KR20060076548A

KR20060076548A - 궤도기하학을 이용한 인공위성 자기센서의 바이어스보정방법

Info

Publication number: KR20060076548A
Application number: KR1020040115007A
Authority: KR
Inventors: 이선호; 이승우
Original assignee: 한국항공우주연구원
Priority date: 2004-12-29
Filing date: 2004-12-29
Publication date: 2006-07-04
Also published as: KR100666160B1

Abstract

본 발명은 인공위성에 장착된 3축 자기센서를 통해서 위성좌표계에서 지구자기장을 측정하는 단계(S1); 지구지향모드에서 측정된 지구 자기장데이터를 지구지향변환좌표계로 변환하고 태양지향모드에서 측정된 지구 자기장데이터를 태양지향변환좌표계로 변환하여 변환자기장을 산출하는 변환자기장 산출단계(S2); 변환자기장의 시평균값을 계산하는 시평균값 산출단계(S3); 시평균값을 지구지향변환좌표계에서 지구지향모드 위성좌표계로, 태양지향변환좌표계에서 태양지향모드 위성체좌표계로 역변환후 곡선접합법을 적용하여 측정된 자기장 데이터에 포함된 바이어스를 산출하는 바이어스 산출단계(S4); 산출된 바이어스를 측정된 자기장 데이터에서 소거하여 보정을 완료하는 바이어스 보정단계(S5);로 이루어지는 것을 특징으로 하는 궤도기하학을 이용한 인공위성 자기센서의 바이어스 보정방법에 관한 것이다.

인공위성 자기센서, 바이어스 보정, 궤도기하학

Description

궤도기하학을 이용한 인공위성 자기센서의 바이어스 보정방법 {Satellite Magnetometer Bias Correction Method Using Orbit Geometry}

도 1은 바이어스 보정단계를 나타낸 흐름도

도 2는 위성좌표계를 나타낸 도면

도 3은 지구지향모드에서 위성자세를 나타낸 도면

도 4는 태양지향모드에서 위성자세를 나타낸 도면

도 5는 지구지향 변환좌표계를 나타낸 도면

도 6은 태양지향 변환좌표계를 나타낸 도면

본 발명은 궤도기하학을 이용한 인공위성 자기센서의 바이어스 보정방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 인공위성에 장착된 자기센서에서 측정되는 자기장 데이터 성분중 실제 측정하고자 하는 지구자기장 이외에 위성 내부의 전자장치와 자화물질에 의해서 발생되는 자기장 바이어스를 궤도기하학을 이용하여 보정하는 방법에 관한 것이다.

인공위성은 안테나와 센서를 항상 지구방향이나, 일정방향을 향하도록 하여야 한다. 이를 위해서 지구, 태양, 항성 등을 기준으로 삼아 위성 자신의 3축 둘레의 자세를 검지하여 목표방향과의 어긋남을 자이로, 플라이휠, 가스제트 등을 작동시켜 수정하게 되는데, 이를 3축 자세제어(Three axes attitude control system)라고 한다. 현재 사용되고 있는 인공위성의 자세제어방법으로는 통상적인 바이어스 모멘텀, 제로 모멘텀 및 이들의 변형 또는 병용방식이 많다. 여기서 자세를 검지하기 위한 센서를 자기센서(또는 자력계:Magnetometer)라 한다.

이러한 자기센서는 인공위성에 장착되는 주요한 센서로서 우주공간에서 지구자기장을 측정하여 반작용휠(Reaction wheel)의 모멘텀관리(Momentum management), 그리고 인공위성의 임무기동(Maneuver)을 위한 자세결정(Attitude determination) 및 자세제어(Attitute control)를 수행하는데 사용된다. 이를 위해서는 위성내부에 다수의 전자장치와 자화물질에서 발생되는 자기장의 간섭영향을 추정하여 자기센서의 측정데이터를 보정하는 작업을 수행하여야 한다.

종래의 자세제어방법으로는, 자기센서를 위성에서 멀리 위치하도록 붐(Boom)을 사용하거나, 자기장 간섭을 발생시키는 장치 및 물질을 위성내부 또는 외부에 최적배치하는 등의 수동적인 방법과, 지구자기장 모델을 사용한 최소자승필터(Least square filter) 또는 칼만필터(Kalman filter)의 설계를 통한 능동적 방법이 주로 사용되고 있다.

그러나, 상기한 수동적인 방법의 경우는 실제 위성내부의 전자장치의 배치를 조정하는데 한계가 있기 때문에 보정 정밀도가 낮고, 능동적인 방법의 경우는 정밀도가 높은데 비해 자기센서의 측정값과 비교시 사용되는 기준인 국제표준지자기장(International geomagnetic reference field)모델을 데이터베이스로서 위성에 탑재해야 하며, 시간에 따라 변화하는 모델계수를 정기적으로 갱신해야 하는 작업이 필요하다. 또한, 흔히 사용되는 칼만필터 알고리즘을 실제 인공위성 프로세서에 구현할 때 필터시스템의 안정적인 수렴성(Convergence)과 최소의 계산량을 보장하기 위해서 설계와 시험에 많은 시간이 소요된다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 본 발명의 주요 목적은 위성의 궤도기하학을 이용하여 위성내부의 전자장치와 자화물질의 간섭에 의해 발생되는 자기장 바이어스를 추정하여 자기센서 데이터를 보정할 수 있는 궤도기하학을 이용한 인공위성 자기센서의 바이어스 보정방법을 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 인공위성에 장착된 3축 자기센서를 통해서 위성좌표계에서 지구자기장을 측정하는 단계; 지구지향모드에서 측정된 자기장 데이터를 지구지향변환좌표계로 변환하고 태양지향모드에서 측정된 자기장 데이터를 태양지향변환좌표계로 변환하여 변환자기장을 산출하는 변환자기장 산출단 계; 변환자기장의 시평균값을 계산하는 시평균값 산출단계; 시평균값을 지구지향변환좌표계에서 지구지향모드 위성좌표계로, 태양지향변환좌표계에서 태양지향모드 위성체좌표계로 역변환후 곡선접합법을 적용하여 측정된 자기장 데이터에 포함된 바이어스를 산출하는 바이어스 산출단계; 산출된 바이어스를 측정된 자기장 데이터에서 소거하여 보정을 완료하는 바이어스 보정단계;로 이루어진 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 자기장 측정단계는 인공위성에 장착된 3축 자기센서를 통해 지구지향모드의 위성좌표계(x_b,y_b,z_b)중 x_b,y_b축에서 측정되는 자기장(B_x,B_Y)과 태양지향모드의 위성좌표계(x_b,y_b,z_b)중 z_b축에서 측정되는 자기장(B _z)를 조합하여 위성좌표계 측정자기장 (B)=

데이터를 산출하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 변환자기장 산출단계는, 인공위성이 지구지향모드로 운용되는 중에 측정된 자기장(B_x,B_y)데이터를 지구지향변환행렬(T_e)을 통해 지구지향변환좌표계(x_n,y_n,z_n)로 변환하고, 태양지향모드로 운용되는 중에 측정된 자기장(B _z)데이터를 태양지향변환행렬(T_s)을 통해 태양지향변환좌표계(x_s,y_s,z_s)로 변환하여 변환자기장(M)=(D_e×T_e+D_s×T_s)×B데이터를 산출하되, 여기서 D _e및 D_s는 이득행렬인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 시평균값 산출단계는, 변환자기장의 시평균값(

)을 다음의 식

에 의해 산출하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 바이어스 산출단계는, 지구지향변환좌표계의 변환자기장 시평균값(

,

)은 지구지향모드 위성좌표계로 역변환하고, 태양지향변환좌표계의 변환자기장 시평균값(

)은 태양지향모드 위성좌표계로 역변환한 후 커브피팅을 이용하여 위성좌표계 측정자기장 데이터에 포함된 바이어스를 출력하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 바이어스 보정단계는 이미 산출된 바이어스를 측정된 자기장 데이터에서 소거(B(t)-Δ(t))하여 보정결과를 산출하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

첨부된 도 1은 바이어스 보정단계를 나타낸 흐름도이고, 도 2는 위성좌표계를 나타낸 도면이며, 도 3은 지구지향모드에서 위성자세를 나타낸 도면이고, 도 4는 태양지향모드에서 위성자세를 나타낸 도면이며, 도 5는 지구지향 변환좌표계를 나타낸 도면이고, 도 6은 태양지향 변환좌표계를 나타낸 도면이다.

본 발명에 따른 궤도기하학을 이용한 인공위성 자기센서의 바이어스 보정방법은 도 1에서와 같이 자기장 측정단계(S1)와, 변환자기장 산출단계(S2)와, 시평균값 산출단계(S3)와, 바이어스 산출단계(S4)와, 바이어스 보정단계(S5)가 순차적으 로 진행되어 이루어진다.

통상적으로 인공위성은 임무수행을 위한 기동을 제외하면 지구지향모드(Earth-pointing mode)와 태양지향모드(Sun-pointing mode)로 운용된다. 여기서 지구지향모드는 도 2 및 도 3에서 보듯이 인공위성의 카메라 또는 안테나의 시선벡터인 z_b축이 지구중심을 지향하고 있는 상태를 말하며, 태양지향모드는 도 4에 도시된 바와 같이 태양전지판의 법선벡터인 -z_b축이 태양을 지향하고 있는 상태를 말한다.

이 상태로 부터, 상기한 자기장 측정단계(S1)는 위성에 장착된 3축 자기센서(미도시)를 통해 위성좌표계(x_b,y_b,z_b)에서 지구자기장(B) 데이터를 검출하는 단계이다.

즉, 인공위성에 장착된 3축 자기센서를 통해 지구지향모드의 위성좌표계중 x_b,y_b축에서 측정되는 지구 자기장(B_x,B_y)과, 태양지향모드의 위성좌표계중 z_b축에서 측정되는 지구 자기장(B_z)을 조합하여 위성좌표계 측정자기장(B) 데이터를 검출하게 되며, 그 수학식은 아래와 같이 나타낼 수 있다.

(수학식 1)

다음, 상기한 변환자기장 산출단계(S2)는 인공위성의 지구지향모드에서 측정된 지구의 자기장 데이터를 지구지향변환좌표계로 변환하고 태양지향모드에서 측정 된 지구의 자기장 데이터를 태양지향변환좌표계로 변환하여 변환자기장을 산출하는 단계이다.

즉, 인공위성이 지구지향모드로 운용되는 중에 측정된 지구 자기장(B_x,B_y) 데이터를 지구지향변환행렬(Earth-pointing transformation matrix:T_e)을 통해 지구지향변환좌표계(Earth-pointing transformation coordinate:x_n,y_n,z_n)로 변환하고, 태양지향모드 운용중에 측정된 지구 자기장(B_z) 데이터를 태양지향변환행렬(Sun-pointing transformation matrix:T_s)을 통해 태양지향변환좌표계(Sun-pointing transformation coordinate:x_s,y_s,z_s)로 변환하여 변환자기장(M)을 산출한다.

상기에서, 변환자기장(M)은 지구지향변환행렬과 태양지향변환행렬, 그리고 이득행렬(Gain matrix)인

,

을 이용하여 아래의 수학식(2)에 의해 산출된다.

(수학식 2)

다음, 시평균값 산출단계(S3)는 상기 변환자기장의 시평균값(

)을 산출하며 이를 수학식으로 나타내면 아래와 같다.

(수학식 3)

다음, 바이어스 산출단계(S4)는 지구지향변환좌표계의 변환자기장 시평균값(

,

)은 태양지향모드 위성좌표계로 역변환한 후 커브피팅(Curve fitting:임의의 점(n+1)개를 입력하여 그 점들을 지나는 n차 이하 근사곡선을 구하는 방법)법을 이용하여 위성좌표계 측정자기장 데이터에 포함된 바이어스(Δ)를 산출한다.

다음, 바이어스 보정단계(S5)는 바이어스 산출단계에서 산출된 바이어스(Δ)를 측정된 자기장 데이터에서 소거(B(t)-Δ(t))하여 보정결과를 산출하는 것이다.

이상에서 설명된 바와 같이 본 발명은 기존의 자기센서에 의한 보정방법과는 달리 국제표준지자기장 모델을 사용하지 않고 위성의 궤도기하학을 이용하여 위성 내부의 전자장치 및 자화물질의 간섭에 의해 발생되는 자기장 바이어스를 추정하여 자기센서 데이터를 효과적으로 보정할 수 있는 방법을 제공함에 따라 지구자기장 모델 데이터베이스를 위성체의 메모리에 탑재할 필요가 없고 안정적인 수렴성과 적은 계산량을 보장하기 때문에 위성체 내부의 자기장 간섭의 자율적 소거가 필요한 소형위성에 유용하게 사용될 수 있다.

Claims

인공위성에 장착된 3축 자기센서를 통해서 위성좌표계에서 지구자기장을 측정하는 단계(S1);

지구지향모드에서 측정된 지구 자기장데이터를 지구지향변환좌표계로 변환하고 태양지향모드에서 측정된 지구 자기장데이터를 태양지향변환좌표계로 변환하여 변환자기장을 산출하는 변환자기장 산출단계(S2);

변환자기장의 시평균값을 계산하는 시평균값 산출단계(S3);

시평균값을 지구지향변환좌표계에서 지구지향모드 위성좌표계로, 태양지향변환좌표계에서 태양지향모드 위성체좌표계로 역변환후 곡선접합법을 적용하여 측정된 자기장 데이터에 포함된 바이어스를 산출하는 바이어스 산출단계(S4);

산출된 바이어스를 측정된 자기장 데이터에서 소거하여 보정을 완료하는 바이어스 보정단계(S5);로 이루어지는 것을 특징으로 하는 궤도기하학을 이용한 인공위성 자기센서의 바이어스 보정방법.
제 1 항에 있어서,

상기 자기장 측정단계는 인공위성에 장착된 3축 자기센서를 통해 지구지향모드의 위성좌표계(x_b,y_b,z_b)중 x_b,y_b축에서 측정되는 자기장(B_x,B_Y)과 태양지향모드의 위성좌표계(x_b,y_b,z_b)중 z_b축에서 측정되는 자기장(B _z)를 조합하여 위성좌표계 측정자기장 (B)=
데이터를 산출하는 것을 특징으로 하는 궤도기하학을 이용한 인공위성 자기센서의 바이어스 보정방법.
제 1 항에 있어서,

상기 변환자기장 산출단계는, 인공위성이 지구지향모드로 운용되는 중에 측정된 자기장(B_x,B_y)데이터를 지구지향변환행렬(T_e)을 통해 지구지향변환좌표계(x_n,y_n,z_n)로 변환하고, 태양지향모드로 운용되는 중에 측정된 자기장(B _z)데이터를 태양지향변환행렬(T_s)을 통해 태양지향변환좌표계(x_s,y_s,z_s)로 변환하여 변환자기장(M)=(D_e×T_e+D_s×T_s)×B데이터를 산출하되, 여기서 D _e및 D_s는 이득행렬인 것을 특징으로 하는 궤도기하학을 이용한 인공위성 자기센서의 바이어스 보정방법.
제 1 항에 있어서,

상기 시평균값 산출단계는, 변환자기장의 시평균값(
)을 다음의 식
에 의해 산출하는 것을 특징으로 하는 궤도기하학을 이용한 인공위성 자기센서의 바이어스 보정방법.
제 1 항에 있어서,

상기 바이어스 산출단계는, 지구지향변환좌표계의 변환자기장 시평균값(
,
)은 지구지향모드 위성좌표계로 역변환하고, 태양지향변환좌표계의 변환자기장 시평균값(
)은 태양지향모드 위성좌표계로 역변환한 후 커브피팅을 이용하여 위성좌표계 측정자기장 데이터에 포함된 바이어스를 출력하는 것을 특징으로 하는 궤도기하학을 이용한 인공위성 자기센서의 바이어스 보정방법.
제 1 항에 있어서,

상기 바이어스 보정단계는 이미 산출된 바이어스를 측정된 자기장 데이터에서 소거(B(t)-Δ(t))하여 보정결과를 산출하는 것을 특징으로 하는 궤도기하학을 이용한 인공위성 자기센서의 바이어스 보정방법.