한국의 큐브위성 개발 현황 분석

한상혁(Sanghyuck Han),최연주(Yeonju Choi),조동현(Dong-Hyun Cho),최원섭(Won-Sub Choi),공현철(Hyeon Cheol Gong),김해동(Hae-Dong Kim),최기혁(Gi-Hyuk Choi) 한국항공우주학회 2017 韓國航空宇宙學會誌 Vol.45 No.11

2000년 이후로 발사된 큐브위성의 수는 약 750기(2017년 8월 기준)로 큐브위성의 제작과 발사가 급증하였다. 1999년 큐브위성의 규격이 발표된 이래로, 큐브위성은 단순한 교육 및 기술 검증 목적을 넘어 우주탐사나 지구관측 등 상업용으로 사용될 만큼 괄목할 만한 성장을 이뤘으며, 최근에는 그 형태나 임무의 다양성이 더욱 증가되고 있다. 국내에서는 2000년 부터 일부 대학교 및 개인이 독자적으로 큐브위성 제작을 수행하였고, 2012년 들어 과학기술정보통신부 주최, 한국항공우주연구원 주관으로 큐브위성 경연대회를 개최하면서 큐브위성 개발을 본격화하였다. 또한, 한국항공우주연구원, 한국천문연구원 등 국내 연구소에서도 우주과학 및 우주탐사에 활용하기 위해 큐브위성 제작을 시작하였다. 국내에서 2017년 8월 현재까지 제작완료하거나 제작중인 큐브위성은 총 19기이며, 본 논문에서는 큐브위성의 기술동향과 국내에서 현재까지 제작된 큐브위성에 대해 자세히 살펴본다. Since 2000, about 750 cubesats have been launched as of August 2017 and development and the launch of cubesat increased exponentially. Since standard of cubesat has been proposed in 1999, cubesats have grown considerably beyond the scope of education and technology verification to commercial use in the area of space exploration and earth observation, and the variety of cubesat mission and type has increased recently. In Korea, some universities and individuals have independently developed cubesats since 2000, and cubesat contests which were organized by KARI and sponsored by Ministry of Science and ICT from 2012 highly contributed to cubesat development in Korea. In addition, domestic institutes such as KARI, KASI started to develop cubesats for space science and exploration mission. Nineteen cubesats have been progressed or completed in development until now. In this paper, we present the technical trend and describe all cubesats in Korea.

CANYVAL-C 편대비행 임무를 위한 큐브위성 시스템: 개발 및 발사를 통한 교훈

김극남,이태양,강대은,전수빈,김남규,박연규,김정훈,박상영 한국항공우주학회 2024 韓國航空宇宙學會誌 Vol.52 No.3

본 연구는 태양의 코로나를 촬영하기 위한 편대비행 큐브위성 비행모델의 개발과 발사 이후 초기 식별을 시도하는 과정에서 얻은 교훈을 다룬다. CANYVAL-C(CubeSat Astronomy by NASA and Yonsei using Virtual telescope ALlinment - Coronagraph) 임무는 큐브위성 두 기의 편대비행을 통해 태양의 코로나 촬영을 목표로 한다. 분리형 코로나 촬영 시스템을 구현하기 위한 요구사항을 도출하고, 운용 개념을 수립하였다. 카메라를 탑재한 1U 큐브위성(Timon)과 태양광 차폐막을 탑재한 2U 큐브위성(Pumbaa) 시스템을 개발하였다. 본 임무는 정교한 편대비행을 위해, 두 위성 간의 RF 통신, 상대항법, 시간동기화, 상대위치제어가 요구된다. 종단운용시험 및 우주환경시험을 통해 큐브위성 시스템 비행모델의 지상 검증을 수행하였다. 지상 관제에 필요한 UHF 지상국, 비행동역학 시스템, 임무 분석 및 계획 시스템을 개발하였다. 두 위성은 2021년 3월 22일 발사체 Soyuz-2.1a에 의해 궤도에 진입하였다. 본 연구는 초기 설계 과정에서 상세한 임무 분석, 시스템 수준의 반복 시험 수행, 지상국 서비스 사용 등 기존의 큐브위성 개발 과정에서 간과했던 점을 요약한다. 또한, 큐브위성 시스템 개발과 교신 시도에서 얻은 경험을 바탕으로, 임무 설계, 시스템 개발, 발사 및 운용 관점에서 교훈을 제시한다. 이를 바탕으로 향후 국내에서 개발되는 큐브위성 시스템을 개선하고 궤도 운용 성공률을 높일 수 있다. We present the development process and lessons learned from creating CubeSat systems for the solar coronagraph. The objective of the CANYVAL-C(CubeSat Astronomy by NASA and Yonsei using Virtual telescope ALignmeht - Coronagraph) mission is to capture solar corona images with two CubeSats operating formation flying: 1U CubeSat(Timon) equipped with a camera payload and 2U CubeSat (Pumbaa) equipped with sunlight-blocking payload. In order to establish a new concept for a separated solar coronagraph, we derived the mission requirements and then designed the concept of operations. To achieve precise formation flying, core technologies for RF inter-satellite link, GNSS-based relative navigation, time-synchronization, and relative orbit maneuver were developed. The integrated flight model of two CubeSats were thoroughly verified through end-to-end testing and space environment testing. Furthermore, a ground segment including the UHF ground station, FDS(Flight Dynamics System), MAPS(Mission Analysis and Planning System), and SOS(Spacecraft Operation System) were developed for on-orbit operations. Two CubeSats were launched on March 22, 2021, by Soyuz-2.1a. This study highlights the importance of thorough mission analysis, repeated systems-level testing, and the utilization of commercial ground station services. Additionally, it presents valuable insights derived from mission design, CubeSat systems development, as well as launch and operational experiences. The experience gained during the development and launch of CANYVAL-C CubeSat systems can contribute to improving the success rate of on-orbit operations for future CubeSat missions.

대한민국의 큐브위성 개발현황

강상욱(Kang, Sang-Wook),한상혁(Han, Sang-Hyuk),공현철(Gong, Hyun-Chul),최기혁(Choi, Gi-Hyuk) 한국항공우주연구원 2013 항공우주산업기술동향 Vol.11 No.2

교육적 목적으로 탄생한 큐브위성이 다양한 과학적 임무를 수행함에 따라 전세계적으로 큐브위성 경연대회 프로그램들이 성황리에 개최되고 있으며 관심 또한 매우 높다. 우리나라도 2012년 첫 큐브위성 경연대회를 시작으로 2년째 경연대회를 진행 중에 있으며, 지금까지 매년 3팀씩 총 6팀을 선정하였다. 선정된 팀들은 제작비용과 발사기회를 제공받을 예정이다. 본 논문에서는 큐브위성 경연대회의 선정기준 및 절차, 최종 선정된 6개팀의 과학임무와 시스템 특징에 관해 소개하였다. 큐브위성은 전자산업의 비약적 발전으로 인해 소형임에도 불구하고 뛰어난 과학적 임무수행능력을 보여주고 있다. 매년 큐브위성과 관련된 국제학회가 다수 열리고 있으며, 지구관측, 우주환경, 신기술 개발 및 검증 등의 분야로 응용범위가 점점 확대되고 있다. 앞으로 큐브위성 경연대회를 통해 우주개발에 대한 국민적 관심 증대와 우수한 우주관련 전문가들이 많이 양성되기를 희망해본다. CubeSat contest programs have being held with great success all over the world and received a high attention as CubeSats developed for educational purpose have carried out various scientific missions in space. The first CubeSat contest program was started in Korea in 2012 and lasted during 2 years and now a total of 6 teams were finally selected by choosing 3 teams every year until now. The finally selected teams will be supported with funding for development of CubeSat and opportunity for launch to space. In this paper, selection criteria, process for CubeSat contest program , scientific mission and system characteristics of the finally selected 6 teams are introduced. CubeSat has showed the remarkable scientific mission capability although CubeSat is small mass and small size because of nowadays MEMS electronic technology. Many international workshops related CubeSat are hosted annually in the world and discussed for application to the field of earth observation, space environment, new technology development and verification. In the future, it is expected that people"s attention to space development will be increased and many experts will be brought up through CubeSat contest program hosted in Korea.

국내 큐브위성의 C&DHS 개발 동향

한상혁(Han, Sanghyuck),최연주(Choi, Yeonju),송영범(Song, Young-Bum),김홍래(Kim, Hongrae),이정호(Lee, Jeongho),공현철(Gong, Hyeon Cheol) 한국항공우주연구원 2015 항공우주산업기술동향 Vol.13 No.2

2000년 초에 표준이 발표된 큐브위성은 대학생들의 위성 제작 경험 확보 등 교육적 목적으로 시작되었다. 많은 대학들의 참여는 물론, 플래닛랩(Planet Labs) 등 도전적인 임무를 수행하는 기업들도 다수 출현하고 있다. 국내에서도 학생들에게 위성 개발 경험 기회를 주기위해 큐브위성 경연대회 프로그램이 시작되어, 2012, 2013 대회에서 선정된 6개팀의 큐브위성 제작이 마무리 단계에 있으며 이중 5기는 16년 1사분기에 미국 반덴버그에서 발사할 예정이다. 본 논문에서는 제작 마무리에 있는 6기의 큐브위성을 대상으로 위성의 두뇌 역할을 수행하는 C&DHS(Command and Data Handling Subsystem)의 개발 동향을 살펴본다. Cubesat standard was set in the early 2000’s and started to educate and develop the skills of satellite for university students. Not only universities but also businesses on challenging missions such as Planet Labs are participating. To give students opportunity of satellite development in Korea, cubesat contest program began in 2012 and 6 teams were selected in 2012, 2013 cubesat contest. Development of 6 team’s satellites is almost finished and 5 satellites of them will be launched from the Vandenberg in USA. In this paper, we describe the development trends of C&DHS(Command and Data Handling Subsystem) that acts like brain about 6 team’s cubesats.

Facing battery issues when launching to the International Space Station

Ji Hyun Park(박지현),Abhas Maskey(압하스),Vishnu Anand Muruganandan(비슈누),In-Seuck Jeung(정인석) 한국항공우주학회 2016 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2016 No.4

큐브위성의 경우, 프로젝트 기간 내에 발사를 하기 위해 모든 발사 방법에 대해 대비 하는 것이 중요하다. 큐브위성은 보통 다른 탑재체와 함께 발사 되는 경우가 대부분이고, 이 때 큐브위성 입장에서 선호되는 발사체로 우주에 나가는 경우는 찾기 힘들기 때문이다. 최근, 2012년부터 큐브위성을 국제우주정거장에서 발사하기 시작했으며, 최근까지 약 110개 이상의 큐브위성이 발사 될 만큼 국제우주정거장에서의 큐브위성 발사는 보편화 되었다고 볼 수 있다. 다만, 국제우주정거장은 유인우주프로그램으로 안전관련 요구사항이 추가된다. 본 논문은 국제우주정거장 관련 요구사항 중 배터리 요구사항을 중점으로 국제우주정거장 배터리 요구사항을 고려하지 않은 큐브위성의 문제점을 다룬다. SNUSAT-1 큐브위성을예로 국제우주정거장 배터리 요구사항이 만족하지 않은 경우와, 이 때의 문제점과 해결방안을 소개한다. SNUSAT-1 프로젝트 진행에 적합한 방안을 제시하고 그 결과 새로 개발된 배터리를 소개한다. For CubeSats, it is important to be ready for any type of launcher for a successful project timeline. This is due to the fact that CubeSats are normally flown as a piggy back ride, so it is unlikely to find a sweet spot in which the launch conditions fit into the CubeSat design if the design does not implement various launchers. Since 2012, the International Space Station (ISS) has become one of the launch solutions, now having launched more than 110 CubeSats into orbit. However, due to the fact that ISS is a human flight program, extra safety requirements must be considered. This paper focuses on the battery requirements that must be taken into consideration, and specifically introduces a case where a CubeSat was not designed to be launched from ISS. The issues that occur when battery requirements are not met is dealt and a solution best meeting the CubeSat project situation is shared. As a result, a new battery board that utilizes ready existing deployment switch in order to meet the safety requirements is presented.

3U 큐브위성 표준 플랫폼의 개발

송수아,이수연,김홍래,장영근 항공우주시스템공학회 2017 항공우주시스템공학회지 Vol.11 No.5

This study proposes development of 3U CubeSat standard platform whose function and performance are verified via KAUSAT-5 development. 3U CubeSat platform specification was selected for the design of 3U Cubesat standard platform by examining existing CubeSat and state-of-art technology, and consequently a universally usable 3U CubeSat platform was designed. Standard platform was manufactured in 1.5U size and developed with a modular concept to be able to add and expand payloads and ADCS actuators for meeting the user’s needs. In addition, in case of the power system, the solar panel, the battery, and the deployment mechanism are designed to be configured by the user. In the mechanical system design of a standard platform, subsystem and micro equipment functions/performance could be integrated and miniaturized on micro-sized PCBs and maximized electrical capability to accommodate multiple payloads. In the development of the 3U CubeSat, the satellite platform adopts the developed standard platform, which can reduce the cost and schedule for the whole satellite development by reducing the additional function verification. 본 연구에서는 3U 큐브위성의 표준 플랫폼을 개발하였으며, 개발된 표준 플랫폼을 3U 큐브위성인 한누리 5호에 적용함으로써 기능 및 성능을 검증하였다. 표준 플랫폼의 설계를 위해 기존 큐브위성 및 최신기술을 조사하여 3U 큐브위성 플랫폼 규격을 선정하였으며, 범용적으로 사용이 가능하도록 설계하였다. 표준 플랫폼은 1.5U 크기로 설계 및 제작되었고, 모듈러 개념으로 개발되어 사용자의 요구임무에맞게 탑재체와 자세제어 구동기 등을 추가 및 확장시킬 수 있다. 또한 전력계의 경우 태양전지판, 배터리 및 전개 메커니즘을 사용자가 직접 구성하도록 설계하였다. 기계시스템 설계에서는 초소형 부품 및서브시스템 기능/성능을 초소형 PCB에 집적 및 소형화하도록 하고, 다양한 탑재체를 수용할 수 있도록플랫폼의 공간 활용률을 극대화하였다. 3U 큐브위성 개발 시, 위성 플랫폼은 개발된 표준 플랫폼을 채택하여 추가적인 기능 검증 등을 줄여 전체 위성개발에 대한 비용 및 일정을 단축시킬 수 있다.

GPS 반송파 측정치를 이용한 대류층 3차원 관측 및 정밀 자세결정 큐브위성 SNUGLITE-II 운용 결과

심한준,배영환,박재욱,정호준,이지강,김오종,기창돈,권기범,구철회,구인회 한국항공우주학회 2023 韓國航空宇宙學會誌 Vol.51 No.10

SNUGLITE-II는 표준 3U 규격의 큐브위성으로, 누리호(KSLV-II)에 탑재된 성능검증위성과 함께 한국 시간(UTC+9) 2022년 6월 21일 16시경 발사되었다. 이후 7월 3일 16시 23분경 성능검증위성의 P-POD(Picosatellite Orbital Deployer)로부터 사출되었으며, 익일 03시 24분경 지상국 명령에 응답함으로써 최초 교신에 성공하였다. 본 논문에서는 7월 3일 사출 직후부터 12일까지 10일간 수행되었던 SNUGLITE-II 큐브위성의 운용 결과를 다룬다. 이를 위해 서울대학교 302동에 위치한 지상국과 해외 아마추어 무선사들이 운용하는 지상국을 통해 수집된 데이터와 지상국 명령으로 수집된 위성 상태정보 기록 데이터를 모두 취합하여 데이터를 시간별로 분류한다. 수집된 데이터는 SNUGLITE-II 큐브위성이 UHF 대역에서 10초 간격으로 송신하는 비콘 데이터로써, 위성의 업링크 명령, GPS 항법 정보, 전력정보, 자세제어, 센서값, 온도 그리고 식별 플래그 등의 다양한 정보를 포함하고 있다. 수집된 데이터를 통해 SNUGLITE-II 큐브위성의 위성 상태를 분석하고 탑재된 국내 개발 큐브위성용 GPS 수신기 검증과 자체 개발 자세결정 및 제어시스템의 기술적 운용 결과를 확인하였다. SNUGLITE-II is a standard 3U CubeSat that was launched on June 21, 2022, at 16:00 Korea Standard Time (KST) as a payload on the Nuri (KSLV-II) rocket. It was subsequently ejected from the picosatellite orbital deployer(P-POD) of the Performance Verification Satellite (PVSAT) at around 16:23 on July 3rd. The first communication with the CubeSat was successfully established when it responded to a command from the ground station at approximately 03:24 the next day. This paper presents the operational results of the SNUGLITE-II CubeSat, which were obtained during a 10-day period from July 3rd to July 12th. The data used for analysis were collected through the ground station located in Building 302 of Seoul National University, as well as from ground stations operated by SatNogs, a network of amateur radio enthusiasts. Additionally, satellite status information recorded by the ground station command was collected and classified chronologically. The collected data consists of beacon data transmitted by the SNUGLITE-II CubeSat at 10-second intervals in the UHF band. It encompasses various information, including satellite uplink commands, GPS navigation data, power levels, attitude control, sensor measurements, temperature readings, and identification flags. By analyzing the collected data, the operational conditions of the SNUGLITE-II CubeSat were evaluated. The performance of the domestically developed GPS receiver for the CubeSat was verified, and the technical operation results of the self-developed attitude determination and control system were confirmed.

ISS에서 발사되는 큐브위성의 임무수명 및 충돌회피 분석

염승용(Seung-Yong Yeom),김홍래(Hongrae Kim),장영근(Young-Keun Chang) 한국항공우주학회 2015 韓國航空宇宙學會誌 Vol.43 No.5

큐브위성은 2003년 처음 발사된 이후로 지금까지 230기 이상이 발사되었다. 작은 크기와 가벼운 무게로 인해 발사비용이 저렴한 큐브위성은 일반적인 발사체의 남는 공간을 이용하여 발사되고 있다. 그러나 이러한 발사 방법은 주 탑재위성의 준비일정에 따라 발사 일정이 유동적인 단점이 있다. 이에 새로운 대안으로 정기적이고 발사횟수가 많은 국제우주정거장 물자수송 발사체를 이용하여 큐브위성을 ISS로 운송한 뒤에 로봇팔을 이용하여 발사하는 방법이 제안되고 있다. 본 논문에서는 국제우주정거장에서 분리되는 방향과 각도에 따라 생성되는 큐브위성의 궤도를 분석하였다. 또한 분석되는 궤도에 따른 임무수명과 ISS와의 충돌 가능성을 분석하여 충돌 위험을 최소화하고 위성수명을 최대로 하는 최적의 로봇팔 각도를 계산하였다. Since the first Cubesat was launched in 2003, there have been more than 230 Cubesats launched so far. Due to their small size and lightweight, Cubesats were launched by utilizing the empty space of regular launch vehicle. However, this launch method has a weakness that has been easily affecting by the schedule of major payloads. As a new solution to this problem, it has been proposed that a robot arm installed on ISS would be used to launch Cubesats. The orbits of Cubesat deployed from the ISS in various angles and directions are analyzed in this paper. We also analyze the possibility of collision between the Cubesat and ISS within the operational orbit of the CubeSat and eventually calculate the optimal angle of a robot arm, which maximizes the lifetime of Cubesat and minimizes the risk of collision between the Cubesat and ISS.

우주기술 전문인력 양성 및 우주기술 저변확대 프로그램 『2012 큐브위성 경연대회』소개

한상혁,최기혁 한국항공우주학회 2013 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2013 No.4

국내에서 최초로 시도되는 큐브위성 경연대회인『2012 큐브위성 경연대회』가 교육과학기술부 주최, 한국항공우주연구원 주관으로 우주기술 저변확대 및 전문인력 양성을 위해 2012 년 8 월 17 일 대회 공고와 함께 시작되었다. 2012 년 10 월 31 일 17 개 대학 23 개팀이 참가 신청서를 접수하여 2012 년 12 월 7 일 1 차 경연에서 6 팀이 선정되고, 2013 년 2 월 15 일 2 차 경연에서 최종 3 팀이 선정되었다. 선정된 3 팀은 앞으로 1 년여간의 큐브위성 제작과, 우주 환경 시험을 거친후에, 2015 년에 자체 제작한 큐브위성을 발사할 예정이다. 본 논문에서는 경연대회를 통해 최종 선정팀이 선발되기까지의 교육 및 경연 프로그램을 소개하고 최종 선정팀의 큐브위성 임무에 대해 기술한다. From August 2012, KARI and MEST in Korea hosted and organized 『2012 Cubesat Contest』program providing the chance for students of universities to learn satellite technology. Until now, this program is going successfully with participating many students from over 20 universities. This program consists of two workshop programs and 2-step contest especially focusing mission and design of cube satellite. In the point of contest, this program finally choose 3 teams with 2-step contest, each is ’12.12.7 and ’13.2.15, after submitting participant sheet. 1st contest mainly evaluates uniqueness of cubesat mission. It has been held in KARI participating 17 teams from 13 universities. From 1st contest, 6 teams are passed with outstanding missions. And near future in Feb. ’13, 2nd contest will be held. Main evaluation criteria is possibility of system implementation. In this paper, we will describe overview and outstanding missions of 『2012 Cubesat Contest』in detail.

인공위성의 동역학과 토크 외란을 고려한 큐브위성의 식 기간 자세추정

최성혁(Sung Hyuk Choi),강철우(Chul Woo Kang),박찬국(Chan Gook Park) 한국항공우주학회 2016 韓國航空宇宙學會誌 Vol.44 No.4

인공위성의 자세추정은 결정론적 방법과 재귀적인 방법으로 나눌 수 있는데, 이 중 재귀적인 방법으로는 칼만 필터를 사용하여 자세를 추정하는 알고리즘이 널리 사용되고 있다. 초소형 큐브 위성의 경우 많은 탑재체를 실을 수 없기에 최소한의 자세 센서만을 이용해야 하는 제한점이 있다. 미션에 따라 식 기간 및 태양 센서의 데이터 이용이 불가능할 때에도 인공위성의 자세추정은 계속 되어야 인공위성은 임무를 성공적으로 완수할 수 있게 된다. 본 연구에서는 일반적인 인공위성의 자세추정 기법을 기반으로 큐브위성의 동역학과 토크외란을 고려하여 알고리즘을 발전시켜 식 기간에서도 더욱 정확한 자세 추정이 가능하도록 하였다. 제안된 알고리즘은 시뮬레이션을 통해 기존의 자세추정 방법과 비교하여 그 성능을 검증하였다. 또한 위성체가 우주 환경에서 운용되면서 받을 수 있는 다양한 크기의 토크외란에 따른 자세추정 오차를 분석하였다. Attitude determination of satellite is categorized by deterministic and recursive method. The recursive algorithm using Kalman filter is widely used. Cubesat has limitation for payload to minimize then only two attitude sensors are installed which are sun sensor and magnetometer. Sun sensor measurements are useless during eclipse, however cubesat keeps estimating attitude to complete the successful mission. In this paper, Attitude determination algorithm based on Kalman filter is developed by additional term which considering the dynamics for SNUSAT-1 with disturbance torque. Verification of attitude accuracy of the algorithm is conducted during eclipse. Attitude determination algorithm is simulated to compare the performance between typical method and proposed algorithm. In addition, Attitude errors are analysed with various magnitude of disturbance torque caused by space environment.