 팀은 큐브위성 제작을 2017년에 완료하고, 2018년에 미국 SpaceX사의 Falcon 9 발사체로 발사할 예정이다.
운용 시나리오는 메가 번개의 크기, 지속시간 및 발생 빈도를 고려하여 설정하였으며, 번개 탐지 검출기로 MaPMT를 사용하였다. 또한 번개 검출 및 영상 확보를 위하여 정밀 자세제어 시스템 및 3개의 micro-CMG를 사용하여 3축 자세제어를 수행할 예정이다.
CNUSAIL-1은 충남대학교에서 개발한 3U 크기의 큐브위성으로 저궤도에서 태양돛을 전개하는 것을 주 임무로 한다. 또한 이를 통해 태양돛 전개와 태양돛 운용에 따른 위성의 자세/궤도 변화를 확인하는 임무를 추가적으로 수행할 예정이다. 태양돛은 우주비행체에서 태양 복사압의 편향으로 추진되는 방식이며, 연료의 한계를 해결하고자 도입된 개념이다.
국내의 큐브위성 개발 시작은 외국에 비해 다소 늦었지만, 다수의 큐브위성 개발을 수행하고 있어 기술 격차가 많이 줄어들 것이다. 앞으로, 독창적인 임무를 가진 큐브위성의 발사 및 운영이 이루어진다면 외국과의 경쟁도 충분히 가능할 것으로 보인다. 본 논문에서는 큐브위성 기술동향과 함께 국내에서 개발 완료되거나 진행중인 19기의 큐브위성에 대해 상세히 살펴보고자 한다.
95kg의 큐브위성으로 우주방사선에 의한 Linear Energy Transfer 스펙트럼을 측정하고 우주 환경에서의 등가선량을 도출하기 위한 주 탑재체로 TEPC(Tissue Equivalent Proportional Counter)를 개발하였다. 이는 우주 공간에서의 방사선이 인체에 미치는 영향을 위한 연구에 큰 역할을 할 것으로 기대된다. 또한 자기장 센서는 큐브위성에 적합하도록 기존의 다른 위성에 활용되던 것을 소형화 하여 설계하였으며, 1nT의 분해능과 ±50,000nT의 측정 범위를 갖으며 이를 활용하여 우주 자기장을 측정할 계획이다.
SNUSAT-2 큐브위성은 3U 크기 위성으로, 관심 지역 조기 탐지 임무를 위해 개발중에 있다. 특히 관심지역에 대한 탐사를 위하여 카메라로 얻은 영상에서 정규수분 지수인 NDWI(Normalized Difference Water Index)를 얻어, 이를 통해 하천범람 등을 탐지할 수 있을 것으로 기대된다. 한편 부 탑재체인 NanoStar는 별 감지 및 위치정보를 얻는데 활용 할 예정이다.
특히 관심지역에 대한 탐사를 위하여 카메라로 얻은 영상에서 정규수분 지수인 NDWI(Normalized Difference Water Index)를 얻어, 이를 통해 하천범람 등을 탐지할 수 있을 것으로 기대된다. 한편 부 탑재체인 NanoStar는 별 감지 및 위치정보를 얻는데 활용 할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
미국의 중상용 목적의 큐브위성 사례는 무엇인가?
대표사례로서, 플래닛(Planet)사는 미국 스타트업 기업으로 100기 이상의 3U 큐브위성을 위성군 형태로 운영하여 지구관측영상을 실시간으로 제공한다.
위성을 무게를 기준으로 구분하면 어떤 종류가 있는가?
일반적으로 위성을 무게를 기준으로 구분 하는 경우 1,000kg 이상은 대형 위성, 500kg 이상 1,000kg 이하는 중형 위성, 100kg 이상 500kg 이하는 소형 위성, 1kg 이상 100kg 이하는 나노/마이크로 위성(이하 초소형 위성)으로 분류하고 있다[1]. 최근, 전자부품 기술의 발전에 따른 저가, 소형화로 인해 쉽게 제작이 가능한 1kg 이상 100kg 미만의 초소형 위성의 연구 및 상용화가 활발히 진행되고 있다.
큐브위성의 규격으로 1U(Unit)당 크기를 10x 10 x 10cm3 및 무게는 1.3kg 이하로 정하였는데, 이를 통해 얻은 효과는 무엇인가?
큐브위성의 규격은 1U(Unit)당 크기를 10x 10 x 10cm3 및 무게는 1.3kg 이하로 정하고 있으며, 이는 큐브위성에 탑재되는 서브시스템간의 호환성을 높이고 제작기간을 단축하는 효과를 가져왔다. 이러한 큐브위성의 개발은 최첨단 소자의 소형화와 IT기술 발전으로 가능해졌으며 중·대형 위성에 비해 개발 및 발사 비용 절감 및 개발 기간이 짧아 우주에서의 기술 검증, 과학적 목적, 상업적 목적 등 다양하게 활용이 가능하다.
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