KR101183311B1 - 인공위성용 태양센서 고장 검출 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

저궤도 인공위성용 저정밀 태양센서의 성능이 저하되거나 이상 동작할 경우 고장 여부를 검출하는 인공위성용 태양센서 고장 검출 장치 및 방법을 개시한다.
일 실시예로서, 인공위성용 태양센서 고장 검출 장치 및 방법은, 복수의 저정밀 태양센서 중 어느 한 개의 저정밀 태양센서의 성능이 저하되거나 이상 동작을 할 경우 신속히 태양센서에 대해 고장 진단을 내릴 수 있으므로 위기 상황에 놓인 인공위성이 자세 제어에 대해 즉각적인 대응을 할 수 있다.

Description

인공위성용 태양센서 고장 검출 장치 및 방법{THE FAULT DETECTION APPARATUS OF COARSE SUN SENSOR ASSEMBLY FOR LOW EARTH ORBIT SPACECRAFT AND METHOD FOR THE SAME}
본 발명의 실시예들은 저궤도 인공위성용 저정밀 태양센서의 성능이 저하되거나 이상 동작할 경우 고장 여부를 검출하는 인공위성용 태양센서 고장 검출 장치 및 방법에 관한 것이다.
위성에 탑재된 4개의 저정밀 태양센서에서 측정되는 빛의 세기에 대한 정보는 롤축과 요축의 자세 정보를 얻는데 사용된다. 4개의 저정밀 태양센서 중 어느 한 개의 저정밀 태양센서의 성능이 저하되거나 특정 저정밀 태양센서가 일정한 전류 값을 출력시키는 이상 동작을 할 경우 태양센서의 고장을 검출하는 방법이 요구된다.
종래 저정밀 태양센서의 성능이 저하되거나 일정한 전류 값을 출력하는 이상 동작을 나타내고 있다는 고장 사실을 판단하기 위해서는, 인공위성이 정상적인 궤도 운행을 수행하다가 안전모드로 전환한 후 센서와 구동기를 포함한 모든 장치들의 성능 데이터를 분석과 검증을 수행한 다음 저정밀 태양센서의 고장 여부를 판단할 수 있다.
따라서 인공위성은 저정밀 태양센서의 고장 여부를 신속하게 판단하여 고장난 태양센서를 정상 동작하는 태양센서로 대체해서 인공위성의 자세를 올바로 제어할 수 있어야 한다.
본 발명의 일실시예는 복수의 저정밀 태양센서 중 어느 한 개의 저정밀 태양센서의 성능이 저하되거나 이상 동작을 할 경우 신속하게 태양센서의 고장을 판단해서 이에 대처하도록 한 인공위성용 태양센서 고장 검출 장치 및 방법을 제공한다.
상기의 일실시예를 이루기 위한, 인공위성용 태양센서 고장 검출 장치는, 위성에 장착되며, 빛의 세기를 측정하여 전류를 출력하는 복수의 태양센서; 상기 복수의 태양센서 각각으로부터 출력되는 전류에 대한 전류값에 기반하여 고장 검출 함수를 모델링하는 모델링부; 상기 복수의 전류값을 상기 모델링된 고장 검출 함수에 적용하여 전류 그래프를 출력하는 함수 적용부; 상기 전류 그래프를 적분하여 오차 값을 출력하는 오차 출력부; 및 상기 오차 값이 기설정된 범위를 벗어나면, 상기 복수의 태양센서 중 적어도 하나의 태양센서가 고장난 것으로 판단하는 판단부를 포함한다.
또한, 상기 일실시예를 달성하기 위한 기술적 방법으로서, 인공위성용 태양센서 고장 검출 방법은, 위성에 장착된 복수의 태양센서에 의해 빛의 세기를 측정하여 전류를 출력하는 단계; 상기 복수의 태양센서 각각으로부터 출력되는 전류에 대한 전류값에 기반하여 고장 검출 함수를 모델링하는 단계; 상기 복수의 전류값을 상기 모델링된 고장 검출 함수에 적용하여 전류 그래프를 출력하는 단계; 상기 전류 그래프를 적분하여 오차 값을 출력하는 단계; 및 상기 오차 값이 기설정된 범위를 벗어나면, 상기 복수의 태양센서 중 적어도 하나의 태양센서가 고장난 것으로 판단하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 복수의 저정밀 태양센서 중 어느 한 개의 저정밀 태양센서의 성능이 저하되거나 이상 동작을 할 경우 신속히 태양센서에 대해 고장 진단을 내릴 수 있으므로 위기 상황에 놓인 인공위성이 자세 제어에 대해 즉각적인 대응을 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 인공위성용 태양센서 고장 검출 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 인공위성용 태양센서 고장 검출 방법의 순서를 도시한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예를 설명하기 위한 정상 상태에서의 저정밀 태양센서의 출력 특성을 도시한 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예를 설명하기 위한 비정상 상태에서의 저정밀 태양센서의 출력 특성을 도시한 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예를 설명하기 위한 비정상 상태에서의 저정밀 태양센서의 고장 검출 함수에 대한 특성을 도시한 예시도이다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 인공위성용 태양센서 고장 검출 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 인공위성용 태양센서 고장 검출 장치(100)는 복수의 태양센서(110), 모델링부(120), 함수 적용부(130), 오차 출력부(140), 판단부(150)를 포함한다. 인공위성용 태양센서 고장 검출 장치(100)를 구성하는 장치 요소에 대해 설명한다.
복수의 태양센서(110)는 위성의 롤축과 요축에 장착되어 빛의 세기를 측정하여 전류를 출력한다. 복수의 태양센서(110)는 4개로 구성되어 위성의 궤도 주기의 반 주기 동안 빛의 세기를 측정하여 전류를 출력한다.
모델링부(120)는 복수의 태양센서(110) 각각으로부터 출력되는 전류에 대한 전류값에 기반하여 고장 검출 함수를 모델링한다. 복수의 전류값이 위상차가 다른 정현파의 주기 함수를 형성함에 따라 모델링부(120)는 형성된 주기 함수의 상관 관계를 이용하여 고장 검출 함수를 모델링한다.
모델링부(120)는 태양센서(110)가 4개일 경우,
Figure 112010087625092-pat00001
- 상기 Fd(t)는 고장 검출 함수
- 상기 f1 내지 f4는 상기 태양센서 각각으로부터 출력되는 전류값
을 이용하여 고장 검출 함수를 산출하여 모델링한다.
모델링부(120)는 4개의 태양센서(110)가 전류값으로 위상차가 다른 정현파의 주기 함수를 형성하는 경우 고장 검출 함수인 Fd(t)로서, 위성의 궤도 주기(
Figure 112010087625092-pat00002
)의 반 주기(
Figure 112010087625092-pat00003
)를 갖는 정현파 함수인
Figure 112010087625092-pat00004
를 산출한다.
함수 적용부(130)는 태양센서(110) 각각으로부터 출력되는 복수의 전류값을 모델링된 고장 검출 함수에 적용하여 전류 그래프를 출력한다. 함수 적용부(130)는 4개의 태양센서(110)로부터 출력되는 전류값을 모델링된 고장 검출 함수에 적용하여 전류 그래프를 출력한다.
오차 출력부(140)는 위성의 궤도 주기(
Figure 112010087625092-pat00005
) 동안 전류 그래프를 적분하여 오차 값을 출력한다.
판단부(150)는 오차 값이 기설정된 범위를 벗어나면, 복수의 태양센서(110) 중 적어도 하나의 태양센서가 고장난 것으로 판단한다. 인공위성은 고장난 태양센서를 정상 동작하는 태양센서로 대체해서 인공위성의 자세를 올바로 제어한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 인공위성용 태양센서 고장 검출 방법의 순서를 도시한 흐름도이다.
본 발명의 일실시예에 따른 인공위성용 태양센서 고장 검출 방법은 도 1에 도시된 인공위성용 태양센서 고장 검출 장치(이하, 고장 검출 장치로 표기함)에 의해 구현될 수 있다. 이하, 도 2의 설명에서는 상술한 도 1을 함께 참조하여 도 2를 설명하여 발명의 이해를 도모한다.
고장 검출 장치는 태양센서에 의해 측정되는 빛의 세기에 따른 전류 값을 입력받아 전류 그래프를 생성한다. 계절에 따라 달라지는 태양센서의 출력 특성에 대해 살펴보면 다음과 같다.
도 3은 본 발명의 일실시예를 설명하기 위한 정상 상태에서의 저정밀 태양센서의 출력 특성을 도시한 예시도이다.
저궤도 인공위성이 일정한 각도의 자세를 유지한 상태에서 태양전지판을 고정한 상태로 운행할 경우 태양센서는 계절에 따라 전류 값의 차이를 나타내지만 전류 형태는 정현파를 형성한다.
단계 210에서 고장 검출 장치는 인공위성의 궤도 주기를 T0, 각속도 ω0라 하면 4개의 저정밀 태양센서의 전류 값
Figure 112010087625092-pat00006
을 수학식(1)~수학식(4)로 표현한다.
Figure 112010087625092-pat00007
고장 검출 장치는 수학식(1)을 푸리에 급수로 전개하여 수학식(5)와 같이 정현파의 주기 함수로 나타낸다.
Figure 112010087625092-pat00008
고장 검출 장치는 정현파의 주기 함수에 대한 상관관계를 이용하여 수학식(6)~수학식(10)을 유도한다.
Figure 112010087625092-pat00009
단계 220에서 고장 검출 장치는 수학식(10)과 수학식(11)을 이용하여 고장 검출 함수 Fd(t)를 수학식(12)와 같이 정의한다.
Figure 112010087625092-pat00010
저정밀 태양센서가 정상 상태인 경우 고장 검출 함수인 Fd(t)는 수학식(12)와 같이
Figure 112010087625092-pat00011
주기를 가지는 정현파를 표현한다.
그러나 도 4에 도시된 바와 같이, 복수의 저정밀 태양센서 중 어느 한 개의 저정밀 태양센서가 성능이 저하되거나 일정한 전류 값을 출력하는 이상 동작을 하는 경우에는 도 5에 도시된 바와 같이, 고장 검출 함수인 Fd(t)는 하나의 주기를 가지는 정현파를 형성하지 못한다.
도 4는 본 발명의 일실시예를 설명하기 위한 비정상 상태에서의 저정밀 태양센서의 출력 특성을 도시한 예시도이다.
도 4의 (a)는 복수의 태양센서 중 하나의 태양센서가 작은 크기의 전류를 출력할 경우 저정밀 태양센서의 출력 특성을 도시한 예시도이고, 도 4의 (b)는 복수의 태양센서 중 하나의 태양센서가 고정된 크기의 전류를 출력할 경우 저정밀 태양센서의 출력 특성을 도시한 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예를 설명하기 위한 비정상 상태에서의 저정밀 태양센서의 고장 검출 함수에 대한 특성을 도시한 예시도이다.
도 5의 (a)는 복수의 태양센서 중 하나의 태양센서가 작은 크기의 전류를 출력할 경우 고장 검출 함수의 특성을 도시한 예시도이고, 도 5의 (b)는 복수의 태양센서 중 하나의 태양센서가 고정된 크기의 전류를 출력할 경우 고장 검출 함수의 특성을 도시한 예시도이다.
저정밀 태양센서에 이상이 발생하여 일정한 전류 값을 출력하는 경우 고장 검출 장치는 4개의 저정밀 태양센서의 전류 값 관계를 수학식(13)~수학식(18)로 나타낸다.
Figure 112010087625092-pat00012
단계 230에서 태양센서가 정상 상태인 경우 고장 검출 함수는 완전한 정현파를 나타내므로 고장 검출 장치는 인공위성의 궤도 주기 동안 정현파로 나타내는 고장 검출 함수에 대해 적분을 취하면 수학식(19)로 표현한다.
Figure 112010087625092-pat00013
그러나 도 5에 도시된 바와 같이, 저정밀 태양센서에 고장이 발생시에는 고장 검출 함수의 적분 값이 큰 오차를 발생한다. 단계 240에서 고장 검출 장치는 저정밀 태양센서의 오차를 고려하여 고장 검출 상수를 K라고 할 때 수학식(20)을 만족하지 못하는 경우 복수의 저정밀 태양센서 중 어느 하나의 저정밀 태양센서에서 고장이 발생함을 판단할 수 있다.
Figure 112010087625092-pat00014
예를 들어, 저정밀 태양센서에서 성능 저하가 10% 정도의 오차를 가질 경우에는 수학식(19)의 적분 값이 100초 정도의 오차를 나타낸다.
또한, 본 발명의 실시예들은 다양한 컴퓨터로 구현되는 동작을 수행하기 위한 프로그램 명령을 포함하는 컴퓨터 판독 가능 매체를 포함한다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 구성들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100 : 인공위성용 태양센서 고장 검출 장치
110 : 복수의 태양센서
120 : 모델링부
130 : 함수 적용부
140 : 오차 출력부
150 : 판단부

Claims (10)

  1. 위성의 롤축과 요축에 장착되며, 상기 위성의 궤도 주기의 반 주기 동안 빛의 세기를 측정하여 전류를 출력하는 복수의 태양센서;
    상기 복수의 태양센서 각각으로부터 출력되는 전류에 대한 전류값에 기반하여 고장 검출 함수를 모델링하는 모델링부;
    상기 복수의 전류값을 상기 모델링된 고장 검출 함수에 적용하여 전류 그래프를 출력하는 함수 적용부;
    상기 위성의 궤도 주기 동안, 상기 전류 그래프를 적분하여 오차 값을 출력하는 오차 출력부; 및
    상기 오차 값이 기설정된 범위를 벗어나면, 상기 복수의 태양센서 중 적어도 하나의 태양센서가 고장난 것으로 판단하는 판단부
    를 포함하는, 인공위성용 태양센서 고장 검출 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 전류값이 위상차가 다른 정현파의 주기 함수를 형성 함에 따라,
    상기 모델링부는,
    상기 형성된 주기 함수의 상관 관계를 이용하여 상기 고장 검출 함수를 모델링하는, 인공위성용 태양센서 고장 검출 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 태양센서가 4개일 경우,
    상기 모델링부는,
    Figure 112010087625092-pat00015

    - 상기 Fd(t)는 고장 검출 함수
    - 상기 f1 내지 f4는 상기 태양센서 각각으로부터 출력되는 전류값
    를 이용하여, 상기 고장 검출 함수를 산출하여 모델링하는, 인공위성용 태양센서 고장 검출 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 모델링부는,
    상기 Fd(t)로서, 상기 위성의 궤도 주기(
    Figure 112010087625092-pat00016
    )의 반 주기(
    Figure 112010087625092-pat00017
    )를 갖는 정현파 함수인
    Figure 112010087625092-pat00018
    를 산출하는, 인공위성용 태양센서 고장 검출 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 오차 출력부는,
    상기 위성의 궤도 주기(
    Figure 112010087625092-pat00019
    ) 동안 상기 전류 그래프를 적분하는, 인공위성용 태양센서 고장 검출 장치.
  6. 위성의 롤축과 요축에 장착된 복수의 태양센서에 의해 상기 위성의 궤도 주기의 반 주기 동안 빛의 세기를 측정하여 전류를 출력하는 단계;
    상기 복수의 태양센서 각각으로부터 출력되는 전류에 대한 전류값에 기반하여 고장 검출 함수를 모델링하는 단계;
    상기 복수의 전류값을 상기 모델링된 고장 검출 함수에 적용하여 전류 그래프를 출력하는 단계;
    상기 위성의 궤도 주기 동안,
    상기 전류 그래프를 적분하여 오차 값을 출력하는 단계; 및
    상기 오차 값이 기설정된 범위를 벗어나면, 상기 복수의 태양센서 중 적어도 하나의 태양센서가 고장난 것으로 판단하는 단계
    를 포함하는, 인공위성용 태양센서 고장 검출 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 복수의 전류값이 위상차가 다른 정현파의 주기 함수를 형성 함에 따라,
    상기 고장 검출 함수를 모델링하는 단계는,
    상기 형성된 주기 함수의 상관 관계를 이용하여 상기 고장 검출 함수를 모델링하는 단계
    를 포함하는, 인공위성용 태양센서 고장 검출 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 태양센서가 4개일 경우,
    상기 고장 검출 함수를 모델링하는 단계는,
    Figure 112010087625092-pat00020

    - 상기 Fd(t)는 고장 검출 함수
    - 상기 f1 내지 f4는 상기 태양센서 각각으로부터 출력되는 전류값
    을 이용하여, 상기 고장 검출 함수를 산출하여 모델링하는 단계
    를 포함하는, 인공위성용 태양센서 고장 검출 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 고장 검출 함수를 모델링하는 단계는,
    상기 Fd(t)로서, 상기 위성의 궤도 주기(
    Figure 112010087625092-pat00021
    )의 반 주기(
    Figure 112010087625092-pat00022
    )를 갖는 정현파 함수인
    Figure 112010087625092-pat00023
    를 산출하는 단계
    를 포함하는, 인공위성용 태양센서 고장 검출 방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 오차 값을 출력하는 단계는,
    상기 위성의 궤도 주기(
    Figure 112010087625092-pat00024
    ) 동안 상기 전류 그래프를 적분하는 단계
    를 포함하는, 인공위성용 태양센서 고장 검출 방법.
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