KR100793058B1 - 지향 목표 궤적 근사화를 이용한 위성 자세 제어 방법 - Google Patents

지향 목표 궤적 근사화를 이용한 위성 자세 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 임무 계획 시스템에서 주어진 지상의 목표 지점 정보를 바탕으로 위성의 목표 궤적을 생성하고 위성의 현재 위치에 따라 위성의 자세를 자동으로 계산하여 임무 계획에 반영하도록 하는 지향 목표 궤적 근사화를 이용한 위성 자세 제어 방법에 관한 것으로, 적어도 하나 이상의 목표 지점의 좌표정보를 입력받는 단계; 상기 입력받은 목표 지점의 좌표정보들을 바탕으로 다항식을 이용한 근사화 방식과, 푸리에(Fourier) 급수를 이용한 근사화 방식 및 신경망을 이용한 근사화 방식 중 적어도 어느 하나의 방식을 선택적으로 이용하여 상기 입력된 모든 목표 지점을 지나는 목표 궤적을 생성하는 목표 궤적 생성 단계; 및 상기 위성의 현재 궤도에서의 위치를 파악하여, 상기 위성의 현재 위치와 상기 목표 지점의 좌표 정보를 이용하여 상기 생성된 목표 궤적에 대한 상기 위성의 자세각(자세 궤적)을 계산하여 상기 위성의 자세 제어에 적용되도록 하는 단계를 포함한다.
위성 관제국, 위성 자세 제어, 영상촬영 계획, 안테나 포인팅, 자세각, 목표지점

Description

지향 목표 궤적 근사화를 이용한 위성 자세 제어 방법{Attitude control method using target track approximation}
도 1은 본 발명이 이용되는 위성의 영상촬영 계획 및 안테나 포인팅의 개념도,
도 2는 본 발명이 적용되는 지구관측 영상촬영 인공위성에 대한 지상 시스템의 구성예시도,
도 3은 본 발명에 따라 위성의 영상촬영 궤적 및 안테나 포인팅을 생성하는 개념을 설명하기 위한 도면,
도 4는 본 발명에 따른 지향 목표 궤적 근사화를 이용한 위성 자세 제어 방법에 대한 일실시예 흐름도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 위성 11 : 궤도
12 : 목표 지점 13 : 지구
201 : 위성 관제국 202 : 위성 영상 처리국
203 : 위성 임무분석 계획부 시스템 204 : 궤도 및 자세역학 처리부
205 : 임부 계획부 206 : 위성 안테나부 시스템
207 : 위성 운용부 시스템
208 : 위성 시뮬레이터부 시스템 209 : 위성 영상 처리부 시스템
210 : 위성 영상 계획부 시스템
211 : 목표 궤적 생성 및 자세 계산부 212 : 근거리 통신망(LAN)
본 발명은 위성의 영상촬영계획 및 안테나 포인팅 등에 활용할 수 있는 위성 자세 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 위성이 영상촬영 지점이나 안테나 지향 지점 등의 지상 목표 지점을 신속하게 파악하여 자세를 조정할 수 있도록 하는, 지향 목표 궤적 근사화를 이용한 위성 자세 제어 방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 항공 우주 분야의 위성 제어 기술 중 지상에서 수행하는 기술을 자동화하여 최적의 위성 자세 궤적과 촬영 궤적을 찾아내기 위한 기술이다.
하지만, 이러한 기술은 관제소 운용자가 실수를 할 가능성을 다분히 가지고 있으며, 적절한 궤적생성이 이루어지지 않을 때 원하는 영상획득이 불가능하여 위성의 임무를 제대로 수행할 수 없다. 그리고 영상촬영의 특성상 목표 궤적생성은 중요하며, 위성의 자세 및 궤도 조정과 연계되어 계획을 수립하여야 한다.
일반적으로, 종래의 기술은 지상 관측의 한 지점을 촬영하기 위한 것으로, 다양하게 자세를 변화시키면서 촬영하는 위성의 경우에는 복잡한 목표 궤적이 필요하다. 이러한 목표 궤적 생성 시 위성의 급격한 자세 변화를 요구할 수 있으며, 이러한 위성의 기동은 원하는 영상을 획득하는데 문제점을 야기시킬 수 있다.
또한, 종래의 방법은 영상촬영 지역이 많아지고 장기적인 영상촬영 계획을 수립하고자 할 때나 다양한 모드로 영상촬영이 이루어질 때에 많은 비용과 인적자원이 요구되는 문제점을 지니고 있다.
따라서 위성 관제 시스템은 긴급한 촬영이 요구되는 경우에도 신속하게 목표 궤적을 효율적으로 생성하여 자세를 조정할 수 있는 능력을 유지하여야 한다. 이러한 기능을 자동으로 구현해 놓을 경우 다양한 임무의 수행이 가능해질 것이다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 임무 계획 시스템에서 주어진 지상의 목표 지점 정보를 바탕으로 위성의 목표 궤적을 생성하고 위성의 현재 위치에 따라 위성의 자세를 자동으로 계산하여 임무 계획에 반영하도록 하는, 지향 목표 궤적 근사화를 이용한 위성 자세 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 지향 목표 궤적 근사화를 이용한 위성 자세 제어 방법에 있어서, 적어도 하나 이상의 목표 지점의 좌표정보를 입력받는 단계; 상기 입력받은 목표 지점의 좌표정보들을 바탕으로 다항식을 이용한 근사화 방식과, 푸리에(Fourier) 급수를 이용한 근사화 방식 및 신경망을 이용한 근사화 방식 중 적어도 어느 하나의 방식을 선택적으로 이용하여 상기 입력된 모든 목표 지점을 지나는 목표 궤적을 생성하는 목표 궤적 생성 단계; 및 상기 위성의 현재 궤도에서의 위치를 파악하여, 상기 위성의 현재 위치와 상기 목표 지점의 좌표 정보를 이용하여 상기 생성된 목표 궤적에 대한 상기 위성의 자세각(자세 궤적)을 계산하여 상기 위성의 자세 제어에 적용되도록 하는 단계를 포함한다.
이처럼, 본 발명은 위성이 영상촬영 지점이나 안테나 지향 지점 등의 지상 목표 지점을 신속하게 파악하여 자세를 조정할 수 있도록 하는 위성 자세 제어 방법에 관한 것으로, 위성의 현재 궤도에서 다양한 지향 목표를 효과적으로 선정하여 목표 궤적을 위성의 자세 제어에 이용하기 위한 방법이다.
위성 촬영기술이 발전함에 따라 한 곳만을 관측하던 지상 관측 위성에서 점차적으로 위성의 자세를 다양하게 변화시켜 가면서 촬영하는 기술이 도입되고 있다. 따라서 궤도상을 움직이는 위성에서 지상의 목표 지점을 자유롭게 선택하여 촬영하는 계획의 수립 역시 중요하게 인식되고 있다. 종래의 시스템에서는 목표 궤적을 효과적으로 수립할 수 없어, 이에 대한 기술 연구가 현재 절실히 요구되고 있다.
이에, 본 발명은 위성으로 촬영하고자 하는 지점을 샘플링한 후에 이 데이터 를 통해 비교적 자세 제어가 용이한 궤적을 만들어낸다.
이를 이용하여 위성의 자세 제어 가능 여부를 신속히 파악하여 지상 시스템의 자세 조정 계획에 이용하게 된다. 이러한 방법은 여러 위치를 다양한 방법으로 촬영하기 위한 위성의 자세 조정 계획에 매우 효과적이며, 위성의 임무 계획 수립에 이용된다.
위성의 영상촬영을 위한 자세 조정 계획은 위성 계획에 있어 매우 복잡하므로, 자동적으로 촬영 궤적을 생성하는 것이 효율적인 방법이라 하겠다.
위성 관제 시스템의 위성 임무분석 계획부 시스템은 원하는 촬영지점을 선정하고, 본 발명에서 제안한 방법을 통하여 촬영 궤적을 선택하게 되며, 이에 따른 위성의 자세는 현재 위성의 위치와 목표 지점의 위치를 이용하여 계산하게 된다.
따라서 본 발명에서는 목표 궤적 근사화 방법과 목표 지향 포인팅 방법을 이용하여 위성의 자세 조정 계획에 있어 효율성을 높이고 합리적인 목표 궤적 생성을 달성한다. 또한, 다양한 목표 궤적 생성이 가능함에 따라 위성의 촬영임무 역시 다양성을 확보할 수 있게 되고, 이러한 시스템은 여러 위성 시스템에 보편적으로 이용할 수 있다. 특히, 이러한 방법은 위성의 급격한 자세 변화로 인하여 발생하는 외란을 막고 보다 선명도 높은 영상 획득에 유용하게 사용할 수 있는 장점이 있다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명 이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명이 이용되는 위성의 영상촬영 계획 및 안테나 포인팅의 개념도이다.
여기서, 도 1은 위성(10)이 현재 궤도(11)에서 지구(13) 표면의 다양한 지점 중에서 목표 지점(12)의 촬영을 위해 임무를 부여받은 경우를 나타내고 있다.
이때, 위성의 자세각을 알기 위해서는 위성(10)의 현재 궤도(11)에서 위성(10)의 위치 정보와 지향하고자 하는 목표 지점(12)의 정보가 주어져야 한다. 이와 같은 정보를 이용하여 위성(10)의 지향 방향을 결정하게 된다.
도 2는 본 발명이 적용되는 지구관측 영상촬영 인공위성에 대한 지상 시스템의 구성예시도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명이 적용되는 지구관측 영상촬영 인공위성에 대한 지상 시스템은, 위성을 직접 제어하는 위성 관제국(201)과, 위성에서 촬영한 영상데이터를 처리하는 위성 영상 처리국(202)을 포함하여 이루어진다.
여기서, 위성 관제국(201)에는 위성이 임무를 성공적으로 수행할 수 있도록 각종 분석 및 계획을 담당하는 위성 임무분석 계획부 시스템(203)이 있는데, 이 위성 임무분석 계획부 시스템(203)은 위성의 궤도 및 자세에 대한 계산을 담당하는 궤도 및 자세역학 처리부(204)와 위성의 임무를 계획하는 임무 계획부(205)를 포함한다.
이 밖에도 위성 관제국(201)은 위성과의 통신을 위한 위성 안테나부 시스템(206), 위성의 상태를 모니터하여 원격명령을 생성하는 위성 운용부 시스템(207), 그리고 실제 위성에 대한 제어에 앞서 운용 절차를 점검하기 위한 위성 시뮬레이터부 시스템(208)을 구비한다.
그리고 위성 영상 처리국(202)은 영상데이터를 처리하는 위성 영상 처리부 시스템(209)과 영상촬영을 계획하는 위성 영상 계획부 시스템(210)을 구비한다.
한편, 본 발명에서 제안한 위성의 영상촬영 계획 및 안테나 포인팅을 위한 위성 자세 제어 방법은 목표 궤적 생성 및 자세 계산부(211)에서 이루어지며, 상기 위성 임무분석 계획부 시스템(203)에 구비되어 위성의 지향 방향에 대한 계산이 이루어진다. 즉, 상기 위성 영상 계획부 시스템(210)에서 촬영 계획이 이루어지면 목표 궤적 생성 및 자세 계산부(211)에서 이 촬영 계획을 받아 지향 방향에 대한 계산을 수행하여 위성 자세 제어에 이용되도록 한다.
도 3은 본 발명에 따라 위성의 영상촬영 궤적 및 안테나 포인팅을 생성하는 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 위성 관제국(201)은 위성(10)의 영상촬영을 위하여 지상의 촬영지점 1(301), 촬영지점 2(302), 촬영지점 3(303), 촬영지점 4(404)의 정보를 입력받게 되고, 각 촬영지점의 정보를 이용하여 위성 영상촬영 궤적을 근사화하게 된다. 근사화된 궤적(205)은 모든 촬영지점을 포함할 수 있도록 생성된다. 이어서, 근사화 과정이 끝난 후에는 위성의 궤도에서의 위치를 파악하여 위성의 자세각을 계산하여 위성의 자세 제어에 이용하게 된다.
도 4는 본 발명에 따른 지향 목표 궤적 근사화를 이용한 위성 자세 제어 방법에 대한 일실시예 흐름도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 지향 목표 궤적 근사화를 이용한 위성 자세 제어 방법을 수행하기 위해서는, 먼저 자세 제어를 위한 목표 지점의 좌표정보 및 위성의 위치 등을 입력받는다(401).
이어서, 각 목표 지점의 좌표정보를 바탕으로 위성 영상촬영 궤적을 근사화하여(402) 목표 궤적을 생성한다(403). 이때, 일예로 근사화 알고리즘을 선택하여 위성 영상촬영 궤적을 근사화한다. 이에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다.
이후, 위성의 현재 궤도에서 위치를 파악하여, 위성의 현재 위치와 목표 지점의 위치를 이용하여 목표 궤적에 대한 위성의 자세각(자세 궤적)을 계산하여(404) 위성의 임무 계획을 수립함으로써(405) 위성의 자세 제어에 적용되도록 한다.
상기한 바와 같은 구조를 갖는 본 발명에 따른 지향 목표 궤적 근사화를 이용한 위성 자세 제어 방법의 동작을 상세하게 설명하면 다음과 같다.
먼저, 자세각의 계산을 시작하게 되면 촬영 목표 지점의 좌표와 위성의 현재 위치를 입력받게 된다. 중요 촬영 지점의 좌표를 입력받음으로써 촬영 궤적(목표 궤적)이 지나가야 할 지점을 표시하게 된다.
다음으로, 입력받은 목표 좌표점을 바탕으로 근사화 작업이 이루어지고 목표 좌표점을 지나가는 근사화 궤적(목표 궤적)을 생성하는 것이다. 이러한 근사화 궤적 생성 방법으로는 다항식을 이용하는 방법, 푸리에(Fourier) 급수를 이용하는 방 법, 및 신경망을 이용하는 방법 등 다양한 기법이 사용될 수 있다.
이와 같은 기법을 예를 들어 설명하면 다음과 같다.
첫째, 다항식을 이용하는 방법은 데이터의 분포를 다항식의 형태로 나타내는 것이다. 즉, 주어진 데이터를 근사화된 다항식으로 표현하는 것으로, 다항식의 형태는 높은 차수를 이용할수록 정밀도가 높아지는 특징이 있다. 다항식을 이용한 근사화 방법은 하기의 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112006070551312-pat00001
여기서, a는 계수이고 x, y는 근사화를 위한 변수이다. 촬영 시간을 기준으로 할 경우 x는 시간이 되고, y는 목표지점의 좌표가 된다. 또한, 목표 지역을 기준으로 할 경우 x는 위도, y는 경도가 된다.
상기의 [수학식 1]에서 다항식의 계수를 구하는 방법으로 근사화된 식을 구할 수 있으며, 계수를 구하는 것은 최소자승법(least Square Method)에 근거를 두고 있다.
둘째, 푸리에(Fourier) 급수를 이용하는 방법은 다항식을 이용하는 방법과 마찬가지로 최소자승법을 이용하여 각 항의 계수를 구할 수 있으며, 나타내고자 하는 함수를 ｙ라 할 때 하기의 [수학식 2]와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112006070551312-pat00002
여기서, ａ는 계수, ｚ는 ｙ를 나타내려는 함수이다. 즉, 사인(sine)과 코사인(cosine) 함수이다. z 함수에는 근사화를 위한 변수 x가 필요하며, x와 y의 정의는 상기 [수학식 1]과 같다.
셋째, 신경망을 이용하는 방법은 하기의 [수학식 3]과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112006070551312-pat00003
여기서 ｖ, ｗ는 가중치(weight)를 나타내고 β, α는 바이어스(bias)를 나타낸다. 그리고 x와 y의 정의는 상기 [수학식 1]과 같다. 입력의 각 성분에 가중치를 곱한 값이 넷(net) 값이 되며, 출력은 넷(net) 값과 함수
Figure 112006070551312-pat00004
에 따라 달라진다. 일반적으로
Figure 112006070551312-pat00005
의 함수는 하기의 [수학식 4]와 같은 식을 사용한다.
Figure 112006070551312-pat00006
다음으로는 선택된 근사화 알고리즘으로 근사화하여 촬영 궤적(목표 궤적)을 생성해내는 것이다. 촬영 궤적을 생성해 낸 다음에는 위성의 위치 정보를 이용해 자세각을 계산하게 된다. 이때, 위성의 현재 위치와 목표 지점이 주어지면 두 지점 사이의 벡터를 구함으로써 자세각을 계산할 수 있게 된다.
마지막으로 계산된 자세각 정보를 바탕으로 위성의 임무계획을 수립함으로써, 위성의 자세 제어에 적용되도록 한다.
상기와 같이, 본 발명은 목표 지점 정보를 바탕으로 근사화된 위성의 촬영 궤적(목표 궤적)을 생성하여 위성의 지향각을 신속히 계산하여 위성의 임무계획 수립에 이용하는 것이다. 이러한 기법은 목표 지향 궤적을 급격한 자세 변화를 방지할 수 있도록 생성하며, 촬영 임무 수행 시 떨림 현상을 방지하고, 신속하고 정확한 위성의 운영 계획을 수립하는데 도움을 준다. 이러한 기능을 위성 관제 시스템에 구현할 경우 긴급하게 촬영이 요구되는 경우에 신속하게 목표 궤적을 효율적으로 생성할 수 있으며, 다양한 임무 수행이 가능해진다.
상술한 바와 같은 본 발명의 방법은 프로그램으로 구현되어 컴퓨터로 읽을 수 있는 형태로 기록매체(씨디롬, 램, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크, 광자기 디 스크 등)에 저장될 수 있다. 이러한 과정은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있으므로 더 이상 상세히 설명하지 않기로 한다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
상기와 같은 본 발명은, 촬영 지역이 복수로 존재하여 위성의 궤도상에서 자세 조정이 필요한 경우 신속히 임무 계획을 수립하여 자세 조정을 효과적으로 수행할 수 있도록 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 위성의 급격한 자세 변동을 막아 촬영 임무 시 진동으로 인한 떨림 현상을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 신속하고 정확한 위성의 운영을 필요로 하는 경우에 이용할 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 지향 목표 궤적 근사화를 이용한 위성 자세 제어 방법에 있어서,
    적어도 하나 이상의 목표 지점의 좌표정보를 입력받는 단계;
    상기 입력받은 목표 지점의 좌표정보들을 바탕으로 다항식을 이용한 근사화 방식과, 푸리에(Fourier) 급수를 이용한 근사화 방식 및 신경망을 이용한 근사화 방식 중 적어도 어느 하나의 방식을 선택적으로 이용하여 상기 입력된 모든 목표 지점을 지나는 목표 궤적을 생성하는 목표 궤적 생성 단계; 및
    상기 위성의 현재 궤도에서의 위치를 파악하여, 상기 위성의 현재 위치와 상기 목표 지점의 좌표 정보를 이용하여 상기 생성된 목표 궤적에 대한 상기 위성의 자세각(자세 궤적)을 계산하여 상기 위성의 자세 제어에 적용되도록 하는 단계
    를 포함하는 지향 목표 궤적 근사화를 이용한 위성 자세 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 계산한 위성의 자세각(자세 궤적)을 바탕으로 위성 임무 계획을 수립하는 단계
    를 더 포함하는 지향 목표 궤적 근사화를 이용한 위성 자세 제어 방법.
  3. 삭제
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 목표 지점의 좌표정보는,
    목표 지점 좌표 및 위성의 위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 지향 목표 궤적 근사화를 이용한 위성 자세 제어 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 위성의 자세각(자세 궤적)을 계산하는 과정은,
    상기 위성의 현재 위치와 상기 목표 지점의 위치 사이의 벡터를 구하여 자세각을 계산하는 것을 특징으로 하는 지향 목표 궤적 근사화를 이용한 위성 자세 제어 방법.
KR1020060094396A 2006-09-27 2006-09-27 지향 목표 궤적 근사화를 이용한 위성 자세 제어 방법 KR100793058B1 (ko)

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