[논문]대형 적외선 우주망원경 SPICA/FPC-G의 정밀 별추적 요구사항과 타당성 연구

정웅섭; 이대희; 표정현; 문봉곤; 박성준; 이창희; 박영식; 한원용; 남욱원

doi:10.5303/pkas.2012.27.5.391

대형 적외선 우주망원경 SPICA/FPC-G의 정밀 별추적 요구사항과 타당성 연구
REQUIREMENTS AND FEASIBILITY STUDY OF FPC-G FINE GUIDING IN SPACE INFRARED TELESCOPE, SPICA 원문보기

천문학논총 = Publications of the Korean Astronomical Society, v.27 no.5, 2012년, pp.391 - 397

정웅섭 (한국천문연구원) , 이대희 (한국천문연구원) , 표정현 (한국천문연구원) , 문봉곤 (한국천문연구원) , 박성준 (한국천문연구원) , 이창희 (한국천문연구원) , 박영식 (한국천문연구원) , 한원용 (한국천문연구원) , 남욱원 (한국천문연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

The SPICA (SPace Infrared Telescope for Cosmology & Astrophysics) project is a next-generation infrared space telescope optimized for mid- and far-infrared observation with a cryogenically cooled 3m-class telescope. It will achieve the high resolution as well as the unprecedented sensitivity from mid to far-infrared range. The FPC (Focal Plane Camera) proposed by KASI as an international collaboration is a near-infrared instrument. The FPC-S and FPC-G are responsible for the scientific observation in the near-infrared and the fine guiding, respectively. The FPC-G will significantly reduce pointing error down to below 0.075 arcsec through the observation of guiding stars in the focal plane. We analyzed the pointing requirement from the focal plane instruments as well as the error factors affecting the pointing stability. We also obtained the expected performance in operation modes. We concluded that the FPC-G can achieve the pointing stability below 0.075 arcsec which is the requirement from the focal plane instruments.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 SPICA의 시스템 기기인 FPC-G 개발을 위한 요구사항을 분석하여, 기본적인 설계 개념을 도출하며 시스템에서 원하는 정밀 별 추적 기능을 수행할 수 있는지에 대한 타당성을 조사하고자 한다.

가설 설정

그림 10은 위성의 움직이는 각속도에 따라 검출되는 추적용 별의 개수를 보여주고 있다. 관측 위치는 가장 별의 개수가 적다고 여겨지는 은위 90도의 경우를 가정하였다. 최대 이동 각속도인 초당 1.
위성의 각속도가 커짐에 따라 얻게되는 별상은 한 방향으로 늘어나게 되고, 이에 따라 별 이미지의 신호대 잡음비가 떨어지게 된다. 위성의 움직임이 한 방향으로 일정하게 움직인다고 가정하여, 시뮬레이션을 통해 자세 결정 안정도를 구하였다.

제안 방법

4.2절에서 얻은 자세 결정 안정도를 바탕으로 각 관측 기기에서 요구되는 관측 방식에서의 제한점을 추산해 보았다. 위성의 각속도가 커짐에 따라 얻게되는 별상은 한 방향으로 늘어나게 되고, 이에 따라 별 이미지의 신호대 잡음비가 떨어지게 된다.
5 AB등급이다. 가장 별의 개수가 적은 지역인 은위 90도 지점에서 얻을 수 있는 추적용 별의 개수를 조사하였다. 중심점을 구할 때 오차가 충분히 작은 30σ 별들의 개수를 구하였다.
2절에서 다룰 예정이다. 광 검출기의 여러 위치에서 별상을 측정하여(그림 3 참조), 비선형 공간척도의 보정항, 광축에서 벗어난 정도의 보정항, 스마일 보정항2 등을 다항식 맞추기를 통해 광학적 왜곡을 보정한다.
기존의 별 추적기로는 이러한 요구조건을 만족하지 못하기 때문에, 초점면에 별도의 관측기기를 제안하여 0.075″의 높은 자세 결정 안정도를 얻고자 한다.
075″의 높은 자세 결정 안정도를 얻고자 한다. 수치 시뮬레이션을 통해 여러 요구 조건을 분석하고, 실제 FPC-G가 높은 자세 결정을 위한 정밀 별추적 기능을 구현할 수 있는지에 대한 타당성을 조사하였다.
정밀 자세 결정에 영향을 주는 요인들을 분석하여 전체 오차를 추산하였다. 이로부터 관측 방식에서 요구하는 0.
중심점을 구할 때 오차가 충분히 작은 30σ 별들의 개수를 구하였다.
추적용 별의 인식은 잡음의 일정 임계값 보다 큰 신호만을 택하여 별을 인식하는 문턱값 인식 알고리즘을 사용하였고, 별의 중심 위치 결정은 각 화소의 위치에서 신호값의 크기로 가중치를 주는 중심점 알고리즘을 사용하여 구하였다. 그림 8에서 보듯이, 30σ의 밝기를 가진 별의 자세 결정 안정도는 0.

성능/효과

추적용 별목록으로 쓰일 GSCII는 점광원인 별/은하로 판별하는 정확도는 90%이상이며, 전체 별목록에서 점광원은 약 28%정도 되며 나머지는 한 방향으로 약간 퍼진 형태의 천체(주로 은하)이다. 19등급 이상되는 추적용 별들은 약 5.6억여개로 FPC-G의 시야각에서 평균적으로 100여개가 검출될 수 있다. 다른 정밀한 별목록과 비교하였을 때, 위치 오차는 0.
광학설계를 통해 점광원의 크기가 검출기 화소크기보다 작게 나타났으며, 시뮬레이션으로부터 확산필터를 통해 1.5화소 이상으로 점광원을 퍼뜨려야 함을 찾았다. 아울러 광학 보정식을 사용해 얻은 오차 보정 한계는 0.
시뮬레이션을 통해 FPC-G로부터 요구조건을 만족하는 정밀 자세 안정도를 구현 할 수 있음을 확인하였으며, 관측 시야 내에 자세 결정에 필요한 별의 개수가 최소 10개 이상으로 존재하며 최대 지원 각속도가 초당 1.4″임을 얻었다.
추적용 별목록으로 쓰일 GSCII는 점광원인 별/은하로 판별하는 정확도는 90%이상이며, 전체 별목록에서 점광원은 약 28%정도 되며 나머지는 한 방향으로 약간 퍼진 형태의 천체(주로 은하)이다. 19등급 이상되는 추적용 별들은 약 5.

후속연구

SAFARI 관측의 경우는 10 ~ 72″로 높은 각속도의 움직임을 요구하고 있다. FPC-G의 추적 방식으로는 이러한 높은 각속도를 만족하지 못하므로, 외부의 별 추적기를 사용하여 SAFARI의 관측 방식을 구현해야 할 것이다.
망원경 전체를 4.5 K까지 냉각하여 중⋅원적외선 파장 영역의 관측에 최적화할 예정이다.
최근 한국 측의 역할을 명확히 하여, 한국천문연구원(KASI) 주도로 독자적인 근적외선 기기에 대한 개발을 제안하여 SPICA 프로젝트에 참여를 희망하고 있다. 한국이 제안하는 기기는 SPICA의 시스템 기기로서, 별 추적기와 더불어 초점면에 위치해 보다 정밀한 위치정보를 자세제어 시스템에 전달하는 역할을 수행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	별 추적기란 무엇인가?	별 추적기는 인공위성에 부착되어 움직이지 않는 별들을 관측해 위성의 위치를 보정하는 기기를 말한다. 우주망원경의 경우, 그 목적에 따라 수분에서 수초의 정밀도로 자세결정을 하며 관측을 수행한다.
	SPICA 프로젝트에 한국이 제안하는 기기는 어떤 역할을 수행할 예정인가?	최근 한국 측의 역할을 명확히 하여, 한국천문연구원(KASI) 주도로 독자적인 근적외선 기기에 대한 개발을 제안하여 SPICA 프로젝트에 참여를 희망하고 있다. 한국이 제안하는 기기는 SPICA의 시스템 기기로서, 별 추적기와 더불어 초점면에 위치해 보다 정밀한 위치정보를 자세제어 시스템에 전달하는 역할을 수행할 예정이다.
	SPICA란 무엇인가?	SPICA(SPace Infrared telescope for Cosmology and Astrophysics)는 일본 ISAS(Institute of Space and Astronautical Science)/JAXA(Japan Aerospace Exploration Agency) 주도의 국제협력으로 추진되고 있는 차세대 대형 적외선 우주망원경 프로젝트이다(Nakagawa, 2010). 망원경 전체를 4.

참고문헌 (7)

Benedict, G. F., et al., 1998, Working with a Space-based Optical Interferometer: HST Fine Guidance Sensor 3 Small-field Astrometry, Proc. of SPIE, 3350, 229
Lasker, B. M., et al., 2008, The Second-Generation Star Catalog: Description and Properties, AJ, 136, 735

상세보기
Lee, H., et al., 1995, Prototype Development of the Star Sensor for The KITSAT-3, JASS, 12, 256
Nah, J., Yi, Y., & Kim, Y. H., 2005, Development of Daytime Observation Model for Star Sensor and Centroiding Performance Analysis, JASS, 22, 273

원문보기 상세보기
Nakagawa, T., 2010, The Next-generation Space Infrared Astronomy Mission SPICA, Proc. of SPIE, 7731, 18
Shin, I. -S., et al., 2006, EM Development of Dual Head Star Tracker for STSAT-2, IJASS, 34, 96

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Skrutskie, M. F., et al., 2006, The Two Micron All Sky Survey (2MASS), AJ, 131, 1163

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