본 연구에서는 초소형 위성을 이용한 위성 편대 및 군집 운용 시 실시간으로 위성 간의 상대 위치 정보를 제공할 수 있는 통합 항법용 모듈형 온보드 컴퓨터(On-board Computer, OBC)를 개발하였다. 모듈은 구조적으로는 큐브위성의 기준 규격에 맞게 설계하되 사용자가 원하는 무선 통신모듈 및 항법용 Global Positioning System(GPS) 장비를 적용할 수 있도록 확장성을 고려하였다. 개발된 OBC는 제품 개발 및 제작 이후 야외 테스트를 통해 저전력 Micro Controller Unit(MCU)로 군집 운용을 수행하는 초소형 위성들의 통합 항법 및 실시간 데이터 동기화 요구 처리속도를 만족함을 확인하였다. 또한, 열진공, 방사능 시험을 거쳐 우주급 환경에서 정상 작동함을 확인하였으며, 진동시험의 경우 underfill 공정을 추가하면 정상적으로 요구조건을 만족할 수 있음을 확인하였다. 이를 통해 향후 수요가 늘어날 군집 운용을 위한 위성군 개발의 핵심 부품인 OBC의 대량생산 체계를 구축하였다.
본 연구에서는 초소형 위성을 이용한 위성 편대 및 군집 운용 시 실시간으로 위성 간의 상대 위치 정보를 제공할 수 있는 통합 항법용 모듈형 온보드 컴퓨터(On-board Computer, OBC)를 개발하였다. 모듈은 구조적으로는 큐브위성의 기준 규격에 맞게 설계하되 사용자가 원하는 무선 통신모듈 및 항법용 Global Positioning System(GPS) 장비를 적용할 수 있도록 확장성을 고려하였다. 개발된 OBC는 제품 개발 및 제작 이후 야외 테스트를 통해 저전력 Micro Controller Unit(MCU)로 군집 운용을 수행하는 초소형 위성들의 통합 항법 및 실시간 데이터 동기화 요구 처리속도를 만족함을 확인하였다. 또한, 열진공, 방사능 시험을 거쳐 우주급 환경에서 정상 작동함을 확인하였으며, 진동시험의 경우 underfill 공정을 추가하면 정상적으로 요구조건을 만족할 수 있음을 확인하였다. 이를 통해 향후 수요가 늘어날 군집 운용을 위한 위성군 개발의 핵심 부품인 OBC의 대량생산 체계를 구축하였다.
In this study, the minimized on-board computer (OBC) module for integrated navigation is developed, which provides satellites' relative position information in formation flying and cluster operation situations. The scalability is considered to apply the user-selected wireless communication module an...
In this study, the minimized on-board computer (OBC) module for integrated navigation is developed, which provides satellites' relative position information in formation flying and cluster operation situations. The scalability is considered to apply the user-selected wireless communication module and Global Positioning System (GPS) receiver for navigation, while considering to meet the structural design standard of nano-satellites. As a result of the product development and production, the processing speed of integrated navigation and real-time data synchronization is satisfied for cluster operation nano-satellites by using micro controller unit (MCU). From a heat/vacuum, vibration and radiation test, the OBC was confirmed to be operated in space environments. From these results, a mass production system of OBC was made which is a key part of development on satellite formation flying and cluster/constellation missions that the community demands are increasing.
In this study, the minimized on-board computer (OBC) module for integrated navigation is developed, which provides satellites' relative position information in formation flying and cluster operation situations. The scalability is considered to apply the user-selected wireless communication module and Global Positioning System (GPS) receiver for navigation, while considering to meet the structural design standard of nano-satellites. As a result of the product development and production, the processing speed of integrated navigation and real-time data synchronization is satisfied for cluster operation nano-satellites by using micro controller unit (MCU). From a heat/vacuum, vibration and radiation test, the OBC was confirmed to be operated in space environments. From these results, a mass production system of OBC was made which is a key part of development on satellite formation flying and cluster/constellation missions that the community demands are increasing.
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문제 정의
일반적인 초소형 위성용 OBC는 PC/104 스택을 주로 활용하기 때문에 OBC에 기타 각종 장치를 연결할 때 모듈의 확장성이 제한된다. 따라서 본 연구에서 개발한 OBC에서는 해당 커넥터를 제외하고 사용자가 원하는 형태의 커넥터를 선택하여 연결할 수 있도록 공간을 확보하였다. 본 연구에서 개발한 OBC에는 큐브위성에 가장 많이 사용되는 제품군인 NovAtel 사의 OEM719 Global Positioning System(GPS) 수신기와 GomSpace 사의 AX100 안테나 모듈을 연결할 수 있도록 각각 Universal Asynchronous Receiver/Transmitter(UART) 통신과 Controller Area Network(CAN) 통신 포트를 적용하였다.
본 연구에서는 초소형 위성을 이용한 위성 편대 및 군집 운용 시 사용할 수 있는 실시간 통합 항법용 모듈형 온보드 컴퓨터(On-board Computer, OBC)를 개발하였다. 개발 및 제작된 OBC의 소프트웨어 기능 테스트를 통해 해당 모듈이 3km 이상의 거리에서도 정상적으로 상대 항법에 사용할 수 있음을 확인하였으며, 열진공시험 및 방사선 조사 시험을 통해 우주 환경에서의 활용 가능성을 검증하였다.
본 연구에서는 초소형 위성의 편대 및 군집 운용을 위한 MCU 기반의 모듈형 OBC를 개발하고 이를 실제 우주 임무에 활용하기 위해 환경시험 및 소프트웨어 기반 검증을 수행하였다. 위성에 탑재되는 제품들은 한 번 발사되면 간단한 소프트웨어적인 오류수정 외에는 제품의 수정/보완이 사실상 불가능하다.
위성의 단일 운용이 아닌 여러 대의 위성을 운용하는 편대비행과 군집 운용에 대한 시장이 확장되고 있는 시점에서, 본 연구에서는 기존의 단일 위성에 대한 온보드 컴퓨터(On-board Computer, OBC)가 아닌 초소형 위성의 편대 및 군집 운용에 활용할 수 있는 모듈형 소형 OBC를 개발하였다. 해당 OBC는 편대비행 및 군집 운용을 위한 소프트웨어 및 하드웨어 구성이 탑재되어 있어 위성 간 실시간 통신을 통해 위성 간 데이터 송수신 및 상대 항법 임무를 수행할 수 있다.
제안 방법
Interface(I/F) 시험은 주기적으로 특정 메시지 또는 명령을 실험 컴퓨터와 OBC 간에 송수신하여 시험품의 정상 기능 여부를 확인하는 방식으로 진행하였으며, Control & Input/Output(I/O) 시험은 제어 명령 및 입력에 따라 각 포트에 연결된 서브시스템이 정상적으로 작동하는지를 계측기로 측정하며 진행하였다.
OBC 내 각 소자와 부품의 위치는 향후 다른 보드를 제작할 때 간섭이 발생하지 않도록 확장성을 고려하여 설계하였다. 개발된 OBC의 인터페이스 다이어그램은 Fig.
OBC에서 시리얼 통신으로 GPS 모듈에 명령어를 입력하면 GPS 모듈이 다시 시리얼 통신으로 결과를 제공하는 데, 이 결과를 파싱하여 저장하는 내부 코드를 작성하였다. 이때 시리얼 통신의 데이터가 끊기는 현상을 방지하기 위해 통신 baud rate를 최대 시리얼 통신 속도인 115200bps가 아닌 38400bps로 설정하였다.
시험품들은 테스트용 컴퓨터의 제어 명령에 따라 각 시험 항목을 차례대로 진행하였다. SD Card 등 저장장치에 대한 기능시험은 저장 공간 전체에 데이터를 쓰고 이를 다시 컴퓨터에서 읽어서 원본 데이터와 읽어온 데이터의 일치 여부를 확인하는 방식으로 진행하였다. Interface(I/F) 시험은 주기적으로 특정 메시지 또는 명령을 실험 컴퓨터와 OBC 간에 송수신하여 시험품의 정상 기능 여부를 확인하는 방식으로 진행하였으며, Control & Input/Output(I/O) 시험은 제어 명령 및 입력에 따라 각 포트에 연결된 서브시스템이 정상적으로 작동하는지를 계측기로 측정하며 진행하였다.
Table 1에서 지정한 3km 이상의 거리에서 정상적으로 두 모듈이 통신 및 상대 거리 추정을 수행할 수 있어야 한다는 조건을 만족하기 위해 테스트 3과 같이 장거리에서 실시간 데이터 통신 및 상대 거리측정 테스트를 진행하였으며, 그 상세 결과는 Fig. 5와 같다. 약 5초에 한 번씩 통신을 수행하도록 하였을 때 두 모듈이 서로의 GPS 기반 위치 데이터를 실시간으로 획득해 상대 거리를 정상적으로 계산하였다.
방사선실 외부에는 무선 와이파이 장치를 설치하여 인터넷이 가능한 곳 어디에서도 시험품을 실시간 모니터링할 수 있도록 구성했다. 각 시험품 별로 누적 방사선량을 측정하기 위해 시험품마다 방사선량 측정기를 장착했다.
개발한 OBC가 정상적으로 작동하는지를 확인하기 위해 각 기능에 대해 소프트웨어 기반 기능 테스트를 수행하였다. 먼저 시험 모듈의 각 부품의 정상 작동 여부를 확인하기 위해 GPIO Input/Output 작동 여부, 가변 저항을 통한 ADC 값 수신 여부 등을 테스트하였으며, LED를 설치하여 밝기 변화를 확인하는 방식으로 PWM의 작동 여부를 검증하였다.
지자기 센서와 관성 센서는 Inter-Integrated Circuit(I2C) 통신, 모터 드라이버는 Pulse Width Modulation(PWM), 온도 센서는 시리얼 통신을 사용하여 각각 제어된다. 그 외 디버깅 및 소프트웨어 프로그래밍을 위해 Ethernet 포트와 Joint Test Action Group(JTAG) 포트를 추가하였다. 그리고 사용자가 원하는 통신 방식을 사용하는 외부 장치를 사용할 수 있도록 I2C, CAN, UART 등의 커넥터 부를 여분으로 탑재하였고, Analog-Digital Converter(ADC), General Purpose Input/Output(GPIO) 등의 부가 기능을 추가하였다.
그 외 디버깅 및 소프트웨어 프로그래밍을 위해 Ethernet 포트와 Joint Test Action Group(JTAG) 포트를 추가하였다. 그리고 사용자가 원하는 통신 방식을 사용하는 외부 장치를 사용할 수 있도록 I2C, CAN, UART 등의 커넥터 부를 여분으로 탑재하였고, Analog-Digital Converter(ADC), General Purpose Input/Output(GPIO) 등의 부가 기능을 추가하였다.
또한, 개발된 OBC에 실시간 위치 추정 및 데이터 송수신 외에도 기존의 OBC 기능에 위성의 자세 결정 및 제어 기능을 포함해 임무 수행 및 스케쥴 관리, 자세 결정 및 제어(Attitude Determination and Control System, ADCS), 통신 기능을 수행할 수 있도록 하였다. 이를 위해 관성 센서(Inertial Measurement Unit, IMU), 지자기 센서(Magnetometer), 온도 센서(Thermometer) 등의 센서 계열과 지자기토커(Magnetorquer), 반작용 휠(Reaction Wheel)을 위한 모터 드라이버 등의 구동기를 연결할 수 있도록 각각의 연결부를 추가하였다.
해당 기능은 기존 큐브위성에서 수행되는 항법 시스템 등에 영향을 끼치지 않고 군집 위성 운용이 가능하도록 설계되었다. 또한, 멀티스레드(Multi-thread) 방식을 사용하여 실시간 위치 추정 및 데이터 송수신이 동시에 가능하도록 내부 소프트웨어를 개발하였다.
또한, 해당 OBC의 핵심 부분이라고 할 수 있는 GPS 수신기와 통신 모듈과의 통신에 대한 검증을 수행하였다. 실내에서는 GPS 위성으로부터 데이터를 수신하기 어려운 특성상 야외에서 테스트를 진행하였다.
개발한 OBC가 정상적으로 작동하는지를 확인하기 위해 각 기능에 대해 소프트웨어 기반 기능 테스트를 수행하였다. 먼저 시험 모듈의 각 부품의 정상 작동 여부를 확인하기 위해 GPIO Input/Output 작동 여부, 가변 저항을 통한 ADC 값 수신 여부 등을 테스트하였으며, LED를 설치하여 밝기 변화를 확인하는 방식으로 PWM의 작동 여부를 검증하였다. 이외에도 UART 통신 테스트, CAN 통신 테스트, I2C 통신 테스트를 수행한 결과 모든 부분이 정상 작동함을 확인하였다.
본 연구를 통해 개발된 OBC는 위성 간의 실시간 위치 및 시간 정보를 획득, 관리하는 기능을 수행한다. 해당 기능은 기존 큐브위성에서 수행되는 항법 시스템 등에 영향을 끼치지 않고 군집 위성 운용이 가능하도록 설계되었다.
Torr 이하의 진공 상태에서 –20℃~+50℃ 온도 범위로 총 2주기에 대한 시험을 진행하였다. 시험 초기에 상온 상태에서 진공 환경이 되었을 때 시험품에 대한 초기 기능시험을 진행하였으며, 이후 각 온도에서 2시간의 담금 시간(Soak Time) 유지 후 시험품에 대한 기능시험을 순차적으로 진행하였다. 시험 장비로는 인공위성연구센터(SatReC)가 보유한 이탈리아 ATT 사의 HVT8000 열진공 챔버(Chamber)를 사용하였다.
Table 3에 시험품에 대한 각 기능시험 리스트를 나타내었다. 시험품들은 테스트용 컴퓨터의 제어 명령에 따라 각 시험 항목을 차례대로 진행하였다. SD Card 등 저장장치에 대한 기능시험은 저장 공간 전체에 데이터를 쓰고 이를 다시 컴퓨터에서 읽어서 원본 데이터와 읽어온 데이터의 일치 여부를 확인하는 방식으로 진행하였다.
시험품에 대한 모니터링은 방사선 조사 이후 1시간마다 시험품의 전력 사용량을 확인하고, 3시간마다 Table 3에 나타낸 기능시험을 수행하는 방식으로 진행하였다. Fig.
2.2 진동시험
시험품에 대한 진동시험은 시험 시작 전 및 각 축별로 Sine burst, Random vibration 시험을 진행한 후 Table 3의 기능 시험 리스트를 통해 시험품의 작동 여부를 검증하는 방식으로 수행하였다
. 이 때 최대 진동은 Table 1과 같은 OBC의 진동 요구조건에 부합하도록 진행하였다.
실내에서는 GPS 위성으로부터 데이터를 수신하기 어려운 특성상 야외에서 테스트를 진행하였다. 야외 테스트를 위해 Fig. 4와 같이 OBC 모듈과 GPS 안테나, UHF 안테나를 모두 결합하여 하나의 테스트베드를 제작하였으며, 두 쌍의 테스트베드를 제작하여 사용하였다.
5와 같다. 약 5초에 한 번씩 통신을 수행하도록 하였을 때 두 모듈이 서로의 GPS 기반 위치 데이터를 실시간으로 획득해 상대 거리를 정상적으로 계산하였다. 다만 중간에 약 10초간 위치 데이터가 튀는 현상이 발생하였으며, 이는 실제 사용한 GPS 모듈의 단독측위(Single Positioning) 위치 오차는 수 미터 수준인데, 이 GPS 기반 항법의 오차가 그대로 상대 거리 계산 시 반영되었기 때문으로 예상된다.
열진공 시험은 5 × 10-5Torr 이하의 진공 상태에서 –20℃~+50℃ 온도 범위로 총 2주기에 대한 시험을 진행하였다.
또한, 개발된 OBC에 실시간 위치 추정 및 데이터 송수신 외에도 기존의 OBC 기능에 위성의 자세 결정 및 제어 기능을 포함해 임무 수행 및 스케쥴 관리, 자세 결정 및 제어(Attitude Determination and Control System, ADCS), 통신 기능을 수행할 수 있도록 하였다. 이를 위해 관성 센서(Inertial Measurement Unit, IMU), 지자기 센서(Magnetometer), 온도 센서(Thermometer) 등의 센서 계열과 지자기토커(Magnetorquer), 반작용 휠(Reaction Wheel)을 위한 모터 드라이버 등의 구동기를 연결할 수 있도록 각각의 연결부를 추가하였다.
육안 검사가 가능한 부분에서는 특별한 문제가 보이지 않았지만, OBC의 부팅이 불완전한 모습을 보였고, 이를 통해 DDR2 SDRAM에 문제가 있다고 추측하였다. 이에 진동시험 시 BGA(Ball Grid Array) 타입 부품 납땜 부위의 파손 가능성이 있다고 판단되어 부품에 약간의 압력을 가한 후 OBC에 전원을 인가했다. 그 결과 OBC가 정상적으로 부팅되는 것을 확인하였고, OBC 구성품 중 DDR2 SDRAM의 납땜 부위에 크랙이 발생한 것을 알 수 있었다.
진동시험에 사용한 장비는 미국 Ling Electronics사의 1216VH Electrodynamic Shaker와 DMA1212E 파워 증폭기, 그리고 Spectral Dynamics사의 Vibration Shaker 제어 시스템이다. 진동시험을 위해 시험 모듈을 장착할 수 있는 지그(Zig)를 제작하였다. 시험 모듈의 각 축 방향에 대한 요구조건을 Tables 4-6에 나타내었다.
테스트는 근거리/중거리/장거리로 나누어 총 3회 실시하였다. 각 테스트에서 설정한 두 모듈 간 직선거리는 각각 2~3m, 376m, 3.
하드웨어 검증은 동일하게 제작된 OBC 6대(이하 시험품) 및 보드에 장착된 구성품들의 기능이 우주 환경 내구성 검증 시험 도중이나 시험 후에 정상적으로 작동하는지 확인하는 방법으로 수행하였다. Table 3에 시험품에 대한 각 기능시험 리스트를 나타내었다.
본 연구를 통해 개발된 OBC는 위성 간의 실시간 위치 및 시간 정보를 획득, 관리하는 기능을 수행한다. 해당 기능은 기존 큐브위성에서 수행되는 항법 시스템 등에 영향을 끼치지 않고 군집 위성 운용이 가능하도록 설계되었다. 또한, 멀티스레드(Multi-thread) 방식을 사용하여 실시간 위치 추정 및 데이터 송수신이 동시에 가능하도록 내부 소프트웨어를 개발하였다.
본 연구에서 개발한 OBC에는 큐브위성에 가장 많이 사용되는 제품군인 NovAtel 사의 OEM719 Global Positioning System(GPS) 수신기와 GomSpace 사의 AX100 안테나 모듈을 연결할 수 있도록 각각 Universal Asynchronous Receiver/Transmitter(UART) 통신과 Controller Area Network(CAN) 통신 포트를 적용하였다. 해당 포트는 향후 사용 가능한 어떠한 상용 통신 모듈 및 GPS 모듈과도 호환될 수 있게 맞춤형으로 교체할 수 있도록 설계하였다.
환경시험의 마지막 단계로, 본 연구를 통해 개발된 OBC의 우주 방사선 환경 내구성 검증을 위해 저준위 방사선 조사 시험을 수행했다. 총 누적 선량은 30krad이고, 평균 시간당 조사량은 2.
대상 데이터
개발한 OBC 내 MCU의 경우, 초소형 위성에 탑재된 바가 있는 제품 중에 NASA에서 무료로 제공하여 많은 헤리티지가 있는 비행소프트웨어인 Core Flight Software(CFS)를 사용할 수 있는 Atmel 사의 ARM9 Core로 선정하였다. 일반적인 초소형 위성용 OBC는 PC/104 스택을 주로 활용하기 때문에 OBC에 기타 각종 장치를 연결할 때 모듈의 확장성이 제한된다.
따라서 본 연구에서 개발한 OBC에서는 해당 커넥터를 제외하고 사용자가 원하는 형태의 커넥터를 선택하여 연결할 수 있도록 공간을 확보하였다. 본 연구에서 개발한 OBC에는 큐브위성에 가장 많이 사용되는 제품군인 NovAtel 사의 OEM719 Global Positioning System(GPS) 수신기와 GomSpace 사의 AX100 안테나 모듈을 연결할 수 있도록 각각 Universal Asynchronous Receiver/Transmitter(UART) 통신과 Controller Area Network(CAN) 통신 포트를 적용하였다. 해당 포트는 향후 사용 가능한 어떠한 상용 통신 모듈 및 GPS 모듈과도 호환될 수 있게 맞춤형으로 교체할 수 있도록 설계하였다.
시험 초기에 상온 상태에서 진공 환경이 되었을 때 시험품에 대한 초기 기능시험을 진행하였으며, 이후 각 온도에서 2시간의 담금 시간(Soak Time) 유지 후 시험품에 대한 기능시험을 순차적으로 진행하였다. 시험 장비로는 인공위성연구센터(SatReC)가 보유한 이탈리아 ATT 사의 HVT8000 열진공 챔버(Chamber)를 사용하였다. 열진공 시험 동안 진공챔버 내부 및 시험품의 온도변화 및 압력 변화는 각각 Figs.
또한, 해당 OBC의 핵심 부분이라고 할 수 있는 GPS 수신기와 통신 모듈과의 통신에 대한 검증을 수행하였다. 실내에서는 GPS 위성으로부터 데이터를 수신하기 어려운 특성상 야외에서 테스트를 진행하였다. 야외 테스트를 위해 Fig.
1과 같다. 위성 간 실시간 위치 및 시간 정보를 획득하기 위해 장착되는 Ultra High Frequency(UHF) 통신 모듈 및 GPS 기반의 위치 정보 제공 모듈은 각각 CAN 통신과 UART 통신을 사용한다. 지자기 센서와 관성 센서는 Inter-Integrated Circuit(I2C) 통신, 모터 드라이버는 Pulse Width Modulation(PWM), 온도 센서는 시리얼 통신을 사용하여 각각 제어된다.
성능/효과
X, Y축 진동시험 후에 6개의 시험품 모두에 대해 기능 테스트를 수행하여 열진공 시험 시와 마찬가지로 Table 3와 같은 테스트를 통해 OBC의 모든 기능이 정상적으로 작동됨을 확인하였다. 그러나, Z축 방향의 진동시험 후 6개의 시험품 중 4개의 시험품이 이상 증상을 보였으며 이는 Figs.
본 연구에서는 초소형 위성을 이용한 위성 편대 및 군집 운용 시 사용할 수 있는 실시간 통합 항법용 모듈형 온보드 컴퓨터(On-board Computer, OBC)를 개발하였다. 개발 및 제작된 OBC의 소프트웨어 기능 테스트를 통해 해당 모듈이 3km 이상의 거리에서도 정상적으로 상대 항법에 사용할 수 있음을 확인하였으며, 열진공시험 및 방사선 조사 시험을 통해 우주 환경에서의 활용 가능성을 검증하였다. 진동시험의 경우 모듈에 수직한 방향으로 진동을 주었을 때 일부 부품에 문제가 발생한 것을 확인하였으며, 이를 underfill 공정을 통해 해결하여 재시험을 거칠 계획이다.
고장 원인을 조사한 결과, 국내 연구를 통해 BGA타입의 부품은 외부 충격이나 지속적인 진동, 온도변화 때문에 패키지의 납땜 부위에 크랙 또는 파손이 일어날 수 있음을 확인하였다. 이에 대한 대표적인 해결방안으로는 underfill 공정이 있으며[15], 이를 통해 진동에 의해 패키지에 가해지는 영향을 완화해 발사 시 겪게 되는 진동 환경을 견딜 수 있을 것으로 보인다[16].
이에 진동시험 시 BGA(Ball Grid Array) 타입 부품 납땜 부위의 파손 가능성이 있다고 판단되어 부품에 약간의 압력을 가한 후 OBC에 전원을 인가했다. 그 결과 OBC가 정상적으로 부팅되는 것을 확인하였고, OBC 구성품 중 DDR2 SDRAM의 납땜 부위에 크랙이 발생한 것을 알 수 있었다. 따라서 해당 부품을 다시 실장 하였고, Table 3의 테스트를 통해 시험품이 정상적으로 작동하는 것을 확인했다.
1krad까지이다[17]. 따라서 본 방사선 조사 시험 결과인 약 24krad의 최대 누적 방사선량에 따르면 차폐된 OBC는 최소 6년 이상 정상 작동할 수 있음을 검증하였다.
열진공 시험 도중과 시험 이후 진행된 기능시험에서는 Table 3에 기술한 시험품의 기능 테스트가 모두 정상적으로 수행됨을 확인하였다. 또한, 저온, 고온 환경에서도 마찬가지로 시험품이 모두 정상 작동함을 확인하였다.
그 이후 시험품 들의 전력 소비량이 변하기 시작했고, 지자기토커 드라이버에 가장 먼저 이상이 발생하였다. 시험 시작 14시간 이후 시험품과의 통신 연결이 해제되기 시작하면서 모니터링이 불가능해졌고 전력 사용량이 대폭 증가하기 시작하였다. 시험 시작 15시간 이후 시험품에 대한 모니터링을 지속해서 시도했지만, 연결이 되지 않았다.
열진공 시험 도중과 시험 이후 진행된 기능시험에서는 Table 3에 기술한 시험품의 기능 테스트가 모두 정상적으로 수행됨을 확인하였다. 또한, 저온, 고온 환경에서도 마찬가지로 시험품이 모두 정상 작동함을 확인하였다.
초소형 위성에 탑재되는 우주 부품의 경우 열진공 시험, 진동시험, 방사능 시험 등 크게 세 가지 종류의 환경시험을 거친다. 이 세 가지실험을 통해 기준치를 통과하였을 때, 해당 제품이 서브 시스템 우주 환경시험 검증 단계인 Technology Readiness Level(TRL) 6에 도달하였다고 할 수 있다. 본론의 2.
시험 시작 15시간 이후 시험품에 대한 모니터링을 지속해서 시도했지만, 연결이 되지 않았다. 이에 시험품에 누적된 방사선으로 인해 시험품들이 모두 수명을 다한 것으로 판단하고 시험을 종료하였다.
먼저 시험 모듈의 각 부품의 정상 작동 여부를 확인하기 위해 GPIO Input/Output 작동 여부, 가변 저항을 통한 ADC 값 수신 여부 등을 테스트하였으며, LED를 설치하여 밝기 변화를 확인하는 방식으로 PWM의 작동 여부를 검증하였다. 이외에도 UART 통신 테스트, CAN 통신 테스트, I2C 통신 테스트를 수행한 결과 모든 부분이 정상 작동함을 확인하였다.
후속연구
해당 OBC는 편대비행 및 군집 운용을 위한 소프트웨어 및 하드웨어 구성이 탑재되어 있어 위성 간 실시간 통신을 통해 위성 간 데이터 송수신 및 상대 항법 임무를 수행할 수 있다. 또한, 본 연구를 통해 OBC를 모듈화, 소형화, 국산화하는 데에 성공하였으며, 이는 큐브위성과 같은 초소형 위성에 탑재하기 적합하므로 국내 초소형 위성의 제작 기간 단가 및 개발 난도를 낮추는 데에 기여할 것이다. 향후 해당 모듈에 GPS 기반 정밀 상대항법 알고리즘을 탑재하여 실시간 상대위치 추정 정밀도를 크게 향상시킬 예정이며, 적응 칼만필터(Adaptive Kalman Filter, AKF) 방식의 알고리즘을 추가 적용하여 통신 및 위치 추정의 강건성을 높일 예정이다.
179m로 근거리/중거리 결과와 큰 차이가 나지 않았으며, Table 3에서 언급한 요구조건에 부합하는 결과를 보여주었다. 이 현상은 두 모듈이 수신하는 GPS raw 데이터를 사용해 반송파 위상(Carrier Phase)을 사용한 차분 GPS(Differential GPS, DGPS)와 같은 상대 항법을 직접 수행함으로 해결할 수 있을 것이다.
이에 대한 대표적인 해결방안으로는 underfill 공정이 있으며[15], 이를 통해 진동에 의해 패키지에 가해지는 영향을 완화해 발사 시 겪게 되는 진동 환경을 견딜 수 있을 것으로 보인다[16]. 추후에 이를 보완하여 재시험을 수행할 계획이다.
또한, 본 연구를 통해 OBC를 모듈화, 소형화, 국산화하는 데에 성공하였으며, 이는 큐브위성과 같은 초소형 위성에 탑재하기 적합하므로 국내 초소형 위성의 제작 기간 단가 및 개발 난도를 낮추는 데에 기여할 것이다. 향후 해당 모듈에 GPS 기반 정밀 상대항법 알고리즘을 탑재하여 실시간 상대위치 추정 정밀도를 크게 향상시킬 예정이며, 적응 칼만필터(Adaptive Kalman Filter, AKF) 방식의 알고리즘을 추가 적용하여 통신 및 위치 추정의 강건성을 높일 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
MCU를 주 코어로 활용하는 이유는?
위성의 온보드 컴퓨터(On-board Computer, OBC)는 위성의 두뇌 역할을 하는 모듈로, 위성에 연결된 각 서브 시스템에 대한 제어, 임무 관리 및 스케줄링, 데이터 저장 등 위성 운용에 필요한 전반적인 역할을 모두 수행하는 가장 핵심적인 부품이다. 초소형위성의 경우 Micro Controller Unit(MCU)을 주로 사용하는데, 이는 CPU(Central Processing Unit)와 같은 프로세서에 비해 전력을 적게 소모하고 가격이 저렴하다는 장점이 있다. MCU는 CPU와 비교하면 어느 정도 성능이 제한되지만, 초소형 위성의 임무를 수행하는 데에는 큰 문제가 없다. 이러한 장점 때문에 큐브위성 등의 초소형 위성에서는 MCU를 주 코어로 활용하고 있다.
초소형 위성 이란?
초소형 위성은 일반적으로 50kg 이하의 중량을 가진 위성을 통칭한다. 1999년에 미국의 California Polytechnic State University(CalPoly)에서 학생들의 위성 교육을 위한 큐브 형태의 플랫폼을 제시한 이후로 대부분의 초소형 위성은 이 규격에 맞는 큐브위성(CubeSat)으로 제작되고 있다[4].
온보드 컴퓨터의 기능은?
위성의 온보드 컴퓨터(On-board Computer, OBC)는 위성의 두뇌 역할을 하는 모듈로, 위성에 연결된 각 서브 시스템에 대한 제어, 임무 관리 및 스케줄링, 데이터 저장 등 위성 운용에 필요한 전반적인 역할을 모두 수행하는 가장 핵심적인 부품이다. 초소형위성의 경우 Micro Controller Unit(MCU)을 주로 사용하는데, 이는 CPU(Central Processing Unit)와 같은 프로세서에 비해 전력을 적게 소모하고 가격이 저렴하다는 장점이 있다.
참고문헌 (17)
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