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자동 및 지능형 고장복구 시스템 기술

Autonomous and Intelligent Fault Tolerant System

보고서 정보
주관연구기관 서울대학교
Seoul National University
연구책임자 박찬국
참여연구자 임준규 , 강철우 , 이원희 , 이민수 , 유영민 , 강창호 , 전현철 , 전지훈 , 박용곤종 , 주호진 , 윤세현 , 김현진 , 김선영 , 박소영
보고서유형2단계보고서
발행국가대한민국
언어 한국어
발행년월2013-03
과제시작연도 2012
주관부처 미래창조과학부
KA
사업 관리 기관 한국연구재단
등록번호 TRKO201400022103
과제고유번호 1345175272
DB 구축일자 2014-11-10
키워드 고장검출 분리 및 복구,센서 고장검출 및 분리,구동기 고장검출 및 분리,컴퓨터 고장검출 및 분리,고장허용 제어FDIR,Sensor FDI,Actuator FDI,Computer FDI,Fault tolerant control algorithm

초록

본 연구팀은 5년간의 연구를 통하여 인공위성 자세제어 센서, 구동기 및 컴퓨터에 대한 FDIR Fault Detection Isolation & Recovery 알고리즘 연구를 수행하였다.
또한, 인공위성에서 고장이 발생하더라도 정상적인 자세제어를 위한 고장허용 제어 기법에 대한 연구도 수행되었다. 이를 통해 위성 자세제어 시스템 전체에 대한 FDIR 기법이 연구되었으며 이를 검증하기 위해 각 기법이 하나의 시스템으로 통합된 시뮬레이션을 수행할 수 있는 통합 시뮬레이터 개발, 실제 위성을 모사하여 FDIR 기법을 검증할 수 있

Abstract

Purpose:
The purpose of this research is to identify and acquire the infra-technology on a fault detection, isolation and recovery system of satellites, which improve the reliability of the satellite developed in domestic. The research interests include the decision of the satellite attitude of s

목차 Contents

  • 표지 ... 1
  • 제출문 ... 2
  • 보고서 요약서 ... 3
  • 요약문 ... 4
  • SUMMARY ... 5
  • CONTENTS ... 6
  • 차례 ... 8
  • 제 1 장 연구개발과제의 개요 ... 15
  • 1 절. 연구목표 및 내용 ... 15
  • 1. 연구목표 ... 15
  • 2. 연구내용 ... 15
  • 3. 기대효과 ... 16
  • 가. 기술적 측면 ... 16
  • 나. 경제적.산업적 측면 ... 17
  • 2 절. 연구개발의 필요성 ... 18
  • 1. 기술적 측면 ... 18
  • 2. 경제.산업적 측면 ... 18
  • 3. 사회.문화적 측면 ... 19
  • 제 2 장 국내외 기술개발 현황 ... 20
  • 1 절. 기술 동향 ... 20
  • 1. 국외 기술 동향 ... 20
  • 2. 국내 기술 동향 ... 22
  • 3. 현기술상태의 취약성 ... 23
  • 제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 24
  • 1 절. 인공위성 자세추정 센서 및 구동기 통합 FDI 기법 연구 ... 24
  • 1. 인공위성 센서 고장유형 및 특성 분석 ... 24
  • 가. 센서별 특성분석 및 고장유형 분석 ... 24
  • (1) 관성센서 ... 24
  • (2) 별 센서 ... 27
  • (3) 지구센서 ... 30
  • (4) 태양센서 ... 33
  • (5) 자기 센서 ... 37
  • (6) GPS ... 40
  • 나. 관성센서와 별센서의 기능적 모델 연구 ... 42
  • (1) 관성센서의 기능적 모델 ... 42
  • (2) 별센서의 기능적 모델 ... 44
  • 2. 인공위성 자세 추정 센서 FDI 기법 연구 ... 48
  • 가. 인공위성 자세추정 센서 FDI 기법 개념 연구 ... 48
  • (1) 하드웨어 여분을 가지는 중첩 IMU 구성 및 모델링 ... 48
  • (2) 패리티 식을 이용한 FDI 기법 ... 51
  • (3) 패리티 공간 기법(Parity Space Approach, PSA)을 이용한 FDI 기법 ... 53
  • (4) 웨이블릿(Wavelet)을 이용한 FDI 기법 ... 56
  • (5) 국소 푸리에 변환(Short-Time Fourier Transform, STFT)을 이용한 FDI 기법 ... 59
  • (6) 주성분 분석 기법(Principal Component Analysis, PCA)을 이용한 FDI 기법 ... 62
  • 나. 인공위성 자세추정 센서 FDI 기법 상세 설계 ... 64
  • (1) 발전된 형태의 PCA를 이용한 고장검출 기법 연구 ... 64
  • (2) 수정된 패리티 공간 기법(Modified EPSA)을 활용한 이중고장 검출 기법 연구 ... 76
  • (3) 위성 센서에 대한 모델기반 FDI 기법 연구 ... 89
  • (4) 관성센서와 별센서 통합 모델을 이용한 FDI 기법 구현 ... 94
  • (5) 주센서와 보조센서의 동시 고장을 고려한 FDI 기법 연구 ... 100
  • 3. 위성체 구동기 FDI 기법 연구 ... 105
  • 가. 위성체 구동기별 특성과 고장유형 연구 ... 105
  • (1) 추력기 ... 105
  • (2) 반작용 휠 ... 108
  • (3) CMG(Control Momentum Gyro) ... 110
  • (4) 추력기와 반작용 휠의 고장 유형 분석 ... 112
  • 나. 위성체 구동기 FDI 기법 개념 설계 ... 115
  • (1) 인공위성 모델링 및 구동기 배치 ... 115
  • (2) 확장 칼만 필터(Extended Kalman Filter, EKF)를 이용한 고장 검출 기법 ... 117
  • (3) 파티클 필더(Particle filter)를 이용한 고장 검출 기법 ... 121
  • (4) 패리티 식을 이용한 고장 검출 기법 ... 124
  • (5) Residual을 이용한 고장 검출 기법 ... 129
  • (6) 이중 필터를 이용한 고장 검출 기법 ... 131
  • (7) 인공위성 자세제어 모델의 확장과 EKF를 이용한 고장 검출 ... 133
  • (8) 다중 가정 EKF를 이용한 고장 분리 기법 ... 135
  • 다. 위성체 구동기별 고장특성에 맞는 FDI 기법 상세 설계 ... 138
  • (1) 관측기(Observer) 기반 FDI 기법 연구 ... 138
  • (2) 확장 칼만필터를 이용한 FDI 기법 개발 ... 144
  • (3) 이중 필터를 이용한 FDI 기법 개발 ... 148
  • (4) 다중 가설 필터를 이용한 FDI 기법 개발 ... 149
  • (5) 위성체 구동 모드별 구동기 통합 모델 연구 ... 155
  • 4. 위성체 센서 및 구동기 통합 FDI 기법 연구 ... 170
  • 가. 인공위성 구동기 통합 모델식 ... 170
  • (1) 반작용 휠과 추력기를 고려한 자세 제어 모델 ... 170
  • (2) 확장 칼만필터의 구성 ... 173
  • (3) 구동기 고장 모델링 ... 175
  • (4) 센서 고장 모델링 ... 176
  • 나. 센서 및 구동기 통합 실시간 FDI 기법 설계 ... 178
  • (1) 고장검출 분리를 위한 마코프 모델 ... 178
  • (2) 구동기 고장검출을 위한 상호간섭 다중모델 추정기법 ... 179
  • (3) 분산형 칼만필터와 PSA를 이용한 센서의 고장 검출 ... 185
  • (4) 적응 상호간섭 다중모델 추정기법 ... 187
  • (5) 적응 감쇄 EKF를 이용한 센서고장 검출 ... 187
  • 다. 시뮬레이션 결과 및 성능 검증 ... 191
  • (1) 벌점을 이용한 구동기 고장검출 성능 ... 191
  • (2) 2단계 상호간섭 다중모델 필터 기법 성능 ... 192
  • (3) 분산형 칼만필터와 PSA를 이용한 센서 고장검출 성능 ... 193
  • (4) 적응 상호간섭 다중모델 추정기법 성능 ... 195
  • (5) 적응 감쇄 EKF를 이용한 센서고장 검출 ... 199
  • 2 절. 고장 복구 컴퓨터 설계 및 개발 ... 202
  • 1. 고장 복구 컴퓨터 시스템 ... 203
  • 2. 하드웨어, 소프트웨어 여분 기법 조사 및 연구 ... 206
  • 가. 여분 ... 206
  • 나. 하드웨어 여분 ... 207
  • 다. 소프트웨어 여분 ... 210
  • 3. 고장 복구 컴퓨터 개념 설계 ... 213
  • 가. 인공위성 컴퓨터 시스템 ... 213
  • (1) FPGA ... 214
  • (2) SRAM 기반 FPGA ... 215
  • 나. 우주환경과 인공위성 컴퓨터 시스템 ... 215
  • (1) SEU ... 217
  • (2) SEU 발생 빈도 ... 218
  • 4. 고장 복구 컴퓨터 상세 설계 ... 220
  • 가. 고장복구 컴퓨터를 위한 고장검출 알고리즘 ... 220
  • 나. 고장복구 컴퓨터를 위한 고장복구 알고리즘 ... 221
  • 다. 다중 비트 입력 고장복구 컴퓨터를 위한 고장검출 알고리즘 ... 222
  • 라. Selective TMR 연구 및 개선된 TMR 구조 연구 ... 226
  • (1) STMR 연구 ... 226
  • (2) 개선된 TMR 구조 연구 ... 227
  • 5. FPGA 보드를 이용한 고장복구 알고리즘 구현 ... 229
  • 가. FPGA 보드와 기술의 장점 ... 229
  • (1) FPGA 보드 ... 229
  • (2) FPGA 기술의 장점 ... 230
  • 나. FPGA 보드에 알고리즘 구현 ... 231
  • 6. 실험실 레벨의 저비용, 고성능 고장복구 컴퓨터 제작 ... 233
  • 가. SEU 고장에 강건한 하드웨어 제작 ... 233
  • 나. SRAM 기반 고장 허용성 검증을 위한 SEU 소프트웨어 ... 234
  • 7. 실험실 레벨의 저비용, 고성능 고장복구 컴퓨터 시험 및 성능 검증 ... 237
  • 3 절. 위성 고장 허용 제어기법 연구 ... 239
  • 1. 위성 고장 허용 제어기법 개발 ... 239
  • 가. 일반적인 고장 허용 제어기법 ... 239
  • 나. 수동형 고장 허용 제어 기법 ... 241
  • (1) 강인 제어기를 이용한 제어기 고장복구 ... 242
  • (2) 슬라이딩 모드 제어기를 이용한 제어기 고장복구 ... 253
  • (3) 적응 슬라이딩 모드를 이용한 제어기 고장복구 ... 270
  • (4) 모델추종 슬라이딩 모드를 이용한 제어기 고장복구 ... 282
  • 다. 능동형 고장 허용 제어 기법 ... 289
  • (1) MMAC(Multiple model adaptive contoller) ... 290
  • (2) Switching MMAC ... 291
  • (3) Blending MMAC ... 292
  • (4) 시뮬레이션 결과 ... 293
  • (5) Active fault detection ... 297
  • (6) Passive FTC 와 active FTC의 비교 ... 308
  • 2. 위성체에 적용 가능한 고장복구 제어 알고리즘 개발 ... 312
  • 가. 인공위성의 제어기 고장유형 및 사례 ... 312
  • 나. 큐브형 위성체에 적합한 제어기 설계 ... 313
  • (1) 고장이 없는 경우 ... 316
  • (2) 1번 휠 고장 ... 317
  • (3) 4번 휠 고장 ... 318
  • 다. 통합 제어 알고리즘 연구 ... 319
  • 4 절. FDIR 기법 검증(소프트웨어적/하드웨어적 기법 사용) ... 321
  • 1. 통합 소프트웨어 시뮬레이터 개발 ... 321
  • 가. 소프트웨어 시뮬레이터 개념 설계 ... 321
  • 나. 소프트웨어 시뮬레이터 상세 설계 ... 324
  • 다. 통합 소프트웨어 시뮬레이터 ... 334
  • 2. 위성체 지상 시험용 테스트베드를 이용한 FDI 성능 검증 ... 340
  • 가. 인공위성 자세추정 모델 연구 ... 340
  • 나. 우주환경을 고려한 자세추정 모델 연구 ... 342
  • 다. 위성체 지상 시험용 테스트베드 구축 ... 346
  • 라. 모의 위성체 및 구동기 통합제어 보드 설계 및 제작 ... 349
  • 마. 지상 테스트베드용 NESL 별 센서 개발 ... 352
  • (1) 지상 테스트베드용 별 센서 제작 ... 352
  • 바. 지상 제어시스템 GUI 프로그램 및 통합 제어보드 프로그램 개발 ... 359
  • 사. 지상 테스트 베드(Ground Test Bed) 실험용 GUI ... 362
  • (1) 인터페이스 ... 362
  • 아. 테스트 베드 자세 안정화를 통한 관성센서 FDI 성능 검증 ... 363
  • (1) 비례-미분 (PD) 제어기 ... 363
  • (2) 슬라이딩 모드 제어기 ... 365
  • 3. 3축 시뮬레이터 개발 ... 368
  • 가. 3축 자세제어 시뮬레이터 설계 동향 ... 368
  • 나. 3축 자세 시뮬레이터 회전 시스템 구조 연구 ... 371
  • 다. 3축 시뮬레이터 설계 ... 372
  • (1) 하드웨어 설계 ... 372
  • (2) 센서 및 인터페이스 보드 설계 ... 375
  • 4. 큐브위성을 통한 FDIR 기법 성능 검증 ... 377
  • 가. 2 unit 소형위성 ... 377
  • (1) QB50 프로젝트 및 SNUSAT-1 ... 377
  • 나. 시스템 요구사항 설정 ... 381
  • (1) 탑재체 ... 382
  • (2) 구조 ... 383
  • (3) 자세제어계(ADCS, Attitude Determination and Control System) ... 383
  • (4) 전력계 ... 384
  • (5) 통신계 ... 384
  • (6) OBC(on-board computer) ... 384
  • (7) 지상국 ... 385
  • (8) 발사부분 ... 385
  • (9) 궤도 ... 385
  • (10) 운용모드 ... 385
  • 다. 시스템 개념설계 및 운영개념 ... 387
  • (1) 탑재체 ... 387
  • (2) 구조계 ... 388
  • (3) 궤도 ... 388
  • (4) 전력제어계 ... 388
  • (5) 열제어계 ... 389
  • (6) 자세제어 ... 389
  • (7) 탑재컴퓨터 및 비행 S/W ... 390
  • (8) 통신 및 지상국 ... 390
  • 라. SNUSAT-1 시스템 통합 ... 391
  • 제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 393
  • 1 절. 연도별 연구개발결과 ... 393
  • 2 절. 관련분야의 기여도 ... 398
  • 3 절. 연구목표 달성도 ... 399
  • 1. 연구개발의 최종목표 ... 399
  • 2. 연차별 연구개발 목표 및 내용 ... 399
  • 3. 계획대비 달성도 ... 400
  • 가. 1차년도 ... 400
  • 나. 2차년도 ... 401
  • 다. 3차년도 ... 402
  • 라. 4차년도 ... 403
  • 마. 5차년도 ... 404
  • 4. 세부연구목표 및 가중치 ... 404
  • 제 5 장 연구개발결과의 활용계획 ... 405
  • 1 절. SNUSAT-1을 통한 활용계획 ... 406
  • 1. 과학적 임무 목적 ... 406
  • 가. 열권 저층부 관측임무 ... 406
  • (1) 임무 배경 및 목적 ... 406
  • (2) 임무 목표 ... 406
  • (3) 큐브위성 사용 장점 ... 406
  • 나. 큐브위성 항력계수 모델링 ... 407
  • (1) 임무 배경 및 목적 ... 407
  • (2) 임무 목표 ... 407
  • 2. 기술적 임무 목적 ... 408
  • 가. 인공위성 FDIR 알고리즘 검증 ... 408
  • (1) 인공위성 FDIR 알고리즘 검증 ... 408
  • (2) 상용 카메라를 이용한 지구 관측영상 촬영 ... 409
  • 2 절. SNUSAT-1 개발 계획 ... 411
  • 1. SNUSAT-1 개발 개요 ... 411
  • 가. 센서 및 부품 수급 계획 ... 412
  • 나. 환경시험 ... 412
  • 다. 발사 ... 413
  • 3 절. 국제공동연구개발 추진계획 ... 414
  • 1. QB50 Project ... 414
  • 2. GENSO ... 414
  • 3. 한중일 지상국 협력사업 ... 414
  • 4. UN 우주교육 프로젝트 ... 414
  • 제 6 장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 415
  • 제 7 장 참고문헌 ... 419
  • 끝페이지 ... 423

연구자의 다른 보고서 :

참고문헌 (25)

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