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표제지 2

요약 5

목차 6

기호목록 12

제1장 서론 13

1.1. 연구 배경 13

1.2. 연구목적 15

1.3. 연구개요 16

제2장 좌표계 18

2.1. 지구 중심 관성 좌표계 (ECI, Earth-Centered Inertial Coordinate System) 18

2.2. 지구 중심 고정 좌표계 (ECEF, Earth-Centered Earth Fixed Coordinate System) 21

2.3. 측지 좌표계 (Geodetic Coordinate System) 23

2.4. 동체 고정 좌표계 (Body Fixed Coordinate System) 24

제3장 지구자기장 25

3.1. IGRF 모델 25

3.2. 동체 고정 자기장 (Body Fixed Magnetic Field) 25

제4장 인공위성의 수학적 모델 28

4.1. 오일러 각과 쿼터니언 28

4.2. 인공위성 운동 방정식 31

제5장 자기토커 (MTQ: Magnetic Torquer) 33

5.1. 자기토커 출력 34

5.2. B-dot 제어기 34

제6장 최적화 모델 37

6.1. 부피에 대한 수학적 모델 37

6.2. 전력 소모에 대한 수학적 모델 39

6.3. 설계 최적화 41

제7장 시뮬레이션 결과 43

7.1. 시뮬레이션 개요 43

7.2. 자세 제어 시뮬레이션 44

7.3. 설계 최적화 시뮬레이션 결과 53

제8장 결론 62

참고문헌 63

ABSTRACT 67

표목차 11

표 1. WGS-84 Parameter 23

표 2. 자세 안정화 요구조건 44

표 3. 시뮬레이션 인공위성 파라미터 44

표 4. 자세 제어 시뮬레이션 파라미터 - 10A㎡ 47

표 5. 자세 제어 시뮬레이션 파라미터 - 1A㎡ 49

표 6. 자세 제어 시뮬레이션 파라미터 - 5A㎡ 50

표 7. 자세 제어 시뮬레이션 파라미터 - 3A㎡ 52

표 8. 입력 변수 제한 조건 53

표 9. 최적화 결과 데이터 55

그림목차 8

그림 1. GT-1 - SSDL Georgia Institute of Technology 14

그림 2. 위성 동작 모드 개념도 15

그림 3. 지심 적도 좌표계와 궤도요소 19

그림 4. ECI 및 ECEF 좌표계 22

그림 5. 지구자기장 좌표 변환 과정 26

그림 6. 오일러 각 3-2-1 29

그림 7. 쿼터니언 (Quaternion) 30

그림 8. 자기토커 쌍극자 모멘트 및 토크 생성 방향 33

그림 9. 사각 자기토커 형상 37

그림 10. EMTB 형상 37

그림 11. MTQ 도면 형상 및 설계 변수 38

그림 12. 전선의 두께 및 길이에 따른 전기저항 40

그림 13. 시뮬레이션 전체 흐름도 43

그림 14. Magnetic Field 45

그림 15. Body Fixed Magnetic Field 46

그림 16. 자세 제어 시뮬레이션 과정 46

그림 17. Satellite Angular Velocity - 10A㎡ 48

그림 18. Body Fixed Magnetic Field - 10A㎡ 48

그림 19. Satellite Angular Velocity - 1A㎡ 49

그림 20. Body Fixed Magnetic Field - 1A㎡ 50

그림 21. Satellite Angular Velocity - 5A㎡ 51

그림 22. Body Fixed Magnetic Field - 5A㎡ 51

그림 23. Satellite Angular Velocity - 3A㎡ 52

그림 24. Body Fixed Magnetic Field - 3A㎡ 53

그림 25. 가중치에 따른 부피와 전력의 정규화 결과값 54

그림 26. 최적화 그래프 전선의 지름과 전류, 부피 - 산포도 56

그림 27. 최적화 그래프 전선의 지름과 전류, 전력 - 산포도 56

그림 28. 최적화 그래프 전선의 지름과 전류, 목적 함수 - 산포도 57

그림 29. 최적화 그래프 전선의 전력과 부피, 목적 함수 - 산포도 57

그림 30. 최적화 그래프 전선의 지름과 전류, 부피 - 면적, 두께 고정 58

그림 31. 최적화 그래프 전선의 지름과 전류, 전력 - 면적, 두께 고정 58

그림 32. 최적화 그래프 전선의 지름과 전류, 목적 함수 - 면적, 두께 고정 59

그림 33. 최적화 그래프 전선의 전력과 부피, 목적 함수 - 면적, 두께 고정 60

그림 34. 최적화 그래프 부피, 목적 함수 - YZ평면 60

그림 35. 최적화 그래프 전력, 목적 함수 - XZ평면 61

초록보기

 본 논문에서는 저궤도 소형위성의 De-tumbling 제어를 위해 위성의 궤도를 묘사하고 IGRF 모델을 이용하여 궤도 위에서의 자기장을 구현하였다. 이를 이용하여 목표 안정화 조건을 중족하는 자기토커의 쌍극자 모멘트를 산출하였으며, 산출된 쌍극자 모멘트 조건을 갖는 자기토커의 설계를 최적화하였다. 최적화 방법으로 부피와 전력 소모의 정규화된 값의 합을 최소화하는 방법을 사용하였으며, 입력 변수로 전선의 지름, 입력 전류, 자기토커의 단면적 및 두께를 선정하였다. 목표 안정화 조건 4~6시간 이내에 인공위성의 각속도 0.5deg/s 이하로 가정하였을 때 쌍극자 모멘트 3A㎡일 때 시뮬레이션에 사용된 인공위성의 자세가 안정화됨을 확인하였다. 이때의 설계 최적값으로 전선의 지름 150㎛, 입력 전류 67.2㎃, 자기토커의 단 면적 900㎠, 두께 1.001㎝를 얻을 수 있었으며, 감은 수 496회, 부피 13.26㎤, 전력 2.56W의 값을 얻었다. 이는 최대 부피 대비 90%, 최대 전력 대비 88.64% 적은 값으로 인공위성의 설계 시 내부 공간과 전력에 대한 마진을 증가시킬 수 있음을 확인하였다. 해당 값에 대한 검증으로 모든 입력변수의 제한 조건 내의 모든 결과값에 대해서 그래프로 나타냈으며, 그 결과 시뮬레이션을 통해 얻은 결과값이 설계 최적값임을 확인하였다.

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