[논문]광학관측위성의 영상품질열화 최소화를 위한 반작용휠 최적위치 선정

임정흠; 임재혁; 김경원; 윤형주; 김성훈

doi:10.20910/jase.2018.12.6.9

광학관측위성의 영상품질열화 최소화를 위한 반작용휠 최적위치 선정
Optimal positioning of reaction wheel assemblies of optical observation satellite for minimizing image quality degradation 원문보기

항공우주시스템공학회지 = Journal of aerospace system engineering, v.12 no.6, 2018년, pp.9 - 16

임정흠 (한국항공우주연구원) , 임재혁 (전북대학교) , 김경원 (한국항공우주연구원) , 윤형주 (한국항공우주연구원) , 김성훈 (한국항공우주연구원)

초록
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본 논문에서는 반작용휠 미소진동시험 결과 및 유한요소모델 기반 광기계해석 통합모델을 이용해 영상품질저하 예측을 실시하고 해석결과를 바탕으로 기준 회전수에서 영상품질관점에서 최적의 반작용휠 배치조합을 찾는 것을 목적으로 한다. 위성은 적절한 기동성능을 위하여 여러 개의 반작용휠을 장착하는데 반작용휠에서 발생하는 미소진동은 위성영상품질 열화에 원인이 된다. 같은 반작용휠이라도 제조과정상 발생하는 제품의 진동특성차이가 있으며 이를 반영한 반작용휠의 배치설계는 최종 위성영상 성능품질 열화를 최소화시킬 수 있다. 이를 위해 본 연구에서는 모든 반작용휠의 배치상태를 선정하고 이에 따른 영상품질 열화해석을 실시하여 최소의 열화가 일어나는 반작용휠 배치조합을 찾아내었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper describes how to find out the optimum position of the reaction wheel assembly (RWA) to minimize image quality degradation through the integrated system jitter prediction combining the micro-vibration test with finite element analysis considering optical coefficients. Micro-vibration generated from RWA that is widely used for satellite maneuver, is one of key factors that degrades the quality of satellite image. Due to varying vibration characteristics of each RWA, its accommodation position may affect image quality even though the same company manufactured them. To resolve this issue, an integrated system jitter prediction is conducted with all possible RWA accommodation location, and finally we determine optimal RWA position from the analysis results.

주제어

표/그림 (18)

그림 Fig. 1 RWA Accommodation of CAS500-1
표 Table 1 Specification of CAS500-1
그림 Fig. 2 Flowchart for Jitter Calculation
그림 Fig. 3 Weighting Factor of Jitter & Drift
그림 Fig. 4 Test Set-up for Micro-vibrationMeasurement
그림 Fig. 5 Waterfall Plot of RWA Micro-vibration
그림 Fig. 6 Frequency Transfer Functions from RWAs to Focal Plane
그림 Fig. 7 Finite Element Model of CAS500-1 for Modal Test
표 Table 2 Summary of Maximum Forces Under 500 Nominal RPM Operation
표 Table 3 Summary of Maximum Forces Under -500 Nominal RPM Operation
표 Table 4 Summary of Maximum Forces Under 1000 Nominal RPM Operation
표 Table 5 Summary of Maximum Forces Under -1000 Nominal RPM Operation
그림 Fig. 8 Finite Element Model of CAS500-1 for Jitter Prediction
그림 Fig. 9 Optical Components of CAS500-1
그림 Fig. 10 LOS Jitter According to Various RWA Combination
표 Table 6 Unitary Check of Optical Coefficients of Payload
표 Table 7 Load Case Summary for Each RPM Speed
표 Table 8 Jitter Analysis Results of CAS500-1

AI 본문요약
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문제 정의

Ismail은 중경사각 궤도와 고경사각 궤도의 차이에 대하여 반작용휠 배치형상이 토크와 자세오차에 미치는 영향을 고찰하였다[6]. 그러나 기존 연구에서는 반작용휠의 개별 특성차이에 대한 영향을 확인할 수가 없었으며 본 논문에서는 개별 미소진동특성이 상이한 반작용휠의 실측 진동입력이 영상성능에 미치는 영향을 분석하여 최적의 반작용 휠 장착위치를 찾고자 한다.
본 연구에서는 해외 제작업체에서 개발되어 납품된 반작용휠의 개별적인 진동특성 차이를 고려하여 광학위성의 영상품질 관점에서 최적의 반작용 휠 배치조합을 찾기 위한 해석을 수행하였다. 반작용휠의 기준 동작 RPM에 따라 휠에서 발생하는 진동특성의 차이가 존재하며, 예상 구동 RPM에서 최적의 휠 배치 조합을 확인하였다.
차세대중형위성에 사용되는 4개의 반작용휠(RWA1, RWA2, RWA3, RWA4)은 동일한 제조업체에서 제작 및 시험을 거쳐 성능 및 환경요구사항을 만족하도록 납품되나, 요구사항을 만족하는 범위 내에서 각 휠의 특성차이가 존재한다. 이러한 차이로 인하여 반작용휠의 장착 위치 조합에 따라 최종 영상 성능에 미치는 영향이 다를 수 있으며 본 논문에서는 차세대 중형위성 1호의 구동장치로 납품된 반작용휠 비행모델에 대하여 영상성능 측면에서 최적의 배치 조합을 찾는 것을 목적으로 한다.

제안 방법

기준속도 500RPM에서는 11번, 36번, 42번 경우에서 최소값 수준이 계산되며, 기준속도 1000RPM에서는 8번, 11번, 32번 경우에서 최소값 수준이 계산된다. 500RPM에서 11번, 36번, 42번 경우에 대한 LOS 지터값의 차이가 할당된 요구사항 (0.054urad) 대비 무시할 만한 수준이며, 향후 가능하다면 기준 RPM을 1000RPM으로 상승하여 운용하는 것이 기동성능 측면에서 유리하므로 500RPM 에서의 LOS 지터값과 1000RPM 에서의 LOS 지터값에 대한 RSS(root sum square)값이 최소가 되는 지점(case #11)을 반작용 휠 장착위치 조합으로 선정하였다.
위성에 장착될 예정인 반작용휠 비행모델은 총 4기다. 각각의 일련번호는 SN10001, SN10002, SN10003 그리고 SN10004이며, 휠의 증속 또는 감속 그리고 회전 방향 (시계방향 또는 반시계방향) 에 따라 총 4가지 유형에 대한 지터 시험이 수행되었다.
네 번째, 각도형태로 계산된 상대적 변위를 초점거리를 이용하여 영상의 변위 값으로 변환한 후 x축, y축 각각의 변위 값의 제곱평균을 취하여 1σ 지터 값을 계산한다.
첫 번째, 진동원의 입력 가진력과 토크를 각 축방향에 대하여 측정한다. 두 번째, 측정된 가진력과 토크를 각 가진점에 인가하여 최종 영상성능에 영향을 미치는 광학탑재체의 각 거울 요소 및 초점면의 구조전달함수를 계산한다. 세 번째, 각 거울 요소의 변위 및 회전에 의한 영상의 움직임을 Z-max 또는 Code-V와 같은 툴을 이용하여 각도 형태로 계산한다.
4기로 구성된 RWA(reaction wheel assembly)의 측정하중 6개와 2방향 초점면의 움직임을 고려하면 총 48(=4×6×2)개의 전달함수가 생성된다. 보다 정확한 주파수 전달함수를 획득하기 위하여 위성구조모델에 대한 모달시험을 수행하고 유한요소모델의 보정을 수행하였다.
두 번째, 측정된 가진력과 토크를 각 가진점에 인가하여 최종 영상성능에 영향을 미치는 광학탑재체의 각 거울 요소 및 초점면의 구조전달함수를 계산한다. 세 번째, 각 거울 요소의 변위 및 회전에 의한 영상의 움직임을 Z-max 또는 Code-V와 같은 툴을 이용하여 각도 형태로 계산한다. 네 번째, 각도형태로 계산된 상대적 변위를 초점거리를 이용하여 영상의 변위 값으로 변환한 후 x축, y축 각각의 변위 값의 제곱평균을 취하여 1σ 지터 값을 계산한다.
8의 비행모델 유한요소해석모델은 최종 보정하였다. 유한해석모델 생성의 최종 단계로서 광학계 구성요소를 해석모델에 결합하였다. 차세대중형위성 1호의 광학계는 Fig.
1에서 도시된 바와 같다. 임팩트 해머를 이용하여 가진점을 가진한 후 각 센서의 응답을 측정하였으며, 측정된 값을 Fig.7의 구조해석 유한해석모델의 응답과 비교하여 구조해석 모델 보정을 수행하였으며, 이를 이용하여 Fig. 8의 비행모델 유한요소해석모델은 최종 보정하였다. 유한해석모델 생성의 최종 단계로서 광학계 구성요소를 해석모델에 결합하였다.
제작사에서 보증하는 반작용휠의 권장 운용 회전속도는 ±2000RPM이나, 고속운전시의 미소진동에 의한 영상품질 열화현상을 고려하여 500RPM, 1000RPM을 잠정적인 운용 회전속도로 정하여 이 두 RPM에 대한 지터 해석을 수행하였다.
2와 같다. 첫 번째, 진동원의 입력 가진력과 토크를 각 축방향에 대하여 측정한다. 두 번째, 측정된 가진력과 토크를 각 가진점에 인가하여 최종 영상성능에 영향을 미치는 광학탑재체의 각 거울 요소 및 초점면의 구조전달함수를 계산한다.

데이터처리

유한해석모델 생성의 최종 단계로서 광학계 구성요소를 해석모델에 결합하였다. 차세대중형위성 1호의 광학계는 Fig.9와 같이 5장의 거울과 초점면으로 구성되며 각 거울요소의 변위 및 회전에 의한 영상의 움직임을 Code-V 툴을 이용하여 각도 형태로 계산하였다. 이와 관련된 상세내용은 참고문헌에 잘 나타나 있다[7, 8, 9]

이론/모형

반작용휠은 독일 Rockwell Collins사의 RSI15 모델을 사용하였으며 휠 제조업체에서 미소진동시험을 수행하였다. Fig.

성능/효과

Table 6은 각각 탑재체 수준에서 최종 생성된 유한요소모델 유효성 점검결과이다. 기준 변위를 인가하였을 때 각 축에 대한 변위 및 회전량이 목표 값에서 크게 벗어나지 않는 것으로 모델의 유효성을 확인 할 수 있다. 4기의 반작용휠의 위치는 99900101 부터 99900401까지 4개의 노드번호가 할당되었다.
본 연구에서는 해외 제작업체에서 개발되어 납품된 반작용휠의 개별적인 진동특성 차이를 고려하여 광학위성의 영상품질 관점에서 최적의 반작용 휠 배치조합을 찾기 위한 해석을 수행하였다. 반작용휠의 기준 동작 RPM에 따라 휠에서 발생하는 진동특성의 차이가 존재하며, 예상 구동 RPM에서 최적의 휠 배치 조합을 확인하였다. 실제 반작용휠의 기준속도를 상승하여 운용할지의 여부는 기준속도 상승에 따른 전력소모 증가와 이로 인한 열해석 관점에서의 시스템규격 만족여부 등을 다각적으로 검토하여 결정될 예정이다.

후속연구

반작용휠의 기준 동작 RPM에 따라 휠에서 발생하는 진동특성의 차이가 존재하며, 예상 구동 RPM에서 최적의 휠 배치 조합을 확인하였다. 실제 반작용휠의 기준속도를 상승하여 운용할지의 여부는 기준속도 상승에 따른 전력소모 증가와 이로 인한 열해석 관점에서의 시스템규격 만족여부 등을 다각적으로 검토하여 결정될 예정이다.
추가로, 지터는 영상생성시간 T_j동안 시선벡터의 지향 오차에 대한 제곱평균제곱근(root mean square, RMS) 값으로서, 위성운동에 의하여 지터에 비하여 상대적으로 시선벡터가 장시간에 걸쳐 변화하는 드리프트가 영상에 포함되게 되므로 지터에 의한 영향을 보다 정확하게 분석하기 위해서는 지터성분만을 추출할 필요가 있다. 지터와 드리프트성분을 영상으로 부터 분리하기 위해서는 Eq.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	광학위성 영상품질을 평가하는 성능지표는 무엇이 있는가?	광학위성 영상품질을 평가하는 성능지표로는 지상해상도, 관측폭, 변조전달함수(MTF; modulated transfer function), 측위정밀도(geolocation accuracy), 신호대잡음비(SNR; signal to noise ratio)등이 있으며, 이중 전통적으로 MTF가 영상품질 평가방식의 단일지표로 유용하다. 광학위성영상의 MTF는 크게 광학탑재체에 의한 성능저하, 위성움직임에 의한 성능저하로 구성되며, 대기효과 및 신호처리 등에 의해서도 영상품질이 저하된다.
	위성영상 획득방식은 무엇이 있는가?	전자광학카메라를 탑재한 지구관측위성에 대한 상업적 수요는 꾸준히 증가하고 있으며, 상용지구관측 광학영상 요구 해상도는 서브미터급 이하로 낮아지고 있다[1]. 위성영상 획득방식으로는 위스키브룸방식, 푸쉬브룸방식이 널리 사용되고 있으며, 고해상도 광학위성의 경우 푸쉬브룸방식을 이용한 전자광학카메라 영상이 주류를 이루고 있다[1-2].
	차세대중형위성의 영상획득 모드에서 반작용휠의 특성으로 발생하는 문제점은 무엇인가?	차세대중형위성의 영상획득 모드는 스트립모드, 다중관측모드 그리고 다중패스 스테레오 모드로 이루어져 있다. 어떤 모드에서든 영상획득 시간 사이에서의 위성기동은 없으나, 반작용휠의 특성상 휠은 기준 회전속도(RPM; Revolution per Minute)로 구동을 하고 있으며, 이로 인한 진동은 광학계 구성요소인 카메라의 각 거울과 CCD(Charge-Coupled Device) 촬영소자의 변위를 발생시켜 영상품질 저하를 유발하게 된다. 차세대중형위성에 사용되는 4개의 반작용휠(RWA1, RWA2, RWA3, RWA4)은 동일한 제조업체에서 제작 및 시험을 거쳐 성능 및 환경요구사항을 만족하도록 납품되나, 요구사항을 만족하는 범위 내에서 각 휠의 특성차이가 존재한다.

참고문헌 (9)

"Satellite-based Earth Observation Market Prospects to 2026", Euroconsult, 2017
Kramer. H. J "Observation of the Earth and Its Environment", Springer, 2001
Youngmok Hyun, Nakwan Kim, Domyung Kim, Jeongho Lee, Jinyoung Suk, Hee-Seob Kim, and Gyu-Sun Kim, "MTF Analysis for the Image Performance Prediction of Observation Satellites", SICE-ICASE International Joint Conference 2006, 2006
Do-Soon Hwang, Jae Hyuk Lim, and Hyoung-Yoll Jun, Current Status and Future Prospects of Satellite Technology in Korea, Journal of the Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol.44(1), pp. 80-87, 2016.

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Abollfazl Shirazi and Mehran Mirshams, Pyramidal reaction wheel arrangement optimization of satellite attitude control subsystem for minimizing power consumption, Journal of Aeronautical & Space Science, Vol.15(2), pp. 190-198, 2014.

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Zuliana Ismail and Renuganth Varasharajoo, Reaction Wheel Configurations for high and middle inclination orbits, ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, Vol.10, No.21, pp. 10034-10042, 2015
Da Hyun Lee, Jae Hyuk, and Dae Gi Hong, Online Refocusing Algorithm Considering the Tilting Effect for a Small Satellite Camera, Journal of Aerospace System Engineering, Vol.12, No.4, pp. 64-74, 2018
Jae Hyuk Lim, Hee-Kownag Eun, Dae-Kwan Kim, Hong-Bae Kim, and Sung-Hoon Kim, Satellite finite element model updating for the prediction of the effect of micro-vibration, Journal of the Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol.42(8), pp. 692-700, 2014.

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Jae Hyuk Lim, A correlation study of satellite finite element model for coupled load analysis using transmissibility with modified correlation measures, Aerospace Science and Technology, Vol.33, Issue 1, pp. 82-91, 2014

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표제어: PCR

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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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