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표제지

최종보고서

제출문

목차

요약문 14

제1장 과업의 개요 15

제2장 '18년 선행연구 개요 20

제1절 국외 기술 현황 21

1. 미국 21

2. 유럽 22

제2절 국내 기술개발 현황 22

1. 과학기술위성 2호 탑재체 22

2. 183GHz 마이크로파 탐측기 지상모델 제작 22

3. 장기체공무인기 기상탑재체 23

제3절 현 기술 상태 및 전망 24

1. 현 기술 상태 24

2. 기술의 전망 25

제4절 위성 시스템 및 마이크로파 탐측기 기본설계 25

1. 저궤도기상위성 시스템 개념 25

2. 마이크로파 탐측기 기본설계 28

3. 기상탑재체 위성 장착성 분석 39

4. 위성 및 지상국 접속 주요 개념(안) 40

제5절 상위레벨 탑재체 사용자 요구사항 관리 41

제6절 마이크로파 기상탑재체 개발 방안 41

제7절 마이크로파 기상탑재체 국산화 개발 방안 43

1. 탑재체 국산화 개발 방안 43

2. 위험관리 계획 44

3. 탑재체 개발 일정계획 45

제8절 GNSS RO 탑재체 요구 분석 46

제3장 마이크로파 탐측기 심화연구 48

제1절 183GHz 마이크로파 탐측기 기본 설계 48

1. 탑재체 운용 개념 48

2. 탑재체 형상 및 구성 48

3. 탑재체 주요기능 50

제2절 탑재체 구성품 52

1. 안테나 52

2. 수신기 56

3. 전자부 57

제3절 탑재체 운용 모드 70

1. OFF 모드 70

2. Boot 모드 70

3. Deployment 모드 71

4. Pointing 모드 71

5. Operational 모드 71

6. Safe 모드 72

7. 발사 모드 72

8. 모드 다이아그램 73

제4절 탑재체 버짓 74

1. 무게 버짓 74

2. Power budget 75

3. Data Flow budget 76

제4장 RO 탑재체 기본설계 77

제1절 GNSS RO 탑재체 제작설계 77

1. 개요 77

2. 요구사항 분석 85

제2절 탑재체 기본 설계 114

1. 탑재체 운용 개념 114

제3절 탑재체 구성품 기본 설계 127

1. 안테나 설계 127

2. 수신기 설계 133

3. 신호처리모듈 설계 136

4. 전원 모듈 설계 154

5. USO 설계 156

제4절 모델별 검증 계획 157

1. 환경시험 157

2. 성능시험 158

3. 접속 및 기능시험 158

제5장 RO 탑재체 신호 성능 모사 설계 159

제1절 GNSS RO 신호 수신을 위한 안테나 기술 조사 159

1. 기존 GNSS RO 안테나 종류 및 성능 조사 159

2. 안테나 성능에 따른 GNSS RO 산출물 영향 파악 175

3. GNSS RO 데이터 산출을 위한 안테나 요구도 조사 178

제2절 수신기 성능과 핵심 기상요소 관측 성능의 상관관계 조사 189

1. 수신기 성능 및 핵심기상요소 파라미터 조사 189

2. 수신기 성능과 핵심기상요소 파라미터 간 관계 파악 191

3. 수신기 성능 영향분석을 위한 모의실험 기반 구축 197

4. 검토 216

제3절 GNSS RO 위성 탑재체 운영개념 조사 217

1. 기존 GNSS RO 위성 궤도 설계 및 운용 개념 조사 217

2. GNSS RO 데이터의 시공간적 분포 분석 방안 조사 224

3. GNSS RO 위성 운용방안(초안) 도출 247

제4절 성과 요약 및 후속 연구 방향 251

제6장 종합 254

제7장 참고문헌 258

부록 269

부록 1. GNSS RO 탑재체 사양서(초안) 270

부록 2. RO 산출물 사용자 설명서 EUMETSAT 사례(국문) 287

부록 3. 연구비 사용 실적 보고 339

부록 4. 사용자 요구서(URD)(안) 346

별첨[내용없음] 7

별첨 1. 선행 사업 수행 성과 분석[내용없음] 7

별첨 2. GNSS RO 탑재체 개발 전략(안)[내용없음] 7

별첨 3. 기상위성 지상 인프라 구축 전략(안)[내용없음] 7

표목차

〈표 1.1〉 우주개발진흥 3차 기본계획('18) 15

〈표 1.2〉 과업 진행 경과 18

〈표 1.3〉 과업 수행 결과 18

〈표 3.1.1〉 183GHz 마이크로파 탐측기 장착 장비 목록 50

〈표 3.1.2〉 183GHz 마이크로파 탐측기 구조물 소재 정보 50

〈표 3.2.1〉 파라볼라 반사판 형상 정보 54

〈표 3.2.2〉 183.3 GHz 혼의 형상 정보 55

〈표 3.2.3〉 모터구동 제어신호 58

〈표 3.2.4〉 신호 멀티플렉서의 채널 요구량 및 설계 채널수 62

〈표 3.4.1〉 183GHz 마이 크로파 탐측기 무게 버짓 74

〈표 3.4.2〉 183GHz 마이크로파 탐측기 소모전력 버짓 75

〈표 3.4.3〉 183GHz 탑재체 데이터 산출 속도 76

〈표 4.1.1〉 GNSS RO 임무 78

〈표 4.1.2〉 BlackJack 주요 특징 80

〈표 4.1.3〉 TriG 주요 버짓 81

〈표 4.1.4〉 GNSS RO 요구항목 및 규격(안) 85

〈표 4.1.5〉 GNSS RO 송신 신호 특성 86

〈표 4.1.6〉 GNSS RO 송신 신호 특성 정리 86

〈표 4.1.7〉 DME 및 TACAN 장비의 송출 신호 정보 88

〈표 4.1.8〉 안테나 장착 각도에 따른 추적 가능 항법 신호 수 분석 결과 90

〈표 4.1.9〉 RO 안테나 비교 96

〈표 4.1.10〉 RO 관측을 위한 채널 98

〈표 4.1.11〉 IGS Products 108

〈표 4.1.12〉 중첩법을 이용한 POD 소프트웨어의 위치 정밀도 112

〈표 4.1.13〉 RO 탑재체의 24시간 데이터량 113

〈표 4.2.1〉 고정배열 사용 시 무게 버짓 123

〈표 4.2.2〉 위상배열 안테나 사용 시 무게 버짓 123

〈표 4.2.3〉 고정배열 안테나 사용 시 소모전력 버짓 124

〈표 4.2.4〉 위상배열 안테나 사용 시 소모전력 버짓 125

〈표 4.2.5〉 Data Flow Budget 126

〈표 4.3.1〉 단일안테나 규격 128

〈표 4.3.2〉 RO용 Array 안테나 규격 128

〈표 4.3.3〉 AGGA-4와 AGGA-2의 비교 137

〈표 4.3.4〉 RFE/DFE Interface 148

〈표 4.3.5〉 RO 임무 GNSS 항법 수신기 기능 151

〈표 4.3.6〉 전원모듈 규격 154

〈표 4.3.7〉 전원모듈 인터페이스 155

〈표 4.3.8〉 USO 인터페이스 156

〈표 4.4.1〉 환경시험의 사례 157

〈표 5.1.1〉 GNSS RO 수신기 및 안테나 선행개발 사례 163

〈표 5.1.2〉 RO 임무에서 사용된 안테나 스펙 163

〈표 5.1.3〉 GPSIII 신호별 최소 수신 전력(dBW) 180

〈표 5.2.1〉 GNSS RO level2에 포함된 데이터 프로파일 및 정보 190

〈표 5.2.2〉 각 모듈(Module)의 역할 203

〈표 5.2.3〉 굴절각 산출 기법 및 특징 208

〈표 5.3.1〉 Performance Summary and comparison with GRAS 219

〈표 5.3.2〉 Current RO data Counts(2019.11.16. 기준)[UCAR] 221

〈표 5.3.3〉 GNSS RO 임무 별 성능 및 주요 파라미터 222

〈표 5.3.4〉 GNSS RO 탑재체의 주요 요구사항 223

〈표 5.3.5〉 RO receiver antenna parameters settings 227

〈표 5.3.6〉 GNSS RO satellite orbit parameters settings 228

〈표 5.3.7〉 The variation range of the parameters defining 2-D LFC 237

〈표 5.3.8〉 The variation range of the parameters defining 3-D LFC 238

〈표 5.3.9〉 The parameters of the optimal 2D-LFC configurations 244

〈표 5.3.10〉 The parameters of the optimal 3D-LFC configurations 244

〈표 5.3.11〉 The mean and the standard deviations of the COV... 246

〈표 5.3.12〉 The comparison of the performances of the optimized... 247

〈표 5.3.13〉 GNSS RO 탑재체의 주요 요구사항 248

〈표 6.1〉 선행 사업 시행착오, 경험 등 조사 항목 257

그림목차

〈그림 1.1〉 183GHz 마이크로파 탐측기 16

〈그림 1.2〉 본 심화연구 수행 체계 17

〈그림 3.1.1〉 183GHz 마이크로파 탐측기 외형(660mm(l) x 250mm(w) x 300mm(h)) 49

〈그림 3.1.2〉 183 GHz 탐측기 블록다이아그램 51

〈그림 3.1.3〉 마이크로파 탐측기 PBS 51

〈그림 3.2.1〉 오프셋 파라볼라 반사판 곡면 52

〈그림 3.2.2〉 파라볼라 반사판 형상 53

〈그림 3.2.3〉 피드혼의 내부 구조 54

〈그림 3.2.4〉 보정 타겟 형상 56

〈그림 3.2.5〉 183 GHz 수신기 구조 56

〈그림 3.2.6〉 모터 구동신호 타이밍 58

〈그림 3.2.7〉 신호처리모듈의 구조 59

〈그림 3.2.8〉 switched capacitor 적분회로 60

〈그림 3.2.9〉 적분회로의 동작 타이밍 60

〈그림 3.2.10〉 2-wire 온도 센싱 회로 61

〈그림 3.2.11〉 4-wire 온도 센싱 회로의 예 62

〈그림 3.2.12〉 멀티플렉서 회로 63

〈그림 3.2.13〉 필요 ADC 비트수 분석 64

〈그림 3.2.14〉 1553B 인터페이스 회로 65

〈그림 3.2.15〉 DC/DC 변환기 및 보호회로 66

〈그림 3.2.16〉 DC/DC 변환기 EMI 필터 회로 66

〈그림 3.2.17〉 저전압 보호회로 67

〈그림 3.2.18〉 저전압 보호회로 동작 67

〈그림 3.2.19〉 전원 스위치 회로 68

〈그림 3.2.20〉 스캔 프로파일 69

〈그림 3.2.21〉 스캔 메커니즘 형상 69

〈그림 3.3.1〉 운영 모드 다이아그램 73

〈그림 4.1.1〉 GNSS 원격탐사 임무 개념 77

〈그림 4.1.2〉 BlackJack 수신기 블록다이어그램 79

〈그림 4.1.3〉 C/NOFS 임무에 사용된 RO 안테나 82

〈그림 4.1.4〉 주요 RO 탑재체의 일일당 RO 관측 횟수 84

〈그림 4.1.5〉 GNSS 위성에서 송출되는 항법신호 87

〈그림 4.1.6〉 DME 및 TACAN 설치 위치 88

〈그림 4.1.7〉 GPS Antenna 설치 방안 89

〈그림 4.1.8〉 안테나 장착 각도에 따른 평균 추적 가능 항법 신호 수 90

〈그림 4.1.9〉 CHAMP 임무에 사용된 RO 안테나 91

〈그림 4.1.10〉 GRACE 임무에 사용된 RO 안테나 91

〈그림 4.1.11〉 SAC-C 임무에 사용된 RO 안테나 91

〈그림 4.1.12〉 TriG 수신기에 사용된 RO 안테나 92

〈그림 4.1.13〉 COSMIC-2에 사용된 RO 안테나 92

〈그림 4.1.14〉 CICERO 임무에 사용된 RO 안테나 93

〈그림 4.1.15〉 MetOp 임무에 사용된 RO 안테나 93

〈그림 4.1.16〉 MetOp-SG 임무에 사용된 수신기와 RO 안테나 94

〈그림 4.1.17〉 KOMPSAT-5에 사용된 RO 안테나 94

〈그림 4.1.18〉 ROSA 수신기에 사용된 RO 안테나 95

〈그림 4.1.19〉 FengYun series에 사용된 RO 안테나 95

〈그림 4.1.20〉 GRAS2 탑재체 RO 안테나의 방사패턴 97

〈그림 4.1.21〉 MET위성과 GPS 위성을 연결한 직선의 최소 고도의 변화 분석 99

〈그림 4.1.22〉 Concept Diagram for Doppler Model - SAC-C 임무 103

〈그림 4.1.23〉 Concept Diagram for Doppler Model - MetOp 임무 105

〈그림 4.1.24〉 SLTA 에 따른 NRIPA 모델 결과 105

〈그림 4.1.25〉 GPS PRN 코드 별 C/No과 거리오차의 관계 106

〈그림 4.1.26〉 IGS Network 108

〈그림 4.1.27〉 IGS 보정 정보를 활용한 POD 절차 111

〈그림 4.1.28〉 중첩법을 이용한 궤도결정 정밀도 112

〈그림 4.2.1〉 RO 탑재체 형상 118

〈그림 4.2.2〉 탑재체 PBS 121

〈그림 4.2.3〉 고정 배열 RO 안테나로 구성한 GNSS RO 탑재체 121

〈그림 4.2.4〉 위상 배열 RO 안테나로 구성한 GNSS RO 탑재체 122

〈그림 4.3.1〉 단일 안테나 형상 129

〈그림 4.3.2〉 RO용 Array 안테나 형상 130

〈그림 4.3.3〉 RO용 Array 안테나 단면 130

〈그림 4.3.4〉 4x1 Array 안테나 빔패턴 131

〈그림 4.3.5〉 6x1 Array 안테나 빔패턴 131

〈그림 4.3.6〉 탑재체 안테나 블록도 132

〈그림 4.3.7〉 듀플렉서 형상 134

〈그림 4.3.8〉 LNA 모듈 형상 134

〈그림 4.3.9〉 하향변환기와 ADC 형상 135

〈그림 4.3.10〉 수신모듈의 블록도 135

〈그림 4.3.11〉 AGGA-4 주요 기능 블록 138

〈그림 4.3.12〉 AGGA-4의 GNSS core 138

〈그림 4.3.13〉 AGGA-4 DBF 구조 140

〈그림 4.3.14〉 AGGA-4의 내부 기능 블럭도 141

〈그림 4.3.15〉 프로세서 모듈 구조 142

〈그림 4.3.16〉 프로세서 모듈 구조 145

〈그림 4.3.18〉 PCB Assembly Drawing TOP View 149

〈그림 4.3.19〉 PCB Assembly Drawing Bottom View 150

〈그림 4.3.20〉 GNSS 수신기의 기능 블록 152

〈그림 4.3.21〉 RO 임무 GNSS 항법 수신기 타임라인 설계 153

〈그림 4.3.22〉 전원모듈형상 154

〈그림 4.3.23〉 전원모듈 블록도 155

〈그림 4.3.24〉 USO 형상 156

〈그림 5.1.1〉 CHAMP 위성 모형도와 RO 안테나 159

〈그림 5.1.2〉 COSMIC 위성 내부 설계와 RO 안테나(OCC-X) 160

〈그림 5.1.3〉 GRAS 수신기 및 RO 안테나(GVA, GAVA) 161

〈그림 5.1.4〉 GRAS RO 안테나 161

〈그림 5.1.5〉 GRAS-2 모형도 161

〈그림 5.1.6〉 TriG 수신기 모형도 162

〈그림 5.1.7〉 안테나 배열과 좌표계 166

〈그림 5.1.8〉 배열 제어 양상 분류 167

〈그림 5.1.9〉 디지털 빔포머(Digital Bgamformer)의 기본구조 171

〈그림 5.1.10〉 MVDR 빔포밍 알고리즘을 사용하는 배열 안테나 172

〈그림 5.1.11〉 안테나의 지오메트리 및 위성의 방향 174

〈그림 5.1.12〉 열대지역(실선)과 중위도/고위도 지역(점선)의 2004년... 179

〈그림 5.1.13〉 유효온도 계산을 위한 GNSS 수신기 프론트엔드 모델 181

〈그림 5.1.14〉 GRAS 수신기의 기상정보 데이터 품질 183

〈그림 5.1.15〉 TriG 수신기의 기상정보 데이터 품질 184

〈그림 5.1.16〉 CHAMP RO 데이터... 185

〈그림 5.1.17〉 COSMIC-2에서 얻은 RO 데이터의 L1 신호(좌)와 L2 신호(우)에 대한 SNR 분포 186

〈그림 5.1.18〉 COSMIC-2(상)와 다른 RO 임... 187

〈그림 5.1.19〉 COSMIC-2(상)와 다른 임무들(하)에서의... 187

〈그림 5.2.1〉 가용 신호에 대한 고도에 따른 평균 C/N₀ 값... 189

〈그림 5.2.2〉 Generic GPS receiver carrier tracking loop block diagram 192

〈그림 5.2.3〉 C/N₀에 따른 σthermalnoise[이미지참조] 195

〈그림 5.2.4〉 C/N₀에 따른 refractivity 오차(△N/N) 196

〈그림 5.2.5〉 End to End Simulation사례 197

〈그림 5.2.6〉 Schematic overview of the end-to-end simulation... 199

〈그림 5.2.7〉 High level block diagram for atmospheric simulator, showing the... 200

〈그림 5.2.8〉 본 연구의 모의 실험 체계 202

〈그림 5.2.9〉 기상 프로과일을 이용한 refractivity 산출 203

〈그림 5.2.10〉 굴절각 산출 Geometry 205

〈그림 5.2.11〉 multiple phase screens geometry 207

〈그림 5.2.12〉 Closed-loop tracking 209

〈그림 5.2.13〉 Open-loop tracking 210

〈그림 5.2.14〉 GNSS RO 단일 광선(single ray) 구조 211

〈그림 5.2.15〉 Multipath가 발생하지 않은 지역에서의 신호 구조 및 특징 213

〈그림 5.2.16〉 Multipath 발생 지역에서의 신호 구조 및 특징 214

〈그림 5.3.1〉 CHAMP satellite configuration 217

〈그림 5.3.2〉 Ground track of CHAMP and locations(black)... 218

〈그림 5.3.3〉 Radio occultation geometry including SLTA 220

〈그림 5.3.4〉 Comparison between COSMIC 1 and COSMIC 2 in (left)... 221

〈그림 5.3.5〉 Satellite orbital Keplerian parameters 226

〈그림 5.3.6〉 Schematic diagram of EQUARS showing the... 227

〈그림 5.3.7〉 궤도 기울기, 고도에 따른 RO 데이터 수의 변화 228

〈그림 5.3.8〉 Impact of AOL on the distribution of occultation events 229

〈그림 5.3.9〉 Impact of orbit inclination on the distribution of occultation events 229

〈그림 5.3.10〉 기울기와 고도에 따른 RO 데이터 수 230

〈그림 5.3.11〉 기울기와 고도에 따른 RO 데이터 수 - 2 230

〈그림 5.3.12〉 안테나 FOV 값에 따른 안테나 이득의 상대 값 231

〈그림 5.3.13〉 안테나 FOV 각도 변화에 따른 RO 데이터의 분포 변화 232

〈그림 5.3.14〉 안테나 FOV 각도 변화에 따른 총 RO 데이터 수의 변화 232

〈그림 5.3.15〉 Example of 2-D LFC(Lattice Flower Constelltaions) 235

〈그림 5.3.16〉 Concept of 3-D LFC(Lattice Flower Constellations) 236

〈그림 5.3.17〉 The optimization algorithm flowchart of the LEO... 240

〈그림 5.3.18〉 Radio OccultationTechnique and... 243

〈그림 5.3.19〉 Fitness valuesof the optimal configurations for 2D-LFC and... 245

〈그림 5.3.20〉 The numbers of RO data observed in one day by the final... 246

〈그림 5.4.1〉 GNSS RO 신호 성능 모사체계 관련 분석 내용 251

〈그림 5.4.2〉 GNSS RO 신호 성능 모사체계 구축 방향 252

〈그림 6.1〉 마이크로파 탐측기 기술 개발 로드맵(제안) 254

〈그림 6.2〉 RO 탑재체 기술 개발 로드맵(예) 255

〈그림 6.3〉 국가위성 통합운영시스템 구성(안) 256

vol.2

표제지

목차

최종보고서(요약본) 364

제출문 366

제1장 과업의 개요 367

연구 목적 367

연구 배경 및 기술 전략 367

연구 내용 367

추진 체계 368

추진 경과 368

주요 결과 369

제2장 마이크로파 탐측기 심화연구 370

연구 방향 370

183GHz 마이크로파 탐측기 주요 사양 370

PBS, Product Breakdown Structure 370

기능도 371

주요 구성품 371

수신기 371

제3장 RO 탑재체 기본설계 372

주요 사양(안) 372

RO 자료 산출량 분석 372

PBS, Product Break Down Structure 373

기능 정의 및 모듈 설계 373

고정배열 안테나 적용 시 기능도 373

위상배열 안테나 적용 시 기능도 374

모듈 설계(수신 모듈 블록도 예시) 374

제4장 RO 탑재체 신호 성능 모사 설계 375

연구 방향 375

모사실험 체계(안) 도출 375

기타, RO 자료처리 체계(사례 조사) 376

GNSS RO 자료 수준 정의 376

GNSS RO 산출물 정의 376

제5장 마이크로파 탑재체 개발 로드맵(안) 377

(1안) 정부 위성 사업(예, 차세대중형위성 4호)에서 개발 377

(2안) 선행사업으로 탐색개발 및 체계사업 적용 377

(참고) 마이크로파 탐측기 기술개발 로드맵(안) 378

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