[논문]화성 전리층 관측 탑재체 성능 분석

김어진; 서행자; 김주현; 이주희

화성 전리층 관측 탑재체 성능 분석
Analysis of ionospheric payloads for Mars exploration 원문보기

항공우주기술 = Aerospace engineering and technology, v.12 no.1, 2013년, pp.94 - 104

김어진 (우주과학연구팀) , 서행자 (우주과학연구팀) , 김주현 (우주과학연구팀) , 이주희 (우주과학연구팀)

초록
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태양계 내에서 지구와 가장 흡사한 환경을 가진 화성은 향후 인류의 정착을 목적으로 이에 필요한 화성 환경 연구가 꾸준히 이루어지고 있다. 낮 시간 화성 전리층은 전파의 반사를 통해 착륙선과 로버의 지상-지상 통신에 활용될 수 있다. 또한 화성 전리층 정보는 화성의 물 및 대기 진화와 연관된 정보를 제공한다. 이런 정보들은 전파통신 및 기후 연구에 활용된다. 화성 전리층은 화성탐사 초기의 Mariner, Mars, Viking 시리즈와 최근의 Mars Global Surveyor의 전파엄폐 방식으로 주로 관측되었으며 Mars Express에는 전파엄폐방식 기기 외에도 저주파 레이더, 플라즈마 분석기가 탑재되었고 Viking Lander의 현장측정 자료가 활용되어 왔다. 본 연구는 국내 우주탐사 기반기술 확보를 위해 탐사선 통신에 영향을 줄 화성 전리층의 관측기기 선정에 대비하여 해외사례를 분석하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In solar system, Mars which has the most similar environment with the Earth has been steadily studied for the purpose of habitable environment for the future manned exploration and settlement. During the daytime, Martian ionosphere can be used for the ground-ground communications between lander and rover through the reflection of the radio wave from ionosphere. In addition, researches about Martian ionosphere provide the link of revolution of water and atmosphere. Martian ionospheric observations were performed by the occultation experiments onboard Mariner, Mars, Viking series during early Martian explorations as well as recent Mars Global Surveyor. Low frequency radar and plasma analyzer are on board Mars Express and Viking-1, 2 lander obtained the only vertical plasma density profile during their entry phase. In this paper, we studied the characteristics of scientific payloads observing Martian ionosphere and then analyzed the usability of ionospheric research according to the communication and climate on Mars.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

과학적인 목적은 태양풍이 화성 대기 및 전리층에 미치는 영향을 연구하는 것으로 고에너지 중성원자 (ENA)를 원격탐사하고 열적 플라즈마 (Hot Plasma)를 현장측정한다. 그림 11은 ASPERA-3의 초기 관측 자료는 태양풍이 직접적으로 화성 고층 대기와 충돌하는 지역과 행성 기원의 산소나 분자 이온들로 이루어진 행성풍이 나오는 화성 꼬리 부분의 플라즈마의 특징이 매우 다름을 보여준다.
전체 탐사선의 질량은 666 kg, 궤도선 과학 탑재체 총 질량은 116 kg, 사용 전력은 총 460 W로 계획되었다. 궤도선의 과학적 목적은 지리적 특징을 분석할 고분해능 영상 획득, 광물 지도 작성, 대기 성분 지도 작성과 지표 아래 구조, 화성 전체의 대기 순환, 대기와 행성간 물질 사이의 상호작용을 연구하는 것이다. 이중 전리층과 관련하여 다음의 세 가지 관측기기가 궤도선에 탑재되었다.
현재까지 화성 탐사선에 탑재되어 전리층 연구에 활용된 관측 기기의 방식에는 전파엄폐와 저주파 레이더를 이용한 원격탐사 방식과 하전 입자들을 궤도선이나 착륙선에서 직접 검출하는 현장측정 방식의 기기들이었다. 본문에서는 각 관측 방식에 해당하는 MEX/MaRS, MEX/MARSIS, MEX/ASPERA-3 그리고 Viking 1, 2 Lander/RPA 탑재체의 특징에 대해 소개하였다. 표 3에서는 각 탑재체의 특징, 장단점 및 사례를 비교하였다.
또한 전자 측정에 있어서 에너지 분해능이 높아 광전자 분석이 가능하다. 여기에 Mars Express의 타원 궤도가 그림 13와 같이 화성 자기권 경계를 다각도에서 통과하며 관측하므로 태양풍과 행성의 상호작용을 연구하는데 적합하다.

제안 방법

그림 16은 Viking Lander RPA의 단면을 보여주는데 모두 7개의 층으로 이루어졌으며각 층의 특징을 설명한 표가 포함되었다. 7개의 전류 수집 원판의 각 층에 누적된 전류는 10 msec 간격으로 측정되며 고에너지 전자, 열적 전자, 열적 이온들을 측정하기 위한 세 가지 모드로 운용되었다.
MARSIS는 화성 근점은 270 km이고 원점은 10,050 km이며 궤도 경사각이 86.6 °로 근점에 접근했다가 다시 멀어지는 동안 낮 시간의 화성 전리층 상층부에서 반사되는 전파를 측정하는 능동 전리층 사운딩 (AIS) 모드로 운용하였다.
Mariner 시리즈 탐사선은 화성 근처를 스쳐지나가거나(4, 5, 6) 화성주변 궤도를 돌면서(9) S 밴드(2.3 GHz) 통신 전파의 주파수, 위상, 진폭의 변화를 측정하여 화성 대기의 밀도, 압력, 온도를 측정하고 화성 전리층 하전입자 밀도를 측정하였다. Mars Global Surveyor의 전파엄폐 측정기인 Radio Science(RS)는 7.
Mars Express 궤도선의 MaRS는 전파 서브시스템을 이용하여 화성 표면의 전기적 성질, 화성 중력장을 규명하고 엄폐를 이용하여 중성 및 이온화된 대기를 측정하였다. 궤도선에서 송신하는 2.
이 자료를 이용하여 이온과 전자의 온도 분포와 이온의 종류와 집중도를 측정할 수 있다. RPA는 그림 14에서처럼 캡슐이 궤도선에서 분리되어 궤도에서 벗어난 (Deorbit) 직후 작동을 시작하여 하강 국면 초기에 총 2.5 시간에 걸쳐, 매 6.5 분마다 70 초 동안 측정하였다.^[11] 배터리 전력을 유지하기 위해 16,000 - 5,000 km 고도 구간에서는 간헐적으로 측정하였고 5,000 - 100 km 구간에서는 지속적으로 측정하였다.
77 °W 지역에 착륙하였다. 그림 17은 각각 350 km, 300 km 고도에서 100 km 고도까지 하강하면서 측정한 CO₂+ , O₂⁺ , O⁺ 이온밀도를 측정하였다. 두 자료에서 모두 가장 많은 밀도를 보여주는 이온은 O₂⁺로 전리층 최대밀도가 낮 시간에 120 km 부근에서 10⁵ electron/cm³ 임을 보여준다.
우선 100 m 미만의 분해능으로 화성 중성대기의 수직 방향 밀도, 압력, 온도 분포를 측정하고 태양풍 조건에 따라 전리층 전자밀도의 수직 분포와 일변화 및 계절 변화에 따른 변화를 기술하기 위해 전리층을 측정한다. 또한 양방향 레이더 측정으로 측정하려는 지역의 화성 표면의 유전율 및 산란 특성을 구분한다.
Mars Express Orbiter Radio Science (MaRS) 의 관측 연구대상은 다음과 같다. 우선 100 m 미만의 분해능으로 화성 중성대기의 수직 방향 밀도, 압력, 온도 분포를 측정하고 태양풍 조건에 따라 전리층 전자밀도의 수직 분포와 일변화 및 계절 변화에 따른 변화를 기술하기 위해 전리층을 측정한다. 또한 양방향 레이더 측정으로 측정하려는 지역의 화성 표면의 유전율 및 산란 특성을 구분한다.
또한 Mars Express에는 태양풍과 화성 대기 및 전리층의 상호작용 연구를 위한 Analyzer of Space Plasma and Energetic Atoms (ASPERA-3)라는 플라즈마 분석기가 탑재되었다. 이 기기는 화성 근처 우주공간의 플라즈마 및 중성기체 환경을 측정하기 위해 고에너지 중성원자와 열적 플라즈마를 측정하였다.
달 탐사 이후 가장 탐사 가능성이 높은 화성에서 착륙선-로버 간의 전파통신 및 궤도선과 지상 수신기 간의 통신에 영향을 주는 화성 전리층을 측정한 해외 탑재체 사례 분석은 반드시 수반되어야한다. 이를 위해 본 논문에서는 전파 엄폐 (2.1), 레이더 사운딩 (2.2), 궤도선 이온 현장 측정 (2.3), 그리고 착륙선 현장측정 (2.4) 방식을 이용한 해외 화성 탐사선 전리층 측정 탑재체들의 사양과 특징을 분석하였다. 이는 향후 국내 화성 탐사에 적합한 전리층 탑재체 선정에 기여할 것으로 기대된다.
MaRS로 관측되는 파라미터은 다음과 같다. 첫째, 무선전파통신 주파수의 이동이 일어나는데 지구의 지상관측소와 탐사선 사이의 상대적인 속도의 변화인 도플러 효과를 측정하고 분산매질에서 전파 신호의 진행이다. 두 번째로 매질에 의한 흡수와 입자 및 표면에 의한 산란에 의한 신호 파워의 변화이다.

대상 데이터

MARSIS의 경우 Mars Express가 화성 궤도에 진입한 후 바로 운용을 시작할 수 없었는데 이는 안테나를 펼치는데 문제가 발생해서이다. MARSIS 안테나는 40 m 길이의 Dipole과 7 m 길이의 Monopole로 구성되었다. 안테나 구조는 합성수지를 주입한 Fiberglass와 Kevlar 층으로 만들어진 튜브 안에 구리선으로 이루어 졌고 Northrup Grumman에 의해 개발된 Foldable Flattenable Tube (FFT)라 불리는 새로운 기술이다.
3 GHz) 통신 전파의 주파수, 위상, 진폭의 변화를 측정하여 화성 대기의 밀도, 압력, 온도를 측정하고 화성 전리층 하전입자 밀도를 측정하였다. Mars Global Surveyor의 전파엄폐 측정기인 Radio Science(RS)는 7.16 GHz (업링크)와 8.4 GHz (다운링크)의 주파수로 운용되었고 화성 대기역학, 기후, 물, 먼지, 이산화탄소 이동 연구에 활용되었다. 무게는 1.
Viking 1, 2 Lander는 1976년 7월 20일과 9월 3일에 각각 22.46 °N, 48.01 °W 지역과 47.96°N, 225.77 °W 지역에 착륙하였다.
Mars Express (MEX)는 European Space Agency (ESA)에서 2003년 6월 2일 Soyuz에 실어 발사하여 2003년 12월 25일에 화성에 도착한 미션으로 Mars Express 궤도선과 Beagle 2 착륙선이 포함된다. 전체 탐사선의 질량은 666 kg, 궤도선 과학 탑재체 총 질량은 116 kg, 사용 전력은 총 460 W로 계획되었다. 궤도선의 과학적 목적은 지리적 특징을 분석할 고분해능 영상 획득, 광물 지도 작성, 대기 성분 지도 작성과 지표 아래 구조, 화성 전체의 대기 순환, 대기와 행성간 물질 사이의 상호작용을 연구하는 것이다.
주요장치의 크기는 359 × 393 × 234 mm3이고 IMA의 크기는 255 × 150 × 150 mm3이다.

성능/효과

두 번째로 Surface Reflection은 지표에서 반사되는 신호인데 태양활동과 같은 외부적인 요인으로 인해 전파신호가 받는 영향을 분석할 수 있다. 세 번째로 Oblique Ionospheric Echo는 직하방향이 아닌 방향에서 시간적으로 지연되어 들어오는 신호로 화성 표면의 국소 자기장의 존재를 확인할 수 있다. 네 번째로 수직으로 나타나는 신호인 Electron Plasma Oscillation은 탐사선 안테나 주변에 존재하는 전자에 의한 신호이고 수평으로 반복적으로 나타나는 신호인 Electron Cyclotron Echo는 탐사선 주변지역 플라즈마가 안테나에서 펄스를 송신하는 동안 가속 되어 사이클로트론 모션으로 인해 주기적으로 돌아와 만드는 신호이다.
(1) MaRS (Mars Express Orbiter Radio Science), (2) MARSIS (Mars Advanced Radar for Subsurface and Ionosphere Sounding), (3) ASPERA-3 (Analyzer of Space Plasma and Energetic Atoms). 세 탑재체들은 각각 1장에서 분류하였던 관측 방식의 기기로, 상호 보완적인 관측이 가능하였다.

후속연구

본 논문의 해외 탑재체 사례 분석 결과는 국내 화성 탐사선에 적합한 탑재체 선정의 기반연구로 활용될 것으로 기대된다. NASA는 2013년 12월에 화성 대기와 전리층을 중점적으로 관측할 MAVEN (Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN) 탐사선을 발사할 예정이다.
4) 방식을 이용한 해외 화성 탐사선 전리층 측정 탑재체들의 사양과 특징을 분석하였다. 이는 향후 국내 화성 탐사에 적합한 전리층 탑재체 선정에 기여할 것으로 기대된다.
MAVEN 에는 입자 및 자기장 측정 패키지, UV 분광 영상기 원격탐사 패키지, 중성 및 이온 입자 질량 분석 패키지가 탑재되어 화성 전리층 연구에 획기적으로 기여할 것으로 예측되고 있다. 화성 전리층 전반에 걸친 연구를 위해서는 향후 해외 탑재체 자료와 상호 보완적인 자료로 국제협력이 가능한 탑재체 선정이 중요할 것으로 보인다.
화성은 지구와 비슷한 환경으로 인해 현재까지 인류의 우주탐사 대상 중 가장 많은 관심을 받아온 행성이다. 화성의 전리층은 낮 시간에 전파의 반사를 통해 착륙선과 로버 사이의 단파 통신에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. 지구와는 달리 자체 자기장이 거의 없는 화성은 대기밀도가 지구에 비해 매우 희박하며 태양과의 거리가 지구보다 멀어서 전리층을 형성하는 플라즈마밀도가 상대적으로 낮고 전리층 상층부는 태양풍과 직접적으로 상호작용을 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	화성 전리층의 최초 관측은 언제 이루어졌는가?	화성 전리층의 최초 관측은 1965년 7월에 화성에 도착한 Mariner 4에 탑재되었던 전파 엄폐기기로 이루어졌다. Mariner 외에도 Mars, Viking 시리즈와 가장 최근에는 Mars Global Surveyor와 Mars Express에 의해 전파엄폐 (Radio occultation)방식으로 측정되었다.
	화성은 인류에게 어떤 의미가 있는 행성인가?	화성은 지구와 비슷한 환경으로 인해 현재까지 인류의 우주탐사 대상 중 가장 많은 관심을 받아온 행성이다. 화성의 전리층은 낮 시간에 전파의 반사를 통해 착륙선과 로버 사이의 단파 통신에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.
	S와 X 밴드가 민감한 주파수는 무엇인가?	[2] 주파수에 따른 위상과 진폭 변화의 의존도를 알기 위해 동시에 S와 X 밴드의 전파를 사용하는 기술을 이용하여 주로 관측된다. S 밴드는 화성 플라즈마 밀도 측정하기 위한 2.3 GHz 주파수에 민감하다. X 밴드는 화성 중성 대기 밀도를 측정하는 8.4 GHz에 민감하다.[3]

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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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