Gyroscope

GBSAT (2) 문제는 발사 다음 날 바로 튀어나왔습니다. 상황은 (카톡 캡처)와 같습니다. 인공위성이 발사체에서 분리된 뒤 일반적으로 해야 하는 작업이 몇 가지 있습니다. 처음 전원이 들어오면 우선 각 서브시스템의 기본적인 상태 정보를 확인합니다. 별 문제가 없다면 안테나를 전개하고 detumble 모드에 들어갑니다. 인공위성이 발사체에서 분리되거나 큐브위성이 사출관에서 사출되면, 다양한 이유로 위성은 회전(자전)하게 됩니다. 물론 안 돌면 좋겠지만 무게중심-기하중심 불일치, 분리장치의 충격, 사출 힘의 불균형 등에 의해 느리든 빠르든 어느 정도는 돌게 됩니다. 이때 위성은 자기장 센서와 전자석, 그리고 자이로스코프(optional)를 이용해 전자기 브레이크를 걸어 위성을 멈추게 합니다. 이 과정을 detumble이라 부릅니다. 이론상 발사 이후 하루가 지나면 초기 회전이 거의 잡혀서 detumble을 마치고 다른 자세기동을 할 수 있는 준비가 되어야 합니다. 그런데 10/8 오후에 TM을 받아서 보니 위성이 정지하기는커녕 감속이 아니라 가속을 하고 있다는 것이 밝혀집니다. 제가 인공위성 자세제어 강의에서 “위성은 결국에는 각운동량이 보존된 상태에서 에너지가 최소화 되도록 회전하게 된다, 이는 MOI가 제일 큰 장축으로 회전하게 됨을 의미한다” 라고 가르치는데, 이 이론이 그대로 나타나더군요. 뭔가 문제가 있어 전자석이 위성의 회전을 가속하고 있었고, 초기 각속도는 x축 방향이었지만 결국 moi가 큰 y/z 방향으로 더 빠르게 회전함을 확인했습니다. 인공위성에서 이런 상황이 발생하면 보통 패닉에 빠지게 됩니다. 그동안 한국에서 만든 큐브위성들이 자세제어에 어려운 점이 많았다던데, 이런 상황이 아니었을지 조심스레 예측해 봅니다. 상황 발생을 확인하자, 학생들을 제 연구실로 소집합니다. 우선 센서/구동기 정렬 방향부터 확인해 봅니다. 위성은 우주에 있으니 직접 볼 수는 없지만 하드웨어 만들고 조립할 때 잔뜩 찍어 놓은 사진을 봅니다. 사진과 데이터시트를 맞춰 보면서 부품의 정렬 방향을 확인합니다. 사진, 데이터시트, 여분의 센서 실물, 그리고 설계 보고서를 놓고 여럿이서 하나하나씩 검토해 나갑니다. 두세 번을 다시 봐도 자기장 센서, 자이로스코프, 전자석 방향에 틀린 부분이 없습니다. 그다음으로는 제어기를 검토해 봅니다. 제어기 수식은 단 한 줄, m = - Kd b x w라 확인하고 말 것도 없습니다. 이상합니다. 저희가 1800년대부터 정설로 여겨지던 비오-사바르 법칙의 예외를 발견한 것이 아니라면 누군가 구라를 치고있는것임이 분명합니다. 이제는 진실의 방 시간입니다. 연구실 한켠에 비스듬히 세워져 있는 야구방망이와 오함마를 가져옵니다. 연구실 화면에 Flight Software 코드를 띄웁니다. 센서 데이터 좌표계 변환 부분을 찾습니다. 자이로스코프 각속도 변환에 이상한 코드가 발견됩니다. 보고서에 적혀 있던 변환 코드에 polarity라는 이상한 변수가 곱해져 있는 것을 발견합니다. 더 들어가 보니 polarity 값은 -1로 하드코딩…. 망했네요. 보통 mems 자이로는 칩 하나에서 x, y, z 3축을 측정하여 출력합니다. 이때 당연히 X x Y = Z의 right-hand rule을 따르는 좌표계를 사용하게 됩니다. 위와 같이 각 축에 -1을 곱한 좌표계를 정의하면 그 좌표계는 X x Y = -Z가 되어 서방세계에서 사용하는 right-hand rule을 따르지 않는, 근본 없는 좌표계가 됩니다. 흠.. 구 소련에서는 left-hand rule을 사용했다고 하던데.. 설마 우리 팀에 간첩이…? 왜 polarity 변수를 굳이 만들어서 -1을 곱했는지, 왜 보고서에 적혀 있는 코드 발췌본과 실제 코드가 다른 건지 저는 이해하지 못합니다. 다만 이렇게 되면 위성이 감속을 하지 않고 가속한다는 것은 확실합니다. 원인이 나왔으니 이제 해결법을 찾아야 하는데… 안타깝게도 저희 GBSAT은 소프트웨어 업데이트가 불가능합니다. 통신 속도도 느리고 부트로더를 올리는 것도 리스크라 처음부터 고려하지 않았습니다. 할 수 있는 것은 기 정의된 명령어들을 잘 조합하여 m = - Kd b x w의 방향을 반대로 바꾼 뒤 detumble을 다시 시작해야 합니다. 이런 상황은 처음부터 가정되지 않았기 때문에 여기에 딱 맞는 명령은 없고 저놈의 polarity를 설정하는 명령도 없습니다. 각 센서의 mounting DCM을 올리는 명령도 없죠. 설상가상으로 메인 지상국의 TC도 잘 먹지 않습니다. 400번 보내면 15번 정도 적용이 됩니다. 장비 물려서 RF 파형을 보니 좀 깨진 걸로 봐서는 장비 문제인 것 같긴 한데 지금 당장 고칠 수도 없습니다. 어떻게 해야 할지... 다음 포스팅에 계속 적겠습니다.