위성 항공 전자 시스템 기능 테스트의 비즈니스 과제 및 기술 과제 해결

​우주 산업은 기술 발전과 정부, 민간 기업 그리고 기타 조직의 투자가 급증하면서 급격한 변화를 맞고 있습니다. 전 세계 국가들이 달, 화성 그리고 그 너머의 우주 관련 프로그램에 엄청나게 투자하고 있으며 민간 기업 또한 재사용 가능한 로켓과 우주에 접근하는 방식을 크게 개선하는 데 상당히 기여하고 있습니다. 궁극적으로 현재와 같은 우주에 대한 경쟁은 지구 관측, 글로벌 통신, 과학 연구, 국방 등을 위해 전례 없이 많은 양의 위성을 배치하면서 더욱 가속화되고 있습니다. ​

위성 기술의 발전은 위성을 개발하는 기업의 비즈니스 기회, 혁신, 기술 발전의 핵심 동인입니다. 그러나 이러한 산업의 변화로 기업과 엔지니어링 팀이 극복해야 할 비즈니스 과제와 기술 과제도 늘고 있습니다. 위성의 핵심은 다양한 센서, 비행 제어를 위한 항공 전자 서브시스템, 전력전자 부품, 통신 시스템 그리고 고유한 임무 하중입니다. 이 백서에서는 개발 수명 주기 전반에 걸쳐 위성 항공 전자 시스템을 테스트하고 기술 과제와 비즈니스 과제를 해결하며 궁극적으로 임무를 성공으로 이끄는 중요한 단계를 설명합니다.

그림 1: 위성은 다양한 센서, 항공 전자 서브시스템, 전력전자 부품, 통신 시스템, 고유한 임무 하중으로 구성됩니다.

​위성 항공 전자 시스템 테스트 과제

​위성 항공 전자 시스템은 위성의 비행을 담당하고 궁극적으로 여러 많은 위성 시스템을 지시하고 제어하는 구성요소 또는 시스템입니다. 항공 전자 시스템 테스트는 성공적인 위성의 개발과 발사 임무를 위한 중요한 단계입니다. 위성 제조업체는 시장 경쟁자가 늘고 정부 프로그램이 더욱 엄격해지면서 비용과 일정에 상당한 압박을 받고 있습니다. 과거의 정부 프로그램과 비교했을 때 현재의 프로그램은 비용을 절감하고 공급망 전체에 항공 전자 구성요소, 위성 버스, 탑재 서브시스템, 완전히 통합된 위성을 더 짧은 시간 내에 제공해야 합니다. 민간 우주 개발 사업을 주도하는 회사의 경우 제한된 자금과 시장 진입자의 증가로 시장 출시 기간을 단축해야 한다는 압박에 시달리고 있습니다. 이러한 극심한 시간적 압박 때문에 테스트 조직의 부담은 점점 더 커져가고 있습니다. 개발이 지연되면 테스트 팀은 주요 일정 때까지 성과를 제공하기 위해 일정을 단축해야 합니다.

그림 2: 실제와 비교한 이상적 프로젝트 개발 일정. 개발이 지연되어 테스트 조직에 시간 압박이 더해집니다.

​​기술적인 면에서 신뢰성과 테스트 정확도를 보장하는 것은 중요한 과제이며 특히 위성 항공 전자 시스템과 탑재 기술의 최신 발전 내용을 잘 파악하는 것 또한 매우 중요합니다. 시장이 저지구 궤도 (LEO) 위성과 더 큰 위성군으로 이동함에 따라 엔지니어링 조직과 제조 조직도 제한된 리소스의 제약을 받으면서 생산량을 10배 이상 늘려야 하는 과제를 안게 되었습니다. 이러한 과제를 해결하기 위해 위성 항공 전자 시스템 테스트에 관련된 조직은 제품 수명 주기 전반에 걸쳐 더 긴밀하고 효율적으로 작업하고 자동화 기술에 투자하며 비즈니스 목표를 달성할 수 있도록 조직 프로세스를 개선해야 합니다.

​NI가 위성 항공 전자 시스템 테스트에 접근하는 방식은 통합된 하드웨어와 소프트웨어 도구, 테스트 자동화를 사용하고 고객이 데이터를 테스트 전략의 핵심으로 삼을 수 있도록 지원하여 효율을 극대화하고 위성의 품질과 신뢰성을 향상시키는 것을 목표로 합니다. 제품 수명 주기 전반에 걸쳐 데이터 수집, 신호 컨디셔닝, 제어 시스템, 자동화된 테스트 소프트웨어를 사용하는 것은 이 접근 방식에서 필수입니다. NI 접근 방식의 목표는 엔지니어가 부품 생산 테스트를 자동화하고 AIT (조립, 통합, 테스트)를 가속화하며 개발 프로세스 초기에 테스트 활동을 전환할 수 있도록 지원하는 것입니다. 데이터 관리와 분석을 위성 구성요소 테스트와 서브시스템 테스트에 통합하면 개발 초기에 문제를 더 쉽고 경제적으로 식별하고 해결할 수 있습니다. NI는 테스트 프로세스를 간소화하고 품질과 신뢰성을 보장하며 궁극적으로 위성 제조업체의 시간과 비용을 절감하는 포괄적인 솔루션을 제공합니다.

그림 3: NI가 위성 테스트에 접근하는 방식은 통합된 하드웨어와 소프트웨어 도구, 테스트 자동화, 고객이 DFT (Design for Test) 전략을 통합할 수 있도록 지원하여 조직의 효율을 극대화하고 위성의 품질과 신뢰성을 향상시키는 것을 목표로 합니다.

​소프트웨어 정의 계측기를 사용하면 검증 테스트와 생산 테스트의 수명 주기 전반에 걸쳐 같은 장비와 측정 IP를 재사용할 수 있어 전반적으로 테스트 장비 비용을 절감할 수 있습니다. 소프트웨어 정의 계측기는 단일 장비가 여러 기능을 하거나 조직 전체에 걸쳐 하드웨어를 표준화하도록 하여 자유롭게 테스트할 수 있도록 지원합니다. 또한 소프트웨어 정의 계측기를 사용하면 테스트를 쉽게 자동화하여 수동 측정을 최소화하고 증가하는 생산량을 지원할 수 있습니다. 제한된 수의 테스트 자산을 표준화하고 재사용하면 측정 기능의 자동화와 개선, 테스트 커버리지 증가, 유연성을 유지하면서 비용을 낮게 유지하는 데 더 많이 집중할 수 있습니다.

​고성능 파라미터 테스트 계측 선택

​위성 항공 전자 시스템은 기계 시스템과 액추에이터는 물론 안내, 항법, 제어 (GN&C), 전력 시스템과 같은 위성의 거의 모든 부분과 상호 작용합니다. 이러한 상호 작용은 제어 신호, 센서 신호, 탐색 및 통신 신호, 전원 등을 통해 이루어집니다. 항공 전자 시스템의 다양한 신호 I/O를 사용하려면 다양한 계측기와 기능을 갖춘 테스트 솔루션이 필요합니다. NI는 PXI 플랫폼에 업계 최고 수준의 데이터 수집, 제어, 전자 계측기를 제공하여 최신 위성 항공 전자 시스템의 모든 기술적 요구사항을 충족합니다. 또한 PXI 플랫폼을 사용하면 채널 수가 증가할 때 신호를 더 많이 추가하거나 시스템에 추가 구성요소가 통합될 때 새로운 신호 타입을 추가할 수 있는 확장 가능한 접근 방식을 도입할 수 있습니다. PXI 타이밍과 동기화는 위성 항공 전자 시스템 테스트 기능이 성능과 규모의 가장 까다로운 기술 요구사항을 충족할 수 있도록 보장합니다.

​광범위한 요구사항을 충족하기 위한 고밀도 계측

​일반적으로 스위칭은 대규모 테스트 포인트 세트에서 측정하는 데 사용되었지만 채널 밀도가 높은 계측을 사용하면 이 작업을 단순화할 수 있습니다. 예를 들어, 모든 전압 측정에 DMM 정확도가 필요한 것은 아니며 고밀도 데이터 수집 (DAQ) 모듈을 사용하면 테스트 시스템 내에서 스위칭할 필요가 없습니다. 계측 장비에는 종종 내부 스위치 또는 고입력 임피던스가 있어 DUT에서 계측 장비를 분리하기 위해 추가로 스위칭할 필요가 없습니다. 또한 고밀도 I/O를 사용하면 더 철저하게 검증 테스트를 진행할 수 있어 프로그램 초기에 문제를 식별하여 프로젝트 일정을 지키고 위험을 줄일 수 있습니다. 위성 항공 전자 시스템은 신호의 밀도와 다양성 때문에 테스트 시간을 효율적으로 지키면서 테스트 커버리지를 최대화하는 것이 어려울 수 있습니다. 그러나 PXI에서 제공되는 밀도는 테스트 시간에 미치는 영향을 최소화하면서 테스트 커버리지를 최대화하여 프로그램 위험을 줄입니다. 중요하지 않은 채널에서 낮은 비용의 고밀도 채널을 사용하여 예기치 않은 과도 현상을 모니터링하면 모든 핀에 동일하게 정밀 조사와 테스트 시간을 줄 필요 없이 더 철저하게 검증할 수 있습니다.  

​범용 I/O는 테스트 중인 DUT에 따라 일부 필수 사항을 측정하기에 적합하지 않을 수 있습니다. 이러한 핀/채널을 측정하기 위해 특수 장비를 연결하거나 외부 신호 컨디셔닝을 사용해야 합니다. 모든 핀/채널을 동시에 측정할 수 있는 것이 이상적인 것이므로 신호 컨디셔닝이 일반적으로 구현됩니다. 이 때문에 지속 가능성 문제와 유지 보수 문제가 많이 발생하기도 합니다. PXI 플랫폼은 테스트 시스템 설계와 유지 보수를 단순화하기 위해 공통 신호 컨디셔닝이 내장된 모듈을 제공합니다. PXI 모듈 외에도 SLSC (스위치 로드 및 신호 컨디셔닝) 섀시를 활용하여 어플리케이션별 신호 컨디셔닝의 요구사항을 충족할 수 있습니다.

​고혼합 테스트 및 확장 가능

​NI의 위성 항공 전자 기능 테스트 솔루션은 포괄적인 혼합 신호 하드웨어 포트폴리오, 측정 추상화 소프트웨어, 완벽하게 맞춤 가능한 시퀀싱 엔진과 자동화 프레임워크, 랙 기반 테스트 시스템 인프라, 추가적인 어플리케이션별 하드웨어를 수용할 수 있는 공간을 제공합니다. 이 인프라를 통해 PXI 기반 테스트 시스템은 대부분 통합된 테스트 시스템의 설계, 조달, 조립, 배포를 간소화할 수 있어 테스트 개발 일정을 상당히 단축할 수 있습니다.  

​또한 대량 상호 연결을 통해 테스트 자산 자체를 변경하지 않고도 여러 제품과 제품군에서 테스트 자산을 활용할 수 있습니다. ITA (인터페이스 테스트 어댑터)를 변경하면 테스트 자산을 재사용하여 값비싼 테스트 도구의 변경을 최소한으로 억제할 수 있습니다. PXI에서 모듈형 I/O를 사용하면 위성 항공 전자 시스템에 필요한 채널 수만큼 시스템을 확장할 수 있습니다. 즉, 한 구성요소용으로 설계된 동일한 시스템을 새 시스템을 구입하지 않고도 향후 프로그램의 요구에 맞게 확장할 수 있습니다. 이러한 시스템은 항공 전자 구성요소 설계에서, 검증, 생산, AIT에 이르기까지 프로그램 수명 주기 전반에 걸쳐 유지 관리될 수 있습니다. 그리고 하드웨어는 소프트웨어 변경 시 재사용되어 다양한 테스트 요구를 충족할 수 있습니다.  

​디지털 항공 전자 시스템 프로토콜 통합

​위성 항공 전자 시스템의 기능을 테스트하는 데 필요한 다양한 계측 외에도 테스트 시스템은 종종 이더넷, Serial RapidIO®, SpaceWire를 포함하되 이에 국한되지 않는 다양한 디지털 항공 전자 시스템 프로토콜을 필요로 합니다. 이러한 인터페이스를 테스트 시스템에 통합하면 특정 사양 요구를 충족할 수 있는 상용 기성품 (COTS) 장비가 부족하기 때문에 일정을 지키고 유지 보수를 실행하는 데 상당한 어려움이 따릅니다. NI는 기술 요구를 충족하는 데 필요한 맞춤 가능성을 지키면서 맞춤형 설계에서 얻을 수 있는 이점과 COTS 솔루션의 이점을 결합하여 기술 요구사항을 충족할 수 있도록 지원하는 접근 방식을 제시합니다. NI 도구에는 사용자 프로그래밍 가능한 FPGA가 통합되어 있어 어플리케이션 요구사항을 최대한 충족할 수 있습니다. 기존의 접근 방식과 달리 NI는 더 높은 수준의 시작 포인트를 제시하여 솔루션 생성에 필요한 엔지니어링 작업을 줄여줍니다.

​고급 자동화 및 대화식 설계 도구

​NI의 PXI 플랫폼은 완전 자동화된 특성화에서 어셈블리와 통합 검증 테스트에 이르기까지 모든 단계에서 실행, 디버그, 신속한 학습을 지원합니다. 설계자와 기술자는 InstrumentStudio와 NI MeasurementLink와 같은 도구를 사용하면 프로그래밍 없이도 친숙한 계측기로 설계 문제를 대화식으로 해결할 수 있습니다. 기본 소프트웨어 프레임워크를 사용하면 이전에 설계 단계에서 최적화된 측정 파라미터를 내보내 TestStand와 같은 도구를 사용하여 자동화된 테스트의 이후 단계에서 재사용하여 자동화된 테스트 시퀀스에서 설계 작업을 활용할 수 있습니다. 

​수명 주기 전반에 걸친 상호 운용성 달성

​오늘날 조직이 직면한 주요 과제는 소프트웨어 프레임워크, 프로그래밍 언어, 테스트 자동화 도구를 사용하는 데 있어 공급업체 간에 표준화가 이루어지지 않았다는 점입니다. 이는 여러 부품 공급업체의 ATE를 사용하여 복잡한 테스트를 수행하기 때문에 위성의 조립, 통합, 테스트 (AIT) 중에 특히 문제를 일으킵니다. NI는 이러한 과제를 극복하기 위해 데이터 공유와 프로세스 제어를 위한 고급 도구와 접근 방식을 도입하여 상호 운용성과 원격 기능이 변화하길 바라는 고객의 요구를 실현했습니다. NI의 원격 기능 도구는 오픈 소스, 고성능 RPC (원격 처리 과정 호출) 프레임워크인 gRPC를 활용하여 조직에 테스트 자산 간의 간단한 소프트웨어 인터페이스를 제공하여 여러 프로그래밍 언어와 환경에서 호환성을 향상시킵니다. 조직은 gRPC를 사용하여 공급업체와 테스트 자산 간 표준 상호 운용성 계층을 구현하여 공급업체가 기존 작업 흐름 내에서 작업하고 선호하는 언어와 도구를 활용할 수 있도록 지원할 수 있습니다.

​제품 데이터 인사이트로 더 신속하게 제품 제공

​빨라진 개발 일정, 날로 치열해지는 시장 경쟁, 진화하는 위성과 탑승 복잡성, 자본과 운영 비용과 같은 시장의 압박은 위성 회사에서 효율적으로 실행하고 성공하는 것을 전반적으로 저해할 수 있습니다. 연결성, 분석, 자동화가 포함된 제품 중심 데이터 전략을 활용하면 이러한 조직은 제품과 프로세스 데이터의 비즈니스 가치를 극대화할 수 있습니다. 제품 중심 데이터 전략은 프로세스와 장비의 기존 데이터 소스를 통합할 뿐만 아니라 사양, 설계 발전, 통합, 특히 테스트와 같은 다른 소스도 추가합니다. 제품 데이터는 결과를 추적하기 때문에 제품 중심 전략의 핵심입니다. 

운영 효율성을 높여야 함에 따라 테스트 작업은 개선된 데이터 생성 기능을 제공하여 노력이 비즈니스 가치로 이어질 수 있도록 해야 합니다. SystemLink™ 소프트웨어는 랩과 생산 테스트 자산을 연결하여 시스템과 시스템이 생성하는 데이터를 중앙 집중식으로 관리할 수 있도록 합니다. 테스트 데이터는 구축과 통합 프로세스 전반에 걸쳐 위성 구성요소와 시스템의 성능을 모니터링하는 데 사용할 수 있으며 이를 통해 개선이 필요한 문제 또는 영역을 식별할 수 있습니다. 위성 회사는 이러한 문제를 조기에 식별하여 일정 지연을 초래할 수 있는 설계 변경을 피할 수 있습니다. 기업은 NI의 SystemLink 소프트웨어 에코시스템을 활용하여 엔지니어의 요구 사항을 충족하는 데 중점을 두고 설계와 테스트 데이터를 분석할 때 소프트웨어와 연결된 현대적인 접근 방식을 사용하는 고급 데이터 관리 전략을 채택할 수 있습니다. SystemLink는 NI의 광범위한 소프트웨어 전문 지식과 새로운 클라우드 및 머신 러닝 기술을 결합하여 엔지니어가 새로운 제품을 빠르게 개발하고 혁신할 수 있도록 지원합니다.

​위성 항공 전자 제품이 복잡해지면서 엔지니어링 팀은 점점 더 촉박해지는 일정을 지키면서 더 복잡한 테스트 시스템을 제공해야 하는 압박을 받고 있습니다. 시장의 경쟁이 심화되면서 이러한 부담은 더욱 가중되기도 합니다. 시장을 선도하는 기업은 탁월한 운영으로 비용을 절감하는 반면, 그 외의 기업들은 따라가기 급급한 경우도 많습니다. 뛰어난 엔지니어들은 이러한 과제를 해결하기 위해 COTS로 구성된 재사용 가능 프레임워크를 활용하여 테스트를 표준화하는 방식을 채택하고 있습니다. 이 접근 방식은 개발 시간을 단축하면서 향후 확장성을 보장합니다.  

​NI는 40년 이상 테스트 분야의 리더였습니다. NI의 플랫폼 기반 테스트 방식은 스펙과 출시 기한 및 예산을 맞출 수 있도록 고성능 계측기와 테스트 개발, 시퀀싱, 관리 소프트웨어 도구를 결합한 솔루션입니다. NI는 프로세스, 시스템, 소프트웨어, 데이터 인프라를 표준화하여 데이터를 최대한 활용하여 제품 성능과 운영을 개선하는 분석과 같은 디지털화 기술의 강력한 기반을 구축할 수 있도록 지원합니다.​

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