저궤도 큐브위성 자세 결정 제어 시스템의 센서 보정 및 단일 축 HIL 검증 실험

Abstract

서울대학교 GNSS 연구실에서 개발한 2U 크기의 큐브위성인 SNUGLITE는 이중주파수 GPS수신기를 탑재하여 실제 운용을 주요 임무로 하고 있으며, 과학적 임무로는 우주환경 관측 및 데이터 수집을 목표로 하고 있다. 통신은 UHF와 지향성이 있는 S-band 안테나를 통해 지상국과 임무데이터를 송수신한다. 이때, 안정적이고 성공적인 데이터 송수신을 위하여 큐브위성의 지구지향자세 제어가 필수적이다. 이를 위해서는 자세 추정 및 제어 알고리즘인 ADCS(Attitude Determination and Control System)이 On Board Computer(OBC) Processor에서 real-time으로 구현이 되어야 한다. 자세 추정알고리즘으로는 EKF(Extended Kalman Filter)를 사용하며. 자세제어 기법으로는 LQG(Linear Quadratic Gaussian) 알고리즘을 이용하고` 있다. 큐브위성 ADCS 알고리즘 개발단계로, 첫째, 알고리즘을 S/W Simulation 측면에서 검증하는 SILS(Software In the Loop Simulation) [이하 SILS]를 통하여 알고리즘에 대한 설계를 한 후, 다음 단계로 PILS(Processor In the Loop Simulation) [이하 PILS]를 통하여 실제 OBC(On Board Computer)에 알고리즘을 탑재하여 검증하는 단계를 거치며, 최종단계로 ADCS알고리즘을 실험적으로 검증하고자, 우주환경을 모사하여 자세 추정 및 제어 알고리즘을 검증하는 단계인 HILS(Hardware In the Loop Simulation) [이하 HILS]검증과정이 있다. 이러한 일련의 검증과정을 통하여 큐브위성의 ADCS 알고리즘을 설계하게 된다. 이전 연구로서는 ADCS에 대한 알고리즘에 대한 검증내용으로 SILS 연구가 수행된 바 있다. [1], [2] 본 논문에서는 실제 OBC에 구현하기 위한 PILS 에 관한내용과 실제 하드웨어에 적용하여 실험적으로 검증한 내용인 단일 축 HIL 실험 검증에 대한 내용을 다루었다. 특히, 실제 탑재센서를 사용해야 하므로 이러한 센서 오차 모델링과 보정에 관한 연구를 함께 수행하였다. PILS 수행 내용으로서는 MATLAB 기반 SILS 의 알고리즘을 모두 C언어로 변환하였으며, 이때, OBC의 계산수행 능력에 맞도록, EKF의 Time Update부분에서 Van-Loan 알고리즘을 이용하여, State-transition matrix를 구할 때, 1차로 간략화 하였다. 또한, 큐브위성이 탑재하고 있는 Actuator 특성상 지구 자기장을 이용한 제어를 수행하기 때문에, 제어를 위한 LQR-gain을 실시간으로 구해주어야 하므로, 시스템의 Eigenvalue/Eigenvector 문제 구하는 알고리즘을 탑재하여 Potters method를 이용하여 LQR-gain을 구해주고 있다. 또한, 자세 결정센서로 5면에 부착된 Coarse sun sensor(태양센서)와 OBC에 탑재된 Gyroscope (각속도계)와 Magnetometer(지자계)를 이용하여 자세결정을 수행하며, 이 센서들의 성능을 올바르게 사용하기 위해서는 센서 오차 모델링 및 보정이 필수적이다. Coarse sun sensor의 경우, Photodiode를 이용한 저가형 센서로서 태양벡터가 3축으로 들어온다면, Trigonometric method를 이용하고, 2축으로 들어올 경우, Conical shell model을 이용하여, 각 센서의 상대적인 빛의 크기(Intensity)를 normalized하여, Sun 벡터를 구하게 되며, 이때, 센서 오차 모델링을 수행하여 Sine 함수로 output을 갖도록 보정을 해 주어야 한다. 다음으로, Magnetometer는 지구 절대자기장 대비 실제 측정되는 자기장의 크기를 scale factor를 이용하여 보정하며, 3축의 경우 Hard iron과 Soft iron compensation을 통하여 보정을 수행하였다. Gyroscope의 경우에는 Scale factor를 확인하였다. 또한 노이즈 분석을 위한 Allan Variance 분석을 통하여 bias 모델을 1st order Gauss Markov Process로 적용하였다. ADCS 알고리즘을 지상에서 검증을 위하여 HILS 검증은 보통 3축 자세 결정, 제어를 위한 Air-bearing 기반의 HILS 시뮬레이터를 이용하여 검증하는 실험과정을 거친다 하지만, 본 논문에서는 단일 축 HIL 실험검증에 대한 내용으로 검증을 위한 기구 설계가 복잡하고 비용측면에서 불리한 3축 HILS 검증대신에 간단하고 비용적인 측면에서 유리한 단일 축 HIL 실험검증을 채택하여 연구를 수행하였으며 실험적으로 자세 추정 및 제어결과를 확인하였으며, 이를 자세 추정 및 제어 요구조건과 확인하였다.