UKF 및 적응형 슬라이딩 모드 제어를 이용한 반작용휠 기반 위성의 복합 고장 허용 자세 추종 제어 = Composite Fault Tolerant Attitude Tracking Control of a Reaction-Wheel-based Satellite using UKF and Adaptive Sliding Mode Control

국문 초록 (Abstract)

최근 우주 개발과 민간 우주산업에 대한 관심이 증가함에 따라, 통신, 지 구관측, 항법, 기상 관측 및 과학 임무 등 다양한 분야에서 인공위성의 중 요성이 대두되고 있다. 이에 따라 위성 시스템의 신뢰성 확보와 안정적인 운용 기술의 중요성 또한 커지고 있으며, 특히 수리 및 유지보수가 제한적 인 우주 환경에서는 고장 상황에서도 임무 수행을 가능하게 하는 고장 허 용 제어 시스템（Fault-Tolerant Control, FTC）이 필수적으로 요구된다. 본 연구에서는 반작용휠 기반 위성 자세제어 시스템에서 구동기 고장과 자이로 센서 고장이 동시에 존재하는 복합 고장 상황을 고려하였다. 이를 위해 외란 및 구동기 고장에 강건한 자세 추종 성능을 확보하기 위한 적응 형 슬라이딩 모드 제어기（Adaptive Sliding Mode Controller, ASMC）를 설계 하였다. 또한 자이로스코프 센서 고장으로 왜곡된 각속도 측정값을 보정하 기 위해 무향 칼만 필터（Unscented Kalman Filter, UKF） 기반 상태 및 고장 추정기를 설계하고, 실제 각속도와 센서 고장 성분을 동시에 추정하였다. 제안한 FTC 구조는 UKF에서 추정된 각속도 정보를 ASMC에 입력함으로써 복합 고장 상황에서도 안정적인 자세 추종 성능을 유지하도록 구성하였다. 제안한 FTC 구조의 유효성을 검증하기 위해 MATLAB/Simulink 기반 시 뮬레이션과 Air bearing 기반 인공위성 플랫폼을 이용한 HILS（Hardware-in-the-Loop Simulation） 실험을 수행하였다. 검증 결과, 제 안한 기법은 구동기 고장, 센서 고장 및 복합 고장 상황에서도 안정적인 자세 추종 성능을 유지함을 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

As interest in space development and the private space industry continues to grow, the importance of satellites has been increasing in various fields, including communication, Earth observation, navigation, meteorological observation, and scientific missions. Accordingly, ensuring the reliability and stable operation of satellite systems has become increasingly important. In particular, since satellites operating in space have limited repair and maintenance capabilities, a fault-tolerant control （FTC） system that enables mission execution even under fault conditions is essential.
This study considers a composite fault scenario in a reaction-wheel-based satellite attitude control system, where actuator faults and gyroscope sensor faults occur simultaneously. To achieve robust attitude tracking performance against disturbances and actuator faults, an adaptive sliding mode controller （ASMC） is designed. In addition, to compensate for angular velocity measurements distorted by gyroscope sensor faults, an Unscented Kalman Filter （UKF）-based state and fault estimator is designed to simultaneously estimate the actual angular velocity and sensor fault components. The proposed FTC structure is configured to maintain stable attitude tracking performance under composite fault conditions by feeding the angular velocity estimated by the UKF into the ASMC.
To verify the effectiveness of the proposed FTC structure, MATLAB/Simulink-based simulations and HILS （Hardware-in-the-Loop Simulation） experiments using an air-bearing-based satellite platform were conducted. The verification results confirmed that the proposed method maintains stable attitude tracking performance under actuator faults, sensor faults, and composite fault conditions.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1.1 연구 배경 및 동향 1
• 1.2 연구 목표 4
• Ⅱ. 시스템 개요 7
• 2.1 인공위성 플랫폼 동적 모델링 7
• 2.1.1 Kinematics 7
• 2.1.2 Dynamics 8
• 2.1.3 Control Allocation 10
• 2.2 HILS 실험 환경 구성 13
• 2.2.1 HILS 플랫폼 구성 13
• 2.2.2 인공위성 플랫폼 구성 16
• Ⅲ. 적응형 슬라이딩 모드 제어기 설계 19
• 3.1 서론 19
• 3.2 제어기 설계 20
• 3.2.1 자세 오차 정의 20
• 3.2.2 슬라이딩 평면 설계 20
• 3.2.3 제어 입력 설계 21
• 3.2.4 적응 법칙 설계 22
• 3.2.5 안정성 해석 22
• 3.3 구동기 고장 시뮬레이션 25
• 3.3.1 구동기 고장 시뮬레이션 조건 25
• 3.3.2 구동기 고장 시뮬레이션 결과 27
• 3.4 구동기 고장 HILS 실험 30
• 3.4.1 구동기 고장 HILS 실험 조건 30
• 3.4.2 구동기 고장 HILS 실험 결과 31
• Ⅳ. UKF 기반 상태 및 고장 추정 33
• 4.1 서론 33
• 4.2 UKF 기반 상태 및 고장 추정기 설계 34
• 4.2.1 증강 상태 변수 정의 34
• 4.2.2 상태 방정식 구성 35
• 4.2.3 측정 방정식 구성 36
• 4.2.4 UKF 알고리즘 37
• 4.3 센서 고장 시뮬레이션 40
• 4.3.1 센서 고장 시뮬레이션 조건 40
• 4.3.2 센서 고장 시뮬레이션 결과 41
• 4.4 센서 고장 HILS 실험 44
• 4.4.1 센서 고장 HILS 실험 조건 44
• 4.4.2 센서 고장 HILS 실험 결과 44
• Ⅴ. UKF & ASMC 기반 고장 허용 제어 48
• 5.1 UKF & ASMC 기반 FTC 구조 48
• 5.2 복합 고장 시뮬레이션 49
• 5.2.1 복합 고장 시뮬레이션 조건 49
• 5.2.2 복합 고장 시뮬레이션 결과 51
• 5.3 복합 고장 HILS 실험 53
• 5.3.1 복합 고장 HILS 실험 조건 53
• 5.3.2 복합 고장 HILS 실험 결과 54
• Ⅵ. 결론 58
• 참고문헌 59