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문제 정의
- 본 논문에서는 재진입하는 우주물체의 추락 위험 및 저궤도 자국 위성의 충돌 위험에 대응하기 위한 우주감시 임무 분석 및 레이다 요구사항을 도출하고, 해외 우주감시레이다 동향 및 성능을 분석하였다. 또한 이를 바탕으로 레이다 설계 고려사항을 정의하고 우주감시레이다를 설계하였다.
- 본 논문에서는 재진입하는 우주물체의 추락 위험 및 저궤도 자국 위성의 충돌 위험에 대응하기 위한 임무 분석 및 레이다 요구사항, 그리고 해외 사례 분석을 통해 우주물체의 탐지 및 추적을 위한 L-band 우주감시레이다 시스템을 제안한다. 제안한 우주감시레이다는 위상배열레이다 타입으로 전자적 빔 조향을 통해 독자적인 상시감시가 가능하며, 탐지 영역 분석을 통해 국내 우주자산 기준으로 Catastrophic collision을 유발하는 우주 파편의 탐지/추적이 가능함을 확인하였다.
가설 설정
- 첫째, SNR 기준에 대한 검토가 필요하다. 본 논문에서 기준으로 하고 있는 탐지확률 80 % 및 오경보확률 10-6기준(SNR 12.56 dB)은 표적에 대한 사전 정보가 없는 경우를 가정한다. 우주물체의 탐지/추적의 경우에는 우주물체의 궤적에 대한 사전 예측이 가능하므로 이 기준을 완화하여도 유사한 결과 도출이 가능하다.
제안 방법
- 표 1은 레이다 성능 예측 및 비교를 위한 일본 KAMISAIBARA 우주감시레이다, 미국 Space Fence 레이다, 독일 GESTRA에 대한 규격과 성능을 나타낸다. 각 규격의 근거는 각 레이다 관련 참고문헌[3],[8],[9],[10]에서 도출하였으며, 명시되지 않은 규격에 대해서는 레이다 설계시 통상적으로 고려하는 설계 값을 기반으로 계산하였다. 이 때 일본 KAMISAIBARA 레이다의 경우 다른 두 레이다와 달리 모노스태틱(mono-static)이기 때문에 잡음 손실을 4.
- 또한, 안테나는 천정(zenith) 방향을 바라보도록 하여배치함으로써 탐지거리를 최소화하여 손실을 최소화하고 효율적인 레이다 운용이 가능하도록 하였다. 그리고 송수신기를 분리함으로써 시스템 손실을 낮추고 단일 송수신기 사용 시 발생하는 Eclipse 현상에 따른 미탐지 구간을 방지하도록 하였다. 이러한 레이다 형태는 SpaceFence 우주감시레이다(미국), GESTRA(독일)와 동일하다.
- 또한 각 송수신안테나의 빔폭은 1° 이하를 만족하도록 설계하였다.
- 또한 빔 조향범위인±45° 및 국내에서 운용 중인 저궤도 인공위성 중 최고 고도인 1,316 km를 커버하기 위한 최대탐지거리를 기준으로 설계하였다.
- 본 논문에서는 재진입하는 우주물체의 추락 위험 및 저궤도 자국 위성의 충돌 위험에 대응하기 위한 우주감시 임무 분석 및 레이다 요구사항을 도출하고, 해외 우주감시레이다 동향 및 성능을 분석하였다. 또한 이를 바탕으로 레이다 설계 고려사항을 정의하고 우주감시레이다를 설계하였다. 이렇게 제안된 우주감시레이다는 위상배열레이다 타입으로 빠른 빔 조향각 변경으로 넓은 영역에 대한 독자적인 상시 감시가 가능하며, 지름 10 cm 우주 파편을 기준으로 1,576 km까지 탐지/추적이 가능하다.
- 송수신안테나가 천정을 향하게 되어 있으며, 분리된 형태로 설계되어 송수신기 손실을 최소화하도록 하였다. 또한 하나의 TRM 출력 150 W를 기준으로 송신안테나 개수에 따른 송신 출력과 송수신 배열 구조에 의한 안테나 이득을 조정하였다. 송신 출력을 높일 경우 공급 전력이 증가하며, 이를 줄일 경우 레이다 탐지 성능 확보를 위해서는 수신 배열안테나가 매우 커져야 하기 때문에 이에 대한 trade-off가 필요하다.
- 또한, 안테나는 천정(zenith) 방향을 바라보도록 하여배치함으로써 탐지거리를 최소화하여 손실을 최소화하고 효율적인 레이다 운용이 가능하도록 하였다. 그리고 송수신기를 분리함으로써 시스템 손실을 낮추고 단일 송수신기 사용 시 발생하는 Eclipse 현상에 따른 미탐지 구간을 방지하도록 하였다.
- 표 3에서 제안된 우주감시레이다의 안테나 형상은 그림 6과 같다. 송수신안테나가 천정을 향하게 되어 있으며, 분리된 형태로 설계되어 송수신기 손실을 최소화하도록 하였다. 또한 하나의 TRM 출력 150 W를 기준으로 송신안테나 개수에 따른 송신 출력과 송수신 배열 구조에 의한 안테나 이득을 조정하였다.
- 수신 배열안테나는 높은 해상도 및 레이다 탐지 성능 확보를 위해 40,000 개의 안테나 소자로 구성되어 Taperingloss 고려 시 49.7 dB의 안테나 이득 및 0.58°의 빔폭을 갖도록 설계하였다.
- 위상배열레이다의 장점은 레이다 빔 조향 방향을 다양하게 변경할 수 있다는 점으로 이를 최대한 활용하여 크게 2가지 레이다 빔 운용 모드를 설계하였다.
- 우주감시레이다 시스템 설계를 위해서는 우선적으로 레이다 운용 개념에 대한 정의가 필요하다. 이를 위해 해외 사례 및 연구를 기반으로 레이다 형태, 운용 주파수, 빔 운용, 대상 표적에 대해 정의하였다.
- 그러나 이러한 노력에도 불구하고 배열 소자의 개수 및 개발 비용이 엄청나 프로토타입을 우선적으로 개발하여 2011년부터 주요 레이다 기술을 테스트하고 커버리지 및 성능 최적화를 진행 중에 있다. 이를 통해 요구사항을 검증하고 성능을 최적화시켜 배열 소자 개수를 줄이는 노력을 하고 있으며, 커버리지 최적화를 통해 3개 사이트를 2개 사이트 개발로 줄였다. 그림 4는 미국의 우주감시레이다인 Space Fence 우주감시레이다를 보여준다.
- 이에 따라 송신 배열안테나는 16,000 개의 안테나 소자로 구성되어 46.8 dB의 안테나 이득 및 0.91°의 빔폭을 갖도록 설계하였으며, 송신 최대 출력은 총 2400 kW로 설계되었다.
- 해외 우주감시레이다의 성능 비교를 위해 탐지확률 80%, 오경보 확률 10-6에 대한 SNR 12.56 dB 및 1 m2 RCS의 표적을 기준으로 최대탐지거리를 계산하여 성능을 비교하였다. 표 1은 레이다 성능 예측 및 비교를 위한 일본 KAMISAIBARA 우주감시레이다, 미국 Space Fence 레이다, 독일 GESTRA에 대한 규격과 성능을 나타낸다.
- 따라서 레이다 크기 및 해상도에 큰 제약이 없다면 낮은 대역의 주파수를 사용하는 것이 유리하다. 현재 해외에서 개발 중인 위상배열레이다의 경우 L-band 혹은 S-band를 사용 중에 있으며, 본 논문에서는 탐지거리에 보다 유리한 L-band를 주파수로 선택하였다
대상 데이터
- 앞서 살펴본 레이다 고려사항 및 레이다 방정식을 통해 제안된 우주감시레이다의 설계 규격 및 탐지 성능은 표 3과 같다. 운용주파수는 L-band인 1.3 GHz이며, 대상표적은 가장 RCS가 작은 지름 10 cm의 우주 파편(RCS0.0078 m2)을 기준으로 설계하였다. 또한 빔 조향범위인±45° 및 국내에서 운용 중인 저궤도 인공위성 중 최고 고도인 1,316 km를 커버하기 위한 최대탐지거리를 기준으로 설계하였다.
성능/효과
- 5 dB로 설정하였다. 그 결과 미국 Space Fence 레이다를 제외하면 LEO 영역(0～2,000 km)을 감시하기에 성능이 부족하였다. 특히 표 1의 비교는 RCS 1 m2의 표적을 대상으로 계산한 결과로 RCS가 큰 인공위성의 감시는 가능하지만, RCS가 훨씬 작은 우주 파편의 경우 탐지/추적이 불가능함을 확인하였다.
- 따라서 개발 비용이 너무 커서 개발 중에 비용을 최소화시키기 위한 노력을 계속하였다. 그 결과 바이스태틱(bistatic) 형상을 통해 송수신 손실을 최소화하고, 소자단위 디지털 빔포밍을 적용하여 여러 기능을 동시에 수행함은 물론 배열 소자 개수를 줄이는 노력을 하였다. 이외에도 MEO 영역의 경우 상시 감시 없이 할당된 기능만수행하는 것으로 요구사항을 변경하였다.
- 0078 m2)에 대한 탐지 범위를 나타내며, 국내 인공위성을 같이 도식하여 탐지 범위 내에 존재하는지 확인하였다. 그 결과 지름 10 cm의 우주 파편에 대한 탐지범위 내에서 국내 운용 중인 저궤도 중형 위성 및 소형시험 위성이 모두 탐지 가능함을 확인하였다.
- GESTRA는 L-band 레이다로 송수신기의 TRM(Trans- mitter-Receiver Module) 개수는 각각 256개이며, Space Fence 우주감시레이다에 비해서는 상당히 소형이다. 또한 레이다의 효율적인 개발을 위해 송수신기 손실을 저감시키도록 바이스태틱으로 개발되었으며, 디지털 빔포밍 기술을 적용하여 최대 16개의 동시 빔으로 동시추적이 가능하다. TRM은 1000 W 이상의 고출력으로 구현하였으며, 수냉식을 적용하였다.
- 뿐만 아니라 레이다 탐지 범위 분석을 통해 국내 운용 중인 인공위성과 같이 도식한 결과 레이다 빔 조향범위인 ±45°에서 모든 인공위성과 우주 파편을 탐지/추적할 수 있어 우주충돌 회피 임무 수행이 가능함을 확인하였다.
- 유럽우주단체(European Space Agency: ESA)에서는 그림 2와 같이 보유 인공위성에 대해 우주 파편의 지름 및 우주 장반경에 따른 EMR이 40 J/s 이상인 Catastrophic collision의 충돌 유동성(collision flux)을 분석하였다[6]. 이 결과를 보면, Catastrophic collision에 대해 10-8 이상의 충돌확률을 갖는 최소 우주 파편 크기를 분석할 수 있다. 즉, 충돌확률10-8을 나타내는 보라색을 기준으로 보면 고도 800 km에서 Catastrophic collision을 발생시키는 최소 우주 파편의 크기는 약 5 cm이며, 고도가 증가할수록 Catastrophic colli- sion을 발생시키는 최소 우주 파편의 크기가 증가함을 확인할 수 있다.
- 또한 이를 바탕으로 레이다 설계 고려사항을 정의하고 우주감시레이다를 설계하였다. 이렇게 제안된 우주감시레이다는 위상배열레이다 타입으로 빠른 빔 조향각 변경으로 넓은 영역에 대한 독자적인 상시 감시가 가능하며, 지름 10 cm 우주 파편을 기준으로 1,576 km까지 탐지/추적이 가능하다. 뿐만 아니라 레이다 탐지 범위 분석을 통해 국내 운용 중인 인공위성과 같이 도식한 결과 레이다 빔 조향범위인 ±45°에서 모든 인공위성과 우주 파편을 탐지/추적할 수 있어 우주충돌 회피 임무 수행이 가능함을 확인하였다.
- 본 논문에서는 재진입하는 우주물체의 추락 위험 및 저궤도 자국 위성의 충돌 위험에 대응하기 위한 임무 분석 및 레이다 요구사항, 그리고 해외 사례 분석을 통해 우주물체의 탐지 및 추적을 위한 L-band 우주감시레이다 시스템을 제안한다. 제안한 우주감시레이다는 위상배열레이다 타입으로 전자적 빔 조향을 통해 독자적인 상시감시가 가능하며, 탐지 영역 분석을 통해 국내 우주자산 기준으로 Catastrophic collision을 유발하는 우주 파편의 탐지/추적이 가능함을 확인하였다.
- 이 결과를 보면, Catastrophic collision에 대해 10-8 이상의 충돌확률을 갖는 최소 우주 파편 크기를 분석할 수 있다. 즉, 충돌확률10-8을 나타내는 보라색을 기준으로 보면 고도 800 km에서 Catastrophic collision을 발생시키는 최소 우주 파편의 크기는 약 5 cm이며, 고도가 증가할수록 Catastrophic colli- sion을 발생시키는 최소 우주 파편의 크기가 증가함을 확인할 수 있다. 이는 고도가 증가할수록 원심력에 의한 위성 및 우주 파편의 속도가 감소하여 충격 속도가 감소하기 때문에 식 (1)에서 EMR 40 J/s 이상인 Catastrophic collision을 발생시키기 위해서는 우주 파편의 질량 및 크기가 증가해야 하기 때문이다.
- 그 결과 미국 Space Fence 레이다를 제외하면 LEO 영역(0～2,000 km)을 감시하기에 성능이 부족하였다. 특히 표 1의 비교는 RCS 1 m2의 표적을 대상으로 계산한 결과로 RCS가 큰 인공위성의 감시는 가능하지만, RCS가 훨씬 작은 우주 파편의 경우 탐지/추적이 불가능함을 확인하였다. 실제 이런 이유로 일본 KAMISAI-BARA 레이다는 독자적인 감시 능력 없이 RCS가 큰 위성의 추적에만 사용되고 있으며, GESTRA는 주로 연구용으로 파악되고 있다.
후속연구
- 뿐만 아니라 레이다 탐지 범위 분석을 통해 국내 운용 중인 인공위성과 같이 도식한 결과 레이다 빔 조향범위인 ±45°에서 모든 인공위성과 우주 파편을 탐지/추적할 수 있어 우주충돌 회피 임무 수행이 가능함을 확인하였다. 그러나 우주감시 요구사항 만족을 위해서는 레이다 안테나의 복사면적이 매우 큰 단점이 있기 때문에 향후 확장성을 고려한 단계별 개발, SNR 기준 및 향상 방법, 운용주파수 검토 등을 통해 보다 최적화된 레이다를 개발하는 노력이 필요하다.
- 둘째, SNR 향상 방법 적용에 대한 검토가 필요하다. 우주물체의 경우 이동 속도가 매우 빠르기 때문에 단순한 신호누적 방법으로는 SNR 향상을 얻을 수 없다.
- 위와 같은 방법들을 통해 우주감시 임무 수행을 위한 레이다 요구사항을 만족하면서 안테나 복사면적 감소와 비용 절감을 실현할 수 있다. 따라서 향후 국내 우주감시레이다 개발 시에는 위와 같은 방법에 대한 검토를 수행하여 설계를 최적화하는 연구가 필요하다.
- 본 논문에서 제안된 레이다는 우주감시 임무 수행을 위한 레이다 요구사항을 만족하기 위해 그림 6과 같이 매우 큰 안테나 복사면적이 필요하다. 이는 레이다 개발 및 설치 시 매우 큰 공간을 요구할 뿐 아니라 개발 비용 측면에서 매우 고가인 단점이 있다.
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