Design and Implementation of a Telemetry with Two-Way Communication Link through Modularized FTR and GPS Receiver

Dohee Lee

doi:10.9766/KIMST.2025.28.3.278

Abstract

We propose a system with multiple functions added from telemetry devices, where one-way measurement was the main task from S-Band transmitter.(Only down link) The system modularized and integrated the FTR(Flight Termination Receiver) for receiving emergency termination commands, and utilized the S band of telemetry and the UHF band of the FTR to establish a two-way link.(Use Up-link & Down-link) In addition, GPS receivers were modularized and combined to track the flight trajectory of the aircraft equipped with the device.

Keywords: Telemetry(원격측정장치), DAQ(데이터 수집장치), Flight Termination(비행 종료), Datalink(데이터링크), GPS Tracking(궤도 추적)

기 호 설 명

A: amp.(ampere), 전류의 기본 단위

W: Watt, 전력의 기본 단위

grms: g(중력가속도) + rms(root mean square: 제곱평균제곱근), 평균 가속도 값으로 진동 측정 단위로 사용

서 론

원격측정장치는 유도무기 및 발사체 개발에서 필수적인 장비로, 비행시험 중 실시간 상태 모니터링을 통해 성능을 평가하는 데 중요한 역할을 한다. 이 장치는 무선통신을 통해 지상 시스템과 연동되어 비행체의 상태 정보를 제공하며, 이를 바탕으로 다양한 분석이 이루어진다^[1]. 그러나 기존의 원격측정장치는 단 방향성 및 계측 기능 위주의 구성 등의 한계를 가지고 있어, 최근의 유도무기 및 발사체 개발에 있어서 더 나은 성능과 기능의 원격측정장치들이 요구되고 있다. 이와 더불어 원격측정장치들에 대한 탑재 요구 공간은 다양한 모양과 크기로 개발되어 지고 있어, 소형화하여 개발되어진 제품을 통해 유도무기 내에서 효율적으로 공간을 활용할 수 있도록 요구되고 있다.

이에 본 논문에서는 이러한 한계를 보완하고 다양한 기능 및 계측에 능동적으로 대응할 수 있는 ‘스마트 TLM(SMDU: Smart Master Data acquisition Unit)’을 제안한다. 이 시스템은 ‘원격측정 기능’, ‘계측데이터링크 기능’, ‘비상종료명령수신 기능’, 그리고 ‘궤도추적 기능’의 네 가지 주요 기능을 중심으로 Fig. 1에서처럼 주요 모듈 STM(STM: S-band Transmitter Module), ECM (ECM: Encoder Module), FTM(FTM: Flight Termination receiver Module), GRM(GRM: GPS Receiver Module)을 중심으로 구현하였으며, 각 기능은 ‘스마트 TLM’에 양 방향성과 다양한 기능을 추가함으로써 보다 효과적인 비행시험 및 성능 평가를 가능하게 한다. 다양한 분야에서 성능 평가에서 기여할 것으로 기대된다.

Fig. 1.

Function diagram of SMDU

기능 정의 및 설계

2.1 기능 정의

앞서 ‘스마트 TLM’의 기능을 네 가지로 정의하였다. 기능들은 한 가지 또는 그 이상의 모듈의 조합으로 구성할 수 있도록 세부 기능에 대해 모듈별로 구분하여 설계하였다.

‘원격측정 기능’은 본 장치의 기본 기능으로 유도무기 등 발사체 내의 전자장치들의 상태 정보 및 센서 신호, 디지털 신호, 영상 신호 등을 계측/통합하여 지상의 시스템에 실시간으로 유효한 정보를 전송한다. 장치 전체에 공급할 수 있는 전원을 관리하는 ‘전원 모듈(PM: Power Module)’을 비롯하여 ‘계측 모듈(DAQ: Data Acquisition Module)’, ‘통합 모듈(ECM)’, ‘S대역 송신 모듈(STM)’을 구현하여 기능을 구성할 수 있도록 하였다.

‘비상종료명령수신 기능’은 지상에서 발생한 비상종료 명령을 무선으로 수신하여 유도무기 및 발사체를 비상종료시키는 기능으로 ‘비상종료 수신 모듈(FTM)’과 통합 모듈 등을 구성하여 구현하였다.

‘계측데이터링크 기능’은 기존의 원격측정 시스템이 단방향 링크로만 구성된 것에 반해, 양방향 통신 및 장치제어를 수행할 수 있도록 지상에서 탑재로 링크를 구성하는 Uplink의 FTM와 탑재에서 지상으로 링크를 구성하는 Downlink STM, 이러한 명령과 응답을 신호처리 할 수 있는 ECM을 활용하였다.

마지막 ‘궤도추적 기능’은 GPS 위성을 활용하여 유도무기 및 발사체의 궤도 정보를 수신하고 계측 데이터와 통합하여 궤도 정보를 전달하는 기능으로 ‘GPS 수신 모듈(GRM)’을 중심으로 구현된다.

2.2 기능별 모듈의 설계와 구현

2.2.1 전원 관련 모듈 설계

본 장치의 계측 데이터 정확성과 신뢰성을 보장하기 위해 외부 간섭에 안정적으로 작동하는 EMI 필터를 사용하였으며, 외부에서 공급되는 전원을 내부 모듈에서 안정적으로 활용하기 위해 DC-DC 컨버터를 적용하였다. Fig. 2에서는 SMDU의 모듈들에 대한 전원 흐름도를 EFM(EMI Filter Module)과 2개의 PM (Power Module)으로 구성하였고, Table 1에서처럼 각 모듈들의 소모 전류를 계산하여 장치의 최대 소모전류를 계산하였다. DAQ를 4개로 적용하였을 경우 장치 단독으로는 3.0 A(84 W)를 소모하며, 분산 계측을 할 경우 최대 추가 2.0 A(56 W)를 소모하며 총 5.0 A (140 W)의 예상 소모 전력이 계산되어 운용환경을 고려 224 W의 전원 모듈을 설계하였다. 또한, FTM에서는 신뢰성 확보를 위해 장치에서 EFM을 통해 정류된 전원을 통해 모듈 내부에서 별도의 DC/DC Converter 를 사용하였다.

Fig. 2.

Flow chart of SMDU power system

Table 1.

Current consumption analysis by module

Digital Part	Current	RF Part	Current
DAQ	0.2 A	FTM	0.3 A
ECM	0.1 A	STM	1.2 A
VCM	0.2 A	GRM	0.2 A
PRM	0.1 A	Supply by 28V DC

2.2.2 디지털 파트 모듈 설계

전원을 제외한 장치 내 모듈들을 크게 디지털 파트와 RF 파트 모듈로 구분하여 설계하였다. 디지털 파트는 주로 장치 외부의 유도무기 및 발사체의 정보를 획득하는 계측 모듈, 발사체 내 영상을 획득할 수 있는 ‘영상 압축 모듈(VCM: Video Compression Module)’, 장치의 모든 프레임 정보를 저장하기 위한 ‘저장 모듈(PRM: PCM Recode Module)’과 각 기능 및 모듈들을 통합/제어하는 ECM으로 구분하여 설계하였다.

계측 모듈은 획득하고자 하는 아날로그 신호 타입에 맞추어 일반 아날로그, 디스크리트, 전류 공급 형태의 센서 신호, 전압 공급 형태의 신호, RTD 및 Strain 센서 계측을 위한 6개의 아날로그 신호부(DAQ_B; DAQ 모듈의 아날로그 파트)와 이를 디지털로 변환하는 공통의 신호부(DAQ_A; DAQ 모듈의 디지털 파트)로 설계하였다. 최대 4개의 DAQ 모듈들을 버스통신을 이용하여 통합 모듈에 계측 데이터를 전달한다.

통합 모듈에서는 Fig. 3과 같이 DAQ와 VCM을 비롯한 디지털 파트의 모듈들 뿐 만아니라 RF 모듈들의 상태 신호들을 모두 개별의 디지털 신호로 통합을 한다. DAQ를 제외한 각 모듈들과 ECM이 개별로 1:1 통신을 통하여 SMDU의 모든 정보를 통합하여 PCM 프레임으로 생성을 하며, 이를 사용자의 선택에 따라 암호화(AES256) 및 코드 부호화(NRZ-L), 채널 부호화(Reed-Solomon 채널 코딩)들을 사용 유무를 선택할 수 있도록 구현하였다.

Fig. 3.

Block diagram of encoder module

2.2.3 RF 파트 모듈 설계

장치의 기능들을 구현하기 위해 무선 송수신 모듈들을 주파수 대역별로 구현하였다. 통합 모듈에서 통합된 데이터를 지상으로 실시간 송신하기 위해 STM 을 설계하였다^[2].

지상으로부터 ‘비상종료명령’을 수신하여 명령 코드를 해독 및 명령을 전달하기 위하여 UHF대역을 사용하는 FTM을 구현하였다. 지상의 종료명령을 수신할 수 있으며, UHF대역 내 중심 주파수를 HW변경 없이 가변할 수 있도록 구현하였다. 수신기능을 활용하여 기존의 ‘비상종료명령’에 데이터링크의 ‘Uplink(지상에서 탑재장치로 송신하는 데이터링크 방향)’ 기능을 추가 구현하였다. 데이터링크의 Downlink(탑재 장치에서 지상으로 송신하는 데이터링크 방향) 기능은 STM 송신 기능을 이용하여 실시간으로 계측데이터링크에 대한 명령을 확인할 수 있도록 구현하였다.

L1 대역을 수신하여 탑재된 비행체의 위치/속도/자세 등의 정보를 통해 비행시험시 비행체의 궤도정보를 수신 추적 기능으로 사용할 수 있도록 ‘GPS 수신 모듈(GRM)’를 구현하였다.

SMDU의 개별 기능들을 수행하기 위해서는 최소한으로 필요한 모듈들이 있다. Fig. 4에서처럼 ‘원격측정 기능’을 위해서는 전원 관련 모듈(EFM/PM1/PM2)를 비롯하여 디지털 파트의 DAQ, ECM와 RF 파트의 STM이 필수적으로 소요된다. 또한, 전원 관련 모듈과 ECM, STM, GRM 모듈들을 통하여 ‘궤도추적 기능(GPS 수신 기능)’으로 활용할 수 있다.

Fig. 4.

Module-based functionality mapping

이러한 모듈간의 자유로운 결합을 위하여 모기판(Main-board)이 없이 장치를 통합할 수 있도록 ‘LLS (Long Length Screw)’라는 나사를 적용하였다. LLS를 통해 장치를 구성함으로써 기존의 장치에서 모기판을 구성하는 무게 및 공간을 줄일 수 있으며, 이를 통하여 소형화와 경량화를 할 수 있다^[3].

장치 검증

3.1 장치의 기능별 검증

본 논문에서 구현한 장치의 기능을 검증하기 위하여 상용의 제품들과 자사에서 개발한 소프트웨어들을 통해 데이터들을 검증 및 분석하였다^[4].

‘원격측정 기능’은 6개로 구분되어 개발된 DAQ별로 검증하기 위해 해당 아날로그 신호를 생성하여 입력하였다. 일반 아날로그, 디스크리트, 전류 공급 형태의 센서 신호, 전압 공급 형태의 신호, RTD 및 Strain 센서를 생성하기 위하여 Table 2와 같은 상용품과 제어 프로그램을 사용하였다.

Table 2.

List of PXI models based on DAQ input signals

PXI Model	Descript	Signal Type
PXIe-4139	Source Measure Unit	Analog / Discrete
PXIe-5413	Waveform Generator	Sensor for Current
PXIe-4080	Digital Multimeters	All Signals
PXIe-2503	Switches (MUX)	Except for RTD/STR
PXIe-2531	Switches (Matrix)	Except for RTD/STR
40-263-301	Precision Resistor	Only for RTD/STR

생성된 신호들의 입력 값과 점검프로그램을 통해 확인한 각 DAQ들의 채널 값을 비교하여 ‘원격측정 기능’을 확인 및 점검하였다. 제어프로그램을 통해 장치에 입력되는 값과 출력되는 값을 비교하여 설정한 오차 범위내로 계측되어지는지 확인을 하였다. Fig. 5에서와 같이 하나의 입력 채널에 대해 선형성을 확인하기 위하여 ‘-4.0V / 0.0V / +4.0V’을 입력하고 해당 입력에 대한 출력에 대해 설정해 놓은 오차 범위(±0.1V)안에서 계측이 되는지 확인하였다.

Fig. 5.

Check the acquisition of input analog signal

Table 3을 통해서 2개의 채널에서 계측된 결과들이 모두 설정된 오차 범위 안으로 계측이 되는 것을 확인하였다. 하나의 DAQ에서 계측 가능한 신호 항목들은 DAQ_B의 종류에 따라 아날로그(24개) / 디스크리트(24개) / RTD 및 Strain 브릿지(각 16개) / 전류 및 전압 공급 형태의 센서(각 12개)로 원하는 계측 사양과 항목 수에 따라 다양하게 조합하여 사용할 수 있다.

Table 3.

Result of analog acquisition

Channel	Input	Output	Gap(Out-In)	Result
52	-4.0	-4.0115	-0.0115	Pass
	0.0	-0.0008	-0.0008	Pass
	+4.0	4.0102	0.0102	Pass
84	-4.0	-4.0128	-0.0128	Pass
	0.0	0.0038	0.0038	Pass
	+4.0	4.0201	0.0201	Pass

‘비상종료명령수신 기능’의 검증을 위해 유도무기와 관련된 안전 점검/종료 점검/종료 확인 등을 시나리오별로 수행/확인 하였다.

Fig. 6의 ① 영역은 유도무기의 지상에서 안전 점검을 위한 시나리오대로 동작 명령을 인가하였을 때(FTM_LIFTOFF가 ‘0’인 상태일 때), 비상종료명령(FTM_FIRE)이 발생하는지를 확인하는 시험을 수행하였고, ②의 영역에서는 실제 비상종료명령이 인가 가능한 상태(FTM_LIFTOFF가 ‘1’인 상태일 때)에서 해당 명령이 동작하는지를 확인하였다(FTM_FIRE 및 FTM_ED 발생 여부 확인).

Fig. 6.

Check the emergency destruction command function

‘계측데이터링크 기능’ 확인을 위하여 개발된 VCM 을 활용하였으며, 총 4가지 명령에 대해 영상 선택 및 데이터 크기 등의 변화에 대한 시나리오를 수행하여 확인하였다. ‘비상종료명령수신 기능’을 위해 사용하던 FTS(Flight Termiantion System) 지상 장비를 활용하여 4개의 명령 메시지를 생성할 수 있도록 구현하였다. 이에 각 명령 메시지별로 2개의 영상압축모듈(VCM)의 압축률을 조정하여 통합 모듈과 송신 모듈을 통해 지상으로 전송할 수 있도록 설계하여 영상 확인을 통해 검증하였다.

Table 4.

Video data-rate by 4 commands(Unit; MB)

명령	1번 영상	2번 영상
M1	2.3	2.3
M2	-	4.4
M3	4.4	-
M4	2.2	-

마지막 ‘궤도추적 기능’은 상용의 GPS 레코더를 이용하여 검증을 하였다. 검증 방법은 레코더와 GRM을 케이블로 연결하여 플레이되는 데이터를 전시화면을 통하여 확인하였다.

Fig. 7.

Check the orbit tracking function

3.2 장치의 환경 조건 검증

본 논문에서 구현한 장치를 유도 무기 및 발사체에서 운용하기 위해 MIL-STD-810H의 환경 규격으로 장치를 운용 점검하였다.

Table 5.

Environment test for SMDU by MIL-STD

Test		Profile	Result
Vibration	Cruse (Zone I)	6.5 grms	Pass
Vibration	Boosting (Zone I)	12.1 grms	Pass
Shock		30 g / 11 ms	Pass
High Temp.	Storage	+71±2 ℃, 74 Hour	Pass
High Temp.	Operation	+85±2 ℃, 15 Min.	Pass
Low Temp.	Storage	-33±2 ℃, 24 Hour	Pass
Low Temp.	Operation	-33±2 ℃, 2 Hour	Pass

진동시험은 2가지로 구분하여 발사체의 순항과 부스팅 구간에서의 진동에 대해 모두 시험을 수행하였다. 어느 방향으로 장착이 되어도 적용할 수 있도록 진동과 충격에 대해서는 3축 모두에 대해 수행하였다. 온도 시험은 고온과 저온에서 저장과 운용 시험을 수행, MIL-STD 환경시험 범위에서 동작할 수 있음을 확인하였다.

Fig. 8.

Vibration test for SMDU

3.3 장치 크기/계측 용량 비교 분석

장치의 성능과 환경을 검증한 장치를 Table 6에서처럼 해외의 상용화 된 제품과 비교를 하였다.

Table 6.

Comparison with commercial products

제품	모듈	부피[cm³]	평균 계측수	평균 면적[cm³]
SMDU	12	1,473	17.3	3.67
KOO	13	2,206	11.6	5.96
NOO	7	932	19.5	3.60
POO	13	2,206	11.4	6.02

같은 공간에 장착될 수 있다면, 계측 용량을 증가시킬 수 있으며 협소한 공간에서는 필요한 모듈베이스를 각 비행시험의 목적에 맞추어 선택적으로 구성할 수가 있을 것이다. 또한, 소형화 및 모듈화된 FTM을 기존의 양산 제품에도 적극적으로 활용할 수 있을 것으로 예상된다.

결 론

본 논문에서 제안한 모듈 베이스의 원격측정장치를 소형화 구현하였다. 공간의 제약에서 벗어나 다양한 크기의 발사체에 활용될 수 있도록 소형화 설계하였다. 모듈 베이스로 구현한 이유는 기본적으로 4가지 기능을 구현, 통합하였으나 주어진 성능 시험에 맞게 필요한 모듈을 구성할 수 있도록 스마트하게 구현하였다.

13개의 모듈을 결합하여 기본적인 SMDU를 구성 환경시험 및 성능시험을 수행하였다. ‘원격측정 기능’, ‘계측데이터링크 기능’, ‘비상종료명령수신 기능’, ‘궤도추적 기능’의 4가지 기능에 대해 성능 확인과 운용환경을 확인하였다. 이를 바탕으로 각 목적에 맞게 모듈들을 구성하여 장치를 운용할 수 있는 장치를 구현하였다.

비행체의 내/외부 영상을 실시간으로 확인할 수 있는 영상송신장치는 EFM, PM, VCM, STM으로 구성할 수 있으며, 항공기의 블랙박스처럼 비행체의 상태 정보를 저장할 수 있는 저장 장치는 EFM, PM, ECM, DAQ, PRM으로 구성할 수 있다.