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문제 정의
- 또한, 부가적 임무로는 무선으로 제어되는 RCSS를 사용하여 캔위성 자체의 이미지데이터를 획득하는 것이다. 상기 시스템은 실제 지구관측위성인 센티넬-1A[7]에 탑재된 카메라가 위성의 태양전지판을 직접 촬영하여 위성의 상태를 점검하는 점을 주목하여 제안되었다.
- 본 논문에서 소개하는 HA+RC2S 캔위성의 주요 임무는 탑재 카메라의 고기동 촬영을 위한 HACS를 낙하임무를 통해 검증하는 것이다. 상기 시스템은 실제 인공위성처럼 캔위성 자체가 자세를 변경하면서 영상 촬영을 실시할 경우, 공기저항 및 돌풍 등의 외란에 의해 목표물에 대한 초점유지가 어려우며, 짧은 임무시간 동안 다수의 표적을 촬영하기 어려운 점에 주목하여 제안되었다.
- 본 논문에서 제안한 캔위성은 2017년도 캔위성 경연대회에 참가한 HA+RC2S 캔위성으로, 주요임무는 광역 촬영을 위해 카메라 회전 후 정지 시 유발되는 잔류진동 감쇠를 위해 수동형 진동감쇠기인 동흡진기 (TMD; Tuned Mass Damper)가 적용된 고기동 안정화 카메라 시스템 (HACS; High Agility Camera System)을 검증하는 것이다. 상기 HACS의 검증을 위해 TMD가 미적용된 카메라를 탑재하여 TMD 적용 및 미적용된 각각의 카메라로부터 비행 중 획득된 영상품질을 비교분석한다.
- 본 논문에서는 HA+RC2S CanSat의 설계 및 검증과정, 비행시험 결과에 대해 서술하였다. 상기 캔위성의 주요임무는 다수의 표적획득을 위해 모터 고속구동 직후 카메라에 발생하는 잔류진동을 감쇠시키기 위해TMD를 적용하였으며, 위의 영상품질 비교를 위해TMD가 미적용된 카메라를 탑재하여 TMD 적용유무에 따른 이미지데이터를 통해 영상 품질에 대한 비교분석을 수행하도록 개발하였다.
- 부가적 임무로는 원격제어 셀프카메라 시스템 (RCSS; Remote Control Camera System)을 지상에서 조이스틱로 조종하여 카메라 각도에 따른 위성체 스스로의 영상을 획득하게 된다. 본 논문에서는 HA+RC2S 캔위성의 임무 및 시스템 설계/제작, 지상 성능 검증시험 및 비행시험결과에 대하여 서술하였다.
제안 방법
- RCSS는 AVR 타이머를 이용한 PWM 제어를 통해 RCSS 모터가 1도씩 움직이며, 조이스틱 작동에 따라 ±90°로 구동되도록 설정하였다.
- 캔위성 개발사례로 Lee at al.[5]이 개발한 캔 위성은 국제 캔위성 경진대회인 ARLISS (a rocket launch for international student satellites)에 출전하여 공중에서 모델로켓과 분리 후 쿼드콥터 형태와 같이 로터를 전개시키고 자율적으로 비행하여 목표지점에 도달하는 임무를 수행하였다. 국내 캔위성 경연대회에 참가한 캔위성 중 Kim at al.
- 4GHz 대역의 지그비와 블루투스 통신을 사용하였으며, Chipsen 사의Probee-ZE10S와 Parani-ESD110V2 하드웨어로 선정하였다. 대용량 데이터 처리가 가능한 블루투스에는 이미지 수신 및 GPS 데이터 등 원할한 데이터 송수신이 가능하도록 구축하였으며, 지그비는 IMU데이터 및 HACS 임무를 구동하여 SD Card에 저장되도록 구축하였다. 이에 대한 통신계 형상 및 제원은 Table 7에 나타내었다.
- 그러나 카메라의 회전 구동 후 멈출 때 발생하는 잔류진동이 카메라의 시선 각을 교란시킴에 따라 영상 품질이 저하되는 원인이 된다. 따라서 상기의 잔류진동 제어를 위해 탑재 카메라에 수동형 진동감쇠기인 TMD를 적용하였으며, 이는 HACS의 주요 특징이다. 본 캔위성 임무에서 HACS의 검증은 총 2개의 카메라 시스템을 탑재하여 TMD의 적용유무에 따라 획득된 영상 품질을 비교함으로서 이루어진다.
- 9(b)는 사출 후 임무수행을 위한 전개형상이다. 발사 시 수납된 RCSS는 나일론선으로 구속되며 모델로켓 사출 후 열선으로 절단하여 전개되도록 설계하였다.
- 따라서 상기의 잔류진동 제어를 위해 탑재 카메라에 수동형 진동감쇠기인 TMD를 적용하였으며, 이는 HACS의 주요 특징이다. 본 캔위성 임무에서 HACS의 검증은 총 2개의 카메라 시스템을 탑재하여 TMD의 적용유무에 따라 획득된 영상 품질을 비교함으로서 이루어진다.
- 상기 캔위성의 주요임무는 다수의 표적획득을 위해 모터 고속구동 직후 카메라에 발생하는 잔류진동을 감쇠시키기 위해TMD를 적용하였으며, 위의 영상품질 비교를 위해TMD가 미적용된 카메라를 탑재하여 TMD 적용유무에 따른 이미지데이터를 통해 영상 품질에 대한 비교분석을 수행하도록 개발하였다. 부가적으로, 지상에서의 조이스틱 명령에 따라 낙하 중 캔위성 자체의 실시간 이미지데이터 획득을 위해 RCSS를 개발하였다. 발사 결과 HA+RC2S CanSat의 상태정보 및 임무데이터 모두 성공적으로 획득하였다.
- 비행모델에 대한 장거리 성능을 검증을 위해 Table 7에 정의된 최대 통신거리 요구조건에 따라 캔위성이 지상국으로부터 약 600 m 떨어진 지점에서 장거리 통신시험을 실시하였다. 장거리 통신시험은 앞서 전술한 2.
- S 캔위성으로, 주요임무는 광역 촬영을 위해 카메라 회전 후 정지 시 유발되는 잔류진동 감쇠를 위해 수동형 진동감쇠기인 동흡진기 (TMD; Tuned Mass Damper)가 적용된 고기동 안정화 카메라 시스템 (HACS; High Agility Camera System)을 검증하는 것이다. 상기 HACS의 검증을 위해 TMD가 미적용된 카메라를 탑재하여 TMD 적용 및 미적용된 각각의 카메라로부터 비행 중 획득된 영상품질을 비교분석한다. 부가적 임무로는 원격제어 셀프카메라 시스템 (RCSS; Remote Control Camera System)을 지상에서 조이스틱로 조종하여 카메라 각도에 따른 위성체 스스로의 영상을 획득하게 된다.
- 또한, 부가적 임무로는 무선으로 제어되는 RCSS를 사용하여 캔위성 자체의 이미지데이터를 획득하는 것이다. 상기 시스템은 실제 지구관측위성인 센티넬-1A[7]에 탑재된 카메라가 위성의 태양전지판을 직접 촬영하여 위성의 상태를 점검하는 점을 주목하여 제안되었다. 따라서 RCSS는 지상에서의 조이스틱의 무선 명령에 따라 캔위성에 대한 카메라의 지향 각도를 조정하고 촬영된 영상을 실시간으로 지상국에 전송한다.
- S CanSat의 설계 및 검증과정, 비행시험 결과에 대해 서술하였다. 상기 캔위성의 주요임무는 다수의 표적획득을 위해 모터 고속구동 직후 카메라에 발생하는 잔류진동을 감쇠시키기 위해TMD를 적용하였으며, 위의 영상품질 비교를 위해TMD가 미적용된 카메라를 탑재하여 TMD 적용유무에 따른 이미지데이터를 통해 영상 품질에 대한 비교분석을 수행하도록 개발하였다. 부가적으로, 지상에서의 조이스틱 명령에 따라 낙하 중 캔위성 자체의 실시간 이미지데이터 획득을 위해 RCSS를 개발하였다.
- 비행시험 시에는 획득된 캔위성의 이미지데이터 중 일부가 손실되어 보다 넓은 시야의 캔위성 이미지를 확인하기엔 어려움이 존재했다. 상기의 문제점 해결을 위해 카메라 렌즈에 광각렌즈를 적용하여 추가시험을 수행하였다. 그 결과 Fig.
- 상기 시스템은 실제 인공위성처럼 캔위성 자체가 자세를 변경하면서 영상 촬영을 실시할 경우, 공기저항 및 돌풍 등의 외란에 의해 목표물에 대한 초점유지가 어려우며, 짧은 임무시간 동안 다수의 표적을 촬영하기 어려운 점에 주목하여 제안되었다. 상기의 한계점 극복을 위해 제안된 HACS는 캔위성의 짧은 비행시간 동안 다수의 표적을 촬영하기 위해 카메라를 고각방향으로 고속 회전구동하게 된다. 그러나 카메라의 회전 구동 후 멈출 때 발생하는 잔류진동이 카메라의 시선 각을 교란시킴에 따라 영상 품질이 저하되는 원인이 된다.
- S CanSat의 데이터 처리계는 임무수행 명령, 데이터 수집 및 저장된 데이터를 지상국으로 전송하는 등 위성의 전반적인 시스템을 제어하기 위해ATmel사의 ATmega2560을 사용하였으며, 형상과 제원은 Table 6과 같다. 위성의 상태정보와 카메라 임무를 동시에 제어하기 위해 두 개의 MCU (micro controller unit)를 사용하여 부족한 UART 포트 수를 해결하였다. 이와 동시에 MCU에서 임무를 수행하기 위한 처리용량을 계산한 결과, Main OBC에서는 64.
- 위성의 상태정보와 카메라 임무를 동시에 제어하기 위해 두 개의 MCU (micro controller unit)를 사용하여 부족한 UART 포트 수를 해결하였다. 이와 동시에 MCU에서 임무를 수행하기 위한 처리용량을 계산한 결과, Main OBC에서는 64.7%, Secondary OBC에서는 48.4%로 각각의 탑재체 임무에 따라 OBC를 분류하여 데이터 처리를 수행하였다. Fig.
- [6]이 개발한 캔위성은 탑재 스마트폰의 터치스크린에 적용된 형상기억합금에 기반한 무선터치시스템을 이용하여 전화번호를 명령에 따라 스스로 입력하고, 지상에 있는 스마트폰과의 영상통화를 연결하여 캔위성의 내/외부 영상을 전송하는 임무를 수행하였다. 이와 함께 형상기억합금 스프링을 이용해 고각방향으로 회전 가능한 광역스캔카메라의 광역 영상촬영 임무를 수행하였다.
- RCSS는 캔위성 촬영각 확보를 위한 전개형 붐이 발사 시 나일론선으로 구속되어 있다가 낙하임무가 시작되면 지상국에서 자동으로 명령을 전송하여 열선이 작동되어 전개된다. 이후에는 지상국에서 조이스틱으로 RCSS의 촬영 각도를 제어하여 캔위성의 셀프 이미지를 실시간으로 획득한다. 이와 동시에 HACS 검증을 위해 TMD 적용유무에 따른 각각의 카메라로부터 획득된 영상을 SD카드에 저장하며, 위성 착지 후 회수하여 수집된 데이터를 확인함으로서 임무가 종료된다.
- 비행모델에 대한 장거리 성능을 검증을 위해 Table 7에 정의된 최대 통신거리 요구조건에 따라 캔위성이 지상국으로부터 약 600 m 떨어진 지점에서 장거리 통신시험을 실시하였다. 장거리 통신시험은 앞서 전술한 2.1.2절의 운용시나리오와 동일하게 진행하였으며, 지상국에서 GPS와 IMU 데이터 송신확인 후 RCSS 및 HACS 명령구동을 수행하였다. 이 결과, 캔위성의 상태정보, HACS 및 RCSS 구동과 RCSS 이미지데이터 획득 모두 성공적으로 이루어졌음을 확인하였다.
- 하지만 짧은 시간에 많은 양의 데이터 확보로 인해 이미지데이터 일부가 손실되는 현상이 발생하였다. 캔위성 수거이후 이미지데이터 손실원인을 분석한 결과 지상국의 데이터 처리속도에 문제가 있음을 확인하였으며, 비행시험 이후 구성품 및 시스템 레벨시험에서 추가시험을 수행하였다. 실제로 대회 날에는 30초 간격으로 이미지데이터 처리를 수행하였으며, 지상국에서의 영상처리 시간 부족으로 인해 이미지의 일부 누락되는 현상이 발생한 것으로 판단된다.
대상 데이터
- HA+RC2S CanSat은 전라남도 고흥군 항공우주연구원 항공센터에서 모델로켓을 이용하여 발사를 수행하였으며, 모델로켓 발사 후 캔위성 사출, 낙하산 전개, 그리고 RCSS 전개가 순차적으로 이루어졌다. 추가로 캔위성의 상태정보 수신 및 탑재체 임무 수행 모두 성공적으로 이루어짐을 확인하였다.
- HA+RC2S CanSat의 데이터 처리계는 임무수행 명령, 데이터 수집 및 저장된 데이터를 지상국으로 전송하는 등 위성의 전반적인 시스템을 제어하기 위해ATmel사의 ATmega2560을 사용하였으며, 형상과 제원은 Table 6과 같다. 위성의 상태정보와 카메라 임무를 동시에 제어하기 위해 두 개의 MCU (micro controller unit)를 사용하여 부족한 UART 포트 수를 해결하였다.
- 일반위성과 달리 캔위성은 지상에서부터 전원을 킨 상태로 모델로켓에 탑재되어 사출 후 임무가 수행되므로 전력계는 위성의 임무성공여부와 직접적으로 연관되어 있기 때문에 매우 중요하다. 따라서 캔위성의 전력 요구사항을 만족하기 위해 DC 7.4 V, 2200 mAh의 리튬 이온 배터리를 사용하였으며, 형상과 제원은 Table 5에 나타내었다. 선정된 배터리를 토대로 전력버짓 산출 결과 25.
- 4와 같이 적용됨에 따라 TMD가 미적용된 카메라 모듈과의 영상품질을 비교하게 된다. 이때 TMD Mass와 보의 길이는 예비시험으로부터 선정되었으며 약 4g의 영구자석과 길이 30 mm의 PC (poly-carbonate)를 사용하였다. 그리고 모터 구동에 따른 각 카메라 모듈의 변위 응답을 비교하고자 보 구조체의 표면에는 스트레인 게이지를 부착하였다.
- 지상국으로부터 임무수행에 필요한 명령신호를 송/수신하는 역할을 수행하는 통신계는 2.4GHz 대역의 지그비와 블루투스 통신을 사용하였으며, Chipsen 사의Probee-ZE10S와 Parani-ESD110V2 하드웨어로 선정하였다. 대용량 데이터 처리가 가능한 블루투스에는 이미지 수신 및 GPS 데이터 등 원할한 데이터 송수신이 가능하도록 구축하였으며, 지그비는 IMU데이터 및 HACS 임무를 구동하여 SD Card에 저장되도록 구축하였다.
이론/모형
- Figure 11과 같이 지상국은 상용소프트웨어인 Labview[8]를 이용하여 구축하였으며, 원활한 데이터처리를 위하여 블루투스와 지그비 패널 각각을 구축하였다. Fig.
성능/효과
- 13(b)과 같이 서보모터가 발생시킨 잔류진동이 이미지데이터에 영향을 주는 것으로 보아 Fig. 13(a)과 비교하여 적용된 TMD가 진동감쇠에 있어 효과적임을 확인하였다. 이 결과로부터 HACS의유효성을 검증하였으며, TMD를 적용하지 않았을 시보다 적용하였을 때 더 선명한 화질의 데이터를 얻을 수 있다고 판단된다.
- 기능시험을 위해 전술한 두 카메라 모듈이 구동하다가 동시에 정지하였을 때 전술한 스트레인게이지로부터 측정된 TMD 유무에 따른 스트레인응답의 시간이력을 함께 나타낸다. TMD 미적용 시 진동응답 감쇠에 걸리는 시간이 1.41초인 것과 비교하여 TMD 적용 시 0.71초로 약 2배 빠르게 안정화됨으로부터 적용된 TMD가 목적하는 진동감쇠에 있어서 효과적임을 알 수 있다. 따라서 제안된 HACS가 모터 구동에 따른 잔류진동이 있더라도 더욱 안정적인 영상획득이 가능할 것으로 판단된다.
- 71초로 약 2배 빠르게 안정화됨으로부터 적용된 TMD가 목적하는 진동감쇠에 있어서 효과적임을 알 수 있다. 따라서 제안된 HACS가 모터 구동에 따른 잔류진동이 있더라도 더욱 안정적인 영상획득이 가능할 것으로 판단된다.
- 부가적으로, 지상에서의 조이스틱 명령에 따라 낙하 중 캔위성 자체의 실시간 이미지데이터 획득을 위해 RCSS를 개발하였다. 발사 결과 HA+RC2S CanSat의 상태정보 및 임무데이터 모두 성공적으로 획득하였다. 하지만 캔위성과 지상국간에 데이터 수신 중 RCSS 이미지데이터의 일부가 손실되는 현상이 발생하였지만, 이는 지상국의 처리속도개선 및 성능 개선된 MCU 적용 시 목적하는 이미지데이터 획득엔 문제없을 것으로 판단된다.
- 4 V, 2200 mAh의 리튬 이온 배터리를 사용하였으며, 형상과 제원은 Table 5에 나타내었다. 선정된 배터리를 토대로 전력버짓 산출 결과 25.5% 마진으로 전력계 요구조건을 충족하였음을 확인하였다.
- 2절의 운용시나리오와 동일하게 진행하였으며, 지상국에서 GPS와 IMU 데이터 송신확인 후 RCSS 및 HACS 명령구동을 수행하였다. 이 결과, 캔위성의 상태정보, HACS 및 RCSS 구동과 RCSS 이미지데이터 획득 모두 성공적으로 이루어졌음을 확인하였다. 이와 더불어 탑재체의 전기적 구동과 지상국 통신 모두 정상작동 됨을 확인하였다.
- 13(a)과 비교하여 적용된 TMD가 진동감쇠에 있어 효과적임을 확인하였다. 이 결과로부터 HACS의유효성을 검증하였으며, TMD를 적용하지 않았을 시보다 적용하였을 때 더 선명한 화질의 데이터를 얻을 수 있다고 판단된다.
- 실제로 대회 날에는 30초 간격으로 이미지데이터 처리를 수행하였으며, 지상국에서의 영상처리 시간 부족으로 인해 이미지의 일부 누락되는 현상이 발생한 것으로 판단된다. 이를 보완하여 추가시험 시에는 처리속도를 늘려 45초 간격으로 이미지 처리를 수행한 결과 이미지 데이터 손실 없이 정상적인 이미지 획득이 가능하였다.
- 이 결과, 캔위성의 상태정보, HACS 및 RCSS 구동과 RCSS 이미지데이터 획득 모두 성공적으로 이루어졌음을 확인하였다. 이와 더불어 탑재체의 전기적 구동과 지상국 통신 모두 정상작동 됨을 확인하였다.
- HACS는 캔위성 하부 패널에 RCSS는 하부 구조체에 스프링 힌지로 고정되어 측면부에 배치된다. 제작된 캔위성은 Table 1에 도시된 바와 같이 지름 105 mm, 높이 185.4 mm로 발사로켓 내부공간에 장착 될 수 있도록 발사체에서 요구하는 설계 요구조건을 만족하였으며, 구조체 총 질량은 930 g으로 Table 3에도시한 바와 같이 1 kg인 요구조건에 대해 70 g의 마진을 가짐을 알 수 있다.
- S CanSat은 전라남도 고흥군 항공우주연구원 항공센터에서 모델로켓을 이용하여 발사를 수행하였으며, 모델로켓 발사 후 캔위성 사출, 낙하산 전개, 그리고 RCSS 전개가 순차적으로 이루어졌다. 추가로 캔위성의 상태정보 수신 및 탑재체 임무 수행 모두 성공적으로 이루어짐을 확인하였다. 탑재체 임무수행 결과에 관해서는 다음 절에서 서술하였다.
후속연구
- 15와 같이 캔위성 전체의 이미지 획득이 가능함을 확인하였다. 그러나 광각렌즈의 특성 상 주변의 외곡이 심하게 발생하나 이는 추가적인 영상 후 처리를 통해 보정이 가능할 것으로 판단된다.
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