인공위성 (Satellite) 인공위성 (Satellite)
기 창 돈 교수
2009년 6월 2일
항공우주공학개론, 서울대학교 기계항공공학부
Contents
History Basics
Satellite Types Orbit types
Organization of Satellite system Space environment
Earth observation satellite Weather satellite
GNSS
Communication satellite
Seoul National University GNSS Lab.
Intro
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Seoul National University
History (1)
1950-
1957.10.4 - Sputnik 1, (Soviet Union)
¾ 세계 최초 위성.
¾ 직경 0.58m, 질량 83.6 kg
¾ 고도 : 215~939Km
1957.11.3 - Sputnik 2, (Soviet Union)
¾ 포유류 탑승, 개( ‘라이카’)
¾ 주기 : 103.8 min
¾ 고도 : 212~1660Km
1958.1.31 – Explorer 1, (United States)
¾ 길이 1.2m 직경 0.203m, 질량 14.6kg
¾ 고도 : 358~2550Km
¾ 밴 앨런 복사대 발견
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Sputnik 1
Sputnik 2
Explorer 1
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History (2)
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1960-
1961.5 - 아폴로 계획 발표 (United States) 1969.7.21 – apollo 11 (Soviet Union)
¾ 인간 달착륙
1970-
1975.7 – 아폴로18호(US), 소유즈19호(SU)공동연구 우주 정거장 개발, 실험 (Soviet Union)
1981.4.12 Space Shuttle Columbia 첫 임무 개시
1980-
1985. Open Skies 발표( US ), 규제 완화, 위성기술 수출, 상업화 상업용 통신 및 방송분야 발전.
1990-
냉전 체제 종식으로 군수 및 비군수 예산 대폭 삭감
민간 정보통신 주도 , 이동통신, 항생위성, 지구 관측 위성 분야 발전
Basics
centrifugal force
gravity force
F G
F C
G
C F
F =
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Basic (2)
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제 1차 우주 비행속도
지표면에서 위성의 초기회전을 위해서 필요한 이론적인 속도
G
C F
F =
2 2
r GMm r
m v c =
r v c = GM
제 2차 우주 비행속도
지구가 아닌 다른 행성으로 보낼 때의 초기 속도(지구탈출속도)
f g i
g K U
U
K ) ( )
( + = +
0 2 0
1 2 + − = + r
mv e GMm
r v e = 2 GM
지구표면의 경우 : 약7.9km/s
지구표면의 경우 : 약11.2km/s
K: kinematic energy , U: Potential energy
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Satellite Type
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임무에 따른 분류
지구 관측 위성 : 지구 온난화, 삼림 황폐화, 사막화 증가, 오존층의 상태, 해 양 및 지표면 변화 관찰
기상 위성 : 열대 폭풍, 태풍, 허리케 인, 홍수, 산불, 기상 예보 정보
항행 위성 : 지상, 항공기, 차량 등의 소형 수신기의 위치 측정
과학위성 : 대기, 대양, 지상, 에너지 및 생명체 사이의 상호작용 연구
군사용 위성 : 군사활동 감시, 미사일 발사, 항공기나 군함 추적
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Satellite Type
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형상 또는 안정화 방식에 따른 분류
3축 안정화 방식 : 박스 형상의 몸체와 전개가 가능한 태양전지판으로 구성
회전 안정화 방식 : Gyroscopic stiffness를 이용하여 위성을 안정화, 안테나, 센서, 태양 전지판이 관성 목표를 지향할 수 없는 단점.
3축 안정화 방식 위성
Real time position in Google Earth
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Orbit type
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저궤도위성(LEO) 고도1000km
20000km
중궤도위성 (MEO) 고도 20000km
38000km
지구정지궤도위성(GEO) 고도38000km
지구정지궤도(GEO)
지구동기궤도(GSO)
지구동기고타원궤도(HEO)
GSO HEO GEO
경사각
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Keplarian Element
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Orbit type
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저궤도 위성(Low Earth Orbit)
고도 : 500~1500km( 대기권과 Van allen 대 사이 ) 주기: 90~120 min
네트워크를 구성하는 통신 위성과 관측 위성으로 주로 사용 경사각(inclination angle)이 0~90 혹은 90도 이상인 위성 궤도 가능 태양동기 위성의 경우 위성이 통과하는 지역의 지방시가 동일하고 조 도 조건이 비슷하여 전력생성이 안정적. 전 지구 커버 가능.
국제 우주 정거장
Orbit type
중궤도 위성(Medium Earth orbit)
고도 : 5000~15000km( LEO와 정지궤도 위성 사이) 주기: 약 2~24시간
두 Van allen 대역을 피해서 존재 ( 1500~5000km , 15,000~30,000km) 대부분의 항법 위성이 존재( GPS, Glonass, Galileo )
GPS Galileo System
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Orbit type
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고타원 궤도 위성(Highly elliptical orbit)
low-altitude perigee and an extremely high-altitude apogee 특정 지역에 긴 시간 분포한다는 특징
두 Van allen 대역을 통과하는 경우가 많음 특정 지역 위주의 통신, 과학 위성
Moliniya
Moliniya
Sirius
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Orbit type
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정지 궤도 위성(Geostationary orbit)
적도 상에 존재 ( inclination angle : 0 deg ) 지구 자전 주기와 같은 주기 : 24hr
이심률( eccentricity )이 거의 0 , 원궤도 고도 : 35,786km.
통신, 방송, SBAS( GNSS 보강 시스템) 위성으로 쓰임.
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위성의 구성
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위성체
본체와 탑재체로 구성
본체 : 탑재체를 지원하는 몇몇의 부분체와 소모품으로 구성, 궤도 및 자세제어, 열제어 , 추진, 기계적인 지지, 전력공급, 지상국과의 명령 및 정보교환
탑재체 : 통신, 지구관측, 기상 과학 연구 등의 임무를 수행하는 부분 지상국 시스템
지구 표면에 있는 장비 및 소프트웨어
안테나, 전력 증폭기, 저소음 수신기 등으로 구성.
감시 및 시험, 위성 통제, 추적
임무 계획 설정, 운용 시간표 작성, 명령 작성, 상향 명령 전송, 원격 측정 자료 수신, 위치 확인 기능 수행, 원격 측정 자료 분석
발사체 시스템
위성을 궤도까지 올려주는 운반체
위성체의 구성
구조물
플랫홈과 패널 등으로 구성
로겟의 발사 중에 랜덤 진동, 정현파 진동, 음향 진동 및 충격 진동에 대처 유리나 탄소 강화 섬유 , 에폭시-그레 파이트 복합재료와 결합된 알루미늄 하니콤 구조
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위성체의 구성 (2)
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열 제어 시스템
태양이 있을 때 : 고온에 의한 열응력 발생 태양이 없을 때 : 저온에 의한 열응력 발생 능동 제어 방식 : 히터, 열 파이프, 루버
수동 제어 방식 : 열 차폐막, 열 담요, 코팅/페이팅
자세 및 궤도 제어 시스템
자세 오차를 감지 위한 센서: 자이로 스코프, 별 센서, 별 스캐너, 태양센 서, 지구 수평점 센서, 위성항법시스템
위성 안정화를 위한 장치 : 위성자체의 회전, 반작용 휠을 이용한 회전 강성
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위성체의 구성 (3)
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전력 시스템
태양 전지 및 고성능 배터리로 구성
3축 안정화 위성 : 태양 전지판이 아코디언 처럼 펼쳐짐 회전 안정화 위성 : 위성 본체의 외부에 붙어 있음 배터리 : 태양이 지구에 가릴 때 전력 공급
추진 시스템
위성의 위치유지, 궤도전이 및 자세제어용 추력 및 토크 제공 열추진, 전기 추진, 원자력 추진 등 존재
원격 계층, 추적 및 명령 시스템
지상국과 데이터를 연속적으로 주고 받을 수 있게 함 지상의 제어국이 위성의 건강 상태를 감사하는데 필요
데이터 조절 부분 : 위성 부분체로부터 데이터를 받아 암호로 바꾼 다음 이들을 다시 지상국으로 전송
추적 기능: 위성의 위치를 결정, 다음 궤도 운동과 지상국을 위한 좌표 데이터 계산
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우주 환경
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복사 환경
태양으로부터의 고에너지 입자 은하 우주 복사선의 고에너지 입자 밴 앨런 대에 포획된 입자
플라즈마
열권의 중성 대기
열권 : 고도 90~600km의 영역 , 중성 가스 입자들 분포
열권의 아래부분 – 산소원자 우세, 상층부 – 헬륨이나 산소가 우세 대기의 저항력 때문에 이 고도에서는 추력을 제공하지 않으면 고도가 떨어지게 되어 대기권으로 진입함
우주 환경 (2)
위성 주위의 열환경
유입되는 태양의 복사, 지구로부터 반사되는 태양 에너지, 지구와 지구 대기로 부터 방출되는 장파의 복사에너지 존재
-70도~80도 의 온도 변화를 겪음
태양 에너지 : 가장 큰 열원. 1%이내로 일정 지구 반사 에너지 : 알베도(Albedo)
지구 복사 적외선 에너지: 지표면과 대기의 온도, 대기 수분 함유량, 구 름 및 위도에 따라 변함
고 진공
산소나 탄소등의 분자가 아닌 수개의 전자나 양자가 존재 위성이 진공 중 노출 되었을 때는 가스 분출 현상 발생 지상에서의 시험은 진공챔버나 열진공챔버를 활용
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우주 환경 (3)
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무중력과 미세 중력
고성능 태양전지와 같은 비결정질 반도체의 제작, 엔진 재료와 같이 극단적인 열과 압력에 견딜 수 있는 재료의 혼합 , 순수의약제조 , 불순물이 없는 완전한 결정체 ,고 순도 물질 제작 및 완전한 구의 제조에 유리
낙하타워, 포물선 비행용 항공기, 과학로켓 및 우주왕복선, 저궤도 우주 정거장 에서 시험 수행
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인공 위성 개발
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우리 나라의 첫 위성
1992년 실험용 소형 과학 위성 우리별 1호
국내외 동향 – 국제 동향
세계 위성산업 시장은 최근 연평균 13% 이상 증가하고 있으며 2003년에는 시장규모가 약 910억 달러에 도달
세계 우주산업 매출액 (단위 : 억달러, %)
※자료 : Futron Corporation(2004).구분 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 연평균 증가율 매출액 380 490 550 604 737 786 861 910 13.3
미국, EU, 일본, 러시아, 중국 등 소수 우주선진국들이 세계 우주산업을 주도 - 미국이 전 세계 우주산 업 매출의 40～50% 차지
프랑스('65년), 일본('70년), 이스라엘('88년) 등은 1인당 GNP가 5,000～6,000달러 시점에서 우주개발 사업에 본격 착수
향후 통신,방송위성 수요 증가, 위성이용분야 확대 등으로 우주산업의 지속적인 발 전 전망
세계우주산업 시장규모는 연 평균 10% 이상 지속적 신장 이 이루어 질 것으로 전망 민간용 이동통신 산업 등 위성서비스 산업의 비약적 발전과 이에 따른 지상장비 산업 의 발전 예상
최근 5년간 EU와 일본은 연평균 15-20%의 고성장 유지
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국내외 동향 – 국내 동향
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우리의 우주기술 수준
소형위성 독자개발 기술 확보
위성 자력발사를 위한 핵심기반기술 확보 추진 단계
우리나라는 '92년 및 '93년에 발사된 「우리별 1호, 2호」'93년에 발사된 과 학관측로켓 「과학1호, 2호」를 시작으로 연구개발 위주의 우주개발 착수
'95년, '96년, '99년에 발사된 통신․방송위성 「무궁화 1호, 2, 3호」로 위성 의 상업적 이용이 확대
'99년 소형위성인 우리별 3호와 ‘03년 과학기술위성 1호의 국 독자개발로 소형위성 제작기술을 확립하고, 실용위성인 다목적실용위성 1호와 2호의 개발로 위성기술 기반 구축
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국내외 동향 – 국내 동향 (2)
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러시아와의 협력에 의거 소형위성 발사체 개발에 착수하였으며, 이를 바탕 으로 위성자력발사 기술 확보 예정
중장기적으로 실용 위성발사체 개발을 위한 핵심기술 확 보 추진
국제협력을 통하여 한국최초 우주인 배출과 위성제조 및 지상설비 분야에 서의 세계시장 진출이 확대될 것으로 전망 향후 통신,방송위성 수요 증가, 위성이용분야 확대 등으로 우주산업의 지속적인 발전 전망
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한국의 중장기 계획
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지구 관측 위성
물과 에너지의 순환, 대양의 변화, 대기의 화학 반응, 지표면, 극 지역의 얼 음 관측
도시와 농촌의 개발 계획 입안자들에게 제공
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기상 위성
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지구의 날씨를 미리 예측 농업에 활용 혹은 재난 방지 대형공사 최적시기, 기상이변 측정
우리나라 : 동경 140도의 정지궤도 상공에 있는 일본 기상위성이 측정한 자 료를 통해서 날씨 예측
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항법 위성 -Global positioning system
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Satellite Broadcasting system
24 satellite + 6 spare sat.
At least 4 satellites needed for 3D calculation.
Car Navigation, Personal
Navigation, Avionics, Survey, etc…
Accuracy(L1, C/A code, CEP, 50% probable)
Standalone DGPS
Horizontal 10m 1mVertical 50m 5m
GPS Block III
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항법 위성 – Galileo system
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항법 위성 – Galileo system
European Global Navigation Satellite System
Highly accurate & guaranteed global positioning service under civilian control
Inter-operable with GPS and GLONASS
30 satellites (27 operational + 3 spares)
3 circular Medium Earth Orbit
Semi-major axis : 29601.3km
Inclination angle : 56 degree
Good coverage : ± 75 degree
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GNSS 활용
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통신 위성
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고정 위성 통신 시스템(정지위성)은 C밴드와 Ku 밴드를 이용하여 전화, 원 격 의료, 스포츠 중계 등에 사용
이동 위성 통신 시스템(저,중궤도 위성)은 낙도, 해상, 사막 등의 공백지역 을 극복하기 위한 위성으로 Global Mobile Personal Communications by Satellite (GMPCS) 시스템으로 개발됨 – Iridium, Globalstar, ICO ( 상업성 문제로 활성화 되지 못함)
초고속 광대역 통신 서비스 – Teledesic( Microsoft ), Spaceway( Hughes) , Celestri( Motorora )
Seoul National University GNSS Lab.
