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5Nm급 소형 CMG를 이용한 소형위성 고기동 자세제어
Agile Attitude Control of Small Satellite using 5Nm Small CMG 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.46 no.11, 2018년, pp.952 - 960  

이승우 (Korea Aerospace Research Institute) ,  서현호 (Korea Aerospace Research Institute) ,  윤형주 (Korea Aerospace Research Institute)

초록
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지구관측용 인공위성에서 고기동성이 많이 요구되고 있다. 고기동성을 만족시키기 위해 고토크 구동기가 인공위성 설계에서 필수적이다. 본 연구에서 고기동 소형위성 설계를 위해 한국항공우주연구원에서 연구되고 있는 5Nm급 소형 제어모멘트자이로(CMG, Control Moment Gyro) 개발 결과를 소개하였다. 구동로직 활용을 위해, 잘 알려진 Elliptic internal singularity를 성공적으로 회피하는 등으로 Singular Direction Avoidance (SDA) 방법에서 향상된 Designated Direction Escape (DDE) CMG 클러스터 구동로직에 대한 간단한 성능 검증과 상세한 로직 방법이 제시되었고, CMG가 피라미드 형태로 장착되었을 경우와 지붕 형태로 장착되었을 경우에 대해 5Nm급 소형 CMG가 고기동 소형위성 설계에 적절한지를 검증하기 위한 시뮬레이션이 수행되었다. 시뮬레이션 결과를 바탕으로 CMG 개발시 고려해야 할 의미있고 중요한 사항들을 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Recently, lots of remote sensing satellite require agility to collect more images within the limited time frame. To satisfy this kind of mission requirement, high torque actuator such as CMG is an essential element. In this study, 5Nm class small CMG developed by KARI is introduced to implement for ...

주제어

#5Nm급 소형 제어모멘트자이로   #제어모멘트자이로 성능 시험   #고기동 소형위성   #피라미드 형태   #루프 형태   #구동 로직   #지정방향 탈출방법  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 고기동 소형 위성에서 5Nm급 소형 CMG 활용의 적정성 검토를 위한 시뮬레이션에서 이를 확인하였다. 이 논문에서 제시된 다목표 영상획득 시나리오에 대한 시뮬레이션에서 최대 김벌각 기동범위가 +/-180도를 넘지 않기 때문에 CMG 개발 시, 경우에 따라서 고가의 슬립링 사용에 대한 타당성 검토가 필요하다는 제언과 함께 김벌각 절대 기동범위 측면에서 피라미드 형태보다 지붕 형태로 CMG를 장착하는 것이 CMG 활용 측면에서 유리함을 제언하였다.
  • SDA 방법을 기반으로 하지만 GSR 방법[11,12]에 비해 구조적으로 단순한 Designated Direction Escape(DDE) 방법[13]이 항우연에서 제안된 바 있다. 본 논문에서는 CMG 클러스터 구동 로직인 DDE 방법의 효용성, 고기동성이 요구되는 소형 위성 제어 시스템에서 5Nm급 소형 CMG의 적용과 DDE 구동 로직 활용 가능성에 대한 검토를 목적으로 한다.
  • 본 연구에서는 소형위성에서 사용 가능한 5Nm급 소형 CMG 개발 결과에 대한 내용이 소개되었다. 또한 [13]에서 제시된 DDE CMG 클러스터 구동 알고리즘에 대한 요약 및 이에 대한 성능 검증 결과가 제시되었고, 고기동 소형 위성에서 5Nm급 소형 CMG 활용의 적정성 검토를 위해 시뮬레이션이 수행되었다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
제어모멘트자이로는 어떻게 구성되어 있는가? 제어모멘트자이로는 각운동량 벡터를 제공되기 위한 모멘텀휠과 자이로스코픽 토크 생성을 위해 각운동량 벡터와 수직한 축으로 각운동량 벡터를 회전시키기 위한 김벌축으로 구성되어 있다. 충분한 모멘텀 제공을 위해 모멘텀휠은 약 4000~10000 rpm 정도로 회전시키고, 자이로스코픽 토크 생성을 위한 김벌의 각속도는 약 0.
고기동 자세제어 시스템 개발이 필수적으로 요구되는 배경은 무엇인가? 국내우주개발 중장기계획에 따라 지구관측위성, 통신위성, 기상위성 등 다양한 위성개발 및 위성의 첨단화가 추진되고 있으며, 최근 지구관측 위성은 고기동성, 고정밀도, 고해상도를 요구 하고 있으나, 현재 국내 기술수준은 고정밀도와 고해상도 기술에 비해 고기동성 기술이 상대적으로 취약하며, 이의 확보를 위해 고기동 자세제어 시스템 개발이 필수적으로 요구되고 있다.
모멘텀휠의 모멘텀 크기와 김벌 각속도가 적절히 선정되어야 하는 이유는 무엇인가? 필요한 크기의 자이로스코픽 토크 생성을 위해 모멘텀휠의 모멘텀 크기와 김벌 각속도가 적절히 선정되어야 한다. 모멘텀휠의 모멘텀 크기가 클수록 그리고 김벌 각속도가 빠르면 빠를수록 큰 자이로스코픽 토크가 생성되는 장점이 있지만, 김벌 각속도가 너무 빠르면 기동축의 가용 모멘텀을 빨리 소진하기 때문에 너무 빠른 김벌 각속도 선정은 일반적으로 피한 다. 또한 정밀한 토크제어를 위해 김벌 각속도 제어의 정밀도도 제어모멘트자이로 설계에서 매우 중요한 요소 중에 하나이다.
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참고문헌 (15)

  1. Lee, S. H., Rhee, S. W., Oh, S. H., Yong, K. L., Kim, K. W., and Seo, H. H., "Development of Miniature CMG for Satellite Attitude Control(I): Design and Manufacture," Proceeding of the Korean Society for Aeronautical and Space Science Fall Conference, 2005, pp. 878-881. 

  2. Lee, S. M., Seo, H. H., and Rhee, S. W., "Design and Practical Results of Four-CMG Cluster for Small Satellites," Journal of the Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 8, No. 1, 2007, pp. 105-114. 

  3. Seo, H. H., Rhee, S. W., Oh, H. S., Choen, D. I., Bang, H. C., and Park, J. H., "Development Status of Control Moment Gyro for Middle-Sized Satellite," Proceeding of the Korean Society for Aeronautical and Space Science Spring Conference, 2008, pp. 1004-1007. 

  4. Kim, S. H., Lee, S. M. and Rhee, S. W., "Development of CMG Ground Simulator using Torque Sensor," Journal of the Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 37, No. 1, 2009, pp. 89-98. 

    원문보기 상세보기 crossref

  5. Rhee, S. W., and Kwon, H. J., "Low Cost Small CMG Performance Test and Analysis," Journal of the Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 39, No. 6, 2011, pp. 543-552. 

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  6. Jang, W. Y., Rhee, S. W., and Kwon, H. J., "Development of 0.6Nm Small CMG Hardware and Performance Test," Journal of the Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 38, No. 9, 2010, pp. 933-942. 

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  7. Rhee, S. W., "Development of 5Nm Small CMG," Proceeding of the Society for Aerospace System Engineering Spring Conference, 2018. 

  8. Crenshaw, J. W., "2-Speed, a Single-Gimbal Control Moment Gyro Attitude Control System," AIAA Guidance and Control Conference, Key Biscayne, Florida, 1973, No. 73-895. 

  9. Bedrossian, N. S., Paadiso, J., Bergmann, E. V., and Rowell, D., "Steering Law Design for Redundant Single-Gimbal Control Moment Gyroscopes," Journal of Guidance, Control, and Dynamics, Vol. 13, No. 6, 1990, pp. 1083-1089. 

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  10. Ford, K. A., and Hall, C. D., "Singular Direction Avoidance Steering for Control-Moment Gyros," Journal of Guidance, Control, and Dynamics, Vol. 23, No. 4, 2000, pp. 648-656. 

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  11. Wie, B., Bailey, D., and Heiberg, C., "Singularity Robust Steering Logic for Redundant Single-Gimbal Control Moment Gyros," Journal of Guidance, Control, and Dynamics, Vol. 24, No. 5, 2001, pp. 865-872. 

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  12. Wie, B., "Singularity Escape/Avoidance Steering Logic for Control Moment Gyro Systems," Journal of Guidance, Control, and Dynamics, Vol. 28, No. 5, 2005, pp. 948-956. 

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  13. Lee, S. M., and Rhee, S. W., "New Steering Law with Designated Direction Escape(DDE) for Control Moment Gyros," IEICE Trans. on Fundamentals of ECCS, Vol. E92-A, No. 1, 2009, pp. 315-317. 

    상세보기 crossref

  14. Seo, H. H., and Bang, H. C., "Control Moment Gyro Steering Logic for Singularity Avoidance and Repeatability," Proceeding of the Korean Society for Aeronautical and Space Science Fall Conference, 2016, pp. 381-382. 

  15. Yoon, H., "Current State of the Satellite Attitude Maneuver Technology using High-Torque Actuators," Proceeding of the Korean Society for Aeronautical and Space Science Spring Conference, 2017, pp. 331-332. 

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