자세결정(attitude determination) 이란 인공위성이 탑재된 자세센서로 감지한 여러 자료를 바탕으로 스스로 우주 공간 안의 자세 정보를 파악하는 작업이다. 스스로의 위치와 기울기 등의 자세를 측정하는 인공위성에 탑재되는 대표적인 자세측정용 센서로는 지구센서(Eearth sensor), 태양센서(Sun sensor), 자장센서(Magnetometer), 관성센서(Inertial sensor), 그리고 별센서(Star sensor) 등을 들 수 있다. 이중에서 비교적 널리 이용되는 센서로는 지구센서와 태양센서 그리고 관성센서가 있다. 자장센서는 지구자기장의 세기가 비교적 크게 나타나는 저궤도위성의 임무에 그리고 별 센서는 고 정밀도의 자세결정이 요구되는 임무에 이용된다.
| 지구 센서 (Eearth Sensor) |
지구 센서 우주와 지구의 온도 차이를 감지하여 자세정보를 계산하는 적외선 센서이다. 지구 센서는 지구가 적외선으로 방출하는 복사에너지를 지나갈 때 적외선 띠의 방향과 크기를 감지하여 자신이 어떤 방향을 보고 있는지 측정한다. 지구 주위의 탄소가스가 방출하는 적외선을 통해 지구대기의 끝을 측정한다. 탄소가스를 통해 우주 대기보다 따뜻한 지구대기의 끝을 찾을 수 있는 것이다. 하지만 지구 센서는 많은 정보를 주지는 못한다. 지구센서는 태양센서와 함께 쓰이며, 주로 고도를 보완할 때 쓰인다.
| 태양 센서 (Sun Sensor) |
태양센서는 인공위성의 자세제어에 필수적인 센서로서, 위성으로 입사되는 태양 빛의 방향을 측정하거나 위성이 태양을 보지 못하는 상태에 있는지를 판단하기 위해서 사용되고 있다. 태양센서의 기본적인 원리는 태양전지를 사용해 태양에너지를 전기에너지로 바꾸며 이 때 전환되는 전기에너지의 크기를 비교하여 입사각을 결정하는 방식이다. 태양센서의 가시광선 감지기로 입사된 태양각과 센서가 장착되어 있는 면과의 각도를 측정하며 센서 면적, 입사광의 세기, 입사각 등에 의해 좌우되는 크기를 갖는 전기적 신호로 변환한다.
| 자장 센서 (Magnetometer) |
전자기유도현상에 의하여 전선에 발생하는 전류인 자기 에너지를 검출·측정하며, 심자도(心磁圖)에서 취급하는 미약한 것에서부터 초전도에서 취급하는 강력한 것까지 대상으로 한다. 넓게는 자기헤드까지 포함하지만 좁은 뜻으로는 자기장의 영향으로 여러 가지 물성량(物性量)이 변화하는 효과를 이용하는 것을 말한다. 자기센서는 미리 알고 있는 지구자기장 데이터와 실제로 측정된 지구자기장 데이터를 비교하여 위치를 결정한다. 이 센서는 위치를 측정하고 어느 한 부분의 자기장 세기에 의해서 위성의 자세를 결정한다. 이 센서는 0.5도의 오차 한계를 가지고 있다.
| 관성 센서 (Inertial Sensor) |
| 운동의 관성력을 검출하여 측정 대상인 움직이는 물체의 가속도, 속도, 방향, 거리 등 다양한 항법 관련 정보를 제공하는 부품. 인가되는 가속도에 의해 관성체에 작용하는 관성력을 검출하는 것이 기본 원리이다. 가속도계와 각속도계(Gyroscope)로 분류되며, 레이저를 이용한 방식과 비기계식 방식이 있다. 관성이라 함은 자이로스코프의 원리를 기초로 한다. |
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■ 자이로스코프 센서 (Gyroscope Sensor)
자이로스코프는 측정 또는 방향 유지에 사용되는 기구로, 각운동량 보존법칙에 근거한다. 자이로스코프는 축이 어느 방향으로든지 놓일 수 있는 회전하는 바퀴이다. 자이로스코프가 빠르게 회전할 때에는, 외부에서 토크(torque; 회전우력)가 주어졌을 때 그 방향이 회전에 의한 각운동량(angular momentum)에 의해 회전하지 않을 때보다 훨씬 적게 변화하게 된다. 자이로스코프는 짐벌(수평 유지 장치)에 놓이게 되므로 외부의 토크는 최소화되며, 장착된 받침이 움직이더라도 그 방향은 거의 고정되게 된다.
자이로스코프는 고속으로 회전하는 로터를 사용하여 회전축의 관성좌표계에 대한 상대적인 변위각을 측정하는 기계적 방식의 Rate 자이로, Rate Integrating 자이로 등과, Gimbal이나 안정판 없이 자이로와 각속도계가 동체에 부착되어 동체의 회전을 감지하며 각속도를 측정하는 링레이저 자이로, 그리고 광섬유를 사용한 광섬유 자이로 등이 있다.
| 별 센서 (Star Sensor) |
별 센서는 밝은 항성과의 상대적 위치를 알아낸다. -2등성에서 5등성 범위의 항성을 대상으로 해 센서 내의 각 항성 좌표를 측정한다. 일반적인 관성센서의 특징은 잡음과 드리프트에 의해서 지속적인 오차를 유발 할 수 있다는 단점을 가지고 있다. 이를 해결하기 위해서는 기준이 되는 절대 값이 필요하게 되는데, 이를 위해서 인공위성에서는 별 센서를 활용한다. 별 센서는 렌즈를 통해 관측한 별들의 이미지와 별 센서에 내장된 '카탈로그 별'들의 밝기 및 위치정보를 수치적으로 비교 연산하여 스스로 인공위성 의 자세정보를 파악한다. 이러한 방법은 옛날 항해사들이 북극성을 보고 위치를 계산하던 것과 같은 방법이다.
■ 별 센서의 정밀도
아래는 이준호, 이성호, 김세일의 [ 한국과학기술원 핵심우주기술개발사업 연구보고서, 연구번호-1350016996. 2004.] "고정밀 별 센서 선행 기술 연구 및 개발" 연구보고서에서 발췌한 내용이다.
별 센서는 현존하는 3축 자세측정센서로는 가장 정밀한 타입일 뿐 아니라 자이로의 누적오차 보상에 매우 유용하게 사용되며, 타 센서의 도움 없이 별센서만으로 위성체 3축 자세제어가 가능하다는 기술적 장점이 있다. 자이로만을 사용할 경우에는 각속도의 적분으로 인한 오차 누적으로 인해 충분한 자세 정밀도를 유지할 수 없다. 이의 보완 장치로서 별센서 이용이 필수적이다. 또한 자이로와 가속도계를 함께 사용할 경우, 자세뿐만 아니라 위치정보도 보정할 수 있다.
▲ 우리별 3호용 별센서의 외관 모습 및 위성체에서의 위치
| 국내에서 별센서를 본격적으로 개발하기 시작한 것은 1994년 한국과학기술원 인공위성 연구센터가 우리별 3호용 별센서를 개발하면서 부터이다. 과학기술실험위성 개발을 목표로 하여 소형위성기술을 개발해왔던 인공위성연구센터는 별센서의 필요성을 인식하고 자체개발을 시작하였는데, 1994년 개념설계를 시작으로 2003년까지 총 6기의 개발모델을 제작하였다. 최종모델을 위성에 장착되어 2003년 9월 27일 과학위성1호에 발사되어 현재 운용되고 있다. 위의 그림은 우리별 3호용 별센서의 외관 모습과 위성체에서의 위치를 보여주고 있다. | 
▲ 우리별 3호용 별센서의 운용 개념 |
외국의 별 감지기는 많은 업체 들이 상용 제품을 판매하고 있을 정도의 수준이며, 현재 미국의 Ball 사, EMS space & Technology, Aeroastro와 유럽의 Sira Eletro-optics, OPTECS, Sodern 등이 있다. 이 중 별감지기 업체로 가장 대표적인 Ball 사는 미국의 대표적인 별센서 제작사로서 NASA, DoD의 우주프로그램뿐만 아니라, 상용 위성에서도 다수 사용되어오고 있다. 특히 1999년에 발사된 Chandra mission에서 사용된 ACA(Aspect Camera Assembly)의 경우는 0.07 arcsec (1 sigma)의 단일별의 각 정확도를 보여주고 있다고 알려져 있다. 이 정도의 정확도라면 현존하는 세계최고라고 말할 수 있다. 이처럼 수많은 운용 경험을 통해 신뢰성과 정확성을 갖는 센서를 제작하고 있다. 지금은 더 이상 판매되고 있지 않지만, Ball 사의 대표적인 별 감지기로는 1988년에 개발되어 최근까지 공급되었던 CT-601 별 감지기가 있으며, 그림은 별감지기의 사진, 특성 및 성능을 보여주고 있다.
▲ CT-601 별 감지기의 사진과 사양
| 전문 자료 |
더욱 자세한 내용을 알고싶다면 서울대학교 항공우주공학과 김유단 교수, 충남대학교 항공우주공학과 방효충 교수, 인하대학교 항공우주공학과 김진호 교수가 공동집필하여 제어, 자동화, 시스템 공학회지 (제 3권, 제 2호, 1997년 5월)의 [계측 및 제어기기 기술 특집]에 게재된 "인공위성 자세제어용 센서와 구동기" 학술지를 참고하길 바란다. 학술지 바로보기 클릭
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