링크 분석을 통한 발사체 텔레메트리 시스템 개선 기법 연구

Abstract

The telemetry system for the launch operation is one of wireless communication system which acquires the data about the operational status and flight information of launch vehicle, and receives, processes, and distributes telemetry data in real time to determine the progress of launch mission and confirm the satellite separation. In NARO Space Center, four telemetry ground stations including two stations with large 11 m parabola antenna are in operation in order to ensure stable reception and acquisition of telemetry signal, and total five ground stations including additional ground station with 7 m antenna in south pacific, PALAU, will be operated to launch the NURI(KSLV-II) which scheduled to launch 2021. When designing a launch telemetry system, the antenna with large reflector over 7 m in a ground station is usually considered in order to ensure sufficient link margin. However, it should be required such supporting equipment, site for installation, and operating personnel because of that. If the size of antenna can be reduced significantly, the ground station can be operated in the form of VAN vehicle with small mobile antenna without the site and building for a large antenna, power generator and auxiliary facilities. This will makes it very easy to deploy ground station for various launch mission, and can help to reduce the cost of maintaining large ground stations especially in case of not frequent launch. The most widely used modulation method in aerospace telemetry since the 1970s is pulse code modulation/frequency modulation(PCM/ FM), which is still widely used in spite of the disadvantage of low spectrum efficiency. Forward error correction codes are also used in limited, even though they are now standard in most communications applications. These are the same for all the launch vehicles launched from the Naro Space Center so far, including NARO and NURI. Also, in case of on-board Tx. antenna, two antennas are mounted symmetrically on the surface of launch vehicle fuselage to have a omni directional pattern, and this causes large nulls at the overlapping section in the antenna pattern, especially in the forward and backward axes, and lots of loss in link budget.

In this dissertation, it is analyzed that the margin required to perform the launch mission through link analysis based on the telemetry data which was acquired during the launch mission of the NURI Test Launch Vehicle, and verified the margin that can be acquired when designing a communication link using digital communication method and forward error correction code recommended by IRIG-106 which is the aerospace telemetry standard. On the basis of this, I propose a method to improve the on-board Tx. antenna to secure additional margin, and to make the size of antenna of the ground station as small as possible. In order to verify the validity of the proposed method, the actual received signal during the launch mission of NURI Test Launch Vehicle was used for analysis, and verification was performed through simulation.|발사체 텔레메트리 시스템은 발사체에 대한 각종 동작상태 및 비행정보 등에 관한 제반 자료를 획득하는 무선통신 시스템으로 발사임무진행의 판단 및 위성궤도 진입 상태를 파악하기 위해 실시간으로 자료를 수신, 처리하고 분배한다. 나로우주센터에는 발사체 발사로부터 위성분리 시점까지 텔레메트리 신호의 안정적인 수신 및 획득을 위해 11 m 급 대형 안테나를 가진 지상국 2기를 포함하여 4기의 텔레메트리 지상국을 운영 중이며, 2021년 발사 예정인 누리호(KSLV-II) 발사를 위해 남태평양 팔라우에 7 m 급 안테나를 가진 지상국 1기를 추가하여 총 5기의 지상국을 운영 예정이다. 일반적으로 발사체 텔레메트리 시스템 설계시 충분한 링크 마진 확보를 위해 7 m 급 이상의 대형 반사판을 가진 안테나를 고려하고 지상국에 설치하여 운용하게 되는데, 이를 위해 여러 지원 장비와 설치 부지 및 운용 인력이 필수적이다. 만약 지상국 안테나를 비약적으로 소형화 시킬 수 있다면 대형 안테나 설치를 위한 부지와 건물, 대형 발전기 및 부대시설 없이 차량 견인이 가능한 형태로 지상국을 운영할 수 있어 다양한 발사 임무에 따른 지상국 배치가 매우 용이해 지고, 발사가 빈번하지 않은 경우 대형 지상국 유지에 따른 비용 감소에도 크게 도움이 될 수 있다. 1970년대 이후로 우주항공 텔레메트리 분야에서 가장 폭 넓게 사용된 변조 방식은 펄스 부호 변조/주파수 변조(PCM/FM) 방식으로 대역폭 효율이 좋지 않은 단점에도 불구하고 오늘날에도 많이 사용되고 있다. 순방향 오류정정 부호의 경우도 현재 대부분의 통신 분야에서 표준이 된 기술임에도 제한적으로 사용되고 있으며, 이는 나로호와 누리호를 포함하여 나로우주센터에서 지금까지 발사한 모든 발사체가 동일하다. 발사체 탑재 송신 안테나의 경우 발사체 동체 표면에 두 개의 안테나를 대칭으로 배치하여 전방향성 패턴을 가지도록 하였는데, 이로 인해 패턴 중첩구간, 특히 전방과 후방 진행 축에서 큰 널이 발생하여 링크버짓상 많은 손실을 가지게 한다. 본 연구에서는 누리호 시험발사체 발사시 획득한 데이터를 바탕으로 링크 분석을 통해 발사임무 수행에 필요한 마진을 분석하고, 항공우주분야 텔레메트리 표준인 IRIG-106에서 권고하는 디지털 통신 방식과 순방향 오류정정 부호를 적용해 통신링크를 설계할 경우 확보가능한 마진을 계산한다. 이를 바탕으로 탑재 송신 안테나를 개선해 추가 마진을 확보하여 지상국의 안테나를 최대한 소형화 시킬 수 있는 방안을 제안한다. 제안된 방법의 타당성 입증을 위해 누리호 시험발사체 발사임무에서 실 수신된 신호를 분석에 사용하였으며 시뮬레이션을 통해 검증을 수행하였다.