달 탐사 통신 시스템에 영향을 미치는 요소 중 하나인 태양활동은 오는 2013년 가을에 11년 주기로 나타나는 태양 활동 극대기를 맞이하며, 이에 따라 태양 폭발 빈도와 강도가 증가할 것으로 예상되고 있다. 태양 폭발은 지구 자기권에 영향을 미쳐 과학, 방송, 통신, 군사 위성 또는 탐사선 등의 오작동, 통신 두절, 장비 고장 등을 발생시키는 원인이 될 수 있으며, 이러한 문제점은 막대한 물리적, 경제적 손실을 가져올 수 있다. 따라서 태양 폭발이 달 탐사선에 미치는 영향에 대한 분석을 수행하여 예상되는 손실을 최소화해야 할 것이다. 본 논문에서는 탐사선의 생존성을 높이고 안정적인 통신 채널 운용을 위하여 태양 폭발에 따른 지상국 - 달 탐사선 간의 통신 모델과 그 성능을 분석한다.
달 탐사 통신 시스템에 영향을 미치는 요소 중 하나인 태양활동은 오는 2013년 가을에 11년 주기로 나타나는 태양 활동 극대기를 맞이하며, 이에 따라 태양 폭발 빈도와 강도가 증가할 것으로 예상되고 있다. 태양 폭발은 지구 자기권에 영향을 미쳐 과학, 방송, 통신, 군사 위성 또는 탐사선 등의 오작동, 통신 두절, 장비 고장 등을 발생시키는 원인이 될 수 있으며, 이러한 문제점은 막대한 물리적, 경제적 손실을 가져올 수 있다. 따라서 태양 폭발이 달 탐사선에 미치는 영향에 대한 분석을 수행하여 예상되는 손실을 최소화해야 할 것이다. 본 논문에서는 탐사선의 생존성을 높이고 안정적인 통신 채널 운용을 위하여 태양 폭발에 따른 지상국 - 달 탐사선 간의 통신 모델과 그 성능을 분석한다.
Since the solar activity, one of the factors influencing on lunar communication systems, is to reach its maximum occurring at 11-year solar cycle in autumn 2013, the solar burst frequency and strength are expected to increase. The solar burst has an effect on earth magnetosphere and causes malfuncti...
Since the solar activity, one of the factors influencing on lunar communication systems, is to reach its maximum occurring at 11-year solar cycle in autumn 2013, the solar burst frequency and strength are expected to increase. The solar burst has an effect on earth magnetosphere and causes malfunction, loss of communication, and breakdown of various types of satellites and probes. These problems give rise to huge economic and physical loss. Therefore, we should analyze the effect of solar burst on lunar communications and minimize the expected loss. In this paper, we perform the analysis of the link model and link performance between a land station and a lunar orbiter under the solar burst for orbiter's survivability and stable communication channel operations.
Since the solar activity, one of the factors influencing on lunar communication systems, is to reach its maximum occurring at 11-year solar cycle in autumn 2013, the solar burst frequency and strength are expected to increase. The solar burst has an effect on earth magnetosphere and causes malfunction, loss of communication, and breakdown of various types of satellites and probes. These problems give rise to huge economic and physical loss. Therefore, we should analyze the effect of solar burst on lunar communications and minimize the expected loss. In this paper, we perform the analysis of the link model and link performance between a land station and a lunar orbiter under the solar burst for orbiter's survivability and stable communication channel operations.
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문제 정의
본 논문에서는 달 탐사 통신 시스템에서 태양 폭발이 지상국 - 달 탐사선 통신 링크에 미치는 영향을 반영한 링크 성능을 분석하였다. 상향링크에서는 상대적으로 낮은 전송 속도와 안정적인 지상국 시스템 구성으로 태양 플럭스에 크게 영향을 받지 않지만, 하향링크의 경우에는 태양 플럭스의 양에 따라 터보 부호화율을 높이더라도 목표 전송 속도를 만족시키지 못하여 통신 장애가 일어 날 수 있음을 확인하였다.
본 논문에서는 태양 폭발이 지상국 - 달 탐사선 간의 통신 링크에 미치는 영향을 고려한 링크 성능을 계산하고, 태양 폭발에 따라 발생할 수 있는 여러 상황에 대한 시나리오를 작성하여 상황에 따라 통신 링크 유지를 위한 대처 방법을 제안한다. 본 논문의 구성은 다음과 같다.
본 절에서는 태양 폭발 강도에 따른 영향을 분석하기 위한 지상국 - 달 탐사선 간의 링크 모델을 설계한다. 표 1과 2에는 링크 성능 분석을 위해 CCSDS (The Consultative Committee for Space Data Systems) 및 해외 운용 사례를 이용하여 각 세부 성능 변수들을 규격화함으로서 주파수 대역별 지상국 - 달 탐사선 간의 상/하향 통신 링크 모델을 설계하였다 [11,12].
태양 폭발에 따른 통신 링크 성능 분석을 위하여 태양 폭발의 강도, 발생 빈도, 지속 시간 등의 특성에 대한 분석이 필요하다. 태양 폭발의 발생 빈도는 기존 연구에 의하여 예측 가능하지만 폭발 강도와 지속 시간은 예측이 어려운 문제점이 있으므로, 본 논문에서는 단발성 폭발과 연발성 폭발의 두 가지 시나리오로 나누어 통신 링크에 미치는 영향을 분석하고 안정적으로 통신 채널을 확보할 수 있는 방안을 제시한다.
가설 설정
지상국에서 달 탐사선으로 Telecommand 신호를 전송하는 상향링크의 경우 목표 전송속도는 2Mbps로 가정하고, 달 탐사선에서 지상국으로 신호를 전송하는 하향 링크의 경우, NASA의 DSN 규격과 상호 호환되기 위한 최대 전송 속도인 52Mbps로 가정한다[13]. 링크 모델에서 설정된 등가 시스템 잡음 온도를 적용하면 잡음전력 밀도(N0)는 식 (1)과 같이 나타낸다[14].
제안 방법
이 경우 태양 플럭스의 강도와 통신 채널 파라미터들의 관계를 분석할 필요가 있다. 먼저 태양 폭발에 따른 링크 성능 분석을 위하여 각각의 대역, 변조 방식, 터보 부호화율에 따른 링크 마진을 도출한다.
본 절에서는 태양 폭발 강도에 따른 영향을 분석하기 위한 지상국 - 달 탐사선 간의 링크 모델을 설계한다. 표 1과 2에는 링크 성능 분석을 위해 CCSDS (The Consultative Committee for Space Data Systems) 및 해외 운용 사례를 이용하여 각 세부 성능 변수들을 규격화함으로서 주파수 대역별 지상국 - 달 탐사선 간의 상/하향 통신 링크 모델을 설계하였다 [11,12].
성능/효과
Ka 대역의 경우, 부호화되지 않은 8PSK, 4+12 APSK, 4+12+16 APSK에서 목표 전송 속도를 만족시키지 못하였으며, 1/3 및 1/6 터보 부호화된 각각의 변조방식에서 89,300∼288,100 SFU 이하에서 통신 가능함을 확인할 수 있다. 달 탐사 통신시스템에서 상향링크에서는 태양 플럭스에 크게 영향을 받지 않는 반면, 하향 링크에서는 태양 플럭스에 따라 영향을 받으며, 태양 플럭스가 심해지면 통신 장애가 일어 날 수 있음을 확인할 수 있다.
59 × 104, 2 × 106, 8 × 106까지 2Mbps로 전송 가능함을 확인 할 수 있다. 따라서 달 탐사선은 사용 대역에 따라 태양 폭발을 고려하여 적응적 변조 및 채널 부호화 방법을 이용한 최대 전송속도를 선택하여 전송 가능함을 확인 할 수 있다.
본 논문에서는 달 탐사 통신 시스템에서 태양 폭발이 지상국 - 달 탐사선 통신 링크에 미치는 영향을 반영한 링크 성능을 분석하였다. 상향링크에서는 상대적으로 낮은 전송 속도와 안정적인 지상국 시스템 구성으로 태양 플럭스에 크게 영향을 받지 않지만, 하향링크의 경우에는 태양 플럭스의 양에 따라 터보 부호화율을 높이더라도 목표 전송 속도를 만족시키지 못하여 통신 장애가 일어 날 수 있음을 확인하였다. 즉, 단기/단발 태양 폭발인 경우 ARQ 방식을 이용하여 단기적인 데이터 전송 오류를 해결하고, 연발성 폭발의 경우에는 적응적 변조 및 채널 부호화 방법과 ARQ를 동시에 적용하여 안정적인 통신 채널을 확보할 수 있다.
후속연구
즉, 단기/단발 태양 폭발인 경우 ARQ 방식을 이용하여 단기적인 데이터 전송 오류를 해결하고, 연발성 폭발의 경우에는 적응적 변조 및 채널 부호화 방법과 ARQ를 동시에 적용하여 안정적인 통신 채널을 확보할 수 있다. 본 논문의 결과는 향후, 달 탐사선 운용시 태양 폭발의 영향에 대한 정량적 연구 자료와 단발성 및 연발성 태양 폭발시 안정적인 통신 링크 유지 방안으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
그러므로 탐사선의 생존성과 안정적인 통신 채널 확보 및 운용을 할 수 있도록 태양 폭발에 대한 영향을 반영한 링크 모델을 설계하고 링크 성능에 대한 분석이 필요하다. 이 결과를 이용하여 태양 폭발이 달 탐사선에 미치는 영향에 대한 분석을 수행하여 예상되는 물리적, 경제적 손실을 최소화할 수 있도록 설계해야한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
손실을 최소화하기 위해 태양 폭발이 달 탐사선에 미치는 영향을 분석해야하는 이유는?
달 탐사 통신 시스템에 영향을 미치는 요소 중 하나인 태양활동은 오는 2013년 가을에 11년 주기로 나타나는 태양 활동 극대기를 맞이하며, 이에 따라 태양 폭발 빈도와 강도가 증가할 것으로 예상되고 있다. 태양 폭발은 지구 자기권에 영향을 미쳐 과학, 방송, 통신, 군사 위성 또는 탐사선 등의 오작동, 통신 두절, 장비 고장 등을 발생시키는 원인이 될 수 있으며, 이러한 문제점은 막대한 물리적, 경제적 손실을 가져올 수 있다. 따라서 태양 폭발이 달 탐사선에 미치는 영향에 대한 분석을 수행하여 예상되는 손실을 최소화해야 할 것이다.
무선통신에 영향을 줄 수 있는 태양 폭발 수치는 얼마인가?
또한 태양활동 극대기에는 평균적으로 3.5일에 한번 정도 무선통신에 영향을 줄 수 있는 약 1000 SFU (Solar Flux Unit) 이상의 태양 폭발이 일어났으며, 실제로 수신기의 측정 임계값인 100,000 SFU 이상의 태양 폭발도 발생되었을 것으로 예상되고 있다[9,10].
1960년도부터 1999년까지 40년간의 태양 폭발 발생 건수는 어떠한가?
특히, 미국 해양대기청에 따르면 1960년도부터 1999년까지 40년간의 태양 폭발 발생 건수는 155,396회로 평균적으로 시간당 0.44회 발생하였으며, 극대기에는 시간당 0.83회, 극소기에는 시간당 0.27회가 발생한 것으로 보고되었다[6-8]. 또한 태양활동 극대기에는 평균적으로 3.
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