KR100533439B1 - 데오도라이트를 이용한 위성체 얼라인먼트 측정 및 3차원좌표 계산 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 2대 이상의 데오도라이트를 사용한 위성체 얼라인먼트의 측정이 가능하도록 하는 것으로, 더욱 상세하게는 우주 궤도에서 위성체의 자세제어 센서 및 탑재 센서(카메라, 통신, 방송용 안테나 및 해양 기상 센서 등)가 상호간의 위치 좌표 정보를 가지고 위성체 자체의 자세제어를 하면서 지구상에 목표로 하는 지점에 대한 사진을 찍거나 통신 방송 중계 등을 할 수 있도록 지상에서 각 센서의 위치 좌표를 측정하기 위한 데오도라이트를 이용한 위성체 얼라인먼트 측정 및 3차원 좌표 계산 방법에 관한 것이다.

본 발명은 기준 입방 면경(3)의 두 방향에 높이를 맞추어 데오도라이트(T1, T2)를 설치하고 상기 데오도라이트(T2)를 면경(2)에 맞추어진 데오도라이트(T3)와 서로 마주보도록 하는 과정과, 기준 입방 면경(3)와 데오도라이트(T1, T2)를 오토콜리메이션하는 과정과, 데오도라이트(T3)와 마주보는 데오도라이트(T2)의 수평각을 0°나 180°로 입력하는 과정과, 데오도라이트(T2, T3)를 오토콜리메이션하고 데오도라이트(T2)에서의 수평각과 수직각을 기록하여 센서의 수평각과 수직각을 얻는 과정을 포함함을 특징으로 하는 것이다.

Description

데오도라이트를 이용한 위성체 얼라인먼트 측정 및 3차원 좌표 계산 방법{Theodolite}

본 발명은 2대 이상의 데오도라이트를 사용한 위성체 얼라인먼트의 측정이 가능하도록 하는 것으로, 더욱 상세하게는 우주 궤도에서 위성체의 자세제어 센서 및 탑재 센서(카메라, 통신, 방송용 안테나 및 해양 기상 센서 등)가 상호간의 위치 좌표 정보를 가지고 위성체 자체의 자세제어를 하면서 지구상에 목표로 하는 지점에 대한 사진을 찍거나 통신 방송 중계 등을 할 수 있도록 지상에서 각 센서의 위치 좌표를 측정하기 위한 데오도라이트를 이용한 위성체 얼라인먼트 측정 및 3차원 좌표 계산 방법에 관한 것이다.

인공위성은 지구주위를 궤도비행 하면서 지상의 지시에 따라 자체적으로 자세 제어 뿐만 아니라 특정의 임무를 수행 할 수 있도록 운용된다.

또한 위성체는 우주 궤도상에서 계획된 수명기간 동안 고장이나 파손 없이 계획된 임무를 수행해야 하는데 항공기나 원자력 발전소 등은 시작품 등을 통하여 고장이나 보수가 충분히 가능한 일이지만, 인공위성의 경우 일단 우주궤도에 진입하게 되면 위성체 수리가 거의 불가능한 일이 된다.

따라서 인공위성이 로켓에 의해 우주 궤도에 진입하기 전에 지상에서 엄격하게 인공위성을 조립하고 각종 시험을 수행하게 되며, 이러한 위성체의 조립 및 시험 과정 중 하나가 위성체 정렬 측정이다.

인공위성이 우주궤도상에서 성공적인 임무를 수행하기 위해서는 정밀하고 정확한 정렬 측정이 요구되며, 위성체에 설정된 좌표계에서 방향좌표가 요구되는 자세제어 및 탑재체용 부분품들에 대한 측정 허용오차는 0.1°~ 0.7°(decimal degree)이다.

즉 위성체 정렬 측정은 위성체에 탑재되는 주요 자세제어센서 및 장치와 3차원 정밀 카메라 등의 탑재 센서를 위성체에 설치된 기준 입방 면경(reference cubic mirror)을 기준으로 했을 때 요구하는 방향좌표의 허용오차 이내로 조립이 되었는지 여부를 확인하는 것이다.

또한 정렬된 상태에서의 위성체 좌표계의 정확한 방향좌표를 측정하여 지상에 위치한 위성체 관제부에서 위성체의 자세제어 등에 사용하도록 제공하게 된다.

종래 위성체 얼라인먼트 시스템 및 측정방법은 국내 발명특허 제0298650호에 개시된 바와 같이 위성체 얼라인먼트의 정밀 측정을 위해서 데오도라이트, 회전 테이블, 방진대 및 데이터 처리 시스템 등을 구성하여 수행하고 있다.

그러나 이러한 종래의 측정방법은 자세제어 및 탑재체용 부분품을 위성체에 정확하게 정렬시킬 수 없었으며, 정밀한 방향좌표 측정값을 알지 못하여 위성체의 자세제어를 어렵게 하고, 탑재체의 임무 수행능력을 향상시키는 데 한계가 있었다.

이에 본 발명은 이러한 종래의 결점을 해소시키 위하여 안출된 것으로 자동시준(autocollimation)에 의한 위성체 정렬 측정 이론에 대하여 기술하고 데오도라이트를 사용하여 위성체 정렬을 측정할 수 있는 측정 방법 및 측정 데이타의 3차원 좌표 계산 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 2대 이상의 데오도라이트를 사용하여 위성체 얼라인먼트의 측정기술을 제공하는 것이다.

본 발명은 위성체의 정렬 측정 작업을 통하여 자세제어 및 탑재체용 부분품을 위성체에 정확하게 정렬시킬 수 있도록 하는 것이다.

본 발명은 정밀한 방향좌표 측정값을 제공하여 효과적인 위성체의 자세제어가 가능하며 탑재체의 임무 수행능력을 향상시킬 수 있도록 하는 것이다.

본 발명은 정렬 측정 방법을 이용하여 항공기의 자동 항법 시스템의 정렬 측정, 유도 무기나 로켓의 자세제어 및 자동 항법 시스템의 정렬 측정에 이용할 수 있도록 하는 것이다.

데오도라이트(20)는 수평각(horizontal angle) 및 수직각(vertical angle)을 측정하는 장비이다.

일반적으로 데오도라이트(20)는 건축 및 토목 분야의 측지·측량에서 많이 사용하고 있는 범용 데오도라이트로 알려져 있다.

그러나, 비접촉식 측정의 고정밀도의 요구에 따라 보다 정밀한 데오도라이트가 개발되어 사용되고 있다.

위성체의 정렬에 사용되고 있는 데오도라이트(20)는 도 1 에서와 같이 플러그 인 램프(plug in lamp)(22)와 같은 광원을 구비하고, 최소한 1"(decimal degree second)의 분해능(resolution)을 가지고 있는 데오도라이트를 사용하여야 한다.

방향좌표 측정에서 필수장비인 데오도라이트는 망원경이면서 수직 축(vertical axis)을 기준으로 하여 수평각을 측정하며 수평 축(horizontal axis)을 기준으로 하여 수직각을 측정할 수 있게 되어 있다.

데오도라이트의 높이 조절기(tilting screw)를 조정하면 데오도라이트의 수직 축이 중력의 반대방향이 되며 이것이 수직각의 영점기준이 되고 수평각의 영점은 사용자 임의로 정의할 수 있도록 되어 있다. 도 1에서 미설명 번호 21은 대안렌즈, 23은 초점을 조절하는 포커싱 슬리브(focusing sleeve), 25는 대물렌즈, 27은 수직조정 스크류를 나타낸다.

데오도라이트의 좌표계는 도 2 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 되며, 이 좌표계를 이용하여 데오도라이트는 수직각이 측정되는 틸팅 축(Tilting axis)과 수평각이 측정되는 스탠딩 축(Standing axis)의 2개의 회전축을 갖게 된다.

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 3, 4 와 같이 평행 광선으로 목표물까지 전달된다.

도 3 은 면경의 면에 90°인 평행 광이 십자선에 반사된 형상과 일치하는 것을 나타내고 있고, 도 4 는 면경이 각 δ 만큼 기울어져 있어 반사광이 2δ 만큼 십자선과 반사된 형상이 일치하지 않는 것을 나타내고 있다.

도 5 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 거울면(mirror surface)의 수직선상에 놓이게 되며 그 수직선의 수평각 및 수직각을 측정할 수 있다.

위성체 정렬이 요구되는 센서 및 장치에는 반사율이 최소한 λ/4인 면경(mirror) 혹은 입방 면경(cubic mirror)이 설치된다.

보통 1차원 혹은 2차원 운동을 하는 자세 제어 장치의 경우 면경을 사용하고, 3차원 운동을 하는 장치의 경우 입방 면경을 정렬용 타겟(target)으로 사용하거나, 면경을 통상 90°각도로 두 개 설치하게 된다.

그러나 3차원 운동을 하는 자세제어용 센서 및 장치의 경우에 자체의 특성상 입방면경의 설치가 어려운 경우에는 브라켓(bracket) 등에 면경을 설치하여 정렬 측정을 하기도 한다.

위성체 평판(12) 위에 툴링 볼(tooling ball)(13)을 설치하여, 도 7 에 도시한 바와 같이 데오도라이트로 확인하면서 위성체 평판(12)이 수평이 되도록 위성체 조립용 보조 장비의 높낮이를 조절하여 위성체(1)가 수평이 되도록 한다.

다음에 위성체 정렬 측정을 위한 자동시준을 수행하기 위하여 데오도라이트의 수직 방향이 지구 중력 반대방향을 향하므로 위성체의 +Z축 방향이 데오도라이트의 +Z축 방향과 동일하도록 위치시킨 상태에서 정렬이 요구되는 각 탑재 센서 등에 대한 3차원 방향좌표 측정을 수행한다.

그리고 데오도라이트를 위성체 X축 방향을 향하도록 하여 그 수평 값을 0°또는 180°로 설정함으로써 위성체에 정의된 3차원 직각좌표계를 데오도라이트와 동일하게 적용되도록 하였다.

위성체의 정렬 측정 기준은 위성체 설계시 결정되는 기준 입방 면경이 된다.

즉 정렬 측정으로 얻어지는 각 센서 및 장치의 수평각 및 수직각은 기준 입방 면경을 기준으로 하는 상대 각도가 되는 것이다.

따라서 위성체 정렬 측정을 위한 데오도라이트는 기준 면경의 방향에 각 한대씩 위치되어야 하고, 측정하고자하는 센서 및 장치의 1 혹은 2 방향에 각각의 데오도라이트가 위치되도록 하여야 한다.

위성체 정렬 측정은 도 8 에 도시한 바와 같이 기준 입방 면경(3)에 각 두 방향에 맞추어진 두 대의 데오도라이트(T1, T2)를 기준 입방 면경과 자동시준이 가능한 위치에서 데오도라이트의 수평 및 수직 조정 작업을 수행하였다.

또한 나머지 데오도라이트(T3)도 T2와 측정하고자 하는 센서 및 장치의 면경(2)에 대하여 자동시준이 가능한 위치에서 데오도라이트의 수평과 수직 조정 작업을 완료하였다.

다음에 데오도라이트(T1과 T2)를 기준 입방 면경의 각 대응되는 면경(2)과 자동시준을 하였다.

그리고 T3와 마주보게 되는 기준 입방 면경(3)에 자동시준된 데오도라이트(T2)의 수평각을 0°나 180°로 입력하였다.

이때 수직각은 데오도라이트와 기준 입방 면경(3) 사이의 자동시준으로 좌표계가 단일화되어 자동적으로 90°가 된다.

다음에 T2와 T3을 자동시준 하여 T2에서의 수평각과 수직각을 구하였다.

여기서 T2의 수평각과 수직각의 측정값을 T3에 입력함으로써 처음 수평각을 0°나 180°로 입력한 기준 입방 면경의 좌표를 T2를 통하여 그대로 T3에 전달하도록 하였다.

그리고 T3을 센서 및 장치의 면경에 자동시준 하였다. 이때 T3에서 측정되는 수평각과 수직각이 센서 및 장치의 수평각과 수직각이 된다.

또한 이때의 각도가 360°이상이 되는 경우 -360°를 하여 얻어진 값이 센서의 최종 수평각과 수직각이 된다.

한편, 위성체 밑면에 설치된 추진체의 이중 추력기 모듈(Dual thruster module)에 대해서도 정렬 측정이 수행될 수 있다.

이 경우, 위성체와 그 밑면의 추진체를 일체로 하여 눕힌 상태에서 4개의 조정 족을 사용하여 수평을 조정하였고, 3차원 방향 좌표 측정을 위해 데오도라이트를 배치시켜 정렬 측정을 수행하였다.

도 11 에는 정밀 태양센서(FSSA), 반작용 휠(RWA) 및 이중 추력기 모듈(DTM)에 대한 측정 결과를 나타내고 있다.

도 11 에서 센서 및 장치 명칭 뒤의 숫자는 설치된 개수를 나타내고 있다. 자이로(GRA)의 경우 정렬 타켓을 입방 면경으로 사용하여 ｘ, ｙ의 두 방향에 대하여 측정한 것을 나타내고, 다른 센서 및 장치는 면경을 사용하여 측정한 결과를 나타내고 있다.

각 센서 및 장치는 위성체 설계 시 요구되는 정렬 값이 설계되고, 장비의 특성 및 위성체 구조 변형률 등을 고려하여 허용오차 보다 큰 경우에는 앞에서 설명한 측정 각의 좌표 변환과 같이, 측정값의 좌표 변환을 통하여 심 작업을 한 후 재 측정 과정을 반복하였다.

도 11 의 측정값은 이러한 심 작업을 완료한 최종 값을 나타내고 있다. 최종 정렬 측정값이 설계 허용 오차(tolerance)의 범위에 모두 만족한 결과를 나타내고 있다.

그러나 이중 추력기 모듈의 경우 측정 오차 범위가 수평각의 경우 -0.5740 ~ +0.2880, 수직각의 경우 -0.0860 ~ +0.0770로 설계오차 범위에 근접한 값을 나타내고 있다.

데오도라이트를 임의의 거울 면에 대해 자동시준 하여 거울 면의 수직벡터에 대한 극좌표 값을 구하고 이를 직각좌표계로 변환하면 그 수직벡터에 대한 단위벡터 값도 구할 수 있다.

위 과정을 통하여 얻어진 수평각(AH) 및 수직각(AV)은 센서의 심(Shim) 작업을 위하여 3차원 좌표(ｘ, ｙ, ｚ) 값으로 다음과 같이 변환하여야 한다.

ｘ= sin(AV)X cos(AH)

ｙ= sin(AV)X{-sin(AH)}

ｚ= cos(AV)

도 5 에서 측정되는 수평각 및 수직각은 센서 및 장치의 심(shim) 작업을 위하여 상기의 식과 같이 코사인 법칙에 의하여 3차원 좌표 (x, y, z) 값으로 변환하여 사용된다.

정렬 측정 센서 및 장치의 정렬 측정값이 허용오차를 벗어나게 되면 부수적인 심 조정 작업을 수행한 뒤 재 측정하여야 한다.

일반적인 위성체 자세제어 센서 및 장치의 경우 정렬 측정값의 허용 오차는 0.1°~ 0.7°사이가 되며 초기 측정에서 허용오차를 벗어나면 해당 센서 및 장치와 위성체 사이의 체결부위에 20~100㎛의 얇은 심을 사용하여 조정 작업을 수행한 후 재 측정하여 허용 오차 이내에 있는지를 확인하여야 한다.

본 발명은 자동시준(autocollimation)에 의한 위성체 정렬 측정 이론에 대하여 기술하고 데오도라이트를 사용하여 위성체 정렬을 측정할 수 있는 측정 방법 및 측정 데이타의 3차원 좌표 계산 방법을 제공할 수 있는 것이다.

본 발명은 2대 이상의 데오도라이트를 사용하여 위성체 얼라인먼트의 측정기술을 제공할 수 있는 것이다.

본 발명은 위성체의 정렬 측정 작업을 통하여 자세제어 및 탑재체용 부분품을 위성체에 정확하게 정렬시킬 수 있도록 하는 것이다.

본 발명은 정밀한 방향좌표 측정값을 알게 됨으로써 보다 효과적인 위성체의 자세제어가 가능하며 탑재체의 임무 수행능력 또한 향상될 수 있도록 하는 것이다.

본 발명은 이러한 정렬 측정 방법을 이용하여 항공기의 자동 항법 시스템의 정렬 측정, 유도 무기나 로켓의 자세제어 및 자동 항법 시스템의 정렬 측정에 이용할 수 있으며 정렬 측정값을 사용하여 보다 정밀한 자세 제어를 함으로써 성능 향상이 가능 하도록 하는 것이다.

본 발명은 데오도라이트를 이용한 위성체 정렬 측정은 3대에서 4 대의 데오도라이트와 위성체 조립용 보조 장비만을 이용한 측정 방법으로 위성체 정렬을 간단하게 측정하여 정렬을 조정할 수 있도록 하는 것이다.

도 1 은 본 발명의 데오도라이트에 대한 평면도

도 2 는 본 발명의 데오도라이트를 이용한 직각좌표계의 각축에 대한 설정상태도

도 3 은 본 발명의 자동시준에 대한 면경의 면에 90°인 평행 광이 십자 선에 반사된 형상과 일치함을 나타낸 상태도

도 4 는 본 발명의 자동시준에 대한 면경이 각 δ 만큼 기울어져 있어 반사광이 2δ 만큼 십자선과 반사된 형상이 일치하지 않는 것을 나타낸 상태도

도 5 는 본 발명의 면경에서의 입사각 α 및 반사각 β의 관계를 나타낸 상태도

도 7 은 본 발명의 위성체 평판 위에 툴링 볼을 설치한 상태도

도 8 은 본 발명의 위성체 정렬 측정 상태의 평면도

도 11 에는 정밀 태양센서(FSSA), 반작용 휠(RWA) 및 이중 추력기 모듈(DTM)에 대한 측정값

[도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명]

1 : 위성체 2, 10, 11 : 면경

3 : 기준입방 면경

12 : 위성체 평판 13 : 툴링 볼

20, T1, T2, T3 : 데오도라이트

Claims (3)

1. 우주 궤도에서 위성체의 자세제어 센서 및 탑재 센서의 상호간 위치 좌표 정보를 가지고 위성 자체의 자세제어를 하면서 지구상에 목표로 하는 지점에 대한 사진을 찍거나 통신 방송 중계 등을 할 수 있도록 지상에서 각 센서의 위치 좌표를 측정함에 있어서,

   기준 입방 면경(3)의 두 방향에 높이를 맞추어 데오도라이트(T1, T2)를 설치하고 상기 데오도라이트(T2)를 면경(2)에 맞추어진 데오도라이트(T3)와 서로 마주보도록 하는 과정과,

   기준 입방 면경(3)과 데오도라이트(T1, T2)를 오토콜리메이션 하는 과정과,

   데오도라이트(T3)와 마주보는 데오도라이트(T2)의 수평각을 0°나 180°로 입력하는 과정과,

   데오도라이트(T2, T3)를 오토콜리메이션하고 데오도라이트(T2)에서의 수평각과 수직각을 기록하여 센서의 수평각과 수직각을 얻는 과정을 포함하는 데오도라이트를 이용한 위성체 얼라인먼트 측정 방법.
2. 측정 데이타를 통하여 얻어진 수평각(AH) 및 수직각(AV)은 센서의 심(Shim) 작업을 위하여 3차원 좌표(ｘ, ｙ, ｚ) 값으로

   ｘ= sin(AV)X cos(AH)

   ｙ= sin(AV)X{-sin(AH)}

   ｚ= cos(AV)와 같이 변환함을 특징으로 하는 데오도라이트를 이용한 위성체 얼라인먼트의 3차원 좌표 계산 방법.
3. 제1항에 있어서, 수직각과 수평각을 데오도라이트(T3)에 입력하여 센서의 수평각과 수직각이 360°이상이 되는 경우 -360°를 하여 얻어진 값이 센서의 최종 수평각과 수직각이 되도록 함을 특징으로 하는 데오도라이트를 이용한 위성체 얼라인먼트 측정 방법.