최적화알고리즘과 열해석을 통합한 위성방열판 설계의 최적화 방법에 관한 연구

김희경(Hui-Kyung Kim) 한국항공우주연구원 2013 항공우주기술 Vol.12 No.2

위성방열판은 내부의 부품유닛에서 발생하는 열을 외부우주로 방출하는 열전달경로를 확보하기 위해 적용되는 열제어방법 중 한 가지로서, 이것의 최적설계는 효율적인 위성 열설계의 한 방향이 될 수 있다. 본 연구는 위성 열제어 개발에서 활용하는 위성 열해석과 최적화알고리즘을 결합한 통합해석을 통하여 위성열모델 노드기반의 방열판설계최적화 접근방식을 제안하였다. 이 방법은 위성열해석과 최적화알고리즘의 해석소프트웨어의 종류에 상관없이 적용가능한 개념이며, 일반적인 위성열모델을 사용한 방열판설계의 개념을 그대로 유지하면서 최적화를 할 수 있기 때문에 위성설계에 실제적으로 사용할 수 있다. 또한, 두 해석소프트웨어를 결합하는 전체적인 해석구조와 본 방열판 설계 최적화문제에 대한 정식화를 제시하였다. A spacecraft radiator is a thermal control method to eject internally dissipated heat into the space generated from operation of unit boxes. The efficiency of thermal design may be improved by optimizing radiator design. In this paper, the optimization approach method of node-based radiator design was suggested which is to combine numerical thermal analysis with optimization algorithm. This method has meaning that it can be used practically to implement the spacecraft radiator design regardless of thermal analysis and optimization algorithm software and maintain the same basic concept of an ordinary radiator design approach based on node division of a thermal model. The overall analysis framework with thermal analysis and optimization algorithm would be presented.

고온/저온 조건의 열해석과 통합된 최적화 알고리즘을 이용한 노드 기반의 위성 방열판 설계 최적화 개념

김희경 한국항공우주학회 2015 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2015 No.11

위성 방열판은 고온의 우주 열환경에서 위성이 허용온도 범위 내의 온도를 유지할 수 있도록 외부로 열을 방출하는 주요한 열전달 경로의 역할을 한다. 이러한 방열판이 열을 가장 효과적으로 방출되는 곳에 위치하도록 열설계를 최적화한다면 더 효율적이고 경제적인 열제어를 할 수 있다. 본 연구에서는 위성 열모델의 노드를 기반으로 고온/저온의 열해석과 최적화 알고리즘의 통합 최적화 해석을 통한 방열판 최적화 방식을 제안하였다. 이 방식은 고온 조건의 열해석으로 허용온도 범위 내에서 방열판 크기를 최소화 하고, 이와 함께 저온 조건의 열해석을 수행하여 히터 소비량을 최소화할 수 있어 열설계의 최적화뿐만 아니라 시스템 운영파워까지 고려하여 방열판 최적설계의 결과를 얻을 수 있다. Spacecraft radiator is a major heat transfer route to reject heat into space under a hot space thermal environment. If the radiator is optimally designed to be in the most effectively heat-rejecting region, then the thermal control can be more efficient and economical. This study suggests an optimization method of the node-based radiator design by integrating an optimization algorithm with hot/cold-case thermal analyses. The optimization progress preforms that a radiator size is minimized first based on the results of hot-case thermal analysis and heater power consumption is then minimized through cold-case thermal analysis. Thus, the thermal design can be also optimized considering the system power management that includes the heater power consumption.

한반도 지역 통신 및 정찰 임무 수행을 위한 군 저궤도 위성군 설계

조성환,김용철,이호찬,박복기 육군사관학교 화랑대연구소 2023 한국군사학논집 Vol.79 No.3

위성은 현대전과 미래전에 있어서 매우 중요한 군사 전력이므로 세계 군사 대국들은 군사 우주력 건설에 많은 시간과 노력과 비용을 투자하고 있다. 선진국에 비해 위성확보가 늦은 우리나라는 한정된 예산과 도입 기간 등을 고려하여 정확한 비용 대비 효과 분석을 거쳐 위성 군사력 건설을 추진해야 할 것이다. 이에 본 연구에서는 한반도 지역에서 24시간 통신 및 정찰을 지원하는 데 필요한 최소 위성의 수를 도출하기 위한 이론을 제시하고 이를 계산하기 위한 최적화 모델을 제안하였으며 이를 통해 다양한 상황과 조건에서의 한반도에 필요한 최소 위성의 수를 계산할 수 있음을 보여 주었다. 이러한 결과는 앞으로 군이 민간위성 활용 또는 군 전용 위성확보 시 정확한 비용 대비 효과 분석을 위해 활용될 수 있을 것으로 기대한다. Since satellites play a pivotal role in modern and future warfare, major military powers worldwide are heavily investing in military space capabilities. In comparison to technologically advanced nations, South Korea has entered the satellite domain relatively late, necessitating a careful cost-effectiveness analysis due to budgetary constraints and limited implementation time. Therefore, this study aims to present a theoretical framework to determine the minimum number of satellites required to ensure uninterrupted 24-hour communication and reconnaissance in the Korean Peninsula, along with an optimization model to calculate this minimum. The research demonstrates that the minimum number of satellites necessary for the Korean Peninsula can be computed under various scenarios and conditions. These findings are expected to facilitate accurate cost-effectiveness analyses for future adoption of commercial satellites or the development of indigenous ones tailored for military applications.

유전 알고리즘을 이용한 위성 임무 스케줄링 최적화

한순미(Soon-Mi Han),백승우(Seung-Woo Baek),조선영(Seon-Yeong Jo),이대우(Dae-Woo Lee),김해동(Hae-Dong Kim) 한국항공우주학회 2008 韓國航空宇宙學會誌 Vol.36 No.12

본 논문에서는 위성 임무 스케줄링을 효율적으로 수행하기 위해 유전 알고리즘을 이용한 최적화 스케줄링 알고리즘을 개발하고, 시뮬레이션을 통해 검증한 결과를 기술하였다. 위성 임무 스케줄링은 위성에게 요구된 작업들과 그에 따른 제한사항 및 다양한 변수들을 종합적으로 고려하여 상호간의 시간, 조건 등의 충돌을 회피함과 동시에 위성의 자원을 최대한 활용하여 운용할 수 있는 최적의 작업시간표를 생성하는 것이다. 이러한 위성 임무 스케줄링은 요구되는 업무량이 많고, 제한조건들이 다양할수록 필수적이나, 스케줄링 기준 및 능률성은 위성의 운용목적에 따라 달라질 수 있다. 본 논문에서는 유전 알고리즘을 이용한 스케줄링 알고리즘을 운용목적이 다른 위성들에 대해 목적함수 내 가중치 조정 및 유전 알고리즘 연산자의 조합에 따라 적용한 결과를 비교, 검증하였으며, 결과적으로 다양한 위성의 스케줄링 문제에 응용할 수 있음을 증명하였다. A mission scheduling optimization algorithm according to the purpose of satellite operations is developed using genetic algorithm. Satellite mission scheduling is making a timetable of missions which are slated to be performed. It is essential to make an optimized timetable considering related conditions and parameters for effective mission performance. Thus, as important criterions and parameters related to scheduling vary with the purpose of satellite operation, those factors should be fully considered and reflected when the satellite mission scheduling algorithm is developed. The developed algorithm in this study is implemented and verified through a comprehensive simulation study. As a result, it is shown that the algorithm can be applied into various type of the satellite mission operations.

운영 요구사항을 고려한 태양동기궤도 위성군 궤도 설계에 관한 연구

김화영,노태수,이지만,정옥철,정대원 한국항공우주학회 2013 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2013 No.4

본 논문에서는 2개의 위성을 하나의 위성군으로 운영하기 위하여 각 개별 위성의 임무궤도 설계 방법을 제시하고자 한다. 이를 위하여 효율적인 위성운영과 두 위성을 연동하기 위한 다중위성의 운영요소(Operation Parameter)를 정의하였다. 또한, 운영요소의 조합을 이용하여 위성운용 효율성을 판단할 수 있는 지표인 Figure of Merit을 정의하고 분석하므로 운영효율성을 극대화 하고자 하였다. 또한 사용자의 요구사항을 만족하는 임무궤도를 재설계하기 위하여 상용S/W인 MATLAB과 STK를 연동하여 비선형 시뮬레이션 기반의 수치최적화 기법을 적용하였다. 설계예제로서 다목적위성 2호와 3호의 궤도를 적용하여 두 위성과 영상목표물의 중첩관측시간을 최소화하는 임무궤도를 재설계한다. In this paper, the classical method of designing a sun-synchronous orbit is modified to effectively include the requirements such as spacecraft to accessability. For this purpose, operation parameters of the multiple spacecraft is defined as Access Overlap Time and Access Overlap Gap Time. Then a figure of merit to measure the efficacy of operating multiple spacecraft in constellation is proposed and used to determine the operational orbit of each spacecraft that constitutes the constellation. we use Nonlinear simulation-based numerical optimization technique. As design examples, It minimize the Access Overlap Time between two satellite(KOMPSAT-2,KOMPSAT-3) and accessability.

태양동기궤도 위성군 궤도 최적화에 관한 연구

김화영(Hwayeong Kim),노태수(Tae Soon No),정옥철(Okchul Jung),정대원(Daewon Chung),최진행(Jin-Heng Choi) 한국항공우주학회 2015 韓國航空宇宙學會誌 Vol.43 No.2

본 논문에서는 각각 독립적으로 설계된 태양동기궤도 위성에 위성군 개념을 적용하여 다중 위성의 효율적인 운영에 대한 방법론을 제시한다. 이를 위해 태양동기궤도 설계 관점을 단순히 지방시나 태양동기성을 유지하는 것에 국한하지 않고, 지상국과 영상목표물의 교신 및 관측시간등을 고려하여 위성운영의 효율성을 높이고자 한다. 위성의 효율적인 운영을 위해 위성과 단일 목표물을 고려한 새로운 운영요소(Operation Parameter)를 정의하고, 이를 이용하여 위성의 운영효율성을 판단할 수 있는 운영효율성 지표(Figure of Merit)를 정의 한다. 상용 소프트웨어인 MATLAB과 STK의 연동을 통해 비선형 시뮬레이션 기반의 수치최적화 기법을 적용하여 사용자의 요구사항을 만족하는 임무궤도를 재설계함으로써 본 연구의 적용가능성을 확인하였다. This paper presents a sun-synchronous orbit design which effectuvely includes the requirements derived from spacecraft to ground station contact and spacecraft to target image accessibility. For this purpose, operation parameters of multiple spacecraft are defined as Contact Overlap, Contact Overlap Gap, Access Overlap, Access Overlap Gap. These parameters are used to form a Figure of Merit that reflects the operational requirements. The Figure of Merit is optimized to increase the efficiency of operating multiple spacecraft in constellation and is used to determine the operational orbit of each spacecraft that constitutes the constellation.

유전 알고리즘을 이용한 다중 위성의 영상 촬영 스케쥴링 최적화

이정현,안효성,왕세명,정대원,정옥철,최수진,고광희 한국항공우주학회 2012 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2012 No.11

국내에서는 한국 전자 통신 연구원(ETRI)에서 단일 위성을 위한 관제 시스템을 개발하였다. 인공위성의 개수는 계속 증가하고 있으며, 이에 따른 다중위성 임무운영에 적합한 임무운영 알고리즘이 요구된다. 본 연구에서는 다중위성 영상 촬영 임무 수행을 위한 모델링 및 유전 알고리즘을 이용한 다중위성의 영상 촬영 임무 최적화에 초점을 맞추었다. 정해진 자원(가시권, 온보드 메모리)과 주어진 영상 촬영 임무에 대해서, 최적화를 통해 최대한 많은 임무를 할당하거나, Priority의 합을 최대화 한다. 이를 통해, 사용자는 효율적으로 자원을 사용하고, 주어진 시간 및 자원에 더 많은 영상 데이터를 얻을 수 있다. Currently, Korea Electronics and Telecommunications Research Institute (ETRI) has developed satellite control systems for KOMPSAT-1, 2 in Korea. As KOMPSAT series continues to grow, the multi-satellite mission operations for this mission operational algorithms are required In this study, we focus on modeling applicable to imaging mission operation and optimization for imaging missions of multi-satellites scheduling by using genetic algorithms. We maximize allocated missions or priority summation w.r.t given resources (visibility, onboard memory) and image acquisition missions. Therefore, the user uses the resources efficiently and obtains image data given the time and resources.

태양동기궤도 다중위성 운영궤도 설계에 관한 연구

이지만,노태수,정옥철,정대원 한국항공우주학회 2012 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2012 No.4

본 논문은 2기 이상의 태양동기궤도 위성으로 구성된 위성단의 운용궤도 설계에 관한 절차를 제시하였다. 각 개별 위성의 태양동기성 유지를 고려하면서 실제 운용에 필요한 요구 조건을 반영하도록 위성의 설계 임무궤도를 재설계하는 과정으로서 상용 S/W인 STK와 Matlab의 최적화 툴을 기반으로 "비선형 시뮬레이션 기반 수치 최적화" 방법을 적용하였다. 적용 예로서 거의 동일한 궤도 평면을 운행하는 2기의 태양동기궤도 위성이 특정 지상국과 동시 접촉하는 시간을 최소화하도록 운영궤도를 설계하고 시뮬레이션을 통하여 검증하였다. This paper presents a mission orbit design method for constellation which consists of more than two spacecraft. In this work, we have proposed a new design procedure, "Nonlinear simulation-based numerical optimization technique" using the commercial S/W's such as STK and Matlab, which are widely adopted S/W's in the area of orbital mechanics and engineering analysis. as an example, the operational mission orbits are designed so that the total time during which the Taejeon ground station has to operate two S/C's simultaneously can be minimized.

저궤도 위성 네트워크에서의 엣지 컴퓨팅을 위한 동적 코드 오프로딩 및 CPU 클럭 스케일링

김정환,곽정호 한국통신학회 2024 韓國通信學會論文誌 Vol.49 No.4

저궤도 (LEO) 위성 통신은 기존 지상 네트워크의 글로벌 커버리지 구축 문제를 해결하는 좋은 방법으로 채택되고 있다. 또한 6G 서비스 시대로 나아감에 있어 복잡한 어플리케이션의 출현은 자연스럽게 장치들의 계산 부담을 증가하게 만들었고, 합리적인 컴퓨팅을 위해 오프로딩 및 엣지 컴퓨팅 기법이 활발하게 적용되고 있다. 따라서6G 서비스의 전 지구적이고 원활한 활용을 위해, 저궤도 위성에 컴퓨팅이 가능한 서버를 설치하여 엣지 컴퓨팅을가능하게 하는 위성 엣지 컴퓨팅 (SEC) 연구가 활발히 진행되고 있다. 다만 진행 중인 연구들은 지상 네트워크에서의 엣지 컴퓨팅 기법을 위성 네트워크로 확장만 할 뿐, 위성 네트워크의 물리적인 토폴로지 변화를 고려한 동적인 채널 상태를 합리적으로 고려하지 않고 있다. 이를 해결하기 위해 본 연구에서는 동적 채널 상태를 합리적으로반영하는 저궤도 위성 네트워크에서의 엣지 컴퓨팅 프레임워크를 제안하고, 시스템의 전력 소모와 전파 지연 최소화를 목표로 하는 Lyapunov 최적화 기법 기반의 알고리즘을 제안한다. 제안한 SEC 시나리오에서의 시뮬레이션을통해 알고리즘이 동적으로 변화하는 채널 상태와 요청되는 서비스에 따라 적응적으로 동작하여 기존의 통상적인방법들에 비해 같은 처리 지연 대비 더 적은 전력을 소비함을 확인할 수 있다. Low Earth Orbit (LEO) satellite communication is an effective solution for addressing global coverage challenges in terrestrial networks. As we enter the 6G era, the rise of complex applications has increased device computational demands, driving the adoption of techniques like offloading and Edge Computing for efficient processing. To achieve seamless global 6G service integration, active research is underway in Satellite Edge Computing (SEC). SEC involves deploying computation-capable servers on LEO satellites, enabling edge computing. However, many studies extend terrestrial Edge Computing techniques to satellite networks without adequately considering dynamic channel conditions due to physical topology changes. Our research proposes an Edge Computing framework tailored to LEO satellite networks, effectively addressing dynamic channel conditions. We introduce optimization algorithms to minimize system power consumption and propagation latency. Simulations in our proposed SEC scenario confirm our algorithm’s adaptability to changing channel conditions and service requests, resulting in lower power consumption compared to conventional methods for the same processing latency.

연성하중해석 모델과 모달과도해석을 이용한 위성체 구조부재의 최적화 연구

황도순(Do-Soon Hwang),이영신(Young-Shin Lee),김인걸(In-Gul Kim) 한국항공우주학회 2004 韓國航空宇宙學會誌 Vol.32 No.6

본 연구에서는 대형 구조물의 최적설계에서 문제되는 많은 계산시간과 컴퓨터의 계산능력을 최소화할 수 있도록 부분구조합성법의 하나인 구속모드법을 이용한 연성하중해석 모델 및 모달과도해석을 포함한 최적화 절차를 제시하였다. 제안된 방법의 수치모사를 위한 프로그램을 개발하여 위성체 주요 구조부재인 플랫폼에 대한 최적화를 수행함으로써 그 타당성을 검증하였다. 제안된 기법을 통해 초기설계 단계에서 정확성을 유지하면서 계산시간을 단축할 수 있었고 위성체 구조부재에 대한 최적화를 수행하여 각각의 구조부재에 대한 특성을 파악함으로써 설계 활용방안을 제시하였다. In this paper, an optimization algorithm is suggested to reduce the huge computation time in the optimum design of large structures, especially in spacecraft structures. It combines the coupled load analysis model using a constrained mode of component mode synthesis and the modal transient analysis. The computer simulation code is developed and evaluated in optimizing spacecraft platforms. The developed algorithm can alleviate the computational load with adequate accuracy. From the optimization of a spacecraft structural member, the characteristics of each structural member can be understood.