[논문]달 탐사를 위한 한국형 심우주 지상국

김상구; 윤동원; 현광민

doi:10.5139/jksas.2010.38.5.499

달 탐사를 위한 한국형 심우주 지상국
Ground Stations of Korean Deep Space Network for Lunar Explorations 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.38 no.5, 2010년, pp.499 - 506

김상구 (한양대학교 전자통신공학부) , 윤동원 (한양대학교 전자통신공학부) , 현광민 (강릉원주대학교 정보통신공학과)

초록
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세계 각국은 이미 우주 개발을 위한 치열한 경쟁에 돌입하였으며, 우리나라도 2020년에 달 탐사선 발사 및 2025년에 달 착륙선 발사를 계획하고 있다. 우리나라 달 탐사 계획을 성공적으로 수행하기 위해서는 심우주 통신 기술 및 지상국 설치등과 같은 심우주 관련 기술 개발이 필요하다. 이를 위하여 심우주 관련 선진국들과의 협력을 통하여 축적된 경험 및 기술을 바탕으로 한국형 달 탐사 임무에 적합한 심우주 통신 방식을 개발하고 독자적인 지상국을 확보하여야 한다. 본 논문에서는 우리나라의 DSN을 성공적으로 정착시키기 위하여 국외 DSN과 심우주 통신 기술에 대해서 살펴보고, 이를 바탕으로 링크 마진을 비롯한 여러 가지 기술적 요구사항을 제시하며 우리나라의 달 탐사 계획을 위해 필요한 최적의 지상국 확보 전략을 제안한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Many countries of the world have been launched the competition of space development and Korea also has a plan for the launch of Lunar orbiter in 2020 and Lunar lander in 2025 for Lunar explorations. For the success of the planned Lunar exploration, we need to enhance the required deep space communication technologies. To achieve our goals, we should develop space communications system and Korean DSN (deep space network) based on experiences and technologies through cooperation with the advanced countries in the field of deep space exploration. In this paper, we investigate overseas DSNs and deep space communication systems, and present the link margin and other technical requirements for successful DSN deployment. In addition, we propose a best strategy to secure domestic ground stations for the Korean Lunar exploration missions.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 국외 달 탐사 시스템 사례를 조사하고, 심우주 통신용 지상국을 위한 기술적인 요구사항을 제시하였다. 특히 달 탐사 데이터 전송을 위한 통신 시스템에서 링크 성능을 기초로 분석해 보면 기존 우리나라에서 보유하고 있는 S 및 X 대역의 위성 통신용 지상국들을 심우주 통신용으로 제한적으로나마 활용 가능성이 있음을 확인하였다.
본 논문에서는 우리나라가 계획한 달 탐사를 성공적으로 수행하기 위하여 국외 우주 선진국들의 달 탐사 사례, 지상국 현황 및 통신 규격을 기반으로 심우주 통신을 위한 링크 성능과 기타 기술적 요소 분석을 수행한다. 이 결과를 이용하여 우리나라 달 탐사 계획을 위한 심우주 통신 시스템 및 심우주 지상국에 관한 기술적인 요구사항을 도출한다.
본 논문에서는 우리나라가 계획한 달 탐사를 성공적으로 수행하기 위하여 국외 우주 선진국들의 달 탐사 사례, 지상국 현황 및 통신 규격을 기반으로 심우주 통신을 위한 링크 성능과 기타 기술적 요소 분석을 수행한다. 이 결과를 이용하여 우리나라 달 탐사 계획을 위한 심우주 통신 시스템 및 심우주 지상국에 관한 기술적인 요구사항을 도출한다. 또한, 우리나라 심우주 연구의 현실적 여건을 고려하여 국내 위성용으로 사용되는 지상국 및 천체 관측을 위한 전파 망원경과 같은 여러 가지 우주 관련 가용 자원들을 분석하여 다양한 심우주 지상국 확보 전략들을 제안한다.
먼 거리에서 데이터를 송신하는 탐사선의 경우에는 탐사선의 탑재체를 감안하면 안테나 크기, 송신 전력 등이 매우 제한적일 수밖에 없다. 이러한 제약사항을 극복하기 위한 방안으로는 지상국의 수신 성능을 향상시키는 것이다. 이러한 방법으로는 두 가지가 존재한다.
그러므로 본 논문에서는 하향 링크의 경우, 10Mbps의 전송속도 지원을 기준으로 분석한다. 이를 통하여 본 장에서는 국외 지상국 시스템에 대하여 알아보고, 달 탐사선과의 원활한 통신을 하는데 필요한 지상국의 요구사항에 대하여 연구한다.

가설 설정

S, X, Ka 송신 주파수 대역을 2295, 8420, 32000MHz로 설정하여 국제 우주 통신 권고 규격인 CCSDS(Consultative Committee for Space Data Systems)의 주파수 설정기준에 준하였다[15]. 달 탐사선의 안테나 직경은 1.2m, 송신 전력은 20W, 송신안테나 효율은 0.7, 달 전속 밀도 손실은 3.96~5.4dB, 달 탐사선의 안테나 잡음 온도는 500K로 가정한다[16][17]. 또한 주파수 대역별 강우 감쇠는 국제전기통신연합(ITU-R: International Telecommunication Union Radiocommunication)에서 권고하는 수치를 기준으로 한 통계적인 강우 감쇠량을 가정하였다[18]
4dB, 달 탐사선의 안테나 잡음 온도는 500K로 가정한다[16][17]. 또한 주파수 대역별 강우 감쇠는 국제전기통신연합(ITU-R: International Telecommunication Union Radiocommunication)에서 권고하는 수치를 기준으로 한 통계적인 강우 감쇠량을 가정하였다[18]
본 논문에서 고려하는 지상국 안테나 직경은 현재 국내에서 위성 통신용으로 사용되고 있는 7.3m, 13.2m의 S / X대역 안테나 및 국외 지상국에서 운용하고 있는 26m, 34m의 S / X / Ka 대역 안테나를 기준으로 하고, 데이터 전송속도는 10Mbps로 가정한다. 이러한 지상국의 안테나 직경 및 대역에 따른 달 탐사선과 지상국 간의 하향링크 성능을 그림 1에 나타내었다.

제안 방법

최근 달 탐사선인 셀레네 1호의 경우, S 대역에서 16kbps, X 대역에서 10Mbps의 데이터 전송속도를 지원하였다[11]. 그러므로 본 논문에서는 하향 링크의 경우, 10Mbps의 전송속도 지원을 기준으로 분석한다. 이를 통하여 본 장에서는 국외 지상국 시스템에 대하여 알아보고, 달 탐사선과의 원활한 통신을 하는데 필요한 지상국의 요구사항에 대하여 연구한다.
이 결과를 이용하여 우리나라 달 탐사 계획을 위한 심우주 통신 시스템 및 심우주 지상국에 관한 기술적인 요구사항을 도출한다. 또한, 우리나라 심우주 연구의 현실적 여건을 고려하여 국내 위성용으로 사용되는 지상국 및 천체 관측을 위한 전파 망원경과 같은 여러 가지 우주 관련 가용 자원들을 분석하여 다양한 심우주 지상국 확보 전략들을 제안한다.
두 번째, 지상국에서 사용하는 안테나의 이득을 높이는 방법이다. 통신 기술을 이용한 수신 성능 향상 방법은 이동통신 등에서 많은 새로운 방법들이 연구되고 있지만 탐사선은 설계 기술과 설비로 인한 기술의 경직성이 크고 통신 기술의 발달에 따라 변경될 가능성이 적기 때문에 본 논문에서는 원활한 수신을 위한 지상국에 초점을 맞춘다.
또한 이러한 기술 및 시스템을 세계 각국의 우주 탐사에 지원하여 경제적인 이익을 추구하고 있으며, 상호-지원하여 추가적인 지상국 건설에 필요한 경비 절감의 효과도 함께 추구하고 있다. 현재 달 탐사에 사용되고 있는 세계 각국의 지상국 현황을 2장에서 살펴보았으며, 표 1에는 국외 지상국 시스템의 안테나 직경, 주파수 대역 등의 주요 특징을 요약하여 나타내었다.

대상 데이터

일본은 일본우주항공연구개발기구(JAXA: Japan Aerospace Exploration Agency)를 중심으로 신흥 우주강국을 목표로 우주개발 사업에 박차를 가하고 있다. 1990년 달 탐사 궤도선 Muses A 계획과 2004년 루나 A 계획, 그리고 2007년 셀레네(SELENE: Selenological and Engineering Explorer) 1호를 통하여 달 탐사를 추진하였으며, 셀레네 2호를 추진중에 있다. 이러한 계획과 함께 심우주 통신을 목적으로 나고야현의 Usuda와 Uchinoura에 지상국을 건설하였다.

이론/모형

또한 달 탐사선 안테나 타입, 송신 안테나 회로 손실, 송신 지향 손실 등의 기준모델의 세부 사항을 표 2에 나타내었다[13][14]. S, X, Ka 송신 주파수 대역을 2295, 8420, 32000MHz로 설정하여 국제 우주 통신 권고 규격인 CCSDS(Consultative Committee for Space Data Systems)의 주파수 설정기준에 준하였다[15]. 달 탐사선의 안테나 직경은 1.

성능/효과

1) 위성에 따라 지상국 안테나는 제한된 시간에 그 위성을 지향하고 있어야하므로 달 탐사를 위한 통신 시간에 영향을 받을 수 있다.
2) 고속 대용량 데이터 전송에 있어 전송 속도에 제한이 있을 수 있다.
본 논문에서는 국외 달 탐사 시스템 사례를 조사하고, 심우주 통신용 지상국을 위한 기술적인 요구사항을 제시하였다. 특히 달 탐사 데이터 전송을 위한 통신 시스템에서 링크 성능을 기초로 분석해 보면 기존 우리나라에서 보유하고 있는 S 및 X 대역의 위성 통신용 지상국들을 심우주 통신용으로 제한적으로나마 활용 가능성이 있음을 확인하였다. 신규 지상국을 건설하려면 적지 않은 예산이 소요된다.

후속연구

3) 기존의 지상국은 각각 서비스와 목적들을 달리하므로 이에 대한 고려가 필요하고 좀 더 세밀한 분석을 수행한 후 활용 가능 여부를 판단해야 한다. 또한, 설비 관점에서 심우주 통신방식을 지원하기 위해서는 추가적인 설치와 변경이 필요하며, 병행 서비스를 위한 여러 가지 고려 사항이 발생하게 되므로 조심스런 접근이 필요하다.
신규 지상국을 건설하려면 적지 않은 예산이 소요된다. 만약 예산과 정책적인 문제 등으로 인하여 새로운 심우주 통신용 지상국 건설이 어렵다면, 국내에서 운용중인 여러 가지 위성 통신용 지상국들을 정책적 관점과 서비스 측면에서 고려하고, 설비의 변경 및 추가를 통하여 심우주 통신에 활용이 가능한지에 대한 세밀한 연구를 수행한 후 결정이 이루어져야 한다. 그러나 앞으로 국제 상호 협력 및 고속 대용량 데이터 전송을 위하여 S, X 대역 뿐 만 아니라 Ka 대역의 지상국이 필요하며, 이를 위해서는 궁극적으로 신규 심우주 지상국 건설이 필요하다.
본 논문에서는 10Mbps를 기준으로 링크 성능을 도출하였지만, 향후 대용량 멀티미디어 데이터를 전송하기 위해서는 더 높은 전송 속도와 넓은 대역폭이 요구될 것이다. 따라서 기존의 지상국을 활용한다면 이러한 제한 조건들이 고려되어야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	S대역 안테나의 직경이 X대역보다 큰 이유는 무엇인가?	일반적으로, 사용하는 주파수 대역에 따라 동일한 링크 성능을 만족하는 안테나 직경은 달라지게 된다. 동일한 성능을 가지는 S대역 안테나 직경은 X대역에서 사용하는 안테나 직경보다 주파수가 낮기 때문에 요구되는 안테나의 직경이더 커지게 된다. 따라서 동일한 대역에서 안테나 직경이 커짐에 따라 수신 안테나 이득이 향상되기 때문에 링크 성능이 증가함을 알 수 있다.
	신뢰성 있는 통신 링크를 구축하기 위하여 지상국 - 달 탐사선 간의 링크구성에 필요한 거리는 몇으로 정의하는가?	신뢰성 있는 통신 링크를 구축하기 위하여 지상국 - 달 탐사선 간의 링크구성에 필요한 거리는 384,403km로 정의한다[12]. 또한 달 탐사선 안테나 타입, 송신 안테나 회로 손실, 송신 지향 손실 등의 기준모델의 세부 사항을 표 2에 나타내었다[13][14].
	지상국의 수신 성능을 향상시키는 방법에는 무엇이 있는가?	첫 번째, 달 탐사선에서 지상국으로 데이터를 송신할 경우, 신뢰성을 높이기 위하여 채널코딩, 변복조 방식 등 신호처리 방법을 이용한 수신 성능 향상 기법을 사용하는 것이다. 두 번째, 지상국에서 사용하는 안테나의 이득을 높이는 방법이다. 통신 기술을 이용한 수신 성능 향상 방법은 이동통신 등에서 많은 새로운 방법들이 연구되고 있지만 탐사선은 설계 기술과 설비로 인한 기술의 경직성이 크고 통신 기술의 발달에 따라 변경될 가능성이 적기 때문에 본 논문에서는 원활한 수신을 위한 지상국에 초점을 맞춘다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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