인공위성 레이저 추적시스템인 공위성 레이저 추적(SLRSatellite Laser Ranging) 시스템은 레이저를 이용해 위성까지 거리를 측정하는 가장 정밀한 인공위성 추적시스템이다.
SLR 시스템의 원리는 극초단파 레이저빔을 광학망원경을 통해 발사해 인공위성에 장착된 레이저 반사경에 의해 반사돼 돌아오는 레이저빔의 왕복 비행시간을 측정함으로써 거리를 구한다.
1964년 발사된 Be acon Explorer-B 위성의 궤도 결정을 위해 SLR 기술이 NASA에 의해 처음 사용됐지만 당시에는 거리측정 오차가 50m 수준이었다.
현재는 전자, 광학 및 제어 기술의 발달로, 그 오차가 mm 수준으로 크게 향상되어, 인공위성의 운영, 지구 물리, 우주 측지 및 우주 감시 등 여러가지 분야에 활용되고 있다.
미국을 비롯한 우주 선진국은 이미 다수의 SLR 시스템을 구축·운영하고 있어, 현재, 세계적으로 약 40의 SLR 관측소가 국제 레이저 추적 기관(ILRS, International Laser Ranging Service)에 가맹해 활동하고 있다.
또 인공위성의 정밀한 거리 측정을 위해 레이저 반사경이 장착된 위성 50여 개가 운영하고 있다.
고정밀 지구관측위성 대부분에 레이저 반사경이 장착돼 있으며 러시아의 GLONASS 항법체계를 구성하는 모든 항법위성에도 레이저 반사경이 장착돼 있다.
또 유럽우주기관이 추진하는 갈릴레오 및 중국의 Compass 항법위성에도 레이저 반사경이 장착될 예정이다.
최근에는 행성 탐사나 달 탐사 우주선에 SLR 시스템의 활용 범위가 확대됨에 따라 SLR 시스템의 국제적 수요가 착실하게 증가하고 있다.
한국의 나로과학위성 및 다목적 실용위성 5호에도 레이저 반사경이 장착돼 발사되기 때문에 국내 독자적인 레이저 추적을 위한 SLR 시스템 구축이 꾸준히 요구돼 왔다.
한국천문연구원은 2008년부터 SLR 시스템 개발을 추진했다.
2012년 9월 40cm 크기의 망원경을 가진 이동형 SLR 시스템 개발을 완료하고 2015년에는 1m급 고정형 SLR 시스템 개발을 완료할 예정이다.
SLR 시스템이란 송신단에서 발사된 레이저(송신광)와 인공위성에 반사돼 다시 수신단에 들어가는 레이저(수신광)를 검출해 계산한 레이저의 비행시간(TOF, Time of Flight)으로부터 위성까지의 거리를 측정하는 것이다.
이러한 SLR 시스템은 그림 1과 같이 레이저, 광학망원경, 추적마운트, 송수신 광전자부 및 운영시스템으로 구성된다.
SLR 시스템은 레이저의 고유성 및 안정성, 발진기의 내구성에 따라 거리측정 정밀도에 큰 영향을 미친다.
레이저의 주요 파라미터는 레이저의 종류, 레이저의 주/부 파장 및 에너지, 펄스폭, 반복률, 증폭단수, 레이저빔직경이 있다.
일반적으로 SLR 시스템은 수십에서 수백ps 정도로 펄스폭이 매우 짧으며 펄스당 에너지가 큰 레이저를 사용한다.
레이저의 펄스폭이 100ps 의 경우, 인공위성의 거리 측정 정도는 약 6mm 를 가진다. 그러나, 일정시간의 데이터를 정리해 통계적인 계산을 실시하면, 한층 더 정밀한 거리 측정 데이터를 얻을 수 있다.
최근에는 레이저 반복률을 2KHz까지 크게 함으로써 레이저 펄스당 수신되는 광자의 수는 적지만, 상대적으로 초당 검출되는 광자수를 증가시켜 저궤도 위성에 대해 보다 정밀한 거리 측정을 실시하고 있다.
SLR 시스템에 사용하는 광학망원경은 레이저 송신단과 수신단을 분리시키는 송수신 분리형과 공동으로 사용하는 송수신인 일체형이 있다.
일반적으로 송수신 분리형 수신망원경은 cassegrain, 일체형은 common coude 초점방식을 많이 사용한다.
망원경의 초점 방식은 수차문제 해결과 구조적, 열적 공차(torlerence) 확보, 전체 망원경 형태, 최종적으로 광학계측이 가능한 기술을 고려해 결정하게 된다.
송수신 분리형은 대기에 의한 후방산란광(back scattering)을 감소시켜 KHz 거리측정을 실현하기가 용이하지만 송신 및 수신망원경의 빛 정렬이 매우 어렵다.
한편 송수신 일체형은 송수신 망원경의 빛 정렬이 필요 없어 콤팩트한 광기계 설계가 가능하지만 후방 산란광이 증가하여 KHz 거리 측정을 실현하기 어렵다.
일반적으로 광학망원경의 직경이 1m 이상인 경우 송수신 일체형, 1m 이하인 경우 송수신 분리형을 많이 사용한다.
SLR 시스템은 매우 빠르게 지구를 공전하는 저궤도 인공위성까지 추적해야 하기 때문에 일반적인 천문관측용 망원경 시스템보다 훨씬 빠르고 정밀한 추적 마운트 구동이 요구된다.
따라서 적도의식보다는 경위대식(방위각-고도방식) 추적 마운트를 사용한다.
마운트 구동부에서는 고속 구동을 위한 마운트 구동 방식, 모터의 구동 속도 및 구동 가속도, 동적 추적 정밀도, 각 분해능이 주요 파라미터로 작용한다.
일반적으로 기계적 구조가 간단한 직접 구동 방식으로 DC 토크 모터를 사용한다.
직접구동방식은 기계적 안정성 및 반복정도가 높고 백래시가 없음
DC 토크 모터를 사용하여 기동 토크 및 출력 효율을 높여 속도의 정밀 제어가 용이함.
송수신 광전자부는 송신광 및 수신광을 검출하는 과정, 검출 순간의 시간을 측정하는 과정, 레이저의 비행시간(TOF)을 계산해 SLR 관측소에서 위성까지의 거리를 정밀 측정하는 과정으로 구분할 수 있다.
수신광의 검출기로서 C-SPAD(Compensated Single Photon Avalanche Diode)나 MCP-PMT(Micro Channel Plate Photoelectron Multiplier Tube)가 많이 사용된다.
이들 장치는 이득(gain)이 크고 수신광이 미약해도 광자를 검출하는데 유리하며, 시간분해능이 수GHz(MCP의 경우)에서 수MHz(C-SPAD의 경우) 정도로 매우 좋다.
송수신 전자부에 핵심장비로 시간을 측정하는 카운터와 시간을 동기화하는 원자시계가 있다.
레이저의 비행시간을 측정하는 방법으로 송신광과 수신광 사이의 경과시간을 측정하는 시간격 카운팅(time interval counting)법과 송신광과 수신광의 이벤트를 저장하는 에포크 이벤트 카운팅(epochevent counting)법이 있다.
시간격 카운트는 장비가 싸고 수십 mm의 정밀도를 가진다.
그러나 이 장비는 레이저 반복률이 100Hz 이상으로 높아지거나 레이저 비행시간이 길어질수록 시간 측정 정확도가 크게 떨어지는 단점이 있다.
한편 이벤트 카운트는 kHz 레이저 거리 측정에도 1mm급 측정 정확도를 갖지만 장비가 비싸다는 단점이 있다.
클락 정밀도가 피코초 이하인 원자시계는 세슘 원자시계, 루비듐 원자시계, 수소 메이저 원자시계가 있는데 SLR 시스템에서는 GPS가 연동된 세슘 또는 루비듐 원자시계가 많이 사용된다.
송수신 빛의 비행 시간은 거리 계산 오차, 클러 오차, 송신광 및 수신광 레이저 검출 오차, 시간 지연 등 오차 보정을 고려해 계산한다.
SLR 운영시스템은 레이저 관측에 필요한 각종 서브시스템과 장비를 제어하고, 환경을 종합 판단한 후 이를 관측에 반영하며, 실제로 관측을 통해 획득한 데이터를 통합 처리 및 전송하는 역할을 담당한다.
최근의 운영체제 경향은 추적관측 자동화 및 자율화를 고려한 관측 운영기능과 시스템의 건강상태 및 긴급상황에서의 대처능력을 갖는 시스템 안전기능을 보강하고 있다.
SLR 시스템은 전자, 통신 및 광학기술의 발달로 소형화, 자동화, 고정밀화됨에 따라 초기 SLR 시스템이 갖는 문제점을 해결하고 새로운 응용분야를 개척하는 데 일조하였다.
태양광으로 인한 배경 잡음 때문에 낮 시간대에 인공위성에서 반사돼 돌아오는 레이저를 검출하기 어려워 초기에는 레이저 추적이 밤에만 가능했다.
그러나 협대역 간섭필터 등을 이용해 낮 시간대에도 인공위성 레이저 추적이 가능해졌다.
특히 우주물체 추적 분야에서도 레이저 반사경이 없는 5cm 이상의 우주 잔해에 대해서도 레이저 추적이 가능한 단계에까지 들어갔다.
또 2000년 중반 화성과 수성 탐사선의 레이저 거리측정 실험이 성공함에 따라 2009년 NASA가 발사한 LRO(Lunar Reconnaissance Orbiter) 달 탐사선에 실제 SLR 추적기술이 적용됐다.
LRO 달 탐사기가 수행해야 하는 안전한 달 착륙지점 조사 및 달 지도를 생성하는데 SLR 기술이 크게 공헌했다.
지난 50년간 SLR시스템은 고체 지구, 해양 및 대기오염 연구를 위한 최상의 데이터를 제공해 왔다.
지구과학 연구를 위해서 SLR 시스템을 운영하는 기관은 국제 관측망을 형성해, 여러가지 공동 연구를 실시하고 있다.
현재 기술 수준에서 SLR 기술을 이용하면 지각의 움직임을 mm 수준으로 정밀하게 산출할 수 있고 국부적 지각 변동도 알아낼 수 있다.
또한 지구의 여러 기준좌표계를 구현하고 유지하여 지구와 맨틀간의 상호작용 및 지구의 조석력 연구, 지구극운동과 관련된 세차 및 장동운동 연구에도 사용된다.
특히 달에 설치된 레이저 반사경에서 되돌아오는 레이저 관측 데이터에서 지구와 달 사이의 거리가 매년 평균 3.8cm 떨어져 있는 것으로 나타났다.
TOPEX 인공위성처럼 레이저 고도계를 장착한 인공위성은 해수면 및 지표면의 수직 변화와 빙하의 질량 변화를 정밀하게 모니터링하기 위해 인공위성의 정밀한 거리를 알아야 한다.
전파를 이용한 기존의 거리측정 방식과는 달리 정밀한 거리를 제공하는 SLR 기술을 적용해 평균 해수면이 매년 약 3.0mm씩 상승한다는 연구 결과를 산출할 수 있었다.
마지막으로 SLR 시스템은 기초물리 연구에도 활용된다.
지구질량 중심을 미국의 ᅩᄌᆫ 동전의 크기 이내로 파악할 수 있어 지구 중력 상수 및 중력 변화 연구에 활용된다.
또, SLR 기술의 높은 정밀도에 의해, 일반 및 특수 상대성 이론 실험을 검증할 수 있다.
SLR 시스템의 필수기술이라 할 수 있는 레이저, 송수신 광학계, 마운트 및 기타 운용기술은 고에너지 레이저 무기체계의 기반기술로서 활용되고 있다.
고에너지 레이저 무기는 강력한 레이저 빔을 표적에 빛의 속도로 가할 수 있다. 따라서 항공기, 미사일 및 인공위성 등 빠른 속도의 표적을 요격하는 데 적합하다.
고에너지를 전달할 수 있는 최초의 레이저는 1960년대 말 출현했는데 이때부터 레이저를 무기체계에 응용하기 위한 세계 각국의 노력이 시작됐다.
1983년 3월 로널드 레이건 미국 대통령에 의해 수립된 전략방위구상(SDI: Strategic Defense Initiative)이 고에너지 레이저 무기 기술 개발을 촉진하는 가장 중요한 계기가 됐다.
1996년 미국과 이스라엘이 전술고에너지 레이저 무기(THEL: Tactical High Energy Laser)의 공동 개발에 합의하고, TRW 회사에 ᅳᅳ를 공동 투자해 4년 만에 개발했다.
2000년 6월 머리띠 로켓 요격 실험에 성공했고 2002년 11월 2개의 포탄을 동시에 요격하는 실험도 성공했다.
또 인공위성을 요격할 수 있는 고에너지 레이저 무기는 미국을 비롯해 러시아 및 중국이 관련 시설을 보유하고 있는 것으로 알려졌다.
이러한 고에너지 레이저 병기에는 SLR 시스템이 기반기술로서 활용될 가능성이 있다.
<인공위성레이저추적(SLR )시스템(임형철 지음)> 중에서