FPGA를 이용한 CINEMA의 주컴퓨터와 주변기기간의 인터페이스 설계

서용명,선종호,진호,채규성,이동훈,Robert P.LIN,Dorothy Gordon,David Clarino 한국항공우주학회 2010 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2010 No.11

초소형 위성의 총 이온화 선량 계산

서용명,김용호,박성하,채규성,진호,이동훈,선종호 한국항공우주학회 2012 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2012 No.4

태양-지구간 대전 입자들이 위성 내부에 누적되어 발생하는 총 이온화 선량 계산을 초소형 위성 큐브셋(CubeSat)을 대상으로 수행하였다. 본 연구에서는 표준화된 규격에 의해 유사한 차폐두께 및 분포를 갖는 큐브셋의 특징을 주목하여, 위성의 운용이 유력한 지구 저궤도, 정지궤도 천이궤도, 지구 정지궤도, 달 천이궤도의 대전 입자 환경을 고려하여 계산을 수행하였다. 계산을 위해 표준 규격을 따르는 간소화된 구조체를 설계하여 해석에 사용하였으며, 위성 내 전자부품의 배치가 유력한 위치들을 선정하여 특정 위치에 누적되는 방사선량을 도출하였다. 계산결과로서 지구 저궤도는 총 이온화 선량의 영향에 대해 안전한 임무궤도임을 알 수 있었으며, 정지궤도와 정지궤도 천이궤도는 큐브셋의 운용이 열악한 선량 값이 도출되었다. Computational results for the cumulative effect of ionizing radiation is presented for CubeSats taking into account the presence of the charged particles in the vicinity of the Earth. Detailed modeling of CubeSat is performed based on currently available standard platforms. The geometrical modeling is then used for estimation of the ionizing doses for various locations within the spacecraft operating at low altitudes. The calculation is reiterated and extended for more exotic orbits such as geostationary Earth orbits and lunar orbits for potential application of CubeSats in challenging space missions.

초소형위성 CINEMA의 우주 방사선 차폐 해석

서용명,선종호,진호,채규성,이용석,김용호,박성하,이동훈,Robert P.LIN 한국항공우주학회 2011 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2011 No.4

경희대학교에서 제작중인 초소형 위성 CINEMA (Cubesat for Ion, Neutral, Electron and MAgnetic field)가 받게 될 우주 방사선 차폐효과에 대한 연구를 대전입자환경의 수치화, 차폐구조물의 수치화, 방사선 차폐효과 계산, 방사선 효과계산의 절차를 거쳐 수행하였다. 대전입자환경의 수치화와 방사선 차폐효과 계산은 각각 SPENVIS와 SSAT를 사용하여 계산하였고, FASTRAD를 통해 CINEMA위성의 구조모델을 수치화 하였다. 최종 결과로서 목표하는 위치의 전장부품이 받게 될 방사선 효과를 계산하였다. 본 연구에서는 SPENVIS와 SSAT등의 범용 tool을 사용하여, 복잡한 구조체에 대한 다양한 해석이 가능한 개발환경을 구축하였다. Space radiation shielding analysis of CINEMA is conducted. The analysis is performed in the order of numerical modeling of space environment, numerical modeling of shielding distribution, transportation of charged particle across the shielding and, finally, calculation of Total Ionizing Dose (TID). Space Environment Information System (SPENVIS) and Sector Shielding Analysis Tool (SSAT) are used for numerical modeling of space environment and calculation of shielding, respectively. Combination of those tools allows convenient calculation of TID at various locations within the spacecraft based on mechanical design of CINEMA.

전자선원을 이용한 CINEMA위성의 플라즈마 입자 검출기의 기능 검증

서용명,전종호,박성하,김용호,전제헌,이정규,J.G. Sample,T. Immel,R.P. Lin,진호,이동훈,선종호 한국항공우주학회 2013 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2013 No.4

경희대학교가 제작한 초소형 위성 TRiplet Ionospheric Observatory-Cubesat for Ion, Neutral, Electron and MAgnetic field (TRIO-CINEMA)는 지구 자기권에 존재하는 플라즈마 입자와 자기장의 계측을 주요 목적으로 하는 과학 임무 위성이다. 위성의 주 탑재체인 SupraThemal Electron, Ion and Neutral (STEIN)은 solid state 실리콘 반도체를 사용하여 전자, 중성자 및 양성자를 동시에 검출 할 수 있는 플라즈마 입자 검출기 이다. STEIN은 4~200 keV의 에너지 대역과 1 keV FWHM의 분해능을 갖으며, 정전기 편향판을 사용하여 중성자와 대전입자를 분류하여 검출한다. 본 연구에서는 전자 선원을 사용하여 CINEMA 위성의 주 탑재체인 STEIN의 입자 검출, 대전 입자의 휨, 에너지 값 보정, 기하계수 등을 검증하기 위한 시험을 수행 하였다. TRIO-CINEMA is a space science mission consisting of three identical 3U CubeSats to provide stereo Energetic Neutral Atom (ENA) imaging of the ring current, multi-point in-situ measurement of supra thermal electrons and ions, and measurement of magnetic fields in Low Earth Orbit (LEO). The primary payload STEIN measures the particles in the range of ~4-200 keV with 1 keV FWHM energy resolution and is able to distinguish electrons, ions, and neutrals by applying electric field in the entrance aperture. In this research, we performed a test to verify the functions such as particle detection, deflection by electrostatic field, energy scale, geometric factor of STEIN instrument by applying electron beam source.

FPGA를 이용한 CINEMA 위성의 On-Board-Computer와 탑재체간의 인터페이스 개발

서용명,채규성,윤세영,B. Mochizuki,D. Clarino,N. Yeung,J.G. Sample,T. Immel,R.P. Lin,진호,이동훈,선종호 한국항공우주학회 2012 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2012 No.11

초소형 위성 큐브셋은 개발기간의 단축과 신뢰성 향상 위해 표준화된 플랫폼을 만족하는 상용부품을 사용하여 항공전자부를 구성하여 사용하는 반면, 위성의 임무를 수행하는 탑재체는 큐브셋의 표준화된 인터페이스와 달리 제작되는 경우가 있다. 본 연구에서는 FPGA를 이용하여 경희대학교에서 제작한 초소형 위성 CINEMA (Cubesat for Ion, Neutral, Electron and MAgnetic field)의 주 컴퓨터와 탑재체 간인터페이스를 구성하는 모듈을 제작하였다. 본 인터페이스 모듈의 FPGA는 위성의 주 컴퓨터와 탑재체간의 통신 인터페이스를 제공하고, 주 컴퓨터의 연산의 부하를 줄여주어 데이터 처리 효율을 높여준다. 또한 본 모듈은 탑재체가 요구하는 다양한 전원을 제공하며, 초소형 위성에 자주 사용되는 소형의 회로들을 내장하고 있다. The standard spacecraft, known as CubeSat, utilizes Commercial-Off-The Shelf (COTS) electronics to build the bus avionics, while payloads are usually built according to a particular method that does not conform to the standard. Particularly in the CubeSat for Ions, Neutrals, Electrons, and Magnetic fields (CINEMA) spacecraft, Instrument Interface module between the on-board-computer (OBC) and the mission payloads is developed to provide required communication and power interfaces. The module mainly consists of FPGA to provide communication interfaces and to support limited computing power of the OBC and peripheral sub-circuits that are frequently used in small spacecraft.

태양동기궤도 우주 방사선 환경 연구를 위한 20~400 keV 에너지 대역의 전자, 양성자 및 중성입자 검출기

서용명(Yongmyung Seo),윤세영(Seyoung Yoon),우주(Ju Woo),설우형(Woohyung Seol),이채안(Chaean Lee),선종호(Jongho Seon),손종대(Jongdae Sohn),민경욱(Kyoungwook Min),강경인(Kyungin Kang),신구환(Goohwan Shin),채장수(Jangsoo Chae) 한국항공우주학회 2016 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2016 No.11

지자기 폭풍 연구를 위한 20~400 keV 대역의 플라즈마 입자 검출기

서용명(Yongmyung Seo),윤세영(Seyoung Yoon),우주(Ju Woo),설우형(Woohyung Seol),이채안(Chaean Lee),이찬행(Chanhaeng Lee),선종호(Jongho Seon),손종대(Jongdae Sohn),민경욱(Kyoungwook Min),강경인(Kyungin Kang),신구환(Goohwan Shin),채장수(Jan 한국항공우주학회 2016 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2016 No.4

경희대학교가 제작한 중에너지 입자 검출기(Medium Energy Particle Detector, MEPD)는 우주폭풍 연구에 필요한 물리량 획득을 위한 과학 탑재체(Instrument for the Study of Space Strom, ISSS)중 20~400 keV 대역의 전자, 양성자 및 중성 입자를 6.25 keV 와 1 sec ~ 10 msec의 에너지 및 시간 분해능으로 검출한다. 본 검출기는 지자기 폭풍 발생 시 급격히 증가하는 대전 입자들을 정전 편향기(electrostatic deflector)와 감쇄기가 적용된 망원경 2대의 수직 배치를 통하여, 데이터 오염과 전장부 포화를 방지하고 예상되는pitch angle에 따라 입자의 종류 및 에너지를 구분 검출 하도록 제작 되었다. 해당 탑재체의 위성 본체는 한국과학기술원 인공위성연구센터가 개발 중인 차세대 소형위성 1호 (Next Generation Small Satellite-1, NEXTSat-1) 이며, 2017년 발사 예정이다. Measurement of energies and fluxes for the charged particles and neutral is required for research of space storms. The measurement requires a careful calibration of the instrument to detect significantly varying fluxes of those particles relative to the occurrence of geomagnetic storms without saturation or loss of information on the mission orbit. The Medium Energy Particle Detector (MEPD) will have an energy range from 20~400 keV and resolution 6.25 keV with orthogonal field-of-views of two telescopes for the detection of charged particles in terms of different pitch angles. The MEPD is one of a subset instrument within the Instrument for the Study of Space Strom (ISSS) which contains both space radiation detectors and space plasma instruments. The ISSS is developed to measure space storms in low altitude polar orbits and will be aboard the Next Generation Small Satellite-1 (NEXTSat-1) scheduled for launch in 2017.

Scientific Missions and Technologies of the ISSS on board the NEXTSat-1

최정림,손종대,서용명,강석빈,이준찬,민경욱,선종호,이유,함종욱,채장수,신구환 한국우주과학회 2014 Journal of Astronomy and Space Sciences Vol.31 No.1

A package of space science instruments, dubbed the Instruments for the Study of Space Storms (ISSS), is proposed for the NextGeneration Small Satellite-1 (NEXTSat-1), which is scheduled for launch in May 2016. This paper describes the instrumentdesigns and science missions of the ISSS. The ISSS configuration in NEXTSat-1 is as follows: the space radiation monitoringinstruments consist of medium energy particle detector (MEPD) and high energy particle detector (HEPD); the space plasmainstruments consist of a Langmuir probe (LP), a retarding potential analyzer (RPA), and an ion drift meter (IDM). The spaceradiation monitoring instruments (MEPD and HEPD) measure electrons and protons in parallel and perpendicular directionsto the geomagnetic field in the sub-auroral region, and they have a minimum time resolution of 50 msec for locating the regionof the particle interactions with whistler mode waves and electromagnetic ion cyclotron (EMIC) waves. The MEPD measureselectrons and protons with energies of tens of keV to ~400 keV, and the HEPD measures electrons with energies of ~100 keV to> ~1 MeV and protons with energies of ~10 MeV. The space plasma instruments (LP, RPA, and IDM) observe irregularities inthe low altitude ionosphere, and the results will be compared with the scintillations of the GPS signals. In particular, the LP isdesigned to have a sampling rate of 50 Hz in order to detect these small-scale irregularities.

고에너지 입자 검출기 STEIN의 아날로그회로 설계

김진규,남지선,서용명,전상민,Mcbride, Steve,Larson, Davin,진호,선종호,이동훈,Lin, Robert P.,Harvey, Peter 한국우주과학회 2010 한국우주과학회보 Vol.19 No.1

경희대학교 우주탐사학과에서는 우주공간 탐사를 위해 Trio(TRiplet Ionospheric Observatory)-CINEMA(Cubesat for Ions, Neutrals, Electrons and MAgnetic fields)로 명명된 초소형 위성을 개발하고 있다. 과학임무는 지구 저궤도에서 고에너지 입자를 관측하는 것이며, 이를 위해 고에너지 (2~300keV) 입자 검출기와 자기장 측정기가 탑재된다. 저에너지 입자 검출기 시스템인 STEIN(SupraThermal Electrons, Ions, Neutrals)은 1x4 Array의 개선된 실리콘 검출기와 이온, 전자, 중성입자를 분리 할 수 있는 정전장 편향기, 그리고 신호를 처리하는 전자회로로 구성되어있다. 설계된 전자회로는 매우 작은 검출기 기판, 아날로그 기판과 디지털 기판으로 이루어져 있고, 475mW 이하의 저 전력으로 동작한다. 또한 2~100keV의 에너지를 1keV이하의 해상도로 30,000event/sec/pixel 까지 관측 할 수 있도록 회로를 설계하였다. 센서로 들어온 입자로 인해 발생한 펄스의 신호는 4개의 아날로그 회로가 담당하게 되는데, Folded cascode amplifier 를 배치하여 증폭률을 높인 Charge sensitive amplifier를 통해 신호를 증폭하고, 2μs unipolar gaussian shaping amplifier를 통해 읽기 쉽게 처리된 신호를 상한파고선별기와 하한파고 선별기를 통해 유효 값 여부를 판단하고, 피크 검출기를 통해 피크의 타이밍을 측정한 뒤 신호를 아날로그-디지털 변환회로를 통하여 8bit의 값으로 나타내어, 입자들의 Spectrum을 측정하게 된다. 크기와 소비전력이 적음에도 검출성능이 우수하기 때문에 이 시스템은 향후 우주탐사 시스템에 있어 매우 중요한 역할을 수행 할 것으로 생각한다.

Analysis of the charged particle radiation effect for a CubeSat transiting from Earth to Mars

윤세영,신유철,전제헌,서용명,전종호,우주,선종호 한국물리학회 2014 Current Applied Physics Vol.14 No.4

This paper presents a computational estimation of the total ionizing dose from protons and electrons in the Earth’s magnetosphere and interplanetary space for a hypothetical CubeSat transiting from Earth to Mars. An initial hyperbolic escape of the spacecraft from Earth’s gravitation is assumed, followed by an elliptical transfer from Earth to Mars under the Sun’s gravitation. The rapid traversal of the Earth’s radiation belt yields a smaller ionizing dose, whereas high-energy solar protons in the interplanetary space have the greatest effect on the ionizing dose during the transfer between the planets. Variation in the heliocentric distance of the spacecraft is considered in the calculation. Calculation of the shielding distributions with Geant4 and the transport of the ionizing particles across the obtained distributions yields an estimation of the total ionizing dose as a function of position within the spacecraft as well as statistical confidence levels. With a moderate confidence level, this calculation shows that a practical exploration of Mars with a CubeSat is possible in terms of the expected total ionizing dose.