[논문]초소형위성 SAR 탑재체 운용모드 설계 및 성능분석

박종민; 김동식; 김완식; 김종필

doi:10.7236/jiibc.2019.19.5.169

초소형위성 SAR 탑재체 운용모드 설계 및 성능분석
Operation Mode Design and Performance Analysis for Small Satellite SAR Payload 원문보기

The journal of the institute of internet, broadcasting and communication : JIIBC, v.19 no.5, 2019년, pp.169 - 173

박종민 (LIGNEX1 감시정찰연구소) , 김동식 (LIGNEX1 감시정찰연구소) , 김완식 (LIGNEX1 감시정찰연구소) , 김종필 (LIGNEX1 감시정찰연구소)

초록
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본 논문에서는 SAR 탑재체의 운용모드 설계방안 및 설계결과 그리고 주요성능에 대한 분석 결과를 제시하였다. SAR 시스템 설계는 요구사항을 만족하는 주요변수의 설계값 도출로 진행된다. 저궤도에서 운용하는 100kg 미만의 초소형위성을 가정하고 고해상의 영상을 위하여 X-대역의 주파수를 선정하였다. 주어진 설계 요구사항을 반영하여 주파수 대역폭, 관측영역 설계, 안테나 설계를 진행하고, 설계결과를 반영하여 목표 영상품질인 NESZ 만족여부를 확인하였다. 또한 설계값을 반영하여 관측영역별로 최적의 PRF를 설계하였다. 또한 소형, 경량화를 위한 안테나 형태를 제안하였다. 또한 설계된 변수를 적용하여 체계성능을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, SAR payload operation mode design method, results and performance analysis results are suggested. To SAR payload design, pramary parameter should be identified and designed. It is designed considering the small satellite of less than 100kg operated in low earth orbit. Also, an antenna...

주제어

표/그림 (9)

그림 그림 1. 기하학 변수 Fig. 1. Geometric parameter
그림 그림 2. SAR 시스템 설계 과정 Fig. 2. SAR system design process
표 표 1. 무게에 따른 위성 분류 Table 1. The classification of the satellite in weight
표 표 2. SAR 시스템 설계 요구사항 Table 2. SAR system design requirements
그림 그림 3. 안테나 방사패턴 Fig. 3. Normalized field pattern
그림 그림 4. 입사각에 따른 주파수대역폭 Fig. 4. Bandwidth according to incident angle
그림 그림 5. 입사각에 따른 NESZ Fig. 5. NESZ according to incident angle
그림 그림 6. PRF diamond diagram Fig. 6. PRF diamond diagram
표 표 3. SAR 설계변수 Table 3. SAR design parameter

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 SAR 탑재체의 설계방안 및 설계결과 그리고 주요성능에 대한 분석 결과를 제시하였다. SAR 시스템 설계는 요구사항을 만족하는 주요변수의 설계값 도출로 진행된다.
본 논문에서는 최근 활발하게 개발이 진행되고 있는 저궤도의 소형/초소형위성이 고해상도 영상획득이 가능 한 SAR 탑재체의 설계 연구결과를 제시한다. 주어진 임무 요구조건을 바탕으로 해상도, 입사각, 탐지폭등의 요구조건과 영상품질을 나타내는 NESZ의 요구조건을 만족하는 설계 방안에 대하여 설명하고, 표준영상모드에 대한 설계결과 및 성능분석결과를 제시한다.

가설 설정

안테나의 특성 분석을 위해 uniform circular aperture를 가정하고 안테나의 field 및 빔폭, Directivity을 분석하였다. 관련 식은 아래와 같다.
또한 위성체의 무게 및 크기를 고려하여 안테나의 형태 및 크기를 결정한다. 초소형위성의 무게 및 크기의 제약을 고려하여 안테나의 형태는 mesh형태의 전개형 반사판 안테나를 가정하였다. mesh형태로 초경량의 특성을 가지며 전개형 특성은 발사 시 접어서 크기의 제한을 극복하고 운용 궤도에서는 전개하여 넚은 면적을 가지는 안테나의 구현이 가능하다.

제안 방법

5km의 관측폭을 만족하는 입사각영역을 점선으로 표시하였다. 각 관측 영역별로 PRF선택이 가능한 주파수 중 영상품질 DTAR 의 성능이 가장 뛰어난 PRF를 선택하여 각 관측영역별로 빨간색 선으로 표시하였다.
시스템의 주요 설계변수인 주파수 대역폭, swath 정의, 안테나 설계, PRF선택 및 SAR의 품질을 나타내는 NESZ와 DTAR의 처리과정은 그림2와 같다. 각 주요 설계변수를 결정하기 위한 입력변수들을 고려하여 각 설계 변수들을 결정하고 이를 적용하여 NESZ 성능의 요구규격 만족여부를 판단한다. 불만족시 주요 설계변수들을 재조정해서 NESZ 성능이 만족하는 값을 찾는다.
다음과 같은 요구사항을 바탕으로 하부장비의 성능 (PRF, duty, Noise figure, loss, 송신출력, etc)의 한계를 고려하여 탑재체의 설계진행한다. 우선 고도, 입사각을 고려하여 탐지폭을 만족하는 안테나의 최소 빔폭 및 NESZ를 만족시키는 안테나의 최소 Directivity를 도출한다.
또한 소형, 경량화를 위한 안테나 형태를 제안하였다. 또한 설계된 변수를 적용하여 체계성능을 확인하였다. 본 논문에서 제시된 초기 설계 결과는 추후 실제 초소형위성 탑재체 설계에 활용이 가능하다.
저궤도에서 운용하는 100kg 미만의 초소형위성을 가정하고 고해상의 영상을 위하여 X-대역의 주파수를 선정하였다. 또한 소형, 경량화를 위한 안테나 형태를 제안하였다. 또한 설계된 변수를 적용하여 체계성능을 확인하였다.
위성의 궤도는 탑재체의 출력전력 및 무게의 제한과 고해상의 영상획득을 고려하여 저궤도로 설정하였다. 운용 주파수 또한 고해상도를 획득하기 위한 대역폭을 고려하여 X-대역을 선택하였다. 운용모드는 기계적 또는 전기적 빔조향이 필요 없는 표준영상모드로 설정하였다.
초소형 SAR위성의 경우 100kg이하의 무게를 만족하여야 한다. 위성의 궤도는 탑재체의 출력전력 및 무게의 제한과 고해상의 영상획득을 고려하여 저궤도로 설정하였다. 운용 주파수 또한 고해상도를 획득하기 위한 대역폭을 고려하여 X-대역을 선택하였다.
입사각이 20°일 때, 해상도 1m를 만족하기 위해 필요한 대역폭은 약 450MHz로 마진을 고려하여 500MHz로 설계하였다.
SAR 시스템 설계는 요구사항을 만족하는 주요변수의 설계값 도출로 진행된다. 저궤도에서 운용하는 100kg 미만의 초소형위성을 가정하고 고해상의 영상을 위하여 X-대역의 주파수를 선정하였다. 또한 소형, 경량화를 위한 안테나 형태를 제안하였다.
본 논문에서는 최근 활발하게 개발이 진행되고 있는 저궤도의 소형/초소형위성이 고해상도 영상획득이 가능 한 SAR 탑재체의 설계 연구결과를 제시한다. 주어진 임무 요구조건을 바탕으로 해상도, 입사각, 탐지폭등의 요구조건과 영상품질을 나타내는 NESZ의 요구조건을 만족하는 설계 방안에 대하여 설명하고, 표준영상모드에 대한 설계결과 및 성능분석결과를 제시한다.

성능/효과

모두 운용 입사각 내에서 목표요구성능 –15dB이내를 만족하는 것을 확인할 수 있다.

후속연구

또한 설계된 변수를 적용하여 체계성능을 확인하였다. 본 논문에서 제시된 초기 설계 결과는 추후 실제 초소형위성 탑재체 설계에 활용이 가능하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	영상레이다가 주로 활용되는 분야는 무엇인가?	전자기파의 가장 큰 특성으로 대기 중의 수증기나 구름, 먼지, 강우 등의 기상상태와 태양의 고도, 즉 밤낮에 관계없이 영상을 얻을 수 있어서 군사용 및 과학, 상업용으로 널리 사용된다. 주로 위성 및 항공기에 탑재하여 지구관측 및 군사용의 감시정찰에 활용된다. SAR위성은 무게에 따라 표 1과 같이 분류된다.
	영상레이다는 무엇인가?	영상레이다(Synthetic Aperture Radar)는 안테나를 이용하여 전자기파를 방사하고 목표물을 통해서 반사되는 신호를 수신하여 영상을 획득하는 시스템이다. 전자기파의 가장 큰 특성으로 대기 중의 수증기나 구름, 먼지, 강우 등의 기상상태와 태양의 고도, 즉 밤낮에 관계없이 영상을 얻을 수 있어서 군사용 및 과학, 상업용으로 널리 사용된다.
	SAR 탑재체의 체계설계 시 비용과 성능은 무엇을 고려해서 결정해야하는가?	SAR 탑재체의 체계설계는 위성체, 발사체, 지상체 등의 전체 위성 체계 구성요소를 고려하고 위성의 개발, 발사, 운용을 포함하여 전체 비용과 성능을 결정하여야한다. SAR 탑재체 설계를 위해서는 우선 사용자의 요구사항이 정의되어야 한다.

참고문헌 (6)

Jeong-Ho Kim, Hyoung-Bae Kim, "A Development of Algorithm on High Speed SAR Measurement", The Journal of Institute of Internet, Broadcasting and Communication Vol. 7, No. 4, pp. 15-21, 2017.
Gi-Young Go, Cheol-Woo Park, "SAR Image Processing Using Wavelet-based Sigma Filter and Edgemap", The Journal of Institute of Internet, Broadcasting and Communication Vol. 9, No. 6, pp. 155-161, 2009.
Young-Kil Kwag, "Performance Characteristics of the High Resolution X-band Small Satellite SAR System Design", The Journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science Vol. 11, No. 7, pp. 1258-1270, 2000.
Josef Mittermayer, Marwan Younis, Robert Metzig, Steffen Wollstadt, Jose Marquez Martinez, and Adriano Meta, "Performance Characteristics of the High Resolution X-band Small Satellite SAR System Design", IEEE TRANSACTIONS ON GEOSCIENCE AND REMOTE SENSING, VOL. 48, NO. 2, FEBRUARY 2010
Shaddrack Yaw Nusenu, "Performance Analysis of Phased Array and Frequency Diverse Array Radar Ambiguity Functions", Advances in Science, Technology and Engineering Systems Journal Vol. 2, No. 3, 389-394 2017.

상세보기
Sua Song, Seong-Wan Hong, Hyuk Park, Jin-Young Song and Young Keun Chang, "Analysis of Figure of Merits(FoM) of Small Constellation Satellites for TCT Missions", SASE 2018 Spring Conference.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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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