KR20040026961A - 정지궤도 인공위성 피라미드형 반작용휠 모멘텀 관리알고리즘 - Google Patents

Abstract

본 발명은 정지궤도 인공위성의 피라미드형 반작용휠의 모멘텀에 관하여 현재의 휠모멘텀이 안전 영역에 놓여 있도록 추력 토크를 이용해서 휠모멘텀을 관리하는 일련의 알고리즘에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 토크를 제공하는 추력기와 반작용휠을 이용해서 인공위성의 수명과 직결되는 추진제를 가급적 사용하지 않으면서 피라미드형으로 배치된 4개의 반작용휠이 안정적으로 운용될 수 있는 모멘텀 영역을 자동으로 유지할 수 있는 알고리즘에 관한 것이며, 정지궤도 인공위성의 자세나 궤도 위치에 임의의 변화를 가하지 않는 정상 상태에서 덤핑을 수행하는 덤핑모드에 관한 것과 궤도의 남북 위치에 추력을 통해 변화를 가해야 하는 남북 위치유지모드에 관하여 구분하여 구현하는 알고리즘에 관한 것이다.

이러한 본 발명은 정상 상태에서 덤핑모드로 전환할 것인지 판단하는 알고리즘과 덤핑모드에서 적절한 추력기를 선정하는 알고리즘과 남북 위치유지모드에서 반작용휠을 선택할 것인가 아니면 추력기를 선택할 것인가를 판단하는 알고리즘으로 구성되며,

4개의 반작용휠 중에서 어느 하나라도 정상 동작 범위를 벗어난 경우에는 덤핑모드로 전환되며 모든 휠이 안전 영역에 놓여진 경우에 덤핑모드를 마치게 되는 특징과,

덤핑모드에서 휠모멘텀을 조정하기 위한 추력기를 가급적 적게 사용할 수 있도록 선택할 수 있는 특징과,

남북 위치유지모드에서 가급적 추진제를 적게 소모하기 위해 반작용휠의 모멘텀을 최대한 활용하되 휠이 정상 동작 범위를 벗어나지 않도록 추력기 및 휠의 적절한 선택을 할 수 있는 특징으로 하는 것이다.

Description

정지궤도 인공위성 피라미드형 반작용휠 모멘텀 관리 알고리즘{Momentum Management Algorithm for Pyramid Type Reaction Wheel on Geostationary Satellite}

본 발명은 정지궤도 인공위성에서 피라미드형으로 배치된 4개의 반작용휠 모멘텀이 안정한 영역에서 동작할 수 있도록 추력기를 이용한 모멘텀 관리 알고리즘에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 토크를 제공하는 추력기와 반작용휠을 이용해서 인공위성의 수명과 직결되는 추진제를 가급적 사용하지 않으면서 피라미드형으로 배치된 4개의 반작용휠이 안정적으로 운용될 수 있는 모멘텀 영역을 자동으로 유지할 수 있는 알고리즘에 관한 것이며, 정지궤도 인공위성의 자세나 궤도 위치에 임의의 변화를 가하지 않는 정상 상태에서 덤핑을 수행하는 덤핑모드에 관한 것과 궤도의 남북 위치에 추력을 통해 변화를 가해야 하는 남북 위치유지모드에 관하여 구분하여 구현되는 알고리즘에 관한 것이다.

정지궤도 인공위성은 지상으로부터 약 36,000 Km 상공에 위치하여 항상 우주환경에 노출되어 있기 때문에 주어진 임무(통신, 방송, 관측 등)를 성공적으로 수행하기 위해서는 우주환경에 의한 외란 영향을 제어해 주어야 한다.

이러한 제어를 위해서 사용되는 구동기에는 추력기와 반작용휠이 주로 사용되는데 추력기는 인공위성에 탑재된 추진제를 사용해서 추력과 토크를 얻는 장비이므로 인공위성의 수명과 직결되고, 반작용휠의 경우에는 전력을 이용하여 토크를 얻는 장비이므로 태양전지판의 수명에 따라 항상 구동할 수 있기 때문에 가급적 반작용휠을 이용한 자세제어를 수행하게 되는 것이다.

그러나, 반작용휠의 경우에는 장비의 특성상 안정적으로 동작할 수 있는 영역이 존재하게 되고 그 값을 보통 모멘텀으로 표시하게 되며, 우주외란에 의해 누적된 모멘텀 증가는 자동으로 감소시킬 수 없고 반드시 추력기에 의해 상대적인 토크를 임의로 생성해서 감소시켜야 한다.

특히, 이러한 일련의 과정을 모멘텀 덤핑이라고 하며 이 과정을 수행하면서도 인공위성에 주어진 임무를 지속적으로 수행하기 위해서는 자세에 변화가 없어야 한다.

또한, 우주외란에 의해 인공위성의 위치가 변할 수 있게 되는데 변화된 위치가 초기에 설계된 값보다 커지게 되면 인공위성의 임무를 수행함에 있어 좋지 못한 영향을 받게 되므로 적절한 위치 제어를 수행해야 한다.

이를 위해 남북 방향과 동서 방향으로의 위치유지 제어를 추력기를 통해 수행하게 되는데, 이중에서도 남북 방향의 위치유지 제어동안에는 태양전지판에 추력을 얻기 위해 분사된 추진제에 의해 플룸토크가 발생하게 되므로 별도의 추력기 및 모멘텀이 안정한 영역에 놓여진 반작용휠을 이용한 자세제어를 동시에 수행해야 한다.

종래에는 국내에서 정지궤도 인공위성을 개발한 경험이 없기 때문에 위치유지모드에서의 모멘텀 관리 알고리즘이 없고, 저궤도 인공위성은 개발한 경험이 있지만 덤핑모드에서 반작용휠 4개의 모멘텀을 모두 확인하여 자동으로 모멘텀 덤핑을 수행하되 4개의 반작용휠 모멘텀을 모두 안정 영역으로 덤핑하는 알고리즘은 알려지지 않았다.

본 발명은 정지궤도 인공위성의 반작용휠 모멘텀을 자동으로 관리할 수 있는 알고리즘을 개발한 것으로, 덤핑모드에서와 위치유지모드에서 수행하는 모멘텀 관리 알고리즘을 별도로 구별하여 그 특성에 맞는 효율적인 알고리즘을 개발한 것이다.

이러한 본 발명은 덤핑모드에서 정상 동작 범위(보통 안정 영역 범위보다 큼)를 벗어난 반작용휠이 있는지를 탑재컴퓨터가 자동으로 확인하고 모멘텀 덤핑을 수행하는 이벤트를 생성하며 안정 영역에 놓여 있지 않는 반작용휠에 따라 적절한 추력기를 선정한다.

또한, 위치유지모드에서 플룸토크에 의해 변화되는 자세를 제어하기 위해 안정 영역에 놓여 있는지 반작용휠을 탑재컴퓨터가 자동으로 확인하고 요구되는 모멘텀 변화에도 반작용휠의 모멘텀이 안정 영역을 벗어나지 않는 경우에 추력기를 사용하지 않고 반작용휠을 사용하여 연료 절감과 자세 제어를 동시에 할 수 있어야 한다.

도 1 은 본 발명의 덤핑모드 결정 알고리즘

도 2 는 본 발명의 덤핑모드에서의 추력기 선택 알고리즘

도 3 은 본 발명의 남북 위치유지모드에서의 구동기 선택 알고리즘

도 4 는 본 발명에서 정지궤도 인공위성 좌표계 정의

도 5 는 본 발명에서 정지궤도 인공위성 추력기 배치도

도 6 은 본 발명에서 정지궤도 인공위성 반작용휠 피라미드형 배치도

[도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명]

W1, W2, W3, W4 : 반작용휠 모멘텀

Max : 반작용휠 모멘텀 정상 동작 범위 상한치

Min : 반작용휠 모멘텀 안정 영역 상한치

F1, F2, F3, F4 : 반작용휠 모멘텀이 안정 영역을 벗어난 여부 (1=벗어남)

temp[0], temp[1], temp[2] : 반작용휠 모멘텀을 제어하기 위한 요, 롤, 피치 방향으로의 토크 발생 여부 ('0'보다 크면 '+'토크, '0'보다 작으면 '-'토크,'0'이면 토크 발생하지 않음)

T[1], T[2], T[3] : 자세제어를 위해 요구되는 요, 롤, 피치 방향으로의 토크 값

X_I, Y_I, Z_I: 변화가 없다고 가정하는 관성좌표계

X₀, Y_O, Z_O: 정지궤도상에서의 궤도좌표계 (요, 롤, 피치)

X_B, Y_B, Z_B: 정지궤도상에서의 몸체좌표계 (요, 롤, 피치)

REA : 추력기(Rocket Engine Assembly)

1 ~ 23 : 추력기

RWA1, RWA2, RWA3, RWA4 : 반작용휠(Reaction Wheel Assembly) 1, 2, 3, 4

본 발명은 정지궤도 인공위성이 특별한 기동을 수행하지 않는 정상상태에서 우주환경에 의해 반작용휠의 모멘텀이 정상 동작 범위를 벗어난 경우에 대해 지구 지향 자세는 지속적으로 유지하면서 반작용휠의 모멘텀을 안정 영역으로 감소시키는 모멘텀 덤핑을 수행하게 된다.

여기서, 통상적으로 반작용휠 모멘텀의 안정 영역은 정상 동작 범위보다 작으므로 모멘텀이 안정 영역을 벗어난 반작용휠에 대해서는 덤핑을 수행하지 않지만 어느 하나의 반작용휠에 의해 덤핑을 수행하게 되면 안정 영역을 벗어난 반작용휠도 추력기를 선택함에 있어서 충분히 고려하여 모든 반작용휠의 모멘텀이 안정 영역에 들어올 때까지 덤핑을 수행하게 된다.

도 1 은 이러한 덤핑을 수행할 것인지를 판단하는 알고리즘으로 현재의 반작용휠 속도를 측정하여 그 모멘텀(W1, W2, W3, W4)을 확인한 후 정상 동작 범위(Max 값)을 벗어난 반작용휠이 있는가를 판단하여 있으면 덤핑을 수행하고, 없으면 모두 안정 영역(Min 값)에 있는가를 판단하여 있으면 덤핑을 수행하지 않도록 한다.

이때, 덤핑을 수행하지 않는 상태에서 정상 동작 범위는 넘지 않았으나 안정 영역을 벗어난 경우에는 계속 덤핑을 수행하지 않는 상태에 놓이게 되고, 덤핑을 수행하고 있는 상태에서 앞에 설명한 것과 동일한 경우가 발생한 경우에는 계속 덤핑을 수행하여야만 덤핑 수행에 따라 안정 영역을 벗어난 모든 반작용휠들의 모멘텀이 안정 영역에 놓여지게 된다.

도 2 는 덤핑을 수행하는 덤핑모드에서 반작용휠의 모멘텀에 따라 적절한 추력기를 선택하는 알고리즘으로 'temp[0], temp[1], temp[2]' 변수는 각각 정지궤도 인공위성의 요, 롤, 피치 축으로의 토크 발생 여부를 의미하는 것으로 '0'보다 크면 '+'토크를 발생시키는 추력기 세트를 동작하고, '0'보다 작으면 '-'토크를 발생시키는 추력기 세트를 동작하며, '0'과 같을 때만 추력기를 동작시키지 않는다.

여기서, 'F'는 반작용휠이 안정 영역을 '+'방향으로 벗어난 상태인가 '-'방향으로 벗어난 상태인가를 확인하는 변수이며 첨자는 반작용휠 각각의 번호를 의미한다.

최종적으로 요, 롤, 피치 방향으로의 추력기 세트를 결정하기 위해서는 반작용휠 각각에 대한 정보를 더함으로써 가장 적절한 추력기 세트가 선정되는 것이다.

도 3 은 위치유지모드에서 반작용휠의 모멘텀이 안정한 영역에 놓여 있는 것을 보장하고 가급적 추력기 사용을 최소화하면서 발생된 자세 오차를 제어할 수 있는 알고리즘에 관한 것으로 덤핑모드에서의 추력기 선정 알고리즘과 유사하지만 이 알고리즘에서는 요구되는 요, 롤, 피치 방향의 토크 값(T[1], T[2], T[3])을 계산하는 것이 중요하다.

여기서, 반작용휠을 선택할 것인가 추력기를 선택할 것인가는 최종 단계에서 결정하되, 가급적 반작용휠을 선택해야 추진제를 적게 사용하는 것이므로 요구된 토크 값에 대해 반작용휠에 가해지는 토크 값(temp[0], temp[1], temp[2])이 동일한 방향으로 결정되면 추력기를 선택하게 되는 것이고, 이외의 경우에는 반작용휠을 사용하게 되는데 이 경우 반작용휠의 모멘텀이 발생된 플룸토크에 의해 자동적으로 모멘텀 덤핑을 수행하게 되는 과정도 발생하게 된다.

도 4 는 정지궤도 인공위성이 우주공간에 놓여 있을 때 위치유지 및 자세제어를 위한 좌표계를 표시한 것으로, 궤도면에 따라 진행하는 방향을 롤 방향(Y), 궤도면의 위쪽으로 수직한 방향을 피치 방향(Z), 지구 반대 방향을 요 방향(X)으로 궤도좌표계를 정의하고, 자세 오차가 없는 경우 위성체에 궤도좌표계와 동일하게 정의하는 것이 몸체좌표계이며, 자세 오차가 발생되면 궤도좌표계와 몸체좌표계가 오차만큼 차이가 발생한다.

도 5 는 본 발명에 사용된 정지궤도 인공위성 추력기 배치도로서 도면에 표시된 x, y, z는 몸체좌표계를 의미하고, 1∼23번은 추력기 번호를 나타낸다.

도면을 이용하면 각 방향으로 추력기 세트를 다양하게 구성할 수 있으며, 일례로 '+'롤 토크를 위해서는 1번과 4번 추력기를 On시키면 되고, '+'요 토크를 위해서는 5번, 8번, 11번, 12번 추력기를 On시키면 되고, '+' 피치 토크를 위해서는 7번, 8번, 10번, 11번 추력기를 On시키면 된다.

이때, 자세제어를 위한 토크를 위해서는 짝힘이 발생되도록 추력기를 구성해야 하지만 1번, 2번, 3번, 4번 추력기에 대해서는 정지궤도 인공위성의 특성상 짝힘을 발생시킬 수 없기 때문에 2개의 추력기 세트로만 구성하게 되는 것이다.

도 6 은 몸체좌표계에 대해 배치된 피라미드형 반작용휠 배치도로서 도면에 표시된 화살표는 반작용휠이 갖는 모멘텀 방향으로 휠의 회전축을 의미하고, 롤요평면에 대해서 반작용휠이 각각 45도씩 어긋나 있으며, 피치 방향에 대해 54.7도만큼 기울어져 있어서 요, 롤, 피치 방향으로 반작용휠이 적절한 토크를 발생할 수 있고 4개 중 하나에 고장이 발생해도 무리 없이 3축 방향으로 토크를 발생할 수 있는 여유도를 확보하게 된다.

본 발명은 피라미드형 반작용휠 배치를 갖는 정지궤도 인공위성에서 덤핑모드와 위치유지모드를 수행함에 있어서 자동으로 모멘텀을 관리할 수 있으며 특히, 위치유지모드에서는 추력기 사용을 최소화함으로써 연료 절감을 기대할 수 있는 것이다.

또한, 덤핑모드에서 안정 영역과 정상 동작 범위를 분리하여 효율적인 모멘텀 관리가 이루어지도록 한 것이다.

Claims (2)

1. 피라미드형 반작용휠 배치를 갖는 정지궤도 인공위성에 있어서,

   현재의 반작용휠 모멘텀에 대해 안정 영역과 정상 동작 범위를 분리하여 덤핑 수행 여부를 결정하고,

   그때의 추력기 세트를 4개의 반작용휠에 대해 각각 고려한 후 3축 방향으로의 토크를 발생할 수 있는 적절한 추력기 세트를 결정하는 일련의 과정을 자동으로 관리하는 정지궤도 인공위성 피라미드형 반작용휠 모멘텀 관리 알고리즘.
2. 피라미드형 반작용휠 배치를 갖는 정지궤도 인공위성의 위치유지모드에서,

   발생된 외란에 대해 제어해야 할 토크 값을 계산하고,

   반작용휠의 모멘텀이 안정 영역에 놓여 있지 않는 경우의 덤핑 여부를 판단한 후,

   제어해야 할 토크 방향과 덤핑해야 할 토크 방향이 일치하지 않는 경우에 대해서는 반작용휠을 사용하여 자세제어를 하게 하는 정지궤도 인공위성 피라미드형 모멘텀 관리 알고리즘.