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문제 정의
- 따라서 본 논문에서는 대전상관기에서의 효율적인 상관 전처리 작업을 수행하기 위해 광역 프린지 탐색(Global Fringe Search, GFS) 소프트웨어를 개발하였으며, 개발한 프린지 탐색 소프트웨어의 구성, 동작 등에 대해 간략히 기술하고 성능 확인을 위해 수행한 시험결과에 대해 고찰하고자 한다.
- 본 논문에서는 표 1의 시험결과와 함께 다른 관측데이터에서 GFS 소프트웨어 결과를 이용하여 상관처리결과에서 어떤 효과가 있는지 확인하기 위해 다른 관측데이터를 대상으로 시험을 수행하였다. 시험에 사용한 관측데이터는 s14mk102a이며, KVN 3 관측국으로 관측한 것이다.
- 본 연구에서는 대전상관기의 전처리를 위한 GFS 소프트웨어의 구성과 개발에 대해 기술하였다. GFS 소프트웨어는 전체 상관처리를 수행하기 전의 전처리 작업을 말하며, 각 관측국에 위치한 수소원자시계와 GPS 시각 사이의 시각오차인 초기 지연값과 참조천체의 지연모델(상관모델)을 이용하여 정확한 지연 시각을 계산하고 프린지의 검출 여부를 확인하는 것이다.
제안 방법
- 본 연구에서 개발한 GFS 소프트웨어의 성능을 확인하기 위해 강한 세기의 참조천체를 대상으로 상관처리를 수행한 후 결과를 비교하였다. GFS 시험을 위한 관측데이터는 2011년 1월 27일에 관측된 것이며, 대전상관기로 약 5분간 상관처리를 수행하였다. GFS의 성능을 비교하기 위해 동일한 데이터에 대해 일본국립천문대의 미타카 FX 상관기로 수행한 GFS 지연시각 결과를 비교하였다.
- GFS 시험을 위한 관측데이터는 2011년 1월 27일에 관측된 것이며, 대전상관기로 약 5분간 상관처리를 수행하였다. GFS의 성능을 비교하기 위해 동일한 데이터에 대해 일본국립천문대의 미타카 FX 상관기로 수행한 GFS 지연시각 결과를 비교하였다.
- VLBI로 천체관측을 수행할 때는 전파망원경이 목적천체를 정확하게 관측하였는지 확인하기 위해 참조천체(위치와 전파세기가 잘 알려진 천체=포인터 소스)와 목적천체를 번갈아가면서 관측한다. 따라서 상관기는 목적천체에 대한 상관처리를 수행하기 전에 참조천체에 대해 프린지(Fringe, 간섭호)가 잘 검출되는지 확인하기 위한 상관 전처리를 수행한다.
- ③ FFT(Fast Fourier Transform)를 이용하여 각 관측국을 대상으로 기선기반(Baseline-based)의 프린지 탐색을 수행한다[5-6].
- ⑤ ④에 나타낸 방정식의 해와 같이 비선형 최소자승 피팅[6][8]을 이용하여 안테나 기반의 해를 구한다. 관측된 비지빌리티와 각각의 지연, 변화율을 관측방정식에 적용된 시험 비지빌리티와의 잔차를 구하고 그 잔차의 값이 최소인 때의 지연, 변화율의 조합을 출력한다.
- 그림 4에서는 상관결과 파일시스템의 위치, 결과파일의 저장위치, 시간간격, IF 수, 적분시간, 참조 안테나 번호, SNR 한계값, 대역의 결합분석 여부, 채널 적분 등을 나타내고 있다. 그리고 표 1은 GFS 소프트웨어를 이용하여 얻어진 지연시각에 대한 결과와 일본국립천문대 미타카 FX 상관기의 GFS 소프트웨어로 얻은 지연시각을 비교하여 나타내었다.
- 본 논문에서 설계한 GFS 소프트웨어는 대전상관기를 통하여 상관처리된 결과를 특정 파일 시스템으로 변환한 CODA file system[7]을 사용하여 동작한다. 프린지 탐색을 위한 상관처리는 관측자가 참조천체로 선택한 강한 포인터 천체를 대상으로 약 5분 정도 수행한다.
- 본 연구에서 개발한 GFS 소프트웨어의 성능을 확인하기 위해 강한 세기의 참조천체를 대상으로 상관처리를 수행한 후 결과를 비교하였다. GFS 시험을 위한 관측데이터는 2011년 1월 27일에 관측된 것이며, 대전상관기로 약 5분간 상관처리를 수행하였다.
- 지연시각이 보정된 상관모델을 이용하여 다시 참조천체에 대해 상관처리를 수행하고 다시 GFS 소프트웨어를 실행한 후 얻어진 지연시각을 확인하고, 그 값이 수십 ㎱ 정도 범위에 들어오는지 확인한다. 예상대로 지연시각이 수십 ㎱ 정도의 값이면, 이 지연모델을 이용하여 관측데이터 후반에 위치하는 참조천체를 대상으로 약 5분정도 상관처리를 수행하고 GFS 소프트웨어를 실행하여 지연시각을 계산한다. 이렇게 얻어진 지연시각과 초기에 얻은 지연시각에 대해 선형 피팅(Linear fitting)을 수행하여 지연시각의 변화량을 계산한다.
- 관측로그에는 각 관측국에 위치하는 수소원자시계로부터 생성한 시각과 GPS 시각 사이의 오차(즉, 지연시각)를 기록한 값이 있다. 이 값을 바탕으로 해서 관측천체의 위치정보, 관측국의 위치정보 및 지구회전모델 등을 기본값으로 해서 일본국립천문대에서 개발한 VEDA 프로그램 또는 한국천문연구원에서 개발한 C9T 프로그램으로 초기 상관모델을 계산한다. 이렇게 계산한 상관모델을 이용하여 관측데이터 중에 관측 초기의 참조천체를 대상으로 대전상관기를 이용하여 약 5분정도의 상관처리를 수행한다.
- 이렇게 계산한 상관모델을 이용하여 관측데이터 중에 관측 초기의 참조천체를 대상으로 대전상관기를 이용하여 약 5분정도의 상관처리를 수행한다. 이 상관 결과를 CODA file system으로 변환하고, 이 CODA file system을 이용하여 GFS 소프트웨어를 실행하며, 참조천체에 대한 각 관측국의 정확한 지연시각(단위: ㎲)을 계산한다. 이렇게 구한 정확한 지연시각을 관측로그에서 (-)/(+)방향으로 기존 지연시각 값에 더하거나 빼준 후 다시 VEDA/C9T의 상관모델 계산 프로그램을 실행하여 지연시각이 보정된 상관모델을 생성한다.
- 이 초기 지연값을 이용하여 참조천체(포인터 소스)를 대상으로 상관처리를 수행하고, 그 결과를 CODA file system으로 변환하고, 이 CODA file system에 대해 KVN울산 관측국을 기준으로 하여 본 논문에서 구현한 GFS 소프트웨어로 구한 실제 지연값은 KVN연세 관측국의 경우-17.721844μs , KVN탐라 관측국은 0.23765μs 의 값을 구하였다.
- 이 값을 바탕으로 해서 관측천체의 위치정보, 관측국의 위치정보 및 지구회전모델 등을 기본값으로 해서 일본국립천문대에서 개발한 VEDA 프로그램 또는 한국천문연구원에서 개발한 C9T 프로그램으로 초기 상관모델을 계산한다. 이렇게 계산한 상관모델을 이용하여 관측데이터 중에 관측 초기의 참조천체를 대상으로 대전상관기를 이용하여 약 5분정도의 상관처리를 수행한다. 이 상관 결과를 CODA file system으로 변환하고, 이 CODA file system을 이용하여 GFS 소프트웨어를 실행하며, 참조천체에 대한 각 관측국의 정확한 지연시각(단위: ㎲)을 계산한다.
- 이 상관 결과를 CODA file system으로 변환하고, 이 CODA file system을 이용하여 GFS 소프트웨어를 실행하며, 참조천체에 대한 각 관측국의 정확한 지연시각(단위: ㎲)을 계산한다. 이렇게 구한 정확한 지연시각을 관측로그에서 (-)/(+)방향으로 기존 지연시각 값에 더하거나 빼준 후 다시 VEDA/C9T의 상관모델 계산 프로그램을 실행하여 지연시각이 보정된 상관모델을 생성한다.
- 이렇게 얻어진 지연시각과 초기에 얻은 지연시각에 대해 선형 피팅(Linear fitting)을 수행하여 지연시각의 변화량을 계산한다. 이렇게 구한 지연시간 변화량을 관측 로그에서 (-)/(+) 방향으로 더하거나 뺀 후 지연시각/변화율 등을 보정하여 수정된 상관모델을 계산한다. 이때 지연시각과 변화율에 대해 값이 변화량이 최소가 될 때까지 수회 반복하여 상관모델을 갱신한다.
- 예상대로 지연시각이 수십 ㎱ 정도의 값이면, 이 지연모델을 이용하여 관측데이터 후반에 위치하는 참조천체를 대상으로 약 5분정도 상관처리를 수행하고 GFS 소프트웨어를 실행하여 지연시각을 계산한다. 이렇게 얻어진 지연시각과 초기에 얻은 지연시각에 대해 선형 피팅(Linear fitting)을 수행하여 지연시각의 변화량을 계산한다. 이렇게 구한 지연시간 변화량을 관측 로그에서 (-)/(+) 방향으로 더하거나 뺀 후 지연시각/변화율 등을 보정하여 수정된 상관모델을 계산한다.
- 표 1에 나타낸 것과 같이 본 연구에서 개발한 초기 버전의 GFS 소프트웨어는 많은 시간이 걸리는 것을 알 수 있다. 즉, GFS 소프트웨어의 설정에서 채널적분 수가 1인 것은 약 41분이 소요되어 5분정도 상관처리한 참조천체의 결과에 대해 너무 많은 시간이 소요되어 채널적분 기능을 추가하여 약 8분 정도로 프로그램의 운영속도를 단축하였다. 그리고 소요된 시간은 관측국의 수에 비례하여 증가하며, 만약 3개의 관측국인 경우 채널적분을 하지 않고도 약 3분 이내에 지연시각을 정확하게 계산하는 것을 확인하였다.
- 지연시각이 보정된 상관모델을 이용하여 다시 참조천체에 대해 상관처리를 수행하고 다시 GFS 소프트웨어를 실행한 후 얻어진 지연시각을 확인하고, 그 값이 수십 ㎱ 정도 범위에 들어오는지 확인한다. 예상대로 지연시각이 수십 ㎱ 정도의 값이면, 이 지연모델을 이용하여 관측데이터 후반에 위치하는 참조천체를 대상으로 약 5분정도 상관처리를 수행하고 GFS 소프트웨어를 실행하여 지연시각을 계산한다.
- 이때 지연시각과 변화율에 대해 값이 변화량이 최소가 될 때까지 수회 반복하여 상관모델을 갱신한다. 최종적으로 얻은 상관모델을 이용하여 참조천체와 목적천체를 포함하는 모든 관측데이터에 대해 상관처리를 수행한다.
대상 데이터
- 본 논문에서는 표 1의 시험결과와 함께 다른 관측데이터에서 GFS 소프트웨어 결과를 이용하여 상관처리결과에서 어떤 효과가 있는지 확인하기 위해 다른 관측데이터를 대상으로 시험을 수행하였다. 시험에 사용한 관측데이터는 s14mk102a이며, KVN 3 관측국으로 관측한 것이다. 관측주파수는 22 GHz 대역이며, 처음에는 각 관측국에 위치하는 수소원자시계로부터 생성한 시각정보와 GPS 수신기로부터 측정한 시각정보의 차이, 즉 초기 지연값은 KVN연세 관측 국은 -16.
이론/모형
- 그림 1은 2009년도에 완성되어 한국천문연구원(대전위치)에 설치되어 운영 중인 시스템의 얼개[2]를 나타낸 것이다. 전체 시스템은 KVN의 하드디스크와 VERA의 테이프 미디어에 대응하는 고속재생기, 그리고 하드디스크와 테이프 미디어 사이에 재생할 때 발생하는 속도문제를 해결하고 데이터 형식 변환 등에 대응하기 위한 재생동기처리 시스템인 Raw VLBI Data Buffer(RVDB)가 있다. 또한 대전상관기의 핵심부분으로 상관처리를 수행하는 VLBI상관서브시스템(VLBI Correlation Subsystem, VCS)이 있으며, VCS의 상관결과를 고속으로 저장하고 사용자가 지정한 특정 파일시스템으로 저장하는 데이터아카이브 시스템(Peta-sale Epoch Data Archive; PEDA)이 있으며, 전체 상관 시스템의 제어 및 운용을 위한 소프트웨어 부분으로 구성된다.
성능/효과
- 즉, GFS 소프트웨어의 설정에서 채널적분 수가 1인 것은 약 41분이 소요되어 5분정도 상관처리한 참조천체의 결과에 대해 너무 많은 시간이 소요되어 채널적분 기능을 추가하여 약 8분 정도로 프로그램의 운영속도를 단축하였다. 그리고 소요된 시간은 관측국의 수에 비례하여 증가하며, 만약 3개의 관측국인 경우 채널적분을 하지 않고도 약 3분 이내에 지연시각을 정확하게 계산하는 것을 확인하였다. 그리고 표 1에서 일본국립천문대의 미타카 FX 상관기의GFS 소프트웨어로 구한 지연시각과 비교해서, 본 연구에서 구현한 GFS 소프트웨어의 지연시각이 채널 적분 여부에 관계없이 거의 유사한 값을 나타내는 것을 알 수 있다.
- 그리고 소요된 시간은 관측국의 수에 비례하여 증가하며, 만약 3개의 관측국인 경우 채널적분을 하지 않고도 약 3분 이내에 지연시각을 정확하게 계산하는 것을 확인하였다. 그리고 표 1에서 일본국립천문대의 미타카 FX 상관기의GFS 소프트웨어로 구한 지연시각과 비교해서, 본 연구에서 구현한 GFS 소프트웨어의 지연시각이 채널 적분 여부에 관계없이 거의 유사한 값을 나타내는 것을 알 수 있다.
- 첫째, 관측데이터 중에서 반드시 전파의 세기가 강하고 잘 알려진 연속파 천체를 대상으로 하며, 스펙트럼 라인(메이저 천체) 천체는 사용하지 않는다. 두 번째, 강한 연속파 천체로부터 상관처리된 결과를 대상으로 하는 프린지 탐색에서의 적분시간은 대기의 위상 흔들림과 가속도 잔차(Residual) 성분을 무시할 정도의 시간으로 설정해야 한다. 강한 연속파 천체들은 30sec 정도, 약한 천체의 경우에도 240sec를 초과하지 않을 정도로 제한해야 한다.
- GFS 소프트웨어는 전체 상관처리를 수행하기 전의 전처리 작업을 말하며, 각 관측국에 위치한 수소원자시계와 GPS 시각 사이의 시각오차인 초기 지연값과 참조천체의 지연모델(상관모델)을 이용하여 정확한 지연 시각을 계산하고 프린지의 검출 여부를 확인하는 것이다. 본 연구에서 개발한 GFS 소프트웨어의 성능을 확인하기 위한 전처리 상관시험을 참조천체와 목적 천체를 대상으로 수행하였으며, 상관처리 시험을 통하여 유효한 지연시각 값을 얻어 개발한 GFS 소프트웨어가 대 전상관기의 상관처리 효율을 높이는데 효과적임을 확인하였다.
- 강한 연속파 천체들은 30sec 정도, 약한 천체의 경우에도 240sec를 초과하지 않을 정도로 제한해야 한다. 세 번째, 참조(Reference) 관측국은 가능한 전파망원경의 감도가 우수하고 위치정보가 안정된 관측국을 선택해야 한다. 예를 들어 지구 주위를 돌고 있는 인공위성 전파망원경을 선택하면 안 된다.
- 이상의 실험결과를 바탕으로 본 연구에서 구현한 GFS소프트웨어가 각 관측국에서 구한 초기 지연값과 참조천체를 대상으로 상관처리한 후 GFS 결과의 보정된 지연값을 이용한 상관처리 결과에서 유효함을 확인하였다. 현재 본 연구에서 개발한 GFS 소프트웨어는 대전상관기로 관측데이터를 상관처리할 때 지연시각, 변화율 등을 계산하여, 전체 상관처리를 수행하기 전에 보정된 지연시각, 변화율로 다시 계산한 상관모델을 생성하는데 활용되고 있다.
- 표 1에 나타낸 것과 같이 본 연구에서 개발한 초기 버전의 GFS 소프트웨어는 많은 시간이 걸리는 것을 알 수 있다. 즉, GFS 소프트웨어의 설정에서 채널적분 수가 1인 것은 약 41분이 소요되어 5분정도 상관처리한 참조천체의 결과에 대해 너무 많은 시간이 소요되어 채널적분 기능을 추가하여 약 8분 정도로 프로그램의 운영속도를 단축하였다.
후속연구
- 이상의 실험결과를 바탕으로 본 연구에서 구현한 GFS소프트웨어가 각 관측국에서 구한 초기 지연값과 참조천체를 대상으로 상관처리한 후 GFS 결과의 보정된 지연값을 이용한 상관처리 결과에서 유효함을 확인하였다. 현재 본 연구에서 개발한 GFS 소프트웨어는 대전상관기로 관측데이터를 상관처리할 때 지연시각, 변화율 등을 계산하여, 전체 상관처리를 수행하기 전에 보정된 지연시각, 변화율로 다시 계산한 상관모델을 생성하는데 활용되고 있다.
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