인공위성 레이저 추적 시스템인 공위성 레이저 추적(SLR, Satellite Laser Ranging) 시스템은 레이저를 이용하여 위성까지의 거리를 측정하는 가장 정밀한 인공위성 추적 시스템이다.
SLR 시스템의 원리는 극초단파의 레이저빔을 광학망원경을 통해 발사하고 인공위성에 장착된 레이저반사경에 의해 반사돼 돌아오는 레이저빔의 왕복비행시간을 측정함으로써 거리를 구한다.
1964년 발사된 Beac on Explorer-B 위성의 궤도 결정을 위해 SLR 기술이 NASA에 의해 처음 사용됐지만 당시에는 거리측정 오차가 50m 수준이었다.
현재는 전자, 광학 및 제어기술의 발달로 그 오차가 mm수준까지 크게 향상되어 인공위성의 운영, 지구물리, 우주측지 및 우주감시 등 다양한 분야에 활용되고 있다.
미국을 비롯한 우주 선진국은 이미 다수의 SLR 시스템을 구축 운영하고 있으며, 현재 세계적으로 약 40개의 SLR 관측소가 국제레이저추적기구(ILRS, International Laser Ranging Service)에 가입해 활동하고 있다.
또 인공위성의 정밀한 거리 측정을 위해 레이저 반사경이 장착된 위성 50여 개가 운영 중이다.
고정밀 지구관측위성 대부분에 레이저 반사경이 장착돼 있으며 러시아의 GLONASS 항법체계를 구성하는 모든 항법위성에도 레이저 반사경이 장착돼 있다.
또한 유럽 우주 기구가 추진하는 갈릴레오 및 중국의 Compass 항법 위성도 레이저 반사경을 장착할 예정이다.
최근에는 행성 탐사 및 달 탐사 우주선에 SLR 시스템의 활용 범위가 확대됨에 따라 SLR 시스템의 국제적 수요가 착실하게 증가하고 있다.
한국의 나로과학위성 및 다목적실용위성 5호에도 레이저 반사경이 장착돼 발사되기 때문에 국내 독자적인 레이저 추적을 위한 SLR 시스템 구축이 요구돼 왔다.
한국천문연구원은 2008년부터 SLR 시스템 개발을 추진해 왔다.
2012년 9월에 크기 40cm의 망원경을 가진 이동형 SLR 시스템의 개발을 완료하고, 2015년에는 1m급 고정형 SLR 시스템의 개발을 완료할 예정이다.
SLR 시스템이란, 송신단에서 발사된 레이저(송신광)와 인공위성에 반사되어 다시 수신단에 들어오는 레이저(수신광)를 검출해 계산한 레이저의 비행 시간(TOF, Time of Flight)으로부터 위성까지의 거리를 측정하는 것이다.
이들 SLR 시스템은 그림 1과 같이 레이저, 광학망원경, 추적마운트, 송수신 광전자부 및 운영체제로 구성된다.
SLR 시스템은 레이저의 고유성 및 안정성, 발진기의 내구성에 의해서 거리측정 정밀도에 큰 영향을 미친다.
레이저의 주요 파라미터는 레이저의 종류, 레이저의 주/부파장 및 에너지, 펄스폭, 반복률, 증폭단수, 레이저빔직경이 있다.
일반적으로 SLR 시스템은 수십에서 수백 ps 정도로 펄스폭이 매우 짧으며 펄스당 에너지가 큰 레이저를 사용한다.
레이저의 펄스폭이 100ps 의 경우, 인공위성의 거리 측정 정도는 약 6mm 를 가진다. 그러나 일정 시간의 데이터를 수집해 통계적인 계산을 하면 보다 정밀한 거리 측정 데이터를 얻을 수 있다.
최근에는 레이저 반복률을 2KHz까지 크게 하여 레이저 펄스당 수신되는 광자의 수는 적지만, 상대적으로 초당 검출되는 광자의 수를 증가시켜 저궤도 위성에 대해서 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 수차 문제 해결과 구조적, 열적 공차 확보, 전체 망원경 형태, 최종적으로 광학 계측이 가능한 기술을 고려해 결정하게 된다.
송수신 분리형은 대기에 의한 배경광을 감소시켜 KHz 거리측정을 실현하기가 쉽지만 송신 및 수신망원경의 광배열이 매우 어렵다.
한편 송수신 일체형은 송수신 망원경의 빛 정렬이 불필요하고 콤팩트한 광기계 설계가 가능하지만 후방 산란광이 증가하여 KHz 거리측정을 실현하기가 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 고속구동을 위한 마운트 구동방식, 모터의 구동속도 및 구동가속도, 동적 추적정밀도, 각 분해능이 주요 파라미터로 작용한다.
일반적으로 기계적 구조가 간단한 직접구동 방식으로 DC토크 모터를 사용한다.
직접구동방식은기계적안정성•반복정도가높고백래시가없음
DC 토크 모터를 사용하여 기동 토크 및 출력 효율을 높여 속도의 정밀 제어가 용이함.
송수신 광전자는 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 검출기로는 C-SPAD(Compensated Single Photon Avalanche Diode)와 MCP-PMT(Micro Channel Plate Photoelectron Multiplier Tube)가 많이 사용된다.
이들 기기는 이득이 커 수신광이 미약해도 광자를 검출하는 데 유리하며, 시간분해능이 수GHz(MCP 경우)에서 수MHz(C-SPAD 경우) 정도로 매우 좋다.
송수신 전자부에 코어 장비로 시간을 측정하는 카운터와 시각을 동기화시키는 원자시계가 있다.
레이저의 비행시간을 측정하는 방법으로는 송신광과 수신광과의 경과시간을 측정하는 시간격 카운팅(time interval counting)법과 송신광과 수신광의 이벤트를 보존하는 에폭 이벤트 카운팅(epochevent counting)법이 있다.
시간격 카운트는 장비가 싸고 수십 mm의 정확도를 가진다.
그러나 이 장비는 레이저 반복률이 100Hz 이상으로 높아지거나 레이저 비행시간이 길어질수록 시간 측정 정확도가 크게 떨어지는 단점이 있다.
한편 이벤트 카운팅은 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 사용되고 있다.
송수신 빛의 비행 시간은 거리 계산 오차, 클러 오차, 송신광 및 수신광 레이저 검출 오차, 시간 지연 등의 오차 보정을 고려해 계산한다.
SLR 운영체제는 레이저 관측에 필요한 각종 서브시스템과 장비를 제어하고, 환경을 종합 판단한 후 이를 관측에 반영해 실제 관측에 의해 획득한 데이터를 통합 처리·전송하는 역할을 담당한다.
최근의 운영체계의 추세는 추적관측의 자동화·자율화를 고려한 관측 운영기능과 시스템의 건강상태 및 긴급 대응능력을 갖춘 시스템의 안전기능을 보강하고 있다.
SLR 시스템은 전자, 통신, 광학기술의 발달로 소형화, 자동화, 고정밀화가 진행됨에 따라 초기 SLR 시스템이 갖는 문제점의 해결과 새로운 응용분야 개척에 일조했다.
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 단계에 들어갔다.
또한 2000년 중반에 화성 및 수성 탐사선의 레이저 거리 측정 실험이 성공함에 따라, 2009년에 NASA가 쏘아 올린 LRO(Lunar Reconnaissance Orbiter) 달 탐사선에 실제 SLR 추적 기술이 적용되었다.
LRO 달 탐사선이 실시해야 하는 달 착륙 지점의 조사 및 달 지도 생성에 SLR 기술이 크게 공헌했다.
지난 50여 년간 SLR 시스템은 고체 지구, 해양 및 대기 시야 연구를 위한 최상의 데이터를 제공해 왔다.
지구과학 연구를 위해 SLR 시스템을 운영하는 기관은 국제 관측망을 형성해, 복수의 공동 연구를 실시하고 있다.
현재의 기술수준에서 SLR기술을 이용하면 지각의 움직임을 mm레벨로 정밀하게 산출할 수 있고 국부적 지각변형도 검지할 수 있다.
또한 지구의 여러 기준 좌표계를 구현하고 유지하여 지구와 맨틀 사이의 상호작용과 지구조석력 연구, 지구극운동과 관련된 세차 및 장동운동 연구에도 이용된다.
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 적용함으로써 평균 해수면이 매년 약 3.0mm씩 상승한다는 연구 결과가 산출되었다.
마지막으로 SLR 시스템은 기초물리 연구에도 활용된다.
지구질량 중심을 미국의 1센트짜리 동전 크기 이내에 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 등과 같은 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 대통령이 수립한 전략방위구상(SDI: Strategic Defense Initiative)이 고에너지 레이저 무기 기술 개발을 촉진하는 가장 중요한 계기가 되었다.
1996년 미국과 이스라엘이 전술 고에너지 레이저 무기(THEL: Tactical High Energy Laser) 공동 개발에 합의하고 TRW 회사에 2억100만달러를 공동 투자하여 4년 만에 개발하였다.
2000년 6월 카추사 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 있다.
이러한 고에너지 레이저 병기에는 SLR 시스템이 기반기술로서 활용할 수 있다.
‘인공위성 레이저 추적(SL R) 시스템(임형 철저)’ 중에서