[알아봅시다] 인공위성 레이저추적 시스템(SLR)

지상에서 인공위성간 거리 밀리미터급 정밀 측정

레이저 발진기ㆍ광학망원경 등 구성빛 송ㆍ수신 왕복시간으로 거리 계산위성 감시ㆍ지구과학 연구 등에 활용2015년까지 1m급 망원경 SLR 계획

지난달 30일 우리나라는 나로호 발사에 성공하며 우주시대를 열었습니다. 세 차례의 발사와 2번의 연기 끝에 일궈냈다는 점에서 의미가 크다고 할 수 있는데요. 나로호에 실려 우주로 쏘아 올려진 나로과학위성은 정상 궤도에 진입해 우주환경 관측 임무를 수행하고 있습니다.

그럼 나로과학위성처럼 지상에서부터 수백∼수만㎞나 떨어져 지구를 돌고 있는 인공위성까지의 거리는 어떻게 측정할 수 있을까요? 줄자로 그 먼 곳에 있는 인공위성까지의 거리를 잴 수 없는 법이죠.

◇레이저로 인공위성 거리 측정=한국천문연구원은 국내 최초로 우주공간을 움직이고 있는 인공위성까지의 거리를 재기 위해 빛을 이용한 자를 만들어 가동하고 있습니다. 이것이 바로 `인공위성 레이저추적(SLR) 시스템'입니다.

SLR 시스템은 지상에서 위성에 레이저를 발사해 반사돼 돌아오는 빛을 수신한 뒤 시간을 계산해 위성까지의 거리를 정확하게 측정하는 장비입니다.

천문연이 가동하고 있는 SLR 시스템은 위성까지의 거리를 ㎜단위까지 측정할 수 있는 정밀도를 자랑합니다. 현재 개발된 위성 추적 방법 중 가장 정밀한 방법이 SLR 시스템인 것입니다.

◇SLR 시스템의 작동원리는=SLR 시스템은 레이저 발진기와 추적 마운트, 광학망원경, 광전자부, 운영 시스템 등으로 이뤄져 있습니다. 작동원리를 다음과 같습니다. 우선 레이저 발진기에서 빛이 송신되고 송신 시작 시각을 광전자부에서 감지합니다. 이후 송신된 레이저는 추적 마운트가 겨낭하고 있는 인공위성을 향해 쏘아 올려져 광학망원경을 거쳐 우주로 나아가고 인공위성에 달린 레이저 반사경에 이르게 됩니다.

레이저 반사경에 의해 반사된 레이저는 다시 광학망원경으로 돌아와 광전자부의 센서에 의해 레이저 수신 시각을 측정하게 됩니다. 레이저의 송신 및 수신 시각을 측정했기 때문에 레이저가 인공위성에 도달한 뒤 돌아온 왕복시간을 알 수 있는데요. 이렇게 측정된 왕복시간은 빛의 속도(1초에 약30만㎞)를 이용해 인공위성까지의 거리를 계산할 수 있습니다.

특히 시각을 측정하는 광전자부는 수십 피코초(1조분의 1초)급 정밀도를 가지고 있는데, 이를 거리 정밀도로 환산하면 밀리미터(㎜)급에 해당합니다. 즉 수백-수만㎞ 고도의 인공위성까지의 거리를 밀리미터급으로 정밀하게 측정할 수 있다는 얘기입니다.

◇인공위성 거리를 왜 측정할까=인공위성은 특정한 목적을 위해 많은 비용과 기술력을 투입해 만든 위성입니다. 대표적으로 지상에 대한 정보 수집(특정 지역 영상 획득, 날씨 변화, 대륙의 움직임 등)과 방송ㆍ통신용, 우주관측 등의 목적으로 활용되는데요.

이러한 임무를 수행하기 위해서는 정해진 시각에 인공위성이 지구 주변의 어느 위치에 있는지, 지상 또는 우주의 어느 곳을 향하고 있는지를 항상 알고 예측할 수 있어야 합니다. 정확한 위치 정보를 알아야만 우리가 원하는 시각에 임무를 수행할 수 있도록 명령하고 계획할 수 있기 때문입니다.

이렇듯 인공위성의 위치를 정확하게 알게 되면 인공위성이 수행하는 임무의 정밀도를 높일 수 있기 때문에 SLR 시스템을 통해 인공위성의 거리를 측정하는 것입니다.

◇어디에 활용하나=SLR 시스템은 인공위성 추적과 감시, 지구과학 연구의 기반기술에 활용할 수 있습니다. 우선 원하는 시각에 인공위성의 위치를 정확히 알아내는 것을 인공위성 추적이라고 하는데요. 지속적으로 추적을 수행하면 여러 개의 인공위성에 대한 위치정보를 데이터베이스로 구축할 수 있고, 이를 통해 인공위성의 위치를 미리 예측할 수 있어 결국 인공위성들에 대한 감시능력을 향상시킬 수 있게 됩니다.

감시 기능은 우리나라에서 쏘아올린 인공위성들의 관제 및 유지에 중요한 역할을 할 뿐만 아니라 한반도 상공을 지나는 외국 인공위성들의 움직임도 모니터링할 수 있습니다. 이러한 이유 때문에 SLR 시스템의 감시 기능은 군에서 주도하는 국가 첩보위성 감시체제 구축과 밀접한 관련을 갖고 있습니다.

인공위성 추적과 감시 외에 SLR 시스템 개발 기술은 지구과학 연구분야에 활용될 수 있는데요. 지진이나 화산폭발, 지구 자전축 변화 등을 일으키는 대륙판의 움직임에 의한 지구 표면의 미세한 거리 변화를 측정하는데도 SLR 시스템을 활용할 수 있습니다.

◇향후 계획은=천문연은 2014년가지 SLR 시스템 2기를 개발할 계획입니다. 그 중 하나는 40㎝급 지름의 광학망원경을 사용하고 이동이 가능한 시스템으로 지난해 10월 개발을 마치고 가동하고 있습니다.

이동형 SLR 시스템 개발을 통해 확보한 기술력을 바탕으로 2015년까지 1m급 지름의 망원경을 사용하는 고정형 SLR 시스템을 개발해 국제 레이저 추적 네트워크에 참여하는 등 우주 선진국으로서의 위상을 높여 나갈 예정입니다.

대전=이준기기자 bongchu@

자료제공=한국천문연구원

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