KR19980083498A - 위성의 온보드 자동 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 위성이 온보드에서 지상의 명령없이 자동으로 자세와 궤도를 제어할 수 있도록 하는 위성 자동 제어 방법에 관한 것으로서, 궤도 결정 및 예측을 한 후 궤도 조정이 필요하면 위성의 자세를 측정하고, 자세 제어의 필요 여부를 판단하여 자세 제어가 필요하면 자세 제어를 먼저 실행하고, 자세 제어를 위해 자세 제어 파라미터와 자세 제어 명령을 생성하여 필요한 궤도 제어 파라미터 계산을 한 후 이 파라미터에 따라 궤도 명령을 생성하고, 명령 처리 후 현재 상황을 지상국에 보고하고, 시간을 조금 지연한 뒤 다시 궤도 결정 및 예측으로 돌아가도록 구성함으로써, 위성이 온보드에서 미리 입력된 궤도를 지속적으로 유지할 수 있기 때문에 지상에서는 모니터 기능만 수행하면 되고, 비상시에만 위성을 제어하도록 하여 지상의 인력과 장비를 최소화할 수 있으며, 지상관제소의 임무가 최소화되고, 궤도 제어에 따른 경비를 절감할 수 있으며, 지상 운용자의 업무량이 줄어듬으로 인해 운용자가 실수를 할 가능성도 줄어들며, 또한 모든 위성체내에서 처리하기 때문에 소요되는 시간을 줄일 수 있으므로 빠른 반응시간이 필수적일 때 더욱 효율적이고, 최적화 기법을 사용하여 위성 궤도를 제어하므로써, 위성의 연료 소모를 최소화하여 위성의 수명을 연장시킬 수 있는 효과를 가진다.

Description

위성의 온보드 자동 제어 방법

본 발명은 항공우주분야의 위성제어기술인 위성의 온보드 자동 제어 방법에 관한 것으로서, 특히 위성제어기술 중 지상의 지구국에서 행하는 기술을 자동화하여 위성 자체내에서 자동으로 제어할 수 있도록 하는 기술에 관한 것이다.

종래에는 위성을 제어하기 위해, 지상에 있는 관제소가 위성을 추적하여 생성되는 레인지, 레인지 레이트, 각 측정치 등을 이용하여 위성의 위치를 파악하고, 위성을 목표궤도로 보내기 위한 파라미터들을 계산한 다음 위성에 궤도 조정 명령을 송신하였다.

하지만 이러한 방법은 많은 재원이 필요하고, 관제소의 운용자가 실수를 할 수 있는 가능성을 다분히 가지고 있다.

그리고 궤도 수정에 필요한 시간도 지상과 교신이 이루어져야 하므로 많이 소요된다.

따라서 위성의 자세 및 궤도 조정은 위성체 내에서 하는 것이 더 편리하며 경제적이다.

상기에 따라 위성이 자세와 궤도를 자동으로 제어하기 위해서는, 위성 자신의 위치를 파악할 수 있어야 하고(Navigation 기술), 필요한 궤도 조정을 할 수 있어야 하며(Guidance 기술), 그리고 적합한 추진기를 정확한 시간에 사용하여 궤도를 조정해야 하는 문제점이 있다.

상기 문제점을 해결하기 위해 본 발명은, 위성체 내에서 자동으로 위치 및 자세를 파악하여 궤도 조정 필요 여부를 결정하고, 필요에 따라 자세 제어를 하며, 자동으로 궤도 제어까지 할 수 있는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1 은 본 발명에 따른 위성 자동 제어 개념도.

도 2 는 본 발명에 따른 위성체의 자동 제어 시스템 구성도.

도 3 은 본 발명에 따른 위성의 자세와 궤도 제어 시스템 모드 구성도.

도 4 는 본 발명이 적용되는 위성 자세와 궤도의 자동 제어 흐름도.

도면의주요부분에대한부호의설명

10 : 위성 20 : 현재 궤도

30 : 목표 궤도 40 : 지구

50 : 위성의 자세와 궤도 자동 제어 시스템

51 : 자세와 궤도 결정 및 예측부 52 : 자동 제어 판단부

53 : 제어 파라미터 계산부 54 : 제어 명령 생성부

60 : 위성의 자세와 궤도 제어 시스템 모드

61 : 발사모드 62 : 궤도진입모드

63 : 자세모드 64 : 궤도조정모드

70 : 지상명령모드 80 : 비상모드

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 궤도 결정 및 예측 후 궤도 조정이 필요한지 여부를 판단하여, 궤도 조정이 필요하면 위성의 자세를 측정하고, 위성의 자세 측정 후 자세 제어가 필요한지 판단하여, 필요하면 자세 제어를 위해 자세 제어 파라미터와 자세 제어 명령을 생성하며, 명령 생성 후 필요한 자세 제어 파라미터 계산을 한 후 이 파라미터에 따라 궤도 제어 명령을 생성하고, 명령을 처리한 후 현재 상황을 보고하고 시간을 지연한 뒤, 다시 궤도 결정 및 예측으로 돌아가는 것을 특징으로 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 위성 자동 제어 개념도로서, 위성의 궤도 제어는 위성(10)이 현재궤도(20)에 있는 상태에서 지상의 명령이나 다른 명령에 의하여 새로운 목표궤도(30)로 이동하는 것을 말한다.

먼저 궤도 조정을 하기 위해서는 위성(10)의 자세와 위치를 정확히 알아야 한다.

그리고 위성(10)이 목표궤도(30)로 가는 방법은 여러 가지가 있지만, 그 중에서 연료와 시간을 최소화하는 방법을 선택하는 것이 효율적이다.

궤도 제어를 위한 파라미터는 자동제어 분야에서 활용되는 최적화 제어(Optimal Control) 기법을 사용하여 계산한다.

도 2는 본 발명에 따른 위성의 자동 제어 시스템 구성도이다.

위성의 자동 제어 시스템(50)은, 위성의 자세와 궤도를 결정하고 예측하는 자세와 궤도 결정 및 예측부(51), 위성의 자세와 궤도를 제어할 수 있는지를 판단하는 자동 제어 판단부(52), 자세와 궤도 제어가 요구되면 그 파라미터를 계산하는 제어 파라미터 계산부(53), 그리고 마지막으로 자세와 궤도를 제어하는 명령을 생성하는 제어 명령 생성부(54)로 이루어져 있다.

자세와 궤도 결정 및 예측부(51)는 범용지구측위 시스템(GPS) 수신기와 자이로, 지구센서, 태양센서와 같은 센서가 제공하는 데이터를 사용하여 자세와 궤도를 결정하고 예측한다.

또한 이 궤도 결정 및 예측 데이터를 이용하여 자동 제어 판단부(52)에서 자세와 궤도 제어를 할 수 있는지를 판단하고, 제어가 가능하면 제어 파라미터 계산부(53)에서 궤도 및 자세 제어 파라미터를 최적화 기법을 사용하여 계산한다.

제어 파라미터 계산부(53)에서 계산된 파라미터를 받아 자세와 궤도 제어 명령을 생성하여 이 명령을 수행하는 부분으로 송신한다.

도 3은 본 발명에 따른 위성의 자세와 궤도 제어 시스템 모드(60) 구성도로서, 위성의 궤도 제어가 이루어질 때 자세와 궤도 조정 시스템의 모드 변화를 나타낸다.

그 구성은, 자세와 궤도 제어 시스템의 작동 및 장비들의 준비를 하는 발사모드(61), 위성체의 속도 조절과 임무 수행을 위해 위성을 궤도까지 진입시키는 궤도 진입모드(62), 위성의 자세를 조절하여 사진 촬영 및 지상과의 교신을 가능하게 하는 자세모드(63), 파라미터에 따른 궤도 조정을 하는 궤도조정모드(64), 지상국과 명령을 송수신하는 지상명령모드(70), 비상시 사용하는 비상모드(80)로 이루어져 있다.

상기 발사모드(61)에서는 자세와 궤도 제어 시스템의 작동을 시작하고 필요한 장비들을 준비하며, 궤도 진입모드(62)에서는 위성체가 속도를 늦추고 위성이 임무를 수행할 수 있는 궤도까지 진입하게 한다.

그리고 자세모드(63)에서는 위성의 자세를 원하는 방향으로 향하게 하고, 사진을 촬영하거나 지상과의 교신을 할 수 있도록 한다.

또한 궤도 조정모드(64)에서는 계산된 파라미터에 따라 궤도 조정을 한다.

상기에 명시된 모드 이외에 지상국의 명령을 받거나 보낼 때 사용하는 지상 명령모드(70)와 비상시에 사용하는 비상모드(80)가 있다.

본 발명에서는 상기 자세모드(63)와 궤도조정모드(64)를 사용한다.

도 4는 본 발명이 적용되는 위성 자세와 궤도의 자동 제어 흐름도로서, 범용지구측위시스템(GPS) 궤도 데이터와 센서 데이터(S1)를 이용하여 궤도 결정 및 예측(S2)을 하고, 현재 궤도 및 계획(S3)을 계산하여 저장한다.

궤도를 결정하기 위해서는 여러 종류의 센서들, 지구 센서, 태양 센서, 자이로, 범용지구측위 시스템(GPS) 수신기 등을 이용한다.

현재 궤도 및 계획(S3)과 위성에 미리 입력된 계획 데이터 및 목표 궤도 데이터(S4)를 사용하여 궤도 제어 필요 여부를 판단하여(S5), 궤도 제어가 필요 없으면 지상국에 보고(S6)를 하고, 시간 지연상태(S7)에 들어갔다 궤도 결정 및 예측(S2)으로 돌아간다.

상기 판단 후 궤도 제어가 필요하면 지구측위 시스템(GPS)과 센서 데이터(S1)를 이용하여 자세 측정(S8)을 하고, 현재 자세(S9)를 데이터베이스에 저장한다.

현재 자세(S9)와 목표 자세(S10)를 이용하여 자세 제어 필요 여부를 판단(S11)한 후, 자세 제어가 필요 없으면 궤도 제어 파라미터 계산(S16)을 하고, 자세 제어가 필요하면 자세 제어 파라미터를 생성하고(S12) 저장한다(S13).

이 자세 제어 파라미터(S13)를 사용하여 자세 제어 명령을 생성(S14) 및 저장(S15)하고, 궤도 제어 파라미터 계산(S16)을 한다.

이 단계에서 최적화 기법을 사용하여 제어에 사용될 연료와 시간을 최소화한다.

그리고 궤도 제어 파라미터 계산(S16) 후 저장(S17)한 다음, 궤도 제어 파라미터(S17)를 이용하여 궤도 명령을 생성(S18)하고, 저장(S19)한다.

저장 후 명령 처리(S20)에서 자세와 궤도명령을 처리하고, 보고 데이터(S21)를 생성하여 지상국으로 보고(S6)한 다음 다시 시간 지연 상태(S7)로 돌아간다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따라 위성은 온보드에서 자세와 궤도를 자동 제어할 수 있으며, 이에 따라 위성이 온보드에서 미리 입력된 궤도를 지속적으로 유지할 수 있기 때문에 지상에서는 모니터 기능만 수행하고, 비상시에만 위성을 제어하면 된다.

이는 지상의 인력과 장비를 최소화 할 수 있으며, 지상 관제소의 임무가 최소화되고, 궤도 제어에 따른 경비도 절감됨으로 인해 지상 운용자의 업무량이 줄어들며, 따라서 운용자가 실수를 할 가능성도 줄어든다.

또한 모든 데이터를 위성체 내에서 처리하기 때문에 소요되는 시간도 최소화되므로, 빠른 반응시간이 필수적일 때 더욱 효과적이다.

예를 들면, 위성이 충돌 위험이 있는 비상시에 위성이 자동으로 궤도를 바꾸어 위험에서 벗어날 수도 있다.

마지막으로 최적화 기법을 사용하여 위성 궤도를 제어함으로써, 위성의 연료 소모를 최소화하여 위성의 수명을 연장시킬 수 있는 효과를 가진다.

Claims (4)

1. 위성의 자세 및 궤도를 제어하는 방법에 있어서,

   범용지구측위시스템(GPS) 궤도 데이터와 센서 데이터를 이용하여 자세 및 궤도를 결정, 예측하고 자세와 궤도 파라미터를 생성하며, 자동으로 궤도를 제어하는 제 1 과정과;

   상기 궤도 제어 파라미터를 계산하여 궤도 제어 명령을 생성하는 제 2 과정과;

   궤도 제어 수행 시 제어이론의 최적화 기법을 사용하여 연료를 최소화하거나 시간을 최소화하는 제 3 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 위성의 온보드 자동 제어 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 과정은

   범용지구측위 시스템(GPS) 궤도 데이터와 센서 데이터를 이용하여 궤도 결정 및 예측을 하고, 현재 궤도 및 계획을 계산하여 저장하는 제 1 단계와;

   현재 궤도와 위성에 미리 입력된 계획 데이터 및 목표 궤도 데이터를 사용하고, 궤도 제어 필요 여부를 판단하여 궤도 제어가 필요 없으면, 지상국에 보고를 하고 시간 지연상태로 들어갔다 궤도 결정 및 예측으로 돌아가는 제 2 단계와;

   상기 판단 후 궤도 제어가 필요하면 지구측위 시스템(GPS) 궤도데이터와 센 서 데이터를 이용하여 자세 측정을 하고, 현재 자세를 데이터베이스에 저장하는 제 3 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 위성의 온보드 자동 제어 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 과정은

   현재 자세와 목표 자세를 이용하여 자세 제어 필요 여부를 판단하여 자세 제어가 필요 없으면, 궤도 제어 파라미터 계산을 하는 제 1 단계와;

   상기 판단 후 자세 제어가 필요하면, 자세 제어 파라미터를 생성하고 저장하는 제 2 단계와;.

   이 자세 제어 파라미터를 사용하여 자세 제어 명령을 생성 및 저장하고, 궤도 제어 파라미터 계산을 하는 제 3 단계와;

   궤도 제어 파라미터 계산 후 저장한 다음 궤도 제어 파라미터를 이용하여 궤도 제어 명령을 생성하고, 저장하는 제 4 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 위성의 온보드 자동 제어 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 3 과정은

   궤도 제어 명령 저장 후 명령 처리부에서 자세와 명령을 처리하는 제 1 단계와;

   상기 명령 처리 후 보고 데이터를 생성하여 지상국으로 보고한 후, 다시 시간 지연 상태로 돌아가는 제 2 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 위성의 온보드 자동 제어 방법.