방사패턴 분석 및 통신전략 수립을 통한 HYVRID 큐브위성 운용 안정성 향상 연구 = Analysis of Radiation Interference and Communication Strategy Design for Obtaining Operation Robustness of HYVRID Cubesat

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 HYVRID 큐브위성의 운용 안정성 향상을 위한 안테나 방사패턴 분석 및 통신전략 수립에 대해 다룬다. HYVRID(Hanwha-Yonsei Verification for laser Ranging & Defense)미션은 우주물체 능동대응 시스템 검증을 위한 3U규격 큐브위성이다. 큐브위성의 경우 제한된 공간 안에 전장품을 배치해야 하며, 이로 인해 전개형 구조물 및 안테나를 사용한다. HYVRID 큐브위성의 전개형 전장품은 박막 탑재체, 태양전지판, MMT(Moving Magnet Technologies), S-band 안테나 패널 및 UHF 안테나가 있으며, 이들에 의해 임무 운용 시 방사 간섭이 일어나는 것을 확인하였다. 이러한 방사 간섭을 최소화하기 위해 UHF 안테나 배치에 따른 방사패턴 측정 및 시뮬레이션을 진행하고, 최적의 배치 위치를 연구한다.
임무 운용 시 안정성을 확보하기 위해서 미션 시나리오에 기반한 통신 전략을 수립하고, cFS 기반의 비행 소프트웨어에 이를 탑재하였다. 어플리케이션 별 요구되는 명령 및 데이터를 수신하고 이를 분배할 수 있어야 하며, 어플리케이션에서 생성되는 데이터를 실시간으로 수신할 수 있어야 한다. 또한 비상 모드를 대비한 셸 스크립트 전송 및 실행이 가능해야 하며, 대용량 데이터를 전송하기 위한 FTP 및 전송 제어 기능을 탑재한다. 지상 환경에서 이를 테스트하기 위한 테스트베드를 구축하고, 실제 요구되는 통신 성능을 확보할 수 있는지 실험을 통해 검증하였다.
본 연구에서는 HYVRID 큐브위성 운용을 위해 방사패턴 분석 및 통신전략을 수립 및 검증하였으며, 이를 통해 큐브위성의 운용 안정성을 확보할 수 있었다. 위성 운용 시 발생할 수 있는 문제를 사전에 발견하고, 설계 수정을 실제 위성에 반영하였다. 또한 전개형 구조물로 인한 안테나 이득 증가 효과를 얻을 수 있는 설계를 제시하여, 전개형 전장품을 많이 사용하거나 통신 링크 요구조건을 만족할 수 없는 상황에서 운용 안정성을 확보할 수 있는 수단을 제공한다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.1.1 큐브위성 산업의 성장 1
• 1.1.2 기존 위성 대비 큐브위성의 장점 3
• 1.1.3 TT&C 시스템 구축 필요성 3
• 1.1.4 운용 안정성을 위한 요구조건 5
• 1.2 연구 목적 5
• 1.2.1 통신전략 수립 및 검증 5
• 1.3 연구 방법 6
• 1.3.1 통신 링크 검증 6
• 1.3.2 방사패턴 실측 및 시뮬레이션 6
• 1.3.3 통신전략 검증 7
• 1.4 연구 의의 7
• 1.4.1 HYVRID 임무 요구제한조건을 충족시키는 TT&C 시스템 구축 7
• 1.4.2 전개 구조물로 인한 방사 간섭 최소화 8
• 1.4.3 제한된 전장품 배치 환경을 역이용한 안테나 지향성 및 이득 증가 방안 제시 8
• 1.4.4 HYVRID 통신전략의 Testbed 및 통합시험을 통한 검증 8
• 1.5 논문 개요 9
• 제 2 장 위성 통신 이론 10
• 2.1 전자기파 방사 및 원거리장 10
• 2.2 Friis Transmission Equation 12
• 2.3 Noise Factor 13
• 2.4 Channel Capacity 및 EbN0 15
• 2.5 Link Budget 16
• 2.6 방사 성능 척도 16
• 2.6.1 안테나 이득 16
• 2.6.2 축비 17
• 2.6.3 S11 파라미터 및 반사계수 17
• 제 3 장 HYVRID 임무 및 요구조건 19
• 3.1 HYVRID 미션 개요 19
• 3.2 HYVRID TT&C 시스템 요구조건 22
• 3.3 HYVRID TT&C 전장품 단위 시험 27
• 3.3.1 UHF 송수신기 단위시험 27
• 3.3.2 UHF 안테나 단위시험 29
• 3.3.3 S-band 송신기 단위시험 30
• 3.3.4 케이블 손실 측정 31
• 제 4 장 HYVRID 전개구조물에 따른 방사패턴 분석 33
• 4.1 큐브위성 전개 구조물 탑재 추이 33
• 4.2 구조물에 의한 방사 간섭 사례 분석 35
• 4.3 큐브위성 구조물을 사용한 이득 증가 방안 37
• 4.4 전개형 큐브위성 안테나 39
• 4.4.1 Dipole 안테나 39
• 4.4.2 Patch 안테나 40
• 4.4.3 고이득 안테나 41
• 제 5 장 HYVRID 방사 간섭 개선 42
• 5.1 HYVRID 방사간섭 분석 42
• 5.1.1 HYVRID 안테나 초기 배치 42
• 5.1.2 HYVRID 위성의 방사 간섭 43
• 5.2 HYVRID 큐브위성 전개 구조물에 따른 방사패턴 분석 45
• 5.2.1 전개 구조물 사용 유무에 따른 이득 변화 45
• 5.2.2 박막 재질에 따른 방사패턴 분석 47
• 5.2.3 박막 크기에 따른 방사패턴 분석 48
• 5.3 방사 성능 지표 분석 49
• 5.3.1 안테나 이득 분석 51
• 5.3.2 축비 분석 52
• 5.3.3 S11 파라미터 분석 53
• 5.4 최적 설계 반영 55
• 5.5 링크 개선 57
• 5.6 S-band 패치 안테나 방사패턴 분석 59
• 5.7 추가 안테나 설계 61
• 5.7.1 Meander-line Antenna 61
• 5.7.2 Helical Antenna 67
• 제 6 장 HYVRID 통신전략 69
• 6.1 HYVRID 통신전략 설계 69
• 6.1.1 패킷 프레이밍 69
• 6.1.2 어플리케이션 TM/TC 통신전략 70
• 6.1.3 FTP 통신전략 72
• 6.2 HYVRID 통신전략 검증 Testbed 설계 72
• 6.3 지상 통신 소프트웨어 구축 73
• 6.3.1 연세대학교 지상국 구조 73
• 6.3.2 지상국 소프트웨어 요구조건 75
• 6.3.3 지상국 소프트웨어 구조 76
• 6.3.4 도플러 보정 78
• 6.3.5 스위칭 알고리즘 79
• 6.4 운용 결과 83
• 6.4.1 HYVRID Ent-to-End 테스트 결과 83
• 6.4.2 MIMAN 위성 신호 수신 결과 84
• 제 7 장 결론 87
• 참고 문헌 89
• ABSTRACT 91