Development of CubeSat systems for autonomous formation flying missions : a systems engineering approach for two novel CubeSat missions

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This dissertation presents the development process of CubeSat systems for autonomous formation flying missions with a systems engineering approach. Compared to single and large satellite missions, formation flying of small satellites enables scientific studies with higher spatial and temporal resolution at low cost. In addition, new technologies such as an extremely high-resolution space telescope and space communication can be implemented with precise formation flying. Several challenging missions can be realized owing to the advantages of CubeSat platforms of low cost and rapid development by applying commercial-off-the shelf (COTS) products. In this study, the development of CubeSat systems for two practical formation flying missions is introduced. Furthermore, novel space technologies such as virtual telescope and laser crosslink are implemented.
First, the CANYVAL-C mission is aimed to capture the solar corona images by performing precise formation flying of 1U and 2U CubeSats. Mission scenarios are designed in detail, from separation to formation establishment. Subsequently, a new systems architecture is proposed, including control area network (CAN) interface for robust data communication and modular structure design for miniaturization. Flight models of two CubeSats are developed and validated on ground with end-to-end operations testing and environment testing. Second, based on the results of the development and launch of CubeSat systems, novel laser crosslink systems composed of two 6U CubeSats have been studied (VISION mission). By applying more CAN interfaces, the number of wires per volume is significantly reduced, and the integration process is shortened, as compared with CANYVAL-C CubeSat systems. To enhance the systems reliability, redundancy computer and sensors are applied. The preliminary design of VISION CubeSat systems is validated on ground by flatsat testing.
In this study, hardware of a virtual telescope concept is implemented for the first time in the CANYVAL-C CubeSat systems. In addition, laser crosslink systems, which are smallest in the world, are studied for the VISION mission. Regardless of the practical limitations of COTS-based systems, the proposed architectures of formation flying CubeSat systems enable shorter systems integration and more systems level verifications at low cost, meeting constraints on the miniaturization. Contributions of this study are summarized as follows; (1) practical and novel formation flying mission design process, (2) detailed development process of COTS-based CubeSat systems, (3) lessons learned of the development and launch of CANYVAL-C CubeSat systems, (4) improved CubeSat systems architecture for new formation flying missions. Consequentially, the proposed architecture is expected to significantly contribute to the implementation and maintenance in future applications of multiple micro-/nanosatellites such as new space telescopes, mega-constellation for B5G/6G network, and high-resolution earth observations.

국문 초록 (Abstract)

본 학위논문은 시스템 엔지니어링 관점에서 자율 편대비행 임무를 위한 큐브위성 시스템의 개발을 다룬다. 소형위성의 편대비행은 과학임무 데이터의 시공간적 해상도를 높일 수 있는 방법 중 하나이다. 이는 기존의 단일 대형위성 임무에 비해 저비용으로 효과적인 과학임무를 가능하게 한다. 또한 초고해상도 우주 망원경 및 우주 통신 등 새로운 우주 기술에 구현에 정교한 편대비행 기술을 적용할 수 있다. 상용 부품을 활용한 큐브위성 시스템은 저렴한 개발 비용과 짧은 개발 기간의 이점을 가진다. 이러한 큐브위성 시스템의 이점을 바탕으로 다양한 도전적인 우주 임무 수행이 가능하다. 본 연구는 새로운 우주 기술인 분리형 우주 망원경과 위성간 광통신 시현을 위해, 편대비행을 수행하는 큐브위성 시스템을 개발 과정을 다룬다.
첫 번째로, CANYVAL-C 임무는 1U와 2U 큐브위성의 편대비행을 활용한 태양 코로나 촬영을 목표로 한다. 초기 운용부터 편대 구성까지의 임무 시나리오 설계를 소개한다. 그리고 강건한 CAN 통신 인터페이스와 모듈형 설계를 통한 소형화 등 신뢰성과 SWaP 효율을 고려한 새로운 개념의 시스템 아키텍처를 제시한다. 두 기의 큐브위성 비행모델은 종단 운용 시험 및 환경 시험을 통해 검증하였다. 두 번째, CANYVAL-C 큐브위성 시스템의 개발, 발사 및 운용을 통한 학습 내용을 바탕으로, 위성간 광통신 임무인 VISION의 6U 큐브위성 시스템을 설계하였다. 보다 많은 CAN 통신 인터페이스를 적용하여, 단위 부피당 사용되는 배선의 수를 획기적으로 절감하였으며, 시스템 통합 기간을 단축하였다. 또한, 여분의 탑재컴퓨터 및 센서를 탑재하여 시스템의 신뢰성을 향상시키고, 이러한 예비설계에 대해 전개위성 시험을 통해 지상 검증을 완료하였다.
CANYVAL-C 큐브위성 시스템 개발을 통해, 분리형 우주망원경의 개념을 최초로 하드웨어 구현하였다. 또한, VISION 임무를 위해 세계에서 가장 작은 위성간 광통신 시스템을 설계하고 분석하였다. 본 연구에서 제시한 편대비행 큐브위성 시스템 아키텍처는 현실적인 제약을 고려하더라도 짧은 기간 동안 시스템 종합 및 검증이 가능하다. 본 연구의 의의는 크게 네 가지로 요약할 수 있다. 첫 번째, 현실적이고 새로운 편대비행 임무의 설계 과정을 제시한다. 두 번째, 상용 부품을 활용한 큐브위성 시스템의 구체적인 개발 과정을 제시한다. 세 번째, CANYVAL-C 임무의 우주급 큐브위성 개발 및 발사 운용 과정의 학습 결과를 다룬다. 마지막으로, 학습 결과에 근거하여 새로운 임무인 VISION 큐브위성 시스템의 아키텍처를 보완하고, 이를 전기적 시스템 종합 및 지상 검증하는 과정을 다룬다. 본 연구의 결과는 우주 망원경, 통신 위성군, 고해상도 영상 획득 등 다수의 초소형 위성 시스템을 활용한 미래의 우주 임무 실현에 기여할 것이다.

참고문헌 (Reference)

1. From new space to big space: How commercial space dream is becoming a reality, Pasco, X., Alary, D., Toulza, S., Denis, G., Pisot, N., Texier, D., vol. 166, pp. 431–443 https://doi. org/10.1016/j. actaastro.2019.08.031., , 2020

2. Overview and GNC design of the CubeSat proximity operations demonstration (CPOD),, Mosleh, E., Westphal, J. J., Roscoe, C. W. T., vol. 153, pp. 410–421 https://doi. org/10.1016/j. actaastro.2018.03.033, , 2018

3. Spacecraft alignment determination and control for dual spacecraft precision formation flying,, Shah, N., Calhoun, P. C., Novo-Gradac, A.-M., vol. 153, pp. 349–356 https://doi. org/10.1016/j. actaastro.2018.02.021, , 2018