위성 탑재 영상레이다 촬영시간 보정 기법 설계 및 구현

Ⅰ. 서 론

위성 탑재 영상레이다는 정해진 우주 궤도를 공전하며, 시/공간 및 기상 상태 제약 없이 영상 데이터 획득이 가능한 시스템이다[1]. 위성 탑재 영상레이다는 지상국과 교신을 통해 영상 촬영 임무 명령을 수신하고, 촬영 시작 명령에 기록된 시간에 지상으로 레이다 신호를 송신하고, 이에 대한 반사 신호 수신을 통해 영상 데이터를 획득한다. 획득된 영상데이터는 데이터링크 탑재체를 통해 지상국으로 전달된다.

수요자의 영상 촬영 요청이 수신되면, 지상국에서는 예상되는 위성 위치정보와 추정 궤도 정보를 기반으로, 영상 촬영이 수행되어야 할 지점에 예상 도달 시간을 계산한다. 그리고 해당 시간에 영상 촬영 수행 명령을 생성하여 위성에 전송한다. 하지만 지상국의 임무 계획에 사용한 궤도정보는 오차를 가지고 있을 수 있다. 고도 500~600km 상공에서 운용되는 저궤도 위성의 경우 약 7km/s의 속도로 움직인다. 따라서 0.1초 차이에도 수백 미터를 벗어나 임무 수행이 될 수 있으며, 이는 촬영 정확도 요구사항에 영향을 줄 수 있다. 이런 한계점을 극복하기 위해 최근 개발되는 위성 탑재 영상레이다 시스템들은 촬영 시간 보정 기법(ITC, Imaging Time Correction)을 적용하여 해당 오차를 줄이는 방법이 적용된다. 촬영 시간 보정 기법이란, 촬영 임무 시작 직전, 위성 플랫폼의 온-보드(On-board)에서 현재 위성의 GPS 정보에 기반하여 지상 임무 계획 시간대비 보정되어야 할 시간을 계산하고 촬영 시작시간을 조정하는 기능을 의미한다.

본 논문에서는 촬영 시간 보정 기법 적용을 위해, 영상레이다 탑재체가 반영해야 할 설계사항 및 운용 고려 사항을 제시한다. 먼저 3장에서는 촬영 시간 보정 기법을 위한 영상레이다 탑재체의 세 가지 설계 사항을 소개한다. 첫 번째는 촬영 시간 보정 기법을 위한 기능 활성화/비활성화 설정 명령 및 보정 시간 수신 명령 설계이다. 두 번째는 플랫폼으로부터 수신한 보정시간에 기반 한 기 계획된 임무 시간 변경 및 초기화 방안에 대한 설계이다. 마지막으로 보정 시간 적용결과의 지상 확인을 위한 이벤트 로그 설계 방안이다. 4장에서는 촬영 시간 보정 기법을 적용 후 운용시 발생할 수 있는 문제 시나리오를 소개하고 이를 위한 운용 고려사항을 제시한다. 5장에서는 본 설계사항을 영상레이다 제어소프트웨어에 구현 후 기능에 대한 지상검증 결과를 정리하였다. 결과 분석을 통해 본 연구에서 제시한 촬영 시간 보정 기법이 정상 동작함을 확인하였으며, 보다 정확한 영상촬영이 가능한 위성 탑재 영상레이다 개발이 가능하였다.

Ⅱ. 관련 연구

1980년 영상레이다를 탑재한 최초의 위성이 개발된 이후, 미국과 유럽을 중심으로 다양한 위성 탑재 영사레이다가 개발 및 발사되었다[2]-[4]. 우리나라에서는 2005년에 다목적 실용위성 5호 개발을 통해 연구 개발이 본격적으로 진행되었다. 이후 다목적 실용위성 6호, 군 정찰위성 사업 등 다양한 영상레이다 연구 개발이 진행되고 있으며, 다양한 후속위성 개발이 예정되어 있다[5]. 해외에서는 최근 고해상광역모드와 같이 확장성 있는 영상레이다 운용모드 설계관련 연구들이 진행되고 있다[6].

국내 위성 탑재 영상레이다 연구는 주로 영상레이다 모드 설계 및 성능분석에 관하여 진행되었다. [7][8]. 이후 장치의 국내 개발 및 위성 운용이 본격적으로 진행되면서 운용 및 기능관련 연구가 진행되기 시작하였다. [9]은 위성 시스템의 고장 탐지 및 복구와 관련된 연구가 진행되었으며 [10]은 지상으로 전송되는 원격 측정 정보의 데이터 최적화 연구를 제안하였다. [11]에서는 영상레이다의 영상 분석을 위한 도구 개발과 관련된 연구를 정리하였다.

본 연구에서 소개하는 영상 촬영시간 보정 기능은 최근 해외에서 개발된 주요 위성들에는 탑재되어 있으나, 국내에서 개발된 기존 위성에는 반영되어 있지 않으며, 현재 개발 진행 위성 탑재 영상레이다에 반영되는 최신 기술이다. 따라서 이에 대한 다양한 국내 연구는 활발히 공유되지 않은 상태이며, [12]은 영상 촬영 시간 보정 기법의 개념 설계사항이 제시되어 있다.

Ⅲ. 촬영 시간 보정 기법을 위한 영상레이더 기능 설계

그림 1은 촬영 시간 보정 기법을 위한 전체 흐름 도를 보여주고 있다. 지상국에서는 추정된 궤도 정보를 기반으로 임무 계획을 수립하고, 임무 시작 시간 정보(t1)를 가진 명령어(MODE START)를 영상레이다에 전송한다(1). 촬영 시간 보정 기능 활성화는 별도의 명령을 통해 제어 된다. 시간 보정 기능이 활성화 되어 있고 지상에서 ITC 계산 명령을 플랫폼에 전송하면(2), 플랫폼에서는 현재 위성의 GPS 궤도 정보를 기반으로(3), 기존에 계획된 촬영 시점(t1) 대비 실제 임무가 시작되어야 할 시간간의 차이 값(Δt)를 계산하고(4), 영상레이다로 전송한다(SEND_ITC 명령)(5). 영상레이다의 제어모듈에 탑재된 제어소프트웨어는 임무 시작 수 초 전, 지상으로부터 수신하였던 촬영 시간 정보(t1)에 추가로 수신한 차이 값(Δt)정보를 반영하여 타이밍 제어기에 전달해 준다(6). 타이밍제어기는 보정된 시작 시간(t1+Δt)에 임무가 수행된다. 지상에 반사되어 수신된 신호는 디지털 수신기를 통해 패킷화 되어 데이터링크 탑재체의 자료저장처리기로 전달된다. 제어소프트웨어는 Δt 정보를 디지털수신기로 전달하며(7), 디지털 수신기는 해당 정보를 영상데이터 헤더에 기록해 줌으로써, 시간 변화량 반영 여부를 지상에 전달한다. 또한 임무 시작 시간을 기록하는 이벤트 로그 정보를 통해서 정상적인 기능 동작 여부를 지상에서 확인 가능하도록 설계하였다.

Fig. 1.

System fow of imaging time correction technique

본 논문에서는 앞서 설명한 다양한 기능 중, 영상레이다에 해당하는 항목들에 대한 설계 및 운용 고려사항을 정리하였다(그림 1의 노란색 표기 부).

3.1 시간 보정 기법을 위한 운용 명령 설계

3.1.1 촬영 시간 보정 기능 설정 명령

촬영 시간 보정 기법을 위해 영상레이다는 해당 기능 제어를 위한 지상 명령어가 추가 되어야 한다. 해당 명령어에는 다음의 정보를 포함하도록 설계 하였다(그림 2).

Fig. 2.

‘SET_ITC’ TC structure

• 보정 기법 활성화 / 비활성화 설정 기능
• 수신 시간의 최대 허용 값 설정

‘활성화/비활성화 (ITC_EN)’ 필드는, 촬영 시간 보정 기능을 활성화 여부를 설정하는 필드이다. 필드 값이 1로 설정 되어 있으면, 플랫폼으로부터 수신한 정보를 기반으로 촬영 시간 보정 기능이 적용된다. 만약 필드 값이 0으로 설정하면, 플랫폼으로부터 보정 시간을 수신하여도, 해당 값을 무시하며, 기존에 수신된 촬영시간에 임무를 수행한다. 두 번째 필드는 ‘수신 시간의 최대 허용 값(Allowable MAX ITC Value)’ 필드이다. 해당 필드의 값은 플랫폼으로부터 수신된 시간 값의 무결성 확인 및 영상레이다의 보호를 위해 사용된다. 통상 지상에서 사용한 궤도 정보와 실제 위성의 궤도 정보 간 차이가 존재하더라도 그 값은 크지 않으며 1초 이내이다. 하지만 플랫폼에서 계산 중 의도하지 않는 오류 발생, 또는 해당 데이터의 전달되는 과정 중 우주 방사선등의 영향에 의해 비트(Bit) 반전이 발생되면, 비현실적인 값이 전달 될 수 있다. 이에 따른 장비의 오작동 방지를 위해 수신 가능한 값의 최대 허용 범위를 설정해 놓음으로써, 해당 값보다 큰 값이 수신되면 비정상 값으로 판단하고 무시하도록 설계하였다.

3.1.2 보정 시간 수신 명령

예측 궤도 대비 실제 궤도 정보를 기반으로 보정해야 할 시간 차이 값은 플랫폼이 계산된다. 보정 시간 값 전송 명령(SEND_ITC)은 그림 3와 같은 구조로 설계된다. 영상레이다는 해당 명령 수신 후 시간 보정 값(Δt)이 앞서 설정한 허용 가능한 최대 설정 값(Allowable MAX ITC Value)을 초과하였는지 판단하여 촬영 시간 보정에 사용한다. 만약 허용 최댓값을 넘는 값이 수신되었으면, 해당 결과를 이벤트 로그로 기록하고 값을 무시한다.

Fig. 3.

‘SEND_ITC’ TC structure

시간 보정 값(Δt)은 초 정보를 받도록 구현되었다. (예> 0.25초의 경우 0.25를 수신). 이때 단정도(Single precession, 32 bit)로 표현하면 부동소수점 표현 오차가 증가하기 때문에, 배정도(Double precession, 64 bit)를 적용하였다.

3.2 보정 시간 적용 및 초기화 방안 설계

3.2.1 보정 시간 적용 설계

영상 촬영 임무가 없을 경우, 영상레이다는 대부분의 장비 전원을 차단시키고 제어에 필수적인 장비만 전원을 인가한 대기(STANDBY) 상태로 유지한다. 임무 수행을 위한 모드 준비 명령을 받으면, 제어소프트웨어는 모드 수행에 필요한 정보를 준비한다. 이후 모드 시작 명령을 수신하면, 모든 장비의 전원을 인가하고(SILENT), 앞서 준비된 데이터를 각 장치로 전달하고 동시에 모드 시작 명령안에 포함된 영상 촬영 시작 시간 (Tn)을 타이밍 제어기로 전달한다. 이때 플랫폼으로부터 수신한 보정 시간 명령을 반영하여 전달해 준다. 제어소프트웨어는 Tn시간에 Δt를 반영한 값(Tn+Δt)을 타이밍 제어기로 보내주어, 실제 임무 시작 시간을 조절한다. 해당 시간이 되면 영상레이다는 운용(OPERATION) 상태가 되며, 타이밍 제어기는 타이밍 신호 제어를 수행하여 레이다 신호를 지상으로 송신, 반사데이터 수신을 통한 영상 데이터 획득이 이루어진다.

모드 시작 시간(Tn+Δt) 전송 시점은 모드 시작 명령이 실행된 시점이다. 따라서 플랫폼으로부터 시간 보정 명령(Δt)은 모드 수행(MODE START) 명령이 실행되기 전에 수신되어야 한다. 해당 시점 이후 수신된 정보는 반영할 수 있는 시간이 충분하지 않으므로 버려지게 되며 이벤트 로그에 기록된다.

3.2.2 보정 시간 초기화 방안 설계

영상레이다는 현재 영상을 획득하면서, 다음 영상 촬영을 위한 준비를 병행할 수 있다. 이 경우 앞서 받은 보정 시간 값((Δt)을 동일하게 각 영상 촬영에 동일하게 적용하도록 설계하였다. 이는 수 분 동안 진행되는 영상 촬영 중 궤도정보가 급격하게 변하지 않기 때문이다. 영상 촬영 임무 종료 후, 대기 상태(STANDBY)까지 영상레이다 상태가 천이되면 보정 시간 값(Δt)을 0으로 초기화 하였다. 따라서 대기 상태로 천이 이후 다음 운용 임무를 수행 시, 별도의 보정 시간 명령이 수신되지 않는다면, 해당 촬영에서의 보정 시간 값(Δt)은 0으로 설정되며, 지상으로 수신된 시간 값(Tn) 대로 임무를 수행하게 된다. 그림 4는 3.2절에서 소개된 SAR센서 운용 시나리오 및 보정 시간 적용 및 초기화 개념을 그림으로 보여주고 있다.

Fig. 4.

SAR sensor operation scenario and Δt reception and adoption scheme

Ⅳ. 촬영 시간 보정 기능의 운용 고려사항

3장에서 제시된 촬영 시간 보정 기법을 실제 위성에 구현 후, 원활한 운용을 위해서는 지상국의 임무 계획 수립 시 몇 가지 고려사항이 필요하다.

첫 번째는 플랫폼에서 계산된 보정 시간이 영상레이다로 수신되는 시점이다. 3장에서 기술한 바와 같이, 보정 시간은 운용 시작 명령(MODE START)을 실행 시, 값을 반영하여 타이밍 제어기로 전달된다. 따라서 플랫폼은 해당 명령이 실행되기 충분한 시간 전에 보정 시간 값을 영상레이다 탑재체로 전달해 줘야 한다. 통상 모드 준비 명령과 모드 시작 명령은 실제 촬영이 진행 수십 초전에 실행되도록 된다. 따라서 촬영 임무 시간 30초 전에는 촬영 시간 보정 값(SEND ITC)을 영상레이다로 전송해 주도록 임무 계획 운용이 필요하다.

두 번째는 연속 모드 운용 시 각 명령 수행 시점이다. 임무 수행을 위한 지상 명령어는 각 명령어 실행이 가능한 상태가 사전에 정의된다. 밀집된 구간 촬영 임무를 위해 그림 5와 같이 최적의 임무 촬영 계획이 예정 되어 있다고 가정한다. 양수의 보정 시간 적용 명령이 수신되면(그림 5의 중간) 첫 번째 촬영 종료 후 SILENT 상태로 예상했던 T6 시간에 운용(OPERATION) 상태가 진행 중이 된다. MODE START 명령은 OPERATION상태에서는 실행될 수 없도록 설계되어 있기 때문에, T6시간에 수행될 예정이던 해당 명령은 버려지게 된다. 또한 세 번째 임무 준비를 위해 운용 상태 도달(T8)후 실행 예정이던 모드 준비(MODE PREPARATION) 명령은 SILENT 상태에서 실행되게 되어, 2번째 모드 시작이 되지 않고, 바로 3번째 모드 준비 명령이 수행되는 이상 동작을 유발할 수 있다.

Fig. 5.

Operation consideration of imaging time correction function

반대로, 음수 보정 시간이 수신되는 경우(그림 5의 하단), 모드 시작 명령을 받고(@T9), 촬영 준비 데이터를 각 장치에 설정(Setting)하는 최소한의 시간이 확보되지 않아 임무가 수행되지 못하는 이상 상태를 유발할 수 있다.

이와 같이, 연속 임무를 위해 명령 수행 시간을 계획할 때, Δt에 따라서 임무 실패 상황이 발생 할 수 있다. 따라서 지상의 임무 계획 수립 시, 명령어 수행 시간 전 후로 최대 Δt만큼의 여유 시간을 할당하여, Δt 적용 시에도, 명령의 실행 및 계산 시간이 충분히 확보되도록 고려해야 한다.

Ⅴ. 시험 결과

5.2. 시험 시나리오 및 결과 분석

첫 번째 시험 시나리오는 시간 보정 명령을 수신하여 기능을 활성화 및 최대 허용 값을 0.1초로 설정한다. 그리고 실제 수신된 보정 값은 0.2초인 SEND_ITC 명령을 전송하였다. 본 시나리오로 임무 수행을 가정한 시험 결과 그림 6와 같은 이벤트 로그가 생성되었다. 로그를 통해, 수신된 보정 명령 값이 허용 가능한 최댓값을 초과하여 해당 이벤트가 기록된 것을 볼 수 있다. 그리고 이후 촬영 관련 로그에서, 기 계획된 시간에 보정 시간(Δt)이 반영되지 않고 임무가 수행된 것을 확인 할 수 있다.

Fig. 6.

[Test scenario 1] Test about receiving ITC value exceeding maximum allowable ITC value

두 번째 시험 시나리오는 보정 시간 값을 양수 및 음수로 넣었을 때의 동작 성 확인을 수행하였다. 이를 위해, 명령을 활성화 하고, Δt를 각각 +0.1초와 –0,1초로 설정하고 모드 운용을 수행하였다. 해당 보정 시간 수신 명령이 설정한 최댓값을 넘지 않으므로, 앞선 시나리오와 같은 오류 로그가 기록되지 않음을 확인할 수 있다. 또한 시나리오 상 설정한 임무 시간 대비 각각 0.1초와 –0.1초가 적용된 모드 시작 시간이 기록됨을 확인할 수 있고, 지상에서도 본 이벤트 정보를 통해 촬영 시간 보정 기능이 정상 동작함을 확인할 수 있다(그림 7).

Fig. 7.

[Test scenario 2] Test about positive and negative ITC value reception

세 번째 시험 시나리오는 Δt의 초기화 동작을 확인하였다. 보정 시간을 수신 받아, 임무 수행 후, 영상레이다의 상태를 대기 상태까지 낮추고 다시 임무를 수행시켰다. 해당 시험 결과, 대기 상태 천이 전에는 Δt값이 반영되어, 기 계획된 임무 시작 시간 대비 0.1초 이후 임무가 시작된 것을 확인 할 수 있으며, 상태 천이를 통해 대기(STANDBY) 상태까지 천이 후, 다시 운용을 수행하였을 때는 Δt값 초기화 되어, 지상 임무 계획 시간과 동일한 시간에 임무가 수행된 것을 확인 할 수 있었다(그림 8).

Fig. 8.

[Test scenario 3] Test about dT initialization function after STANDBY state transition

Ⅵ. 결 론

본 논문에서는 촬영 시간 보정 기능을 위한 위성 탑재 영상레이다의 설계 및 운용 고려사항을 제시하였다. 기능 제어를 위한 설정 명령 및 변화 값 수신 명령 구조를 설계하였으며, 수신된 값을 언제/어떻게 적용할 지에 대한 기능을 설계하였다. 또한 지상 확인을 위한 이벤트 로그를 설계하였다. 본 설계 사항을 영상레이다 제어소프트웨어에 구현하였으며, 지상 시험을 통해 다양한 시나리오를 가정한 상태에서 영상레이다가 도출하는 이벤트 로그 정보를 분석하였다. 분석 결과 기능의 설정, 촬영시간 보정 및 보정시간 초기화 등 본 연구에서 제시한 설계 사항들이 정상 동작을 확인하였다.

본 연구를 통해 예측 궤도를 기반으로 촬영 시 시작 위치 차이가 발생할 수 있었던 기존의 문제점을 개선할 수 있었다. 그리고 영상 촬영 직전의 정확한 궤도 기반의 촬영 시간 제어를 통해 보다 촬영 시작 시간 오차를 줄인 임무 수행이 가능하다.

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