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초소형 위성의 편대 및 군집 운용을 위한 모듈형 온보드 컴퓨터 개발
Development of On-board Computer Module for Formation Flying and Cluster Operation Nano-satellites 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.47 no.10, 2019년, pp.728 - 737  

오형직 (Nara Space Technology Inc.) ,  김도현 (Nara Space Technology Inc.) ,  박기연 (Nara Space Technology Inc.) ,  이주인 (Nara Space Technology Inc.) ,  정인선 (Nara Space Technology Inc.) ,  이성환 (Nara Space Technology Inc.) ,  박재필 (Nara Space Technology Inc.)

초록
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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.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

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...

주제어

AI 본문요약
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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.
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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.
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참고문헌 (17)

  1. Bandyopadhyay, S., Foust, R., Subramanian, G. P., Chung, S. J., and Hadaegh, F. Y., "Review of formation flying and constellation missions using nanosatellites," Journal of Spacecraft and Rockets, Vol. 53, No. 3, 2016, pp. 567-578. 

  2. Boshuizen, C., Mason, J., Klupar, P., and Spanhake, S., "Results from the Planet Labs Flock Constellation," 28th Annual AIAA/USU Conference on Small Satellites, August 2014. 

  3. Foust, J., "SpaceX's space-Internet woes: Despite technical glitches, the company plans to launch the first of nearly 12,000 satellites in 2019," IEEE Spectrum, Vol. 56, No. 1, 2019, pp. 50-51. 

  4. Nason, I., Puig-Suari, J., and Twiggs, R., "Development of a Family of Picosatellite Deployers Based on the CubeSat Standard," Proceedings of IEEE Aerospace Conference, Vol. 1, Mar. 2002, pp. 1-457. 

  5. Williams, C., Doncaster, B., and Shulman, J., "2018 Nano/Microsatellite Market Forecast," Space-Works Enterprises, Inc., Vol. 1, 2019. 

  6. Park, J. P., Park, S.-Y., Lee, K., Oh, H. J., Choi, K. Y., Song, Y. B., and et al., "Mission analysis and cubesat design for CANYVAL-X mission," 14th International Conference on Space Operations, May 2016. 

  7. Song, Y., Lee, Y. R., Park, J. P., and Park, S. Y., "CANYVAL-X: Operational Scenario and Strategy," 2018 SpaceOps Conference, May, 2018. 

  8. Lee, J. H., Lee, S. H., Lee, J. K., Lee, H. J., Shin, J. H., Jeong, S. Y., Oh, Y. S., and Jin, H., "Development of Flight Software for SIGMA CubeSat," Journal of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 44, No. 4, 2016, pp. 363-372. 

  9. Hwang, K.-L., Min, M.-I., Moon, B.-Y., and Chang, Y.-K., "Mechanical System Design and Development of the HAUSAT-1 Picosatellite," Journal of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 32, No. 9, 2004, pp.103-113. 

  10. Song, S. A., Kim, H. R., and Chang, Y.-K., "Design and Implementation of 3U CubeSat Platform Architecture," International Journal of Aerospace Engineering, Vol. 2018, 2018. 

  11. van Bolhuis, M. F., Lebbink, G. W., Overlack, A. E., and Bonnema, A. R., "Environment Levels Auxiliary Payloads- ISILaunch09, Issue 1.2," ISL. ISILaunch09.EL, ISL-Innovative Space Logistics BV, 07 July 2015. 

  12. Yoo, J. G., Jin, H., Seon, J. H., Jeong, Y. H., Glaser, D., Lee, D. H., and Lin, R. P., "Thermal analysis of TRIO-CINEMA mission," Journal of Astronomy and Space Sciences, Vol. 29, No. 1, 2012, pp. 23-31. 

  13. NASA GSFC, "General Environmental Verification Standard (GEVS) for GSFC Flight Programs and Projects. (GSFC-STD7000A)," NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, MD, USA, 2013. 

  14. Campbell Jr, W. A., Marriott, R. S., and Park, J. J., "Outgassing data for selecting spacecraft materials," Technical Report, NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, MD, June 1, 1984. 

  15. Koh, Y.-W., Kim, J.-M., Lee, J.-H., and Shin, Y.-E., "Thermal Fatigue Characteristics of ${\mu}BGA$ Solder Joints with Underfill," Journal of Welding and Joining, Vol. 21, No. 4, 2013, pp. 25-30. 

  16. Kim, Y. K., and Hwang, D., "Experimental Assessment of PBGA Packaging Reliability under Strong Random Vibrations," Journal of the Microelectronics & Packaging Society, Vol. 20, No. 3, 2013, pp. 59-62. 

  17. Seo, Y. M., Kim, Y. H., Park, S. H., Chae, K. S., Jin, H., Lee, D.-H., and Seon, J. H., "Computation of Total Ionizing Dose for CubeSat," Proceeding of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences Spring Conference, April 2012, pp. 1087-1092. 

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