KR100431543B1 - 위성체 반작용 휠 얼라인먼트 측정용 타켓미러의 측정방법및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 우주 궤도에서 위성체의 자세제어를 위해 위성체의 발사전 지상 시험의 일종으로 얼라인먼트를 측정하기 위한 미러 브라켓의 제작과 타켓 미러의 오차를 측정하여 정확한 자세제어를 가능하게 하는 위성체 반작용 휠 얼라인먼트 측정용 타켓미러의 측정방법 및 장치에 관한 것이다.

따라서 광학 면경(1')이 직각으로 설치되는 고정대(2)를 갖는 미러 브라켓(3)과, 상기 미러 브라켓(3)과 보조 브라켓(4)이 설치되는 경사면(12)의 4곳에 조립공(10)을 설치하여 연결공(6, 9)에서 고정보울트(8)로 경사지게 고정되는 반작용 휠(5)을 구성하여 인공위성 자세제어 센서인 반작용 휠의 얼라인먼트 측정뿐만 아니라 방향성이 요구되는 항공기 및 인공위성의 자세제어용 센서의 얼라인먼트 측정이나 3차원 좌표 측정시 동일한 방법으로 장치를 제작하여 사용할 수 있도록 하는 것이다.

Description

위성체 반작용 휠 얼라인먼트 측정용 타켓미러의 측정방법 및 장치{a}

본 발명은 우주 궤도에서 위성체의 자세제어를 위해 위성체의 발사전 지상 시험의 일종으로 얼라인먼트를 측정하기 위한 미러 브라켓의 제작과 타켓 미러의 오차를 측정하여 정확한 자세제어를 가능하게 하는 위성체 반작용 휠 얼라인먼트측정용 타켓미러의 측정방법 및 장치에 관한 것이다.

우주 궤도에서 위성체의 자세제어를 위해 위성체의 발사전 지상 시험의 일종으로 얼라인먼트를 측정한다.반작용 휠에 대한 얼라인먼트 측정은 반작용 휠과 위성체 구조체의 종류에 따라 얼라인먼트 측정의 유무를 결정하였다.즉 위성체의 구조적 안정성이 확실하여 위성 발사체의 진동 영향을 받지 않고, 이에 따라 설계된 반작용 휠 위치 좌표만으로 지상에서의 반작용 휠 조정이 가능한 경우에는 얼라인먼트 측정을 수행하지 않았다.그리고, 위성체 얼라인먼트 측정이 요구되는 경우에는 GPS 시스템 등에 의해 반작용 휠이 설치된 방향만을 확인하기도 하였다.그러나 위성체에 탑재되는 고성능 카메라나 통신용 안테나의 기능이 고정밀화 됨에 따라 우주 궤도상에서의 위성체 자세 제어에 대한 요구가 더욱 엄격해 짐에 따라 정밀한 얼라인먼트 측정이 요구되고 있으며, 위성 선진국에서는 이에 대한 측정 기술을 자체 노-하우로서 대외적인 유출을 꺼리고 있는 실정이다.

얼라인먼트 측정은 측정 기준을 위한 기준 입방 면경(Master Cube)에 대한 각 자세제어용 센서 혹은 탑재 센서에 부착된 타켓 미러(Taget Mirror)의 상대적인 3차원 좌표를 측정하는 것이다.

대부분의 자세제어용 센서 혹은 탑재 센서에서는 얼라인먼트 측정의 정확성을 위하여 제작시 타켓 미러를 보울트 혹은 접착제를 이용하여 장착하지만 반작용 휠(Reaction Wheel)은 장치의 민감성과 미러 설치 위치의 제한성 등으로 얼라인먼트의 측정을 위한 타켓 미러를 설계하고 제작·검증을 거쳐야 한다.우주궤도에서 운용되는 위성체는 그 임무에 따라 통신 위성, 지구 관측 위성 등으로 분류될 수 있다. 이러한 위성체는 그 임무 특성에 따라 지상에서 명령하는 대로 자세를 유지해야 한다.즉, 지구를 관측하기 위해 탑재된 고성능 카메라를 지상의 일정 위치에 맞추기 위해서는 위성 본체에 설치된 반작용 휠, 자이로, 정밀 태양 센서 등과 같은 자세 제어 센서의 좌표를 정확하게 알아야 위성체의 자세를 조정할 수 있는 것이다.또한 위성체가 계획된 우주 궤도 상태를 벗어난 경우에도 이러한 자세 제어 센서를 사용하여 궤도를 맞추게 된다.반작용 휠(Reaction Wheel)도 상기의 위성체 자세 제어 센서 중 하나로 위성체 본체에 설치된다.이러한 자세제어 센서들의 좌표는 위성체의 x, y 및 z 축의 기준 위치에 설치되는 기준 면경(Reference Cube Mirror)에 대한 상대 각도에 의하여 측정 각도가 측정되어야 지상 관제부에서 계획된 위성체의 자세를 맞출 수 있게 된다.또한, 위성체가 위성 발사체에 의해 우주궤도에 돌입하게 되는데 이때, 격심한 진동을 겪게 되어 구조적 변형이 발생할 가능성이 있으므로 지상에서의 진동 환경 시험 전·후에 얼라인먼트를 측정하여 구조적 변형률도 측정한다.

본 발명은 위성체의 자세제어용 장치인 반작용 휠의 얼라인먼트를 측정하는 미러 브라켓과 타켓 미러를 제공한다.

본 발명은 타켓 미러의 3축에 데오도라이트를 설치하여 얼라인먼트의 측정이나 3차원 좌표 측정이 가능하도록 하는 것이다.

본 발명은 광학 면경이 직각으로 설치되는 고정대를 갖는 미러 브라켓과,

상기 미러 브라켓과 보조 브라켓이 설치되는 경사면의 4곳에 조립공을 설치하여 연결공에서 고정 보울트로 경사지게 고정되는 반작용 휠을 설치함을 특징으로 하는 것이다.

도 1 은 본 발명의 설치상태 정면도

도 2 는 본 발명의 설치상태 일부절개 측면도

도 3 은 본 발명의 측정방법을 나타낸 설치상태 평면도도 4 는 본 발명의 데오도라이트 좌표계에 대한 상세도도 5 는 본 발명의 면경에 90°인 평행광이 십자선에 반사된 형상과 일치하는 상세도도 6 은 본 발명의 면경에 각δ 만큼 기울어져 반사각이 2δ 만큼 십자선과 반사된 형상이 일치하지 않는 상태도도 7 은 본 발명의 면경에서 입사각 α 및 반사각 β의 관계도

[도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명]

1 : 타켓 미러 1' : 광학 면경

2 : 반작용 휠 3 : 미러 브라켓

4 : 보조 브라켓 5 : 반작용 휠

6, 9 : 연결공 7 : 여유공

8 : 고정 보울트 10 : 조립공

12 : 경사면 13 : 입방 면경

본 발명은 미러 브라켓(3)을 설치하기 위하여 직접 위성용 반작용 휠에 설치할 수 없으므로, 반작용 휠의 설치 각도와 동일한 각도의 경사면(12)을 갖도록 한다.

밑면의 편평도가 0.1㎜이하인 모조 반작용 휠(5)을 구성하며, 경사면(12)의 4곳에 조립공(10)을 형성한다.

반작용 휠(5)의 조립공(10)에 일치하는 연결공(9)을 형성한 보조 브라켓(4)을 설치하고, 보조 브라켓(4)의 상측으로 연결공(6)이 형성된 미러 브라켓(3)을 형성하여 연결공(6, 9)에서 고정 보울트(8)로 반작용 휠(5)의 조립공(10)에 연결시킨다.

이때 반작용 휠(5)과 조립공(10) 및 경사면(12)은 위성용 반작용 휠과 동일한 위치와 크기로 제작한다.

미러 브라켓(3)은 알루미늄 등의 재질로 제작하여 위성용 반작용 휠(5)의 조립공(10)에서 동일한 위치에 조립할 수 있도록 한다.

미러 브라켓(3)의 상단 중앙에는 고정대(2)를 형성하여 직각을 이루도록 하고, 직각이 확인된 상태에서 접착제를 사용하여 파장이 λ/4인 광학 면경(1')을 수직으로 설치하여 타켓 미러(1)의 설치작업을 완료한다.

미러 브라켓(3)의 고정 보울트(8)가 4곳에 설치되어 있으며, 양측으로 2개씩의 여유공(7)을 설치한다.

본 발명은 도 3 과 같이 타켓 미러(2)의 후방과 측면으로 데오도라이트(A, B)를 설치하고 정면으로 또하나의 데오도라이트(C)를 설치한다.

상기 데오도라이트(A, B, C)에는 타켓 미러(2)를 향하여 입방 면경(13)이 설치되어 있다.얼라인먼트 측정은 위성체에 설치되는 자세제어 센서 자체에 얼라인먼트 측정용 면경이 설치되지 않아 얼라이먼트 측정용 타켓 미러를 제작하는 경우에 혹은 위성체 자세제어 센서가 모두 설치된 위성 시스템의 얼라인먼트를 위하여 데오도라이트를 사용하여 측정하게 된다.본 발명은 반작용 휠 자체에 얼라인먼트 측정용 타켓이 설치되지 않아 측정용 타켓 미러를 제작하는 경우에 데오도라이트를 사용한 것을 출원 내용으로 하였다.이때, 얼라인먼트 측정을 위한 데오도라이트의 위치는 측정용 타켓과 일정 위치 즉 2~4(m) 정도 떨어진 위치에서 측정됩니다.데오도라이트는 수평각(horizontal angle) 및 수직각(vertical angle)을 측정하는 장비이다.특히, 위성체의 얼라인먼트에 사용되는 데오도라이트는 광원을 발생할 수 있고 최소한 1″(decimal degree second)의 분해능(resolution)을 가지고 있는 데오도라이트를 사용하여야 한다.이는 위성체의 정렬 측정을 요구하는 센서 및 장치의 최대 측정 요구 조건이 0.1°이상이기 때문이다.데오도라이트의 좌표계는 도 4 와 같이 직각 좌표계가 사용되어 X축은 데오도라이트의 수평 원판 위에 영점을 통하여 설정되고, Y 축은 수평 원판의 X축에 직각인 방향을 통하여 설정되며, Z 축은 오른손 법칙에 따라 다른 2 개의 축과 수직인 것으로 설정되어 운용된다.이때 데오도라이트의 원점이 측정의 중심이 된다. 이 좌표계를 이용하여 데오도라이트는 수직각이 측정되는 틸팅 축(Tilting axis)과 수평각이 측정되는 스탠딩 축(Standing axis)의 2개의 회전축을 갖게 된다.즉, 데오도라이트의 X축과 Y축이±0.1″까지 수평 레벨이 맞추어졌을 때 원점이 틸팅 축이 되어 수직원을 형성하게 되고 데오도라이트 대물렌즈의 수직 이동에 따라 수직 방향으로 수직각(AV)이 측정되고 데오도라이트의 수직 축 Z가 ±0.1″까지 수직 레벨이 맞추어 졌을 때 원점이 스탠딩 축이 되어 수평 원을 형성하게 되어 데오도라이트 대물렌즈의 수평 이동에 따라 수평 방향으로 수평각(AH)이 측정된다.

이러한 구성으로 이루어진 본 발명은 타켓 미러(1)를 측정하기 위하여 지면이 고르고, 내·외부의 진동이 없는 장소에 석정반 혹은 편평도가 좋은 평판에서 타켓 미러(1)가 설치된 미러 브라켓(3)과 반작용 휠(5)을 결합하여 올려놓는다.

반작용 휠(5)의 반대쪽에 직각자로 직각을 확인한 위치에 입방 면경(Cube Mirror)을 설치한다.

각도를 정밀 측정하는 데오도라이트 2대를 입방 면경(13) 2면의 정면에 설치하여 타켓 미러(1) 정 반대면을 측정하는 데오도라이트를 A라 하고, 이 입방 면경(13)의 수직 방향면을 측정하는 데오도라이트를 B라고 하며, 미러 브라켓(3)에 설치된 타켓 미러(1) 정면에 설치되어 측정하는 데오도라이트를 C라고 한다.

먼저, 타켓 미러(1) 정 반대면에 있는 입방 면경(13)의 수평각이 0°0′0″, 수직각이 90°0′0″가 되도록 하고, 이 면의 직각에 있는 입방 면경(13)의 수평각이 90°0′0″, 수직각이 90°0′0″가 되도록 조정한다.광학 장비를 이용하여 시준(collimation)을 한다는 것은 렌즈나 광선을 평행하게 하는 것을 의미한다. 즉 시준은 측정 면경(measurement mirror)에 광선을 90°로 평행하게 맞추어 빛이 자체의 경로를 따라 반사되도록 하는 것이다.그리고 자동시준은 광학적으로 반사율이 λ/4 이상인 면경에 망원렌즈를 무한대로 초점을 맞추어 빛이 자체의 경로를 따라 반사되도록 하는 일련의 과정이다.망원렌즈부의 초점면에 위치한 광원으로부터 만들어진 십자선은 대안렌즈부에서 방사되어 도 5 와 도 6 과 같이 평행 광선으로 목표물까지 전달된다.도 5 는 면경의 면에 90°인 평행광이 십자선에 반사된 형상과 일치하는 것을 나타내고 있고, 도 6 은 면경이 각 δ 만큼 기울어져 있어 반사광이 2δ 만큼 십자선과 반사된 형상이 일치하지 않는 것을 나타내고 있다.도 7 에서는 면경에서의 입사각 α 및 반사각 β의 관계를 나타내고 있고, 면경이 수직인 경우에 반사 입사각과 반사각이 0이 된다.이와 같이 데오도라이트의 입사선을 측정 대상에 부착된 거울면의 수직선에 일치시켜 반사되도록 하면 데오도라이트는 거울 면(mirror surface)의 수직선상에 놓이게 되며 그 수직선의 수평각 및 수직각을 측정할 수 있다.

입방 면경의 위치 조정이 완료되면, 데오도라이트(A, B)를 오토-콜리메이션 (Auto-Collimation)한다.

이때 타켓 미러(1) 반대편을 측정한 데오도라이트(A)의 오토-콜리메이션된 수평각 값에 180°를 더한 후 360°를 뺀 값을 데오도라이트(B)에 수평각으로 입력한다.

다시 데오도라이트(B)와 데오도라이트(C)를 오토-콜리메이션하고, 수평각이입력된 상태에서 측정된 데오도라이트(B)에서 측정되는 수평각 값에 180°를 더한 후 360°를 뺀 값을 데오도라이트(C)에 수평값으로 입력한다.

수평각이 입력된 상태에서 데오도라이트(C)와 타켓 미러(1)를 오토-콜리메이션하여 이때 수평각의 값이 180° 0' 0" 가 되는지를 확인한다.

만약 180°0' 0" 가 되지 않는 경우에는 미러 제작상의 오차 혹은 반작용 휠(5)의 경사면(12)이 제작상의 오차로 판단하여 이 차이값을 실제 반작용 휠의 측정시 계산하여야 한다.

본 발명은 인공위성 자세제어 센서인 반작용 휠의 얼라인먼트 측정뿐만 아니라 방향성이 요구되는 항공기 및 인공위성의 자세제어용 센서의 얼라인먼트 측정이나 3차원 좌표 측정시 동일한 방법으로 장치를 제작하여 사용할 수 있는 효과를 제공한다.

Claims (3)

1. 타켓 미러 정 반대면에 있는 입방 면경의 수평각이 0°0′0″, 수직각이 90°0′0″ 가 되도록 하고, 이 면의 직각에 있는 입방 면경의 수평각이 90°0′0″, 수직각이 90°0′0″가 되도록 조정하는 과정과,

   입방 면경의 위치 조정이 완료되면, 데오도라이트(A, B)를 오토-콜리메이션 하여 타켓 미러(1) 반대편을 측정한 데오도라이트(A)의 오토-콜리메이션된 수평각 값에 180°를 더한 후 360°를 뺀 값을 데오도라이트(B)에 수평각으로 입력하는 과정과,

   다시 데오도라이트(B)와 데오도라이트(C)를 오토-콜리메이션하고, 수평각이 입력된 상태에서 측정된 데오도라이트(B)에서 측정되는 수평각 값에 180°를 더한 후 360°를 뺀 값을 데오도라이트(C)에 수평값으로 입력하는 과정과,

   수평각이 입력된 상태에서 데오도라이트(C)와 타켓 미러를 오토-콜리메이션하여 이때 수평각의 값이 180°0′0″가 되는지를 확인하여 오차를 측정함을 특징으로 하는 위성체 반작용 휠 얼라인먼트 측정용 타켓미러의 측정방법.
2. 위성체의 자세제어용 장치인 반작용 휠(5)의 얼라인먼트 측정을 위한 미러 브라켓에 있어서,

   광학 면경(1')이 직각으로 설치되는 고정대(2)를 갖는 미러 브라켓(3)과,

   상기 미러 브라켓(3)과 보조 브라켓(4)이 설치되는 경사면(12)의 4곳에 조립공(10)을 설치하여 연결공(6, 9)에서 고정보울트(8)로 경사지게 고정되는 반작용 휠(5)을 구성함을 특징으로 하는 위성체 반작용 휠 얼라인먼트 측정용 타켓미러의 측정장치.
3. 제2항에 있어서, 타켓 미러(1)의 후방과 측면에 데오도라이트 (A, B)를 설치하고, 타켓 미러(1)의 전방으로 데오도라이트(C)를 설치하여 타켓미러(1)를 측정하도록 함을 특징으로 하는 위성체 반작용 휠 얼라인먼트 측정용 타켓미러의 측정장치.