본 논문에서는 SPIRONE 큐브위성의 자세결정 및 제어시스템 설계를 위한 연구내용을 기술한다. SPIRONE 큐브위성은 2U 규격의 큐브위성으로, 임무수행을 위해 관측용 탑재체와 S- band 안테나가 지구 중심을 지속적으로 지향할 수 있어야 한다. 자세결정 및 제어시스템의 시스템 요구사항으로는 위성이 발사관으로부터 사출될 때의 초기 각속도에서부터 2일 이 내에 궤도평균 각속도로 안정화될 수 있어야 하며, 1.5 deg 이내의 3축 자세결정성능과, 5 deg 이내의 위성의 지향성능을 지녀야 한다. 자세결정 알고리즘으로는 Extended Kalman Filter를 사용하고, 센서로는 fine sun sensor, 3축 자이로스코프와 3축 자기장 센서를 사용한다. 태양이 보이지 않을 때는 sun sensor를 사용할 수 없으므로 자이로스코프 센서와 자기 장 센서만을 활용하여 자세결정을 수행한다. 자세제어는 구동방식이 간단하여 고장위험이 적고 전력소비량이 낮은 3축 자기장토커만을 사용하며 LQR제어를 이용하여 수행할 수 있 도록 설계하였다. 본 논문에서는 자세결정과 자세제어 알고리즘을 설명하고 MATLAB 기반 시뮬레이션을 수행하여 요구조건의 타당성에 대해 분석하였다.

Design of Attitude Determination and Control System for SPIRONE Cube-Satellite

Ah-Yeon Park, Sunhwan Gwon, Kihyun Kim, Minji Kim, Hyewon Park, Geunyoung Lim, O-Jong Kim*

This paper describes the attitude determination and control subsystem of SPIRONE cube-satellites. The cubesat has a 2U-standard size, and the target of the attitude system during the mission is to maintain the nadir-pointing of broadcasting antenna and observation sensors. Requirements for the attitude subsystem include the stabilization of the angular rate of the satellite to an orbital mean angular velocity right after the ejection from the POD within two days. Performance requirements of the attitude during the mission are 1.5 deg of three-axis error for attitude determination and 5 deg of pointing control error. An extended Kalman filter is used as the attitude determination algorithm using fine sun sensors, three-axis gyroscope, and three-axis magnetometers. Since the sun sensors cannot be used when the satellite is in the eclipse of the Earth, attitude determination is performed using only gyroscopes and magnetometers. Linear quadratic regulator is used for the attitude control utilizing only three-axis magnetorquers considering the simplicity, low failure risk, and low power consumption. In this paper, the algorithms for attitude determination and control are explained, and MATLAB-based simulations are performed to analyze the performance of the system to investigate the feasibility of the requirements.

Keywords: CubeSat, attitude determination, attitude control

Speaker 박아연 세종대학교