접수일(2014년 5월 2일), 수정일(1차 : 6월 24일), 게재 확정일(2014년 7월 1일)
* 발사체전자팀/[email protected] ** 발사체전자팀/[email protected] *** 발사체전자팀/[email protected]
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LabVIEW 기반의 MHA 명령방식 비행종단수신기 점검장비 구현
김명환*, 황수설**, 임유철***, 마근수****
Implementation of LabVIEW based Testbed for MHA FTSR
Myung-Hwan Kim*, Soo-Sul Hwang**, You-Cheol Lim***, Keun-Su Ma****
Abstract
FTSR(Flight Termination System Receiver) is a device that receives a ground command signal to abort a flight mission when abnormal conditions occur in the space launch vehicle. The secure tone command message shall consist of a series of 11 character tone pattern. Each character consists of the sum of two tones which taken from a set of 7 tones defined by IRIG(Inter-Range Instrumentation Group) in the audio frequency range. The MHA(Modified High alphabet) command adds a security feature to the secure tone command by using the predefined difference code. In order to check the function and performance of MHA FTSR, which is under development, for KSLV-II, the testbed should have functions of RF signal generation, receiver's output port monitoring, RS-422 communication and test data management. In this paper, we first briefly introduce MHA command and FTSR interface, and then show the LabVIEW based testbed include its H/W configuration, S/W implementation and test results.
초 록
비행종단수신기는 발사체 비행 중 발생할 수 있는 비정상 상태에 대비하여 비행을 중단 시키는 지상 명령을 수신하는 장치이다. Secure 톤은 IRIG에서 규정한 7개의 음성 주파수 대역 톤 신호 중 2개의 톤을 조합하여 11개의 연속적인 부호로 명령 포맷을 구성한다. 한 국형발사체 탑재를 고려해 개발 중인 비행종단수신기는 Secure 톤에 암호화 기능을 추가 한 MHA 명령 방식을 적용하였다. 제작된 비행종단수신기의 성능 및 기능을 점검하기 위 해선 동일한 규격의 RF 신호를 발생함과 동시에 수신기의 외부 출력 포트를 모니터링하고 RS-422 통신을 제어하며 시험 데이터 저장 기능을 제공하는 점검장비가 필요하다. 본 논문 에서는 비행종단수신기 인터페이스 및 적용된 명령 방식에 대한 간략한 설명과 함께 LabVIEW 기반으로 제작된 점검장비의 하드웨어 구성, 소프트웨어 구현 및 기능 점검 결 과에 대해 기술한다.
키워드 : 비행종단시스템(Flight Termination System), 비행종단수신기(Flight Termination System Receiver), Secure Tone, High Alpabet, Modified High Alphabet, 랩뷰(LabVIEW)
1. 서 론
한국형발사체(KSLV-II)는 3단형 발사체로, 1500kg의 위성을 태양동기궤도(SSO)에 투입하거 나 2600kg의 위성을 지구저궤도에(LEO)에 투입 하는 두 가지 임무를 목표로 개발되고 있다. 한 국형발사체의 각 단에는 비행 중인 발사체에 비 정상상태가 발생되었을 때 비행 종료를 위해 추 진제 탱크를 파괴시키고, 연료를 배출 및 분산시 켜 지상 낙하 시 지상안전을 확보하기 위한 목적 의 비행종단시스템(FTS: Flight Termination System)이 탑재된다. 비행종단시스템을 구성하는 구성품 중 하나인 비행종단수신기(FTSR: FTS Receiver)는 지상시스템으로부터 전달된 RF 명령 신호를 처리하여 정상적인 명령신호 유무를 판단 하고 판독된 명령신호를 하부 시스템에 전달하는 역할을 수행한다. 비행종단시스템은 발사체와 지 상의 비행안전을 위해 발사체에 필수적인 시스템 으로 특성상 매우 높은 신뢰도가 요구되며, 잘못 사용될 경우 심각한 사태를 초래할 수 있으므로 비행종단시스템은 높은 신뢰성과 보안성이 확보 된 명령방식을 적용하여야 한다. 이를 위해 비행 종단시스템의 명령신호는 일반적인 통신방식과는 다른 특수한 명령 형태를 가짐으로 명령신호의 신뢰성, 안정성 및 보안성이 확보되도록 구성된 다[1~4].
한국형발사체에 탑재될 비행종단시스템은 Secure Tone 명령 방식에 간단한 암호화 기능이 추가되어 보안성이 강화된 MHA(Modified High Alphabet) 명령방식이 적용될 예정이다[5,6].
MHA 명령방식이 적용된 비행종단수신기의 기 능점검을 위해서는 발사환경을 고려한 정상상태 및 비정상상태를 모사하여 비행종단수신기의 성 능을 점검할 수 있는 점검장비가 필요하다. 이를 위해 비행종단수신기 점검장비는 RF로 변조된 비행종단 명령신호 송신 기능과 수신기에서 처리 된 결과를 출력단에서 실시간으로 모니터링할 수 있는 기능이 있어야 한다.
본 논문에서는 비행종단수신기에 적용된 MHA 비행종단 명령방식과 외부 인터페이스에
대해 간략히 소개한 후, PXI 기반으로 제작된 점 검장비 하드웨어 구성 및 LabVIEW로 제작된 소 프트웨어 구현에 대해 기술한다. 마지막으로 제 작된 점검장비의 기능점검 결과를 제시한다.
2. 비행종단수신기 명령방식 및 외부 인터페이스
2.1 MHA 명령 방식
MHA 명령방식은 Secure 톤(High Alphabet) 명령방식의 기본 명령 프레임은 유지하면서 보안 성을 강화하기 위해 간단한 암호화가 추가된 방 식이다. Secure 톤 방식은 미국의 RCC(Range Commanders Council)에서 규격화한 방식으로 IRIG에서 규정한 7개의 음성 주파수 대역 톤 신 호 중 2개의 음성주파수 톤을 조합하여 하나의 부호(Tone-pair, Character)를 만들며, 연속적인 11개의 부호를 조합하여 그림 1과 같은 하나의 명령 프레임을 만든다[5].
그림 1. MHA 명령 프레임
그림 2. MHA 명령방식 암호화 예
발사체는 비행시험 운용 전에 비행종단수신기 의 상태를 점검하기 위해 지상시스템과의 연계시 험이 불가피하며, 데이터를 송·수신하는 과정에 서 비행종단명령이 외부로 노출되어 악용될 가능 성이 존재한다. 이런 운용상의 문제점을 보완하 기 위해 개발된 다양한 명령방식들 중에 하나가 미국의 Cincinnati Electronics(L3-Com)에서 제안 한 MHA(One-Step Crypto) 방식이며, 같은 MHA 명령이란 명칭을 사용하지만 사용 주체에 따라 명령 프레임이 다르게 사용되는 사례도 있 다[4]. L3-Com의 MHA 방식은 보안성을 강화하 기 위해 2개의 톤 조합으로 구성된 부호 (Tone-pair)를 8bit 디지털 데이터로 변환한 후
‘Difference' 코드와의 조합을 통해 새로운 부호 로 바꾸는 방법을 사용한다. 원래의 비행종단 명 령 코드는 고정된 상태에서 'Difference' 코드를 교체함에 따라 변형된 다양한 명령 코드를 만들 수 있으며, 사전 운용 시험 과정 중에 외부에서 신호를 검출한다 해도 ’Difference' 코드를 모르 면 본래의 명령 코드 분석은 불가능하게 된다.
그림 2는 MHA 명령 방식의 암호화 예를 보인 다[5,6].
2.2 비행종단수신기 인터페이스
한국형발사체용 비행종단시스템은 앞서 설명 된 MHA 명령방식이 적용될 예정이며, 제작 및 기능구현 가능성 검증을 위해 MHA 방식의 비 행종단수신기가 개발 중에 있다. 개발중인 비행 종단수신기의 외부 인터페이스는 그림 3과 같다.
점검장비 입장에선 비행종단수신기 내부는 블랙 박스라 할 수 있으며, 인터페이스 요구조건에 따 라 각 입·출력 단자의 신호를 전송 또는 모니터 링하게 된다.
비행종단수신기의 인터페이스는 크게 5가지로 구분할 수 있다. 지상으로부터 명령을 수신하는 RF 입력부, 구동전원 입력부, 상태모니터링 및
‘Difference’ 코드 입력을 위한 RS-422 통신부, 명령 수신상태 및 RF 통신상태를 계측시스템에 전송하는 TLM 인터페이스부, 마지막으로 비행종 단시스템에 수신된 명령을 하위 시스템에 전송하 는 명령 출력부가 있다. 이상의 각 인터페이스는
그림 3. 비행종단수신기 인터페이스
비행종단시스템의 시스템 요구조건 설정을 통해 도출되었고, 점검장비는 도출된 각각의 인터페이 스 신호 요구조건을 반영하여 규격을 만족할 수 있도록 제작되었다.
3. 점검장비 구성
비행종단수신기 점검장비의 개발은 점검에 필 요한 회로 및 소프트웨어를 요구사항에 맞춰 직 접 설계/제작하는 방법과 범용 계측 장비 및 소 프트웨어를 이용해 목적에 맞게 재구성하는 방법 이 있다. 전자는 전용으로 제작된 장비이기 때문 에 하드웨어 크기 소형화가 가능하고 소프트웨어 실행이 빠른 장점이 있지만, 제작 및 검증 시간 이 길어지고 수정사항이 발생할 경우 일부 하드 웨어는 처음부터 새로 제작해야 하는 단점도 있 다. 반면 후자의 경우는 점검 프로그램 외에도 시스템 운용을 위한 기본 태스크가 상시 구동되 기 때문에 실행이 상대적으로 느리고 하드웨어 또한 규격화된 상용품만 사용가능하여 크기가 커 지는 단점이 있다. 하지만 개발시간이 단축되며 수정사항에 대해 빠르게 반응할 수 있는 장점이 있다. 비행종단수신기 점검장비의 경우 RF 송신 으로 톤 신호를 전송해야 하기 때문에 RF 신호 생성을 위한 회로가 필요하며, RF부 제작 및 검 증은 많은 비용과 시간이 필요하다. RF 전용 계 측 및 생성 장비를 사용할 경우 가격이 비싸지고
크기 또한 휴대가 불편한 정도가 된다. 전용장비 개발의 한계성을 파악한 후 범용장비를 통한 개 발을 결정했으며, RF 신호 생성 문제에 대한 다 양한 방안을 찾던 중 National Instruments 사의 PXI 기반 데이터 취득 장비를 선정하게 되었다.
NI PXI 장비의 경우 소형으로 모듈화된 RF 생성 하드웨어를 가지며 다양한 I/O 및 통신 모듈군 을 갖고 있어 필요한 조합에 의해 점검장비 하드 웨어 구성을 빠르게 할 수 있다. 또한 그래픽 기 반의 프로그래밍 언어인 LabVIEW 그리고 하드 웨어와 함께 제공되는 라이브러리 함수를 이용해 원하는 기능을 빠르게 구현할 수 있으며, 간편하 게 GUI 환경을 구축할 수 있다.
3.1 점검장비 하드웨어 구성
앞서 설명한 바와 같이 비행종단시스템 점검 장비는 상용으로 판매되는 범용 하드웨어를 이용 해 제작되었으며, 현재 연구 및 산업용 계측 하 드웨어 분야에서 널리 사용되는 NI사의 PXI 플 랫폼을 기반으로 구성하였다. PXI(PCI eXten- sions for Instrumentation)는 1997년 NI사에 의 해 소개된 모듈형 계측 플랫폼으로, CompactPCI 구조를 기반으로 동기화 클럭과 트리거 배선을 내부에 갖고 있어 타이밍 및 동기화에 장점을 가지며 모듈 내의 다양한 디바이스와 고속으로 통신이 가능하다.
NI사의 PXI시스템은 크게 섀시, 컨트롤러, 그 리고 계측모듈 세 가지로 구성된다. 섀시는 컨트 롤러와 계측모듈을 위한 전원, 통신버스 및 장착 공간(슬롯)을 제공한다. 컨트롤러는 PXI 시스템을 제어하는 컴퓨터이며 비행종단수신기 점검장비는 Windows OS를 기반으로 한다. 계측 모듈은 시 험 및 측정 방법에 따라 다양한 형태가 존재하며 비행종단수신기 점검장비는 RF모듈(PXIe-5672), 다기능 데이터 수집 모듈(PXIe-6341), 그리고 RS-422 통신 모듈(PXI-8431)로 구성된다. 점검장 비 하드웨어 구성은 그림 4와 같다.
PXIe-5672 RF 벡터 신호 생성기 모듈은 250kHz에서 2.7GHz 출력 주파수 범위에 -145dBm부터 10dBm의 신호 레벨을 갖고 있어서
그림 4. 점검장비 H/W 구성도
비행종단수신기 RF 요구조건을 충족시키며, FM 을 포함한 다양한 변조 방식을 지원한다.
PXIe-6341 다기능 데이터 수집 모듈은 16개의 16 비트 해상도 500kS/s의 아날로그 입력, 2개의 16비트 해상도 900kS/s 아날로그 출력, 그리고 24개의 디지털 I/O를 갖고 있어 해당 모듈 1개 로 비행종단수신기의 모든 디지털 및 아날로그 인터페이스를 모니터링 할 수 있다. PXI-8431/8 RS-422 통신 모듈은 8개 채널의 통신 포트를 갖 고 있으며 각각의 채널은 2~3Mbps의 통신 속도 를 지원한다.
3.2 점검장비 소프트웨어 구성
비행종단시스템 점검장비 소프트웨어는 하드 웨어와 마찬가지로 NI사에서 제작한 그래픽기반 프로그래밍 언어인 LabVIEW를 이용해 제작하였 다. 소프트웨어 구성은 비행종단수신기의 인터페 이스 성격 및 입·출력 신호 구분에 따라 독립적 인 조건 루프(While Loop)로 구성하였다. 점검프 로그램을 구성하는 각각의 루프는 RF 신호 생성 부, RS-422 통신 수신부, 사용자 입력 이벤트 (RS-422 통신 송신부 포함) 처리부, 톤신호 생성 및 아날로그 출력부, 아날로그 입력, 그리고 디지 털 입력부로 구분할 수 있다. 독립적인 루프간의 데이터/상태 전송 및 동기화는 메시지 큐 (Queue) 기반으로 제작되었으며, 톤 발생부는 상 태 머신 디자인 패턴을 사용하였다. 그림 5는 제 작된 점검프로그램의 전체 구성을 보이며, 그림 6은 점검장비의 사용자 인터페이스 화면을 보여
준다.
비행종단수신기 점검을 위해선 IRIG에서 규정 한 7개의 톤과 RF 수신 상태 점검을 위한 1개의 Pilot 톤을 독립적으로 생성 및 상호 중첩할 수 있어야 하며, MHA 톤 명령 프레임 구조의 신호 를 만들 수 있어야 한다. 점검 프로그램은 해당 요구조건을 충족하기 위해 톤 신호 생성부를 톤 점검부와 MHA 톤 점검부로 구분하여 큐 기반
그림 5. 점검장비 S/W 구성도
그림 6. 점검장비 프로그램 화면
의 상태 머신 디자인 패턴으로 구현하였다. 사용 자가 탭컨트롤의 페이지 탭을 선택하면 해당 상 태에 해당되는 프로그램이 구동된다. 참고로 MHA 명령은 기본 명령 프레임이 Secure 톤과 같으며 단지 암호화 적용 여부에 따라 구분되기 때문에 RF 신호 생성 프로그램 내부에서는 Secure 톤으로 언급되어 있다. 각 상태에 해당하 는 프로그램 구성은 그림 7과 같다.
톤 생성 프로그램 부분은 LabVIEW의 사인 (Sine) 웨이브폼 생성 함수(vi)를 기반으로 제작 하였다. MHA 톤 명령은 180ms의 명령 프레임 영역에 90,000개의 샘플(500kS/s)을 갖는 임의 파 형 신호를 만들어 사용하였다. MHA 톤의 11개 부호영역 및 데드타임 각각에 대한 파형 데이터 를 사인 웨이브폼 생성 함수를 이용해 구간별로 만든 후 생성된 신호들을 명령 프레임 구조에 따 라 일렬로 배치하는 방법을 사용하였다. 그림 8 은 제작된 MHA 톤 생성부이다.
생성된 톤 신호를 FM 변조 출력하는 프로그램
그림 7. 톤 점검(상) 및 MHA 톤 점검(하)
그림 8. MHA 톤 생성부
은 LabVIEW의 'Modulation Toolkit'에서 제공하 는 라이브러리를 이용해 제작하였다. 생성된 톤 데이터는 FM 변조 함수를 이용해 변조되어 메시지 큐에 실리게 되며, 사용자가 화면에서 RF 출력 명령을 선택하면 큐에 있는 데이터를 바탕 으로 파형 출력 함수가 RF 신호를 출력한다. 비 행종단수신기의 성능을 점검하기 위해선 RF신호 의 중심 주파수, 신호 레벨 및 편이(deviation)를 바꿔가며 수신 특성을 파악할 필요가 있기 때문 에, RF 출력 루프 안에 설정 변경 루틴을 추가하 여 프로그램 종료 없이 RF 출력을 변경할 수 있 도록 구현하였다. 그림 9는 제작된 RF 신호 출력 부를 보인다.
비행종단수신기는 RS-422 통신을 이용해 57,600bps 속도로 수신기의 RF 명령 수신 상태 등을 지상으로 송신(Tx)하고, RS-422 통신으로 수신(Rx)된 지상 명령에 따라 ‘Difference' 코드 관련 작업을 수행한다. 송신 데이터에는 Pilot 톤 을 포함한 8개의 명령 톤 수신 상태, 톤 정보를 바탕으로 분석된 5개의 명령 상태, 20Hz 주기의 펄스를 생성하는 자가 점검 비트, 그리고 'Difference' 코드 적용 상태를 나타내는 비트 정 보들이 포함된다. 비행종단수신기는 내부 상태를 전송하는 'Normal' 모드와 'Difference' 코드 관 련 작업을 수행하는 ’Difference Code' 모드가 있 으며, 지상 명령에 따라 모드가 변경된다.
‘Difference Code'모드일 경우 사용자 명령에 따 라 'Difference' 코드 갱신, 전송 및 점검 작업을
그림 9. RF 신호 출력부
그림 10. RS-422 통신 흐름도
수행한다. 그림 10은 비행종단수신기의 RS-422 통신 흐름도를 보인다.
비행종단수신기의 텔레메트리 인터페이스 점검 은 PXIe-6341 모듈에서 이루어지며, LabVIEW에 서 제공하는 기본 데이터 취득 함수(vi)를 이용해 프로그램을 제작하였다. 각 부분은 디지털 및 아 날로그 신호 여부 그리고 샘플링 속도에 따라 별 도의 조건 루프로 구분되어 있으며, 수신 신호 세기는 250kS/s의 속도로 아날로그 모니터링하 고, 8개의 톤 상태 모니터링의 경우 1부호의 길 이가 8.57ms로 짧기 때문에 1kS/s로 디지털 입 력부에서 취득한다. 한 개의 MHA 명령 프레임 길이는 180ms로 길기 때문에 명령 상태는 100S/s로 디지털 입력에서 샘플링 하며, 20Hz 주기의 펄스인 자가 점검 상태 및 ‘Difference' 코드 입력 상태 역시 100S/s로 디지털 입력부에 서 모니터링 한다.
4. 기능 점검
톤 신호 생성부에 의해 생성된 신호는 PXI 내 부 데이터 라인을 통해 RF 모듈로 전송되어 변 조 및 송신된다. RF 모듈로 전송되는 데이터를 검증하기 위해 동일한 데이터를 아날로그 출력 포트를 통해 출력한 후 아날로그 입력 포트를 통 해 다시 피드백 받아 명령을 복원 및 비교하는 과정을 통해 생성된 명령 프레임의 유효성을 점 검하였다. 그림 11은 생성된 MHA 데이터와 그 림 1의 명령 프레임을 비교한 것이다. 아날로그 입력을 통해 취득된 데이터에서 톤 데이터를 추 출한 결과 명령 톤 정보와 동일한 톤 부호 배치 를 확인할 수 있었다.
FM 변조된 RF 출력에 대한 모니터링은 스펙 트럼 분석기(Spectrum Analyzer)를 이용해 점검 하였다. 먼저 개별적인 톤 신호들의 출력 상태를 확인하였으며, 다음으로 2개에서 3개까지 톤 신 호를 무작위로 중첩해 보며 출력 특성을 점검하 였다. 단일 톤을 출력하였을 때의 RF 스펙트럼과 3개 톤이 조합된 형태의 RF 스펙트럼을 그림 12 와 그림 13에 각각 보였다. 측정된 결과에서 보 이는 바와같이 설정된 변조도에 해당하는 FM 변 조신호가 RF 중심주파수에 정확히 출력되는 것 을 확인할 수 있으며, FM 변조 대역폭도 만족함 을 알 수 있다. MHA 명령은 180ms의 프레임 길이 동안 톤 구성에 따라 가변적으로 변하는 특 성이 있기 때문에 스펙트럼 분석기로 점검하는
그림 11. 명령 프레임 및 생성 데이터 비교
그림 12. Pilot 톤의 RF 스펙트럼
그림 13. 임의의 3개 톤이 조합된 RF 스펙트럼
그림 14. RS-422 톤 및 명령 상태 정보
것에는 한계가 있으며, 단일 및 중첩 톤 점검 결 과와 출력 파형의 시간적 변화 경향을 통해 점검 할 수 있었다.
제작 중인 비행종단수신기 내부의 디코더 회 로에 점검장비의 아날로그 톤 신호를 직접 인가 하여 기능 및 상호 인터페이스 시험을 실시하였 다. ARM 명령과 TERM 명령을 교번으로 연속적 으로 인가했으며, 시험결과로 취득된 RS-422 정 보는 그림 14와 같다. RS-422 상태 정보를 통해 점검장비에서 생성된 명령 톤 신호와 수신기 디 코더 로직의 유효성을 확인할 수 있었다.
5. 결 론
본 논문은 제작 중에 있는 비행종단수신기의 기능 및 성능 점검을 위한 점검장비 구현과 시험 결과에 대해 소개하였으며, 점검장비에 대한 이 해를 높이기 위해 비행종단수신기의 명령방식과 외부 인터페이스에 대해서도 간략히 정리하였다.
구현된 점검장비는 PXI 플랫폼 기반으로 범용 계측 모듈을 조합해 하드웨어를 구성하고, 그래 픽 프로그래밍 언어인 LabVIEW로 프로그램을 제작하였다. 기능 점검 시험을 통해 설계 요구조 건을 충족함을 확인하였으며, 제작 중인 비행종 단수신기 디코더 회로와의 인터페이스 시험으로 부터 정상적인 명령 전달 및 수신도 검증하였다.
시험으로부터 취득된 RF 출력 및 계측 데이터를 통해 본 논문에서 구현된 점검장비의 효용성을 확인할 수 있었으며, 기술된 설계 개념 및 구성 은 향 후 비행종단수신기 점검장비 개발에 직접 적으로 활용될 예정이다.
참 고 문 헌
1. Range Safety Group, Range Commanders Council, "Test Standard for Flight Termination Receiver/Decoder", IRIG Standard 313-01, 2001
2. Range Safety Group, Range Commanders Council, "IRIG Standard for UHF Command
Systems", IRIG Standard 208-85, 1985
3. Eastern and Western Range 127-1, "Chapter 4. Airborne Range Safety System Documentation, Design & Test Requirements", 1997
4. Range Safety Group, Range Commanders Council, "Enhanced Flight Termination System Study Phase I-IV Reports", Special Report RS-38, 2002
5. 황수설, 고정환, 이재득 “해외발사체 사례조사 를 통한 FTS 명령방식 변천사 연구”, 제11회 우주발사체 심포지움, 2010, pp.1-7
6. Cincinnati Electronics Corporation, "Study Report Recommendations for the Next Generation Range Safety System(RSS) Integrated Receiver/Decoder(IRD)", Technical Report, 1992
