[논문]거창 레이저 추적 시스템의 광 경로 전환을 위한 회전 디스크의 우주쓰레기 레이저 추적 성능 분석

성기평; 임형철; 유성열; 최만수; 류재철

doi:10.5139/JKSAS.2020.48.5.391

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거창 레이저 추적 시스템의 광 경로 전환을 위한 회전 디스크의 우주쓰레기 레이저 추적 성능 분석

Space Debris Tracking Coverage Analysis of Spinning Disk for Optical Path Switch of Geochang Laser Tracking System

韓國航空宇宙學會誌 = Journal of the Korean society for aeronautical & space sciences v.48 no.5 , 2020년, pp.391 - 399

성기평 (Korea Astronomy and Space Science Institute ) ; 임형철 ( Korea Astronomy and Space Science Institute ) ; 유성열 ( Korea Astronomy and Space Science Institute ) ; 최만수 ( Korea Astronomy and Space Science Institute ) ; 류재철 ( Chungnam National University)

초록

용어
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한국천문연구원은 인공위성 레이저 추적, 적응광학, 우주쓰레기 레이저 추적 등 과학 연구 및 국가적 미션을 수행하기 위해 다목적 레이저 추적 시스템 개발을 추진해 오고 있다. 지상에서 고출력 펄스 레이저를 발진하여 우주쓰레기로부터 반사된 신호를 바탕으로 거리를 측정하는 우주쓰레기 레이저 추적 시스템은 광 경로 전환을 위해 회전 디스크 방식을 이용한다. 이러한 방식은 수신 검출기로 반사시킬 수 없는 충돌 영역이 발생하여 우주쓰레기 추적 성능에 영향을 미친다. 본 논문에서는 회전 디스크가 추적 성능에 영향을 미치는 홀 크기, 홀 개수, 회전 속도, 레이저와 홀의 중첩 비율, 레이저 빔 반경을 고려하여 추적 성능 분석 모델을 제시하였다. 제시된 성능 분석 모델을 이용하여 추적 범위 및 충돌 영역을 분석하고 거창 레이저 추적 시스템의 요구 조건을 만족하는 회전 디스크 사양을 제시하였다.

Abstract

KASI (Korea Astronomy and Space Science Institute) has been developing the multipurpose laser tracking system with three functions of satellite laser tracking, adaptive optics and space debris laser tracking for scientific research and national space missions. The space debris laser tracking system provides the distance to space debris without a laser retro-reflector array by using a high power pulse laser, which employs a spinning disk to change the optical path between the transmit and receive beams. The spinning disk causes the collision band which is unable to reflect the returned signal to a detector and then has an effect on the tracking coverage of space debris. This study proposed the mathematical model for tracking coverage by taking into account the various specifications of spinning disk such as disk size, spinning velocity and collision rate between the disk and hole. In addition, the spinning disk specifications were analyzed in terms of tracking coverage and collision band based on the mathematical model to investigate tracking requirements of the Geochang laser tracking system.

주제어

#인공위성 레이저 추적 #우주쓰레기 레이저 추적 #송수신 회전 디스크

본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 광 경로 전환을 위한 회전 디스크 사양에 따른 우주쓰레기 레이저 추적 성능 분석을 위해 광학 시스템 중심으로 설명한다.

우주쓰레기 레이저 추적을 위해선 레이저, 추적마운트, 전자, 광학, 소프트웨어 등 다양한 분야의 기술이 요구된다. 본 논문에서는 광 경로 전환을 위한 회전 디스크 사양에 따른 우주쓰레기 레이저 추적 성능 분석을 위해 광학 시스템 중심으로 설명한다. 광학 시스템은 송수신 광학망원경, 수신부, 레이저 유도계로 구분된다.

가설 설정

여기서 디스크가 45도 기울여져 있지만, 추적 범위 분석을 위한 수식 전개를 위해서 레이저 빔과 디스크 홀은 원으로 가정하였다.

시간에 대한 디스크 홀의 위치를 나타낸다. 여기서 디스크가 45도 기울여져 있지만, 추적 범위 분석을 위한 수식 전개를 위해서 레이저 빔과 디스크 홀은 원으로 가정하였다. α는 레이저 빔과 회전 디스크 홀의 중첩 비율로 -1≤α≤1 값을 가진다.

제안 방법

거창 레이저 추적 시스템은 고도 200 ~ 1,800km에 존재하는 우주쓰레기를 추적하도록 요구되는데, 추적 성능 모델을 이용하여 우주쓰레기의 추적 범위 및 충돌 영역을 분석하고 요구 조건을 만족하는 회전 디스크 사양을 제시하였다.

거창 레이저 추적 시스템은 고도 200 ~ 1,800km에 존재하는 우주쓰레기를 추적하도록 요구되는데, 추적 성능 모델을 이용하여 우주쓰레기의 추적 범위 및 충돌 영역을 분석하고 요구 조건을 만족하는 회전 디스크 사양을 제시하였다.
거창 레이저 추적 시스템은 인공위성 레이저 추적, 적응광학, 우주쓰레기 레이저 추적이 가능한 다목적 시스템으로, 송수신 일체형으로 개발되어 광 경로 전환이 필수적이기 때문에 이를 위해 회전 디스크 방식을 채택하였다.

거창 레이저 추적 시스템은 인공위성 레이저 추적, 적응광학, 우주쓰레기 레이저 추적이 가능한 다목적 시스템으로, 송수신 일체형으로 개발되어 광 경로 전환이 필수적이기 때문에 이를 위해 회전 디스크 방식을 채택하였다. 이러한 방식은 디스크 홀에 따른 충돌 영역이 발생하여 우주쓰레기 레이저 추적 시스템의 추적 성능에 영향을 미친다.
거창 우주쓰레기 회전 디스크 홀 지름은 레이저 빔 지름 12mm보다 3mm 여유를 둔 15mm, 회전 속도는 현재 보유하고 있는 레이저 반복률에 따라 10Hz ~ 60Hz, 디스크 홀 개수는 최대 2개, 중첩 비율 α = 1과 α = 0을 조건으로 우주쓰레기 레이저 추적 성능을 분석하였다.

거창 우주쓰레기 회전 디스크 홀 지름은 레이저 빔 지름 12mm보다 3mm 여유를 둔 15mm, 회전 속도는 현재 보유하고 있는 레이저 반복률에 따라 10Hz ~ 60Hz, 디스크 홀 개수는 최대 2개, 중첩 비율 α = 1과 α = 0을 조건으로 우주쓰레기 레이저 추적 성능을 분석하였다.
따라서 이러한 다중 시스템을 효과적으로 구동하기 위한 방법으로 Fig. 2와 같이 3개 시스템(SLR, AO, DLT)의 광 경로 교차 지점에 회전 미러(Rotation Mirror)가 회전하면서 인공위성 레이저 추적 시스템 또는 적응광학 시스템 또는 우주쓰레기 레이저 추적 시스템 방향으로 레이저 빔을 반사하는 방식으로 운영된다.

즉, 인공위성 또는 우주쓰레기로 향하는 레이저 광 경로는 단일 경로이지만, 관측 시스템은 3개인 것이다. 따라서 이러한 다중 시스템을 효과적으로 구동하기 위한 방법으로 Fig. 2와 같이 3개 시스템(SLR, AO, DLT)의 광 경로 교차 지점에 회전 미러(Rotation Mirror)가 회전하면서 인공위성 레이저 추적 시스템 또는 적응광학 시스템 또는 우주쓰레기 레이저 추적 시스템 방향으로 레이저 빔을 반사하는 방식으로 운영된다.
따라서 추적 범위에 영향을 끼치는 홀 크기, 회전 디스크 홀에 레이저 빔의 중첩 여부, 회전 속도 등을 고려한 추적 성능 모델을 제시한다.

또한 회전 디스크가 레이저 빔의 비행시간 동안 회전한다 하더라도 반사되어 되돌아오는 레이저 빔이 회전 디스크 홀에 도달하는 경우에도 레이저 빔을 수신 검출기로 반사시킬 수 없는 충돌 영역이 발생하기에 회전 속도와 디스크 홀 크기는 추적 범위에 영향을 끼친다. 따라서 추적 범위에 영향을 끼치는 홀 크기, 회전 디스크 홀에 레이저 빔의 중첩 여부, 회전 속도 등을 고려한 추적 성능 모델을 제시한다.
본 연구에서는 회전 디스크의 충돌 영역에 대한 분석 모델을 제시하고 이를 바탕으로 홀 크기, 홀 개수, 회전 속도, 레이저와 홀의 중첩 비율 조건에 따라 우주쓰레기 레이저 추적 성능 분석을 수행하였다.

이러한 방식은 디스크 홀에 따른 충돌 영역이 발생하여 우주쓰레기 레이저 추적 시스템의 추적 성능에 영향을 미친다. 본 연구에서는 회전 디스크의 충돌 영역에 대한 분석 모델을 제시하고 이를 바탕으로 홀 크기, 홀 개수, 회전 속도, 레이저와 홀의 중첩 비율 조건에 따라 우주쓰레기 레이저 추적 성능 분석을 수행하였다. 이러한 분석 결과를 통해서 사거리에 따른 우주쓰레기 추적 가능 범위와 충돌 영역을 확인할 수 있었다.
이전 연구에서는 회전 디스크 균형문제로 인해 2개의 홀로 한정된 회전 디스크 충돌 영역만 분석하였지만, 본 논문에서는 무게 균형 문제 해결을 위한 방안과 회전 디스크가 1개와 2개의 홀로 이루어진 경우에 홀 크기, 홀 개수, 회전 속도, 레이저와 홀의 중첩 비율, 레이저 빔 반경을 고려한 추적 성능 모델을 제시하였다.

우주쓰레기로부터 반사된 적은 광자 수로 인한 미약한 신호는 광 경로 전환을 위한 회전 디스크 충돌 영역에 의해 신호가 손실되기 때문에 이를 개선하고자 하는 연구가 진행됐었다[5]. 이전 연구에서는 회전 디스크 균형문제로 인해 2개의 홀로 한정된 회전 디스크 충돌 영역만 분석하였지만, 본 논문에서는 무게 균형 문제 해결을 위한 방안과 회전 디스크가 1개와 2개의 홀로 이루어진 경우에 홀 크기, 홀 개수, 회전 속도, 레이저와 홀의 중첩 비율, 레이저 빔 반경을 고려한 추적 성능 모델을 제시하였다. 거창 레이저 추적 시스템은 고도 200 ~ 1,800km에 존재하는 우주쓰레기를 추적하도록 요구되는데, 추적 성능 모델을 이용하여 우주쓰레기의 추적 범위 및 충돌 영역을 분석하고 요구 조건을 만족하는 회전 디스크 사양을 제시하였다.
지름 100cm 직경에 초점비 f/1.5 오목 포물면 주경(M1)과 지름 25cm 직경에 볼록 포물면 부경(M2)으로 구성된 CPBE(Confocal Paraboloid Beam Expander) 형태로 설계되었고, 주경과 부경을 포함하여 총 7개의 쿠데 미러로 구성되어 있다.

우주쓰레기 레이저 추적을 위한 광학 망원경은 단일망원경으로 인공위성 레이저 추적, 적응광학 시스템과 같이 사용한다. 지름 100cm 직경에 초점비 f/1.5 오목 포물면 주경(M1)과 지름 25cm 직경에 볼록 포물면 부경(M2)으로 구성된 CPBE(Confocal Paraboloid Beam Expander) 형태로 설계되었고, 주경과 부경을 포함하여 총 7개의 쿠데 미러로 구성되어 있다.

성능/효과

이러한 분석 결과를 통해서 사거리에 따른 우주쓰레기 추적 가능 범위와 충돌 영역을 확인할 수 있었다.

본 연구에서는 회전 디스크의 충돌 영역에 대한 분석 모델을 제시하고 이를 바탕으로 홀 크기, 홀 개수, 회전 속도, 레이저와 홀의 중첩 비율 조건에 따라 우주쓰레기 레이저 추적 성능 분석을 수행하였다. 이러한 분석 결과를 통해서 사거리에 따른 우주쓰레기 추적 가능 범위와 충돌 영역을 확인할 수 있었다.
즉, 회전 속도가 느리면 낮은 사거리에서 충돌 영역이 발생하고, 회전 속도 빠르면 긴 사거리에서 충돌 영역이 발생하여 우주쓰레기 추적이 불가능한 것을 확인할 수 있다.

그러나 회전 속도가 빠르면 우주쓰레기의 사거리가 길어질수록 충돌 영역 발생도 커진다. 즉, 회전 속도가 느리면 낮은 사거리에서 충돌 영역이 발생하고, 회전 속도 빠르면 긴 사거리에서 충돌 영역이 발생하여 우주쓰레기 추적이 불가능한 것을 확인할 수 있다. Fig.
회전 디스크의 회전 속도가 느리면 사거리가 낮은 우주쓰레기의 경우 수신 검출기로 반사시키기 위한 디스크 회전이 이루어지기 이전에 레이저 빔이 도달하여 충돌 영역이 존재하지만, 그 반대로 회전 속도가 빨라질수록 낮은 사거리의 우주쓰레기 충돌 영역이 작아지는 것을 확인할 수 있다.

9~10은 레이저 빔의 중첩 비율이 α = 0인 경우에 대한 우주쓰레기 추적 가능 영역을 보여준다. 회전 디스크의 회전 속도가 느리면 사거리가 낮은 우주쓰레기의 경우 수신 검출기로 반사시키기 위한 디스크 회전이 이루어지기 이전에 레이저 빔이 도달하여 충돌 영역이 존재하지만, 그 반대로 회전 속도가 빨라질수록 낮은 사거리의 우주쓰레기 충돌 영역이 작아지는 것을 확인할 수 있다. 그러나 회전 속도가 빠르면 우주쓰레기의 사거리가 길어질수록 충돌 영역 발생도 커진다.

후속연구

또한 거창 레이저 추적 시스템은 인공위성 레이저 추적(Satellite Laser Ranging, SLR), 적응광학(Adaptive Optics, AO), 우주쓰레기 레이저 추적(Debris Laser Tracking, DLT) 시스템으로 구성되어 있으며, 우주 감시, 달 레이저 거리 측정, 자국의 우주 미션 등 국가적 미션을 수행하기 위한 용도로 사용될 예정이다.

이는 인공위성 정밀 궤도 결정, 우주 측지, 회전 역학 등 다양한 연구에 활용되고 있다. 또한 거창 레이저 추적 시스템은 인공위성 레이저 추적(Satellite Laser Ranging, SLR), 적응광학(Adaptive Optics, AO), 우주쓰레기 레이저 추적(Debris Laser Tracking, DLT) 시스템으로 구성되어 있으며, 우주 감시, 달 레이저 거리 측정, 자국의 우주 미션 등 국가적 미션을 수행하기 위한 용도로 사용될 예정이다. 인공위성 레이저 추적 및 적응광학 시스템은 2019년에 개발이 완료되어 현재 시험 운영 단계에 있으며, 우주쓰레기 레이저 추적 시스템은 개발 계획 단계에 있다.
이러한 연구 결과는 개발 계획 단계인 거창 우주쓰레기 추적 시스템과 공군 고출력 레이저 위성추적체계 등 우주쓰레기 레이저 추적 시스템에 적용될 것으로 기대된다.

거창 레이저 추적 시스템은 고도 200 ~ 1,800km에 존재하는 우주쓰레기를 추적하도록 요구되는데, 추적 성능 모델을 이용하여 우주쓰레기의 추적 범위 및 충돌 영역을 분석하고 요구 조건을 만족하는 회전 디스크 사양을 제시하였다. 이러한 연구 결과는 개발 계획 단계인 거창 우주쓰레기 추적 시스템과 공군 고출력 레이저 위성추적체계 등 우주쓰레기 레이저 추적 시스템에 적용될 것으로 기대된다.

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인공위성 레이저 추적	인공위성 레이저 추적은 무엇인가?	레이저 반사경(Retroreflector)이 장착된 인공위성을 대상으로 미리 예측한 궤도 정보(Consolidated Prediction Format, CPF)를 이용하여 인공위성까지 거리를 센티미터(cm) 수준으로 정밀하게 측정하는 시스템 인공위성 레이저 추적은 레이저 반사경(Retroreflector)이 장착된 인공위성을 대상으로 미리 예측한 궤도 정보(Consolidated Prediction Format, CPF)를 이용하여 인공위성까지 거리를 센티미터(cm) 수준으로 정밀하게 측정하는 시스템이다. 지상에서 극초단파 펄스 레이저 발사 시간과 인공위성으로부터 반사되어 되돌아온 레이저의 도착 시간을 바탕으로 비행시간(Time of Flight)을 측정하고 이를 이용하여 거리를 계산하는 원리이다[1].
인공위성 레이저 추적	인공위성 레이저 추적의 원리는 무엇인가?	지상에서 극초단파 펄스 레이저 발사 시간과 인공위성으로부터 반사되어 되돌아온 레이저의 도착 시간을 바탕으로 비행시간(Time of Flight)을 측정하고 이를 이용하여 거리를 계산 인공위성 레이저 추적은 레이저 반사경(Retroreflector)이 장착된 인공위성을 대상으로 미리 예측한 궤도 정보(Consolidated Prediction Format, CPF)를 이용하여 인공위성까지 거리를 센티미터(cm) 수준으로 정밀하게 측정하는 시스템이다. 지상에서 극초단파 펄스 레이저 발사 시간과 인공위성으로부터 반사되어 되돌아온 레이저의 도착 시간을 바탕으로 비행시간(Time of Flight)을 측정하고 이를 이용하여 거리를 계산하는 원리이다[1].

저자의 다른 논문

성기평(4) 임형철(33) 유성열(8) 최만수(7)

참고문헌 (14)

1. Sung, K. P., Choi, E. J., Lim, H. C., Jung, C. G., Kim, I. Y., and Choi, J. S., "Development of Operation Software for High Repetition rate Satellite Laser Ranging," Journal of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 44, No. 12, December 2016, pp. 1103-1111.
2. http://www.celestrak.com/satcat/boxscore.php
3. "Space debris by the numbers," https://www.esa.int/Safety_Security/Space_Debris/Space_debris_by_the_numbers, ESA, January 2019, Retrieved 5 March 2019.
4. Lim, H. C., Park, J. U., Kim, D. J., Seong, K. P., and Ka, N. H., "Laser Tracking Analysis of Space Debris using SOLT System at Mt. Gamak," Journal of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 34, No. 9, September 2015, pp. 830-837.
5. Moore, C. J., "The Impact And Resolution of Collision Bands On the Tracking Targets at Various Ranges," in Proceedings of 15th International Workshop on Laser Ranging, Canberra, Australia, October 2010.
6. De Santis, C., Bigazzi, A., Berrilli, F., and Casolino, M., "A New Debris Detection Algorithm for Orbiting Solar Telescope," Advances in the Astronautical Sciences, Vol. 112, No. 1, January 2002, pp. 199-218.
7. https://www.wikiwand.com/en/Space_debris
8. Park, J. U., et al, "Development of Satellite Laser Ranging System for Space Geodesy," KASI, 2009.
9. International Laser Ranging Service, ILRS, https://ilrs.cddis.eosdis.nasa.gov/network/stations/index.html
10. Lim, H. C., Sung, K. P., Yu, S. Y., Choi, M. S., Park, E. S., Park, J. U., Choi, C. S., and Kim, S. M., "Satellite Laser Ranging System at Geochang Station," Journal of Astronomy and Space Sciences, Vol. 35, No. 4, December 2018, pp. 253-261.
11. Nah, J, K., et al, "Development of Optical System for ARGO-M," Journal of Astronomy and Space Sciences, Vol. 30, No. 1, February 2013, pp. 49-58.
12. National Aeronautics and Space Administration., "USA Space Debris Environment, Operation and Policy Updates," Presentation to the 48th Session of the Scientific and Technical Subcommittee Committee on the Peaceful Uses of Outer Space United Nations COPUOS, 7-18 February 2011.
13. Choi, J., et al, "Analysis of the angle-only orbit determination for optical tracking strategy of Korea GEO satellite, COMS," Advances in Space Research, Vol. 56, No. 15, September 2015, pp. 1056-1066.
14. Lim, H. C., Seo, Y. K., Nah, J. K., and Bang, S. C., "Tracking Capability Analysis of ARGO-M Satellite Laser Ranging System for STSAT-2 and KOMPSAT-5," Journal of Astronomy and Space Sciences, Vol. 27, No. 3, August 2010, pp. 245-252.

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