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RAM Modeling and Analysis of Earth Observation Constellation Satellites

지구관측 군집위성의 RAM 모델링 및 분석

  • Hongrae Kim (Agency for Defense Development) ;
  • Seong-keun Jeong (MID Co.Ltd.) ;
  • Hyun-Ung Oh (Korea Aerospace University School of Aerospace and Mechanical Engineering (Agency for Defense Development))
  • 김홍래 (국방과학연구소, 위성체계단) ;
  • 정성근 ((주)엠아이디) ;
  • 오현웅 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학부 (국방과학연구소))
  • Received : 2023.09.10
  • Accepted : 2024.01.19
  • Published : 2024.02.28

Abstract

In the recent era of NewSpace, unlike high-reliability satellites of the past, low-reliability satellites are being developed and mass-produced at a lower cost to launch constellations satellites. To achieve cost-effective cluster satellite development, satellite users and developers need to assess the feasibility of maintaining mission performance over the expected lifespan when cluster satellites are launched. Plans for replacements due to random failures should also be established to maintain performance. This study proposed a method for assessing system reliability and availability to maintain mission performance and establish replacement strategies for Earth observation constellation satellites. In this study, a constellation reliability and availability model considering mission performance required for a satellite constellation, situations of satellite backup, and additional ground backups was established. The reliability model was structured based on the concept of a k-out-of-n system and the availability model used a Markov chain model. Based on the proposed reliability model, the minimum number of satellites required to meet mission requirements was defined and satellites needed in orbit during the required mission period to satisfy mission reliability were calculated. This research also analyzed the number of spare satellites in orbit and on the ground required to meet the desired availability during required service period through availability analysis.

최근 뉴스페이스 시대에는 과거의 고신뢰성 위성과 다르게 낮은 신뢰성 위성을 저가의 개발/양산 비용으로 개발하여 군집위성을 발사하고 있다. 경제적인 군집위성 개발을 위해서는 위성 사용자/개발자는 군집위성으로 발사되었을 때 기대되는 수명기간 동안 임무 성능의 유지 가능성 여부를 검토해야 한다. 또한, 성능유지를 위해 임의 고장에 의한 교체 계획도 수립되어야 한다. 본 연구에서는 지구관측 군집위성의 임무 성능의 유지와 교체 전략 수립을 위해 시스템 신뢰성 및 가용성 평가 방법을 제안하였다. 본 연구에서는 위성 백업 및 지상 추가 발사 백업 상황과 군집위성에 요구되는 임무 성능을 고려한 군집위성 신뢰성 및 가용성 모델을 구성하였다. 신뢰성 모델은 k-out-of-n system의 개념으로 구성되었고 가용성 모델은 마르코프 체인 모델을 이용하였다. 제안된 신뢰성 모델을 바탕으로 임무 요구사항에 필요한 최소 위성 개수를 정의하고, 요구 임무기간 동안 요구 임무 신뢰성 만족을 위해 궤도상 필요한 위성을 계산하였다. 또한 가용성 분석을 통해 요구 서비스기간 동안 요구 가용성 만족을 위한 궤도상 위성 여분 및 지상 여분의 개수를 분석하였다. 마지막으로 비용모델을 적용하여 위성의 신뢰성 및 개발 위성 개수간에 절충분석 개념을 제안하였다.

Keywords

Acknowledgement

본 논문은 국방과학연구소의 2019 미래도전기술개발사업 PM 기획사업(초소형 SAR 위성군 설계 및 제작을 통한 운용능력 확보)을 통해 도출된 연구결과입니다.

References

  1. A. Sanchez, T. Soares, and A. Wolahan "Reliability aspects of mega-constellation satellites and their impact on the space debris environment," In: 2017 Annual Reliability and Maintainability Symposium (RAMS). IEEE, 2017. p. 1-5. Mar, 2017 
  2. S. Sung, "The Role of Reliability Engineering in the Transition from Integrated Logistics Support to Integrated Product Support." Journal of Applied Reliability, vol. 22, no.3, pp. 319-324 
  3. J. Roca, "Cosmo-Skymed Ground Segment Ram Analysis. In: Safety and Reliability". Taylor & Francis, 2013. p. 31-55. 
  4. L. Bitetti, R. Bernard, B. Ratti, F. Giandomenico, and A. Pirovano, "RAMS analyses and tool supporting end of life decision." CEAS Space Journal, 2023, 1-10. 
  5. H. Zhang, D. Meng, and T. Xin, "A modeling and analysis strategy of constellation availability using on-orbit and ground added launch backup and its application in the reliability design for a remote sensing satellite," Advances in Mechanical Engineering, vol. 10, no. 4, 2018 
  6. W. Huang, W. Huang, J. Loman, R. Andrada, M. Hanson, and D. Borja. "An Optimal Two-Stage Launch Plan of a Satellite Constellation to Maintain Mission Reliability Requirement." In: 2018 Annual Reliability and Maintainability Symposium (RAMS). IEEE, 2018. pp. 1-7. Sep, 2018 
  7. B. Merrel, J. Chrone, J. Dempsey, S. Deacon, and M. Nadeau. "A Methodology for Reliability Assessments of Arbitrary Satellite Constellations". In: ASCEND 2022, p.4204, Oct. 2022 
  8. A. Elasyed, "Reliability Engineering", Wiley, 2020, pp. 231-235 
  9. S. Yoo, Y. Jin, and J. Lee, "A Study on the Reliability Management Program during Spacecraft Development," Journal of Applied Reliability, vol.8, no. 3, pp. 145-154.
  10. H. Kim, K. Lee, T. Kim, H. Lee, J. Son, S. Song, and H. Oh, "Analysis of FoM and Operational Concept for Small SAR Satellite". In proceeding of 2020 KSAS Conference, pp. 392-393. Nov. 2020 
  11. Y. Kim, Y. Chun, C. Lee, J. Lee, D. Ahn, J. Hur, and J. Jang ," A Study for New-Reliability and Availability Prediction/Analysis Methods for Clustered Microsatellites." In proceeding of 2022 KSAS Conference, pp. 620-621. Nov. 2022 
  12. S. Song, H. Kim, and Y. Chang, "Analysis on Figure of Merits of Small SAR Constellation Satellites for Targets Detection", Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, vol. 47, no. 2, pp.130-142. 
  13. J. Son, Y. Song, J. Park, S. Song, and H. Oh, "Orbit Design and Mission Performance Analysis of Small SAR Satellite Constellations for Regional Surveillance and Reconnaissance Missions.", In proceeding of 2022 KSAS, pp. 1507-1509. Nov. 2022. 
  14. Y. Chang, H. Kim, J. Kang, "Development of reliability-corrected cost model for small earth observation satellites". Acta Astronautica, Vol. 88, pp. 163-175.