Current Industrial trend of simulator development for validating of satellite software performance

산업동향(기술동향)

위성 소프트웨어 성능 검증을 위한 시뮬레이터 개발 동향

구철회^*, 양군호^**, 이상곤^***1)

Current Industrial trend of simulator development for validating of satellite software performance

Koo, Cheol-hea^*, Yang, Koon-ho^**, Lee, Sang-kon^***

ABSTRACT

In this paper, current industrial trend of simulator development which is widely spreaded and performed in globally is introduced. Usage of satellite simulator is becoming an essential choice since the complexity of satellite and mission is being continuously increased. Satellite simulation brings reduction of satellite development cost and of period which is consumed by test on satellite development for various phases. Further more, it can be used to reduce the development period of satellite since developed resource and knowledge is possible to be delivered to next program effectively.

초 록

본 논문에서는 위성 소프트웨어 검증을 위해 현재 세계적으로 개발되고 있는 위성 시뮬레이터의 개발 동향에 대해서 기술한다. 현재 위성 및 임무의 복잡성은 계속적으로 증가되고 있는 추세에 있어 위성 시뮬레이터의 사용 은 당연한 선택으로 받아들여지고 있다. 위성 시뮬레이터의 이용으로 인해 위성 개발 비용의 감소 및 시험 기간 의 단축의 효과를 얻을 수 있으며, 이전에 사용된 개발 자산을 다음 개발에 효과적으로 재사용하는 것이 가능함 에 따라 위성 개발 주기를 효과적으로 단축시킬 수 있게 되었다.

Key Words : Satellite Operation(위성운용), Flight Software(비행소프트웨어), Simulator(시뮬레이터), SMP, SMI, Satellite Software(위성 소프트웨어), COMS, KOMPSAT, EuroSim, SIMSAT

* 구철회, 한국항공우주연구원 위성기술실 위성전자팀 [email protected]

** 양군호, 한국항공우주연구원 통신해양기상위성사업단 통해기체계팀 [email protected]

*** 이상곤, 한국항공우주연구원 위성기술실 위성전자팀 [email protected]

1. 서론

1957년 10월 세계 최초의 위성인 ‘스푸트니크 1 호’ 발사, 1992년 우리나라 최초의 위성 ‘우리별 1호’

를 발사된 지 강산이 몇 번 변하는 세월이 지나갔다.

1990년 초반까지 위성은 프로세서도 없고 소프트웨 어 로직도 거의 없는 hard-wired(배선 접속에 따른 하드웨어 로직)된 TM/TC를 기능만을 가지고 있어서 현재의 위성과는 큰 차이가 있었다.

최근의 위성은 대단히 많은 위성 탑재 소프트웨어 (OBSW, On Board SoftWare)가 사용되고 있으며 다 양한 프로세서 및 FPGA (Field Programmable Gate Array) / ASIC(Application Specified Integrated Circuit) 소자가 사용되고 있다. 또한 시간이 거듭될 수록 위성의 성능 요구사항은 점점 고성능화, 다기능 화 되었고 이런 경향에 맞추어 위성 소프트웨어 또한 더욱 복잡해지고 위성 개발 과정에서 차지하는 비중 도 꾸준히 증대되고 있다. 그림 1에서 알 수 있듯이 근대화된 위성 프로그램일수록 점점 CPU 사용량 (Load)이 증가함을 알 수 있다[2].

그림 1. 미션에 따른 CPU 사용량 증가

일반적으로 대규모 소프트웨어 프로젝트에 소요되 는 비용과 개발 기간을 정확히 예측하는 것은 여간 어려운 일이 아니다. 더구나 mission-critical(임무가 최우선의 의미를 갖는)한 위성에 사용되는 소프트웨 어는 매우 엄격한 검증 절차를 필요로 하므로 어떤 지상 소프트웨어보다 비용 및 개발 기간의 예측이 어 려운 상황에 처해 있다[1].

소프트웨어의 디버그(Debug)는 소프트웨어 개발 기 간 및 비용의 대부분을 차지하는 요소로서 디버그 설비 (Debugging Facility)가 검수자(Software Tester)에 게 SUT(Software Under Test)에 대해 보여줄 수 있는 가시성(Visibility)의 깊이(Depth)에 따라서 디 버깅에 소요되는 비용과 기간이 천차만별로 달라질 수 있다.

위성 소프트웨어를 테스트하기 위해 직접 다루기 곤란한 위성 하드웨어를 위성 시뮬레이터로 대체하여 위성 소프트웨어를 검증하는 방식은 컴퓨터가 위성에 사용되고 난 후부터 필연적인 것이 되었다.

1990년대까지 위성 및 우주 탐사선의 분실은 주로 우주선(Spacecraft) 자체의 실패가 주원인 을 차지했었다. 예를 들어 컴퓨터 실패, 추진 연 료 파이프 이상, 휠 실패 등으로 우주선을 잃어버 린 것이다. 그러나 최근에는 운용 실수(Operational Mistake)로 우주선을 잃어버린 경우가 더 많았다.

우주선의 특성상 그 우주선의 현재 위치 및 상태 등을 정확히 알 수 없고, 단 한 번의 실수도 치명적 인 경우가 많기 때문에 운용적인 측면에서 발생한 착각으로 위성이 잘못 제어된 경우이다. 화성 탐사 선인 Beagle 2 등은 모두 운용 실수에 의해서 화성 에 추락하거나 우주에서 실종된 것으로 분석되고 있다. 따라서 운용 전에 시뮬레이터 환경 하에서 운 용 전 점검을 하는 것이 전 세계적으로 보편화되고 있다.

본 논문은 위성 시뮬레이터의 기능, 개발 현황, 모 델 표준 및 마지막으로 항공우주연구원에서 제작중 인 다목적실용위성(KOMPSAT)과 통신해양기상위성 (COMS)의 개발에 사용되고 있는 위성 시뮬레이터의 예를 들음으로 구성되었다.

2. 위성 시뮬레이터의 기능

2.1 위성 하드웨어 대체

위성 시뮬레이터의 사용 목적은 크게 교육과 시험 으로 구분할 수 있다. 먼저 위성 시뮬레이터를 교육에 사용하는 것은 위성을 숙련되게 운용하기 위해서는

표 1. 위성 하드웨어와 위성 시뮬레이터 장단점 비교

위성 하드웨어 위성 시뮬레이터

장점 ⦁ 정확도 가장 우수

⦁ 비용 효율적

⦁ 개발 리스크가 적음(즉, 쉽게 개발 가능)

⦁ 확장 및 변경이 용이함(Scalability)

⦁ 에러 상황 묘사 등 요구사항 반영 쉬움 (Flexibility)

단점

⦁ 사용 목적에 비해 개발기간 및 비용이 비효율적

⦁ 취급이 용이하지 않음(유지보수의 어려움)

⦁ 에러 상황 생성 불가능

⦁ 정확도 비교적 떨어짐

⦁ 고성능 하드웨어 시뮬레이션이 어려움

많은 경험과 훈련이 요구되는데 실제 위성을 다루는 것은 극히 제한적인 인력에게만 허가된다. 따라서 위험 성이 없고 많은 사람을 교육시킬 수 있는 위성 시뮬레 이터의 사용이 자연스럽게 형성되었다. 비슷한 예로 항 공기 조종사들이 처음에 항공기 시뮬레이터로 비행기 조종 교육을 받는 것을 들 수 있다. 예를 들어 VEGA의 STC(Spacecraft Operations Training Centre)는 교 육자에게 실시간 위성 시뮬레이션, 3-D 애니메이션 디 스플레이 및 터미널 가상교육 공간을 제공한다.

가장 광범위하게 사용되는 것은 위성 제어 로직(소 프트웨어)의 검증 및 시험에 위성 시뮬레이터를 사용 하는 것이다. 위성 제어 로직은 실제 위성 하드웨어를 사용해서 시험하는 것이 가장 바람직하나 취급의 위 험성이나 잘못된 제어 로직으로 인해 위성 하드웨어 가 고장 날 가능성도 배제할 수 없다. 그리고 동시에 여러 파트에서 시험을 진행할 경우가 많기 때문에 비 용 효율 면에서 위성 시뮬레이터를 사용하는 것이 가 장 현실적이다.

실제 위성 하드웨어는 취급이 용이하고 않고 대단 히 고가라서 교육용으로 사용하기에 적당하지 않음으 로 위성 하드웨어를 시뮬레이터로 대체하여 학생 또 는 위성 오퍼레이터의 교육용으로 사용가능하다. 실 제로 위성에 직접 명령을 내리기 전 위성 시뮬레이터 로 안정성을 테스트하고 있다.

또한 위성 시뮬레이터는 OBSW 시험 플랫폼으로 사 용이 가능하고 동시에 여러 위성 시뮬레이터를 운용하 는 것이 가능하므로 자세제어 또는 데이터 핸들링 부분 의 검증처럼 각 시험의 목적에 최적화된 시험 환경을 갖춘 위성 시뮬레이터를 개발하여 운용하고 있다.

이처럼 위성 시뮬레이터는 교육 및 시험 목적을 위 해 실제 위성 하드웨어를 사용하는 것과 비교해 여러

장단점을 가지고 있는데 표 1과 같이 정리할 수 있다.

2.2 Test Automation

또한 위성 시뮬레이터의 기능 중 중요한 것 중 하 나는 시험 자동화(Automatic Testing)이다. 갈수록 위성 시스템이 복잡해지고 개발 기간이 짧아짐으로 해서 오류를 발견하고 수정할 수 있는 시간이 감소되 고 있다. 그리고 위성 시스템도 점점 configurable(사 용자에 따른 시스템 재구성 가능)하고 flexible(사용 자의 요구사항에 따라 수정 사항이 적은 특성)해 지 기 때문에 전통적인 시험방식으로는 실제적인 성능 시험의 한계에 다다르게 되었다. 테스트 스크립트 (Test Script)를 이용한 시험은 위에서 제기된 문제 에 대한 전반적 해결책으로 여겨지고 있으며 최근의 ESOC 시뮬레이터는 모두 테스트 스크립트의 사용을 지원하고 있다[7].

3. 위성 시뮬레이터 개발 현황

ESA/ESOC는 현재 모든 ESA 미션에 대해서 Operational Spacecraft Simulator(위성 운용 시뮬 레이터)를 개발해오고 있다[5]. 위에서 전술한 바와 같이 위성 시뮬레이터는 위성 하드웨어와 별도로 교 육 및 시험 목적으로 사용하는 것이기 때문에 그 개 발 기간이 반드시 위성 하드웨어 개발 기간과 일치 하지 않을 수 있다. 다시 이야기하면 위성 하드웨어 개발 시점과 위성 시뮬레이터 개발 시점을 같이 가져 가는 것은 비용 면에서 비효율적일 수 있다. 위성 시 뮬레이터에서 가장 핵심적인 것은 위성 하드웨어 규

그림 2. Typical Satellite Simulator Block-diagram

격은 제외하고 SDB(Spacecraft DataBase)와 OBSW 를 들 수 있는데 모두 위성 개발 말기에 가서 확정될 수 있는 것들이기 때문에 위성 시뮬레이터는 가능한 GETS(Generic Emulator Test System, 즉 일반 OBSW 모듈을 이용한 에뮬레이터 검증 시스템)와 flexible DB를 사용해 위성 하드웨어/소프트웨어 개 발과 별도로 진행하는 것이 유리한 것으로 되어 있 다[3].

위성 시뮬레이터가 가지는 확장성(Scalability)과 유연성(Flexibility)의 덕택으로 위성 시뮬레이터는 본 위성 개발 스케줄이 지연(즉, 확정된 위성 하드웨어 규격, SDB 및 OBSW 릴리즈가 지연된다는 의미임) 된다고 하더라도 비용적인 손실이 크지 않은 것으로 되어 있다.

위성 시뮬레이터는 위성 및 운용 데이터를 보관하 고 있는 데이터베이스(DB), 유저와의 인터페이스 및 위성 및 테스트 장치의 모델들로 구성되며 전형적인 위성 시뮬레이터 구성은 그림 2와 같이 나타낼 수 있 다. 현재 위성 시뮬레이터 플랫폼을 사용되고 있는 것 들은 아래와 같다.

⦁SIMSAT (ESA/ESOC) ⦁Eurosim (ESA/NLR)

⦁Basiles (CNES) ⦁EcoSimPro ⦁SimTG (Astrium)

이 중 SIMSAT과 Eurosim 에 대해서 정보를 조사 해 보았다.

3.1 Eurosim

EuroSim(http://www.eurosim.nl/)은 위성 및 비 위성 분야에서 실시간 시뮬레이터 기능을 제공하는 configurable simulator tool이다. 현재 Gaia(우주 탐 사 위성 프로그램) 실시간 시뮬레이터, Galileo 프로 그램, GOCE 탑재체 시뮬레이터 등에 사용되고 있다.

그림 3은 EuroSim 사용의 일예로 모델 편집기를 나 타내고 있다.

Eurosim은 위성 개발의 모든 phase에서 사용될 수 있는 다용도 시뮬레이션 도구이며 HIL(Hardware In the Loop) 실시간 시뮬레이션을 중점적으로 지원하고 있다.

그림 3. EuroSim Model Editor

C, C++, Fortran 77 및 Ada 언어를 지원하고 있 으며, MIL-STD-1553, IRIG-B, GPIB와 같은 하드 웨어도 지원하고 있다. 또한 Eurosim은 MATLAB/

Simulink에서 생성된 모델들을 MOSAIC 이라는 도구 를 통해서 자신의 내부로 import해서 사용할 수 있는 기능을 가지고 있다[12].

그림 4. EuroSim work flow

3.2 SIMSAT

SIMSAT(Simulation Infrastructure for the Modeling of SATellites)은 ESA의 실시간 위성 운용 시뮬레이 션 설비로서 위성과 지상국의 시뮬레이션 기능을 가지 고 있다. SIMSAT은 SMI(Simulation Model Interface) 을 통해서 시뮬레이터 모델과 외부 환경을 분리하여 독립성을 높였으며 지상국 모델과의 접속을 수행하고 있다[8].

그림 5. SIMSAT 구성도

SIMSAT은 1990년대 초반부터 ESA와 ESOC에서 사용되고 있으며 처음에는 VMS 기반에서 구동되었 으나 현재는 윈도우 2000/XP 및 노벨 수세 리눅스에 서 돌아가도록 포팅 되었다[9]. SIMSAT은 시뮬레이 터의 구동을 제어하고 모니터할 수 있는 MMI(Man Machine Interface)라고 불리는 GUI를 가지고 있으 며 MMI는 모델의 상태, 파라미터 및 변수 값을 보여 준다.

그림 6. SIMSAT MMI GUI

SIMSAT은 내부에 프로세서 에뮬레이터를 비롯한 위성 컴퓨터 시뮬레이션 모델을 포함하여 위성 및 지 상국의 시뮬레이션 기능을 제공한다. 또한 테스트 스 크립트 기능과 에러 삽입(Faults Injection) 기능을 제공하고 있다. 현재 SIMSAT은 4.0 버전까지 개발되 었으며 곧 5.0 버전이 릴리즈 될 예정이다.

4. 위성 시뮬레이터 접속 표준

위성에서 보았듯이 SIMSAT, Eurosim, Basiles 등

많은 위성 시뮬레이터 플랫폼이 존재하기 때문에 환 경을 구축하기 위해 많은 노력이 소요되고 플랫폼 간 모델 공유 및 재사용이 어렵게 되었다. 플랫폼 간에 모델 호환 및 재사용을 위해 SMP(Simulation Model Portability) 접속 규격이 제정되었는데 이름에서 알 수 있듯이 시뮬레이션 모델을 다른 플랫폼에서 재사 용하려는 목적을 가지고 탄생된 표준 규격이다. SMP 는 모델과 시뮬레이션 환경과의 연관성을 최소화하고 모델과 시뮬레이션 설비와의 접속을 표준화하는 것에 중점을 두고 있다. SMI(Simulation Model Interface) 는 SMP 모델과 나머지 시뮬레이션 환경과의 접속을 담당한다. 그래서 이론적으로 SMP 규격을 기반으로 개발된 시뮬레이션 모델은 SMI 인터페이스를 지원하 는 모든 시뮬레이션 환경에서 (재)사용될 수 있다[9].

SMP 규격이 2001년에 SMP 1.0, 2004년에 SMP 2.0 으로 배포된 이래 ESA는 2006년에 SMP 2를 ECSS (European Committee for Space Standardisation) 표준 으로 승격시키기로 하였고 현재 이 심사가 ESA에서 이루어지고 있으며 곧 ECSS 홈페이지에 SMP 2.0 규 격이 정식 ECSS 규격으로 게시될 것으로 전망된다.

SMP는 C, C++, Fortran 또는 Ada 언어로 작성할 수 있다.

그림 7. SMP 구성 개념

SMP는 Artemis, Envisat, XMM, Rosetta, Mars Express, Cryosat 등에 사용되었으며 ESA 프로젝트 에서 증가되는 추세에 있다. EuroSim 또는 SIMSAT 등 주요 위성 시뮬레이션 개발 툴은 모두 SMP 1.0, 2.0을 지원하고 있다.

5. Case Study

현재 항공우주연구원에서 수행하고 있는 다목적 실용위성(KOMPSAT) 및 통신해양기상위성(COMS) 에서 사용되고 있는 위성 시뮬레이터의 현황을 마지 막으로 추가하고자 한다.

5.1 KOMPSAT

KOMPSAT은 소프트웨어 기반으로 AOCS 성능 해석 및 검증을 수행하는 KOMPSIM 시뮬레이터 와 하드웨어 기반으로 센서와 액츄에이터 접속 및 AOCS 비행소프트웨어를 검증하는 SDS(Spacecraft Dynamic Simulator) 시뮬레이터를 통해 위성 소프트 웨어 로직을 검증한다.

KOMPSIM은 소프트웨어 기반의 자세 제어 성능 해석 및 검증을 수행하는 시뮬레이터로서 MS 윈도우 즈 플랫폼 위에서 MS Visual C 로 개발된다.

SDS는 하드웨어 기반의 자세 제어 성능 및 기능 검증 시뮬레이터로서 그림 8에 보이듯이 Rack과 상 용 보드 및 커스텀 보드로 구성되고 운영체제로는 WindRiver VxWorks 가 사용된다. 모델은 위성 동역 학 모델을 비롯한 액추에이터/센서 모델 및 하드웨어 I/O 모델 등이 사용된다[11].

5.2 COMS

COMS에서 소프트웨어 검증은 STB(Software Test Bench, DHS 부분 및 Software Compatibility 검증) 및 FVB(Functional Validation Bench, AOCS 부분 검증)을 통해서 이루어지고, 시스템 검증은 ATB(Avionics Test Bench, HW 및 SW Compatibility 검증) 및 DSSS(Dynamic Satellite Simulator System, 위성 운용 검증)를 통해서 수 행된다. 로직 검증은 크게 소프트웨어의 In-Out 체 크를 중점으로 하는 Open Loop 테스트와 로직 검 증을 중점으로 하는 Closed Loop 테스트로 구분 된다.

그림 8. SDS 구성도

그림 9. COMS 로직 검증 흐름도

ATB는 밑의 그림과 같이 구성되어 있으며 실제 위 성 하드웨어가 장착된 벤치에서 TC/TM 제어 EGSE 를 통해 다각적인 위성 소프트웨어를 검증하게 된 다[10].

6. 결론

위성 시뮬레이터의 주요 이점은 편리성과 재사용 성이다. 위성 시뮬레이터를 사용함으로써 실제 위성 하드웨어를 다루는 불편함을 최소화할 수 있고 시험 기간도 단축이 가능하다. 또 이전에 사용한 시뮬레이 터 모델을 유지보수하고 재사용함으로써 다른 위성 프로그램에도 유기적이고 다기능적으로 대처할 수 있 는 장점을 제공하고 있다.

항공우주연구원에서도 위성 개발 전반 과정에 있 어서 다양한 위성 시뮬레이터를 개발 및 사용하고 있

다. 앞으로 보다 효과적이고 강력한 위성 시험 환경을 구축하기 위해 위성 시뮬레이터 개발 기술에 대한 관 심이 다각적으로 요구된다고 할 수 있다.

그림 10. COMS ATB 구성도

그림 11. COMS ATB 장착 하드웨어 (SCU, Wheel, FOG, ADE)

참고문헌

1. Mizell. C, Malone. L, "A project management approach to using simulation for cost estimation on large, complex software development projects", Engineering Management Journal, 2007

2. 구철회, “실시간 소프트웨어 개발기술 동향”, 항공우주 산업기술동향지, 제2권, 제1호, 2004, pp. 86~93 3. Nuno. S, Vemund. R, David. V, "ESOC Simulators

Past, Present and Future", OPSG Forum, 2008 4. Ana Maria. A, Paulo E. C, Valcir O, Jose B. N,

"Brazilian Satellite Simulators; Previous Solutions

Trade-off and New Perspectives for the CBERS Program", AIAA, 2006

5. V. Reggestad, D. Guerrucci, P.P. Emanuelli, D.

Verrier, "Simulator Development: the flexible approach applied to Operational Spacecraft Simulators", SpaceOps, 2004

6. R.H. de Vries, "EuroSim Simulation Framework", DASIA, 2003

7. Joshua Whitty, "Real Time Distributed Simulations Using SIMSAT Linux", IEEE, 2007, pp. 423~428

8. http://www.egos.esa.int/portal/egos-web/produc ts/

Simulators/SIMSAT/

9. L. Arguello, J. Miro, J.J. Gujer, K. Nergaard, "SMP:

A Step Towards Model Reuse in Simulation", 2000, ESA Bulletin 103, pp. 107-111

10. COMS SDR Presentation 발표 자료 11. 위성기술실 자세제어 교차세미나 발표 자료

12. R.H. de Vries, J. Keijzer, F. van Lieshout, A.A. ten Dam, J.M. Moelands, "Enhancements to EuroSim", NLR-TP-2002-613, 2002