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TRIO-CINEMA(TRiplet Ionospheric Observatory CubeSat for Ion, Neutral, Electron, MAgnetic fields)

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1. 개요

TRIO-CINEMA(TRiplet Ionospheric Observatory CubeSat for Ion, Neutral, Electron, MAgnetic fields)는 경희대학교 우주탐사학과와 UC Berkeley의 우주과학연구소에서 각각 2기와 1기를 제작하여 2012-2013년에 발사한 초소형 과학위성으로 초소형 입자검출기인 STEIN과 자력계인 MAGIC을 탑재하였다. STEIN은 전자, 이온 및 중성입자를 동시에 관측할 수 있는 Si 기반의 반도체 검출기로 태양 감시 위성인 STEREO에 탑재된 입자 검출기를 Heritage로 가지고 있으며 MAGIC은 0.25 nT의 분해능을 갖는 3축 Magneto Resistive Sensor (MR sensor)로, 10 nT 정도의 지자기장에 최적화된 자력계로 위성의 자세제어와 Ring Current에 의한 지자기장의 왜곡 및 특성을 측정하는데 이용되었다.

CINEMA는 크기가 100 mm × 100 mm × 340.5 mm 인 3-UnitCubeSat 플랫폼을 사용하였고 무게는 약 3 kg, 전력은 3 W이다.

2. 시스템 구성

CINEMA의 시스템 구성은 아래와 같이 주탑재체인 STEIN, 부탑재체인 MAGIC의 원활한 동작을 위해 OBC를 중심으로 IIB(Instrument Interface Board), 송·수신기, 안테나, LVPS, HVPS, 자기토커, 태양센서 등으로 구성된다.

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<CINEMA의 시스템 구성도>

CINEMA의 외부는 외부 몸체 역할을 하는 2장의 Aluminum Sheet Metal과 Aluminum Block으로 이루어진 Chassis에 자세 제어를 위한 2개의 Torque Coil과 지상에 데이터를 보내기 위한 2개의 S-Band Patch Antenna, 위성에 전력을 공급하기 위해 TASC (Triangular Advanced Solar Cell)을 이용한 10개의 Solar Array가 장착되었다.

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<궤도상에서의 CINEMA>

CINEMA의 내부는 위성의 운용을 담당하는 Avionics Bus, 주 탑재체인 STEIN과 부 탑재체인 MAGIC, 지상에서의 command를 수신하는 UHF Whip Antennae, 위성의 자세를 알 수 있는 Sun Sensor가 장착되었다.

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<CINEMA의 내부 구조>

3. 탑재체

- STEIN CINEMA의 주 탑재체인 STEIN은 전자, 이온 및 중성입자를 동시에 관측할 수 있는 Si 기반의 반도체 검출기로 태양 감시 위성인 STEREO에 탑재된 입자검출기를 Heritage로 가지고 있으며 Housing, Detector Box, 그리고 Attenuator로 크게 세 부분으로 구성되었다. Housing에는 Detector에 들어오는 잡광을 차단해 주는 역할을 수행하는 Collimator와 강한 전기장으로 Electron, Neutral, 그리고 Proton을 구분해 주는 정전 편향 장치가 위치되었다. Housing의 뒷부분에는 32 channel detector를 포함한 Electronics Board가 장착이 되고, Housing의 측면부에는 Attenuator가 장착되었다.

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<STEIN의 구조>

- MAGIC CINEMA의 부탑재체인 MAGIC은 MAGnetometer Imperial College의 약자로 Imperial College London에서 개발한 0.25 nT의 분해능을 갖는 3축 Anisotropic Magneto Resistive (MR) sensor로 10 nT 정도의 지자기장에 최적화된 자력계이며 위성의 자세제어와 Ring Current에 의한 지자기장의 왜곡 및 특성을 측정하는데 이용된다. Magnetometer가 우주에서 운용 시 1 meter의 길이로 사출되는 Stacer Boom의 끝에 장착되어 관측을 하게 된다. Stacer Boom은 Elgiloy 재질로 CINEMA 발사 전 SMA Actuator인 Pinpuller로 고정하게 된다. CINEMA가 궤도에 올라가게 되면 Pinpuller에 전기적 신호를 주어 Stacer Boom을 고정하고 있던 핀을 뽑아주어 Stacer Boom이 사출되게 된다. MAGIC의 대부분 재질은 Aluminum 6061-T6으로 이루어져 있으며, 위성의 발사 및 초기운용 시 Stacer Boom에 의해 마찰이 생기는 부분은 Hard Anodizing을 해서 Part의 강도를 높여주었다.

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<MAGIC의 구조>

4. 주요 사양

CINEMA의 주탑재체인 STEIN과 부탑재체인 MAGIC의 주요 사항은 각각 아래와 같다.

STEIN의 주요 사양

Parameters Specification
Array 1 × 4
Angular Resolution 20° × 80°
Pixel Size 3mm × 3mm
Window Depth 200Å
Depletion Layer 315μm at 12V
Energy Range Electron 1keV ~ 100keV
Neutron/Ion 2keV ~ 300keV
Energy Resolution 1keV

MAGIC의 주요 사양

Parameters Specification
Volume Sensor Head: 2×2×2.5 ㎤, Electronics: 9×9×2 ㎤
Sensitivity 25nT in Attitude mode, < 10nT/2nT(Science Mode)
Cadence 4vector/s(Attitude mode), 20vector/s(Science mode)
Range ±65536nT
Resolution 30.25nT
Noise Density 150pT〖√(〖〖Hz〗〗)〗@1Hz

5. 주요 사진

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<CINEMA FM>

MEPD(Medium Energy Particle Detector)

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2018년 12월 4일 성공적으로 발사된 차세대 소형위성1호 (NEXTSat-01)에 탑재된 지자기폭풍 연구를 위한 탑재체 중 하나로, 고도 약 600 km의 태양 동기 궤도에서 전자, 양성자 및 중성입자의 구분 및 동시 검출이 가능하도록 설계/제작 되었으며 중성입자와 전자 및 이온의 구분을 목적으로 ±2,000 V의 전기장이 인가되는 정전 편향기가 입사 개구부에는 설치되어 있어 최대 100 keV 의 전자 및 이온을 분리 검출할 수 있다.

MEPD의 주요사양

Specification
Mass 850g
Power 3.8W
Energy range Electron 20 - 225keV
Proton, ions, and neutrals 20 - 400keV
Photon 20 - 100keV (empirical value)
Energy resolution Linear 6.25keV
Pseudo-log 2 - 24.32keV
Cadence 1 - 128Hz (increase by 2n)
Field-of-view Horizontal 70°
Vertical 15°
Dynamic range 102 - 108 /(cm2·sr·s·keV)

우주기상탑재체(KSEM:Korean Space Environment Monitor)

1. 개요

정지궤도 복합위성 2A호에 탑재되어 2018년 12월 5일에 발사된 우주기상 탑재체는 고에너지 입자검출기, 위성 대전 감시기 및 자력계로 구성되어 정지궤도에서 각종 우주기상과 관련된 관 측을 현재 수행하여 실생활에 영향을 미치는 우주 기상의 실시간 감시 및 조기 탐지 그리고 위성체의 안정적인 운영을 위한 정보 등을 제공함과 더불어 다양한 학술연구 등에 활용되고 있다.

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<정지궤도 복합위성 2A에 장착된 우주기상 탑재체>

CINEMA의 외부는 외부 몸체 역할을 하는 2장의 Aluminum Sheet Metal과 Aluminum Block으로 이루어진 Chassis에 자세 제어를 위한 2개의 Torque Coil과 지상에 데이터를 보내기 위한 2개의 S-Band Patch Antenna, 위성에 전력을 공급하기 위해 TASC (Triangular Advanced Solar Cell)을 이용한 10개의 Solar Array가 장착되었다.

2. 시스템 구성

우주기상 탑재체는 입자검출기, 자력계 및 위성 대전감시기의 탑재체와 위성과 탑재체 사이의 Interface를 제공하는 IDPU로 구성된다. IDPU는 입자검출기의 신호 처리를 담당하는 PDB와 각 탑재체에 CMD/TLM 및 Data 송·수신을 담당하는 DCB 그리고 전원을 공급하는 PSB로 구성 된다.

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<우주기상 탑재체의 시스템 Block Diagram>

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<우주기상 탑재체의 구성>

CINEMA의 외부는 외부 몸체 역할을 하는 2장의 Aluminum Sheet Metal과 Aluminum Block으로 이루어진 Chassis에 자세 제어를 위한 2개의 Torque Coil과 지상에 데이터를 보내기 위한 2개의 S-Band Patch Antenna, 위성에 전력을 공급하기 위해 TASC (Triangular Advanced Solar Cell)을 이용한 10개의 Solar Array가 장착되었다.

3. 주요 구성품

- 입자검출기(PD) 입자 검출기(Particle Detector; PD)는 아래와 같이 두 개의 Solid State Telescope를 서로 맞대어 서로 반대 방향을 향하도록 설계되었으며, 이러한 입자검출기 3대가 서로 다른 6개 방향에 대해 20° × 20°의 FOV를 각각 가지고 지구로 유입되는 양성자 및 전자 플럭스를 측정한다.

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<입자검출기>

각각의 입자검출기 내부에는 Heritage Mission인 MAVEN에 사용된 반도체 다이오드 센서를 요구 조건에 부합하도록 보완하여 적용하였고, 구조적으로 전자와 이온의 동시 관측이 가능하도록 설계되었다. 즉, 두께가 675 ㎛인 단일 Si-Detector를 이용하여 O와 F Detector를 구성하였고 또한 동일한 Detector 3개를 병렬적으로 연결하여 적층 효과를 나타내도록 U와 T Detector를 각각 구성하였다. O Detector의 입사면에는 0.24 T의 Sm-Co Magnet이 위치하여 350 keV 이하의 electron의 입사를 차단하지만 proton은 통과된다. 반면에 F Detector의 입사면 외부에는 6.5 ㎛ 두께의 Aluminum Foil이 위치하여 Electron은 통과시키지만 350 keV이하의 Proton은 차단한다.

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<입자검출기 내부 구조>

- 자력계(SOSMAG) 자력계(Service Oriented Space Magnetometer; SOSMAG)는 아래 그림과 같이 위성 외부의 설치된 Boom과 이에 장착되는 2개의 Fluxgate Magnetometer 그리고 위성체에 장착된 2개의 AMR(Anisotropic Magneto-Resistance) Sensor 및 신호 및 명령 처리를 위한 DPU로 구성되어, 지구자기장의 변화량을 관측한다. 이와 같이 총 4개의 센서와 약 1 m 길이의 전개형 Boom의 구성은, 위성체에 포함된 다양한 장치로부터 발생되는 자기장을 소프트웨어로 효과적으로 처리하여 비교적 정확한 지자기장의 측정을 가능하게 한다.

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<자력계의 구성>

- 위성 대전 감시기(CM) 위성 대전 감시기(Charging Monitor; CM)대전 입자에 의해 누적된 전하의 방전으로 발생한 전류의 감시를 위한 장치로 두께 1 mm, 지름 65 mm의 Detecting Plate와 Cover Plate 그리고 Electronics로 구성되어 있으며, 0～100 pA의 Ion Current에 대하여 2.5～5 V의 전압과 –100～0 pA의 Electron Current에 대하여 0～2.5 V의 전압을 각각 출력하도록 설계/ 제작되었다. 이러한 CM의 구성은 정지궤도 복합위성 2A호의 안정적인 운영을 위해 활용되고 있다.

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<위성 대전 감시기>

- IDPU IDPU(Instruments Data Processing Unit)는 위성체 내부에 위치하여 KSEM의 각 탑재체와 위성 본체와의 Interface와 전원 공급등의 역할을 수행한다. IDPU는 입자검출기의 신호 처리를 담당하는 3장의 PDB(Particle Detector Board)와 각종 CMD와 TLM 및 DATA를 담당하는 2장의 DCB(Data Control Board) 그리고 전원을 인가하고 제어하는 PSB-CV/SW(Power Supply Board-Converter/Switch)로 구성된다.

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<IDPU>

4. 주요 사양

우주기상 탑재체를 구성하는 입자검출기, 자력계 및 위성 대전 감시기의 주요 사양은 아래와 같다.

입자검출기 주요 사양

Parameters Specification
Energy range 100 keV–3800 keV (Electrons)
148 keV–22500 keV (Protons)
Energy resolution 0.05 < ΔE/E < 0.25
Field-of-view 20° × 20°
Geometric factor ∼0.02 ㎠ sr (Attenuator open)
∼4 × 10-4 ㎠ sr (Attenuator closed)
Cadence 3s(cyclic polling of 3 sensors everysecond)

자력계의 주요 사양

Parameters Specification
Power Consumption 8.25W
Mass 5482g(total)
Maximum Vector Rate 128 vectors/second
Noise Density at 1Hz Fluxgate sensors < 10pT Hz−0.5
AMR sensors < 220pT Hz−0.5
Range ±65,000nT
Quantization resolution Fluxgate sensors 7.8pT
AMR sensors 62pT

위성 대전 감시기의 주요 사양

Parameters Specification
Power 250mW
Mass 270g
Cadence 1second
Current Resolution 0.003 pA/㎠
Current Range -3 ～ 3 pA/㎠
Volume 80 mm(Φ) × 53.5 mm(H)
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