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SLR

Challenges of Laser in Dynamic Space

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SLR

SLR 역사

  • 1960년 토마스에이먼에 의해 루비레이저가 발명된 이후 1964년 최초의 SLR (Satellite Laser Ranging) 위성 Explorer 22/BE-B 가 발사되어 루비 레이저 SLR 시스템을 사용해 되돌아오는 레이저를 최초로 수신하였다. 1969년 7월 아폴로 11호 우주비행선이 최초로 레이저반사경을 달에 설치하여 LLR(Lunar Laser-Ranging)의 기반을 마련하고 이후 NASA가 국제 컨퍼런스를 조직하여 SLR을 포함한 우주기술의 활용을 휘한 장기계획수립 및 고체지구역학을 이해하는 발판을 마련하고자 하였다.

  • 70년대 이후 각국에서 SLR 관측소를 설립하고 두 번째 SLR 전용위성인 LAGEOS가 발사되어 수 십년간 데이터를 제공함에 따라 현재까지도 정밀 측지연구 및 중력장 연구에 매우 유용하게 사용되고 있다.

  • 80년대에 들어와서는 이동 가능한 SLR 관측소 및 송수신 일체형의 SLR 시스템이 개발 및 완성되어 성공적으로 운영되었으며 이에 따라 지역별 측정이 가능하게 되어 지각 운동 및 지질연구를 보다 활발하게 만들었다.

  • 90년대에는 위성항법시스템이나 DORIS 와 같은 새로운 거리측정기술이 널리 활용됨에 따라 SLR 이 다소 주춤하는 양상을 보였으나 그럼에도 불구하고 SLR 시스템 및 반사경을 장착한 위성의 수는 계속 증가했고 거리측정 정밀도를 향상시키는 기술이 꾸준히 시도 되었다. 94년에 시작된 NASA의 SLR 2000사업은 무인으로 운영되는 SLR 스테이션 및 sub-mm 정확도를 가지는 정밀추적을 목표로 현재까지 진행중에 있으며 98년에는 SLR과 LLR을 전담하는 국제레이저관측기구 (ILRS, International Laser Ranging Service)가 설립되었다.

  • 2000년대에는 ILRS의 관리 및 지원으로 꾸준히 SLR 의 발전이 이루어지고 있으며 상당수의 지구관측 위성이나 위성항법시스템에서 레이저 반사경을 탑재하여 궤도 결정 정밀도를 검증하고 있다.

SLR소개자료

달에 설치된 레이저 반사판

기술개요

  • SLR은 현존하는 인공위성 궤도를 가장 정밀하게 결정 시스템으로 cm 급의 single shot 정확도와 mm 급의 Normal Point(정규점, NP) 정밀도를 가지는 것으로 알려져 있다.

  • SLR은 펄스폭이 매우 짧은 레이저를 광학계를 통해 발사하여 인공위성으로부터 반사되어 되돌아오는 레이저의 비행시간을 측정함으로써 위성까지의 거리를 계산한다. 지상관측소에서 레이저 반사경 장착한 위성을 향해 레이저를 발사(송광,fire)할 때의 시각과 지상관측소로 돌아오는 레이저 빔을 검출(수광,return)할때의 시각을 측정하여 레이저 빔의 비행시간을 획득한다. 비행시간으로부터 지상관측소와 위성간의 순간적인 거리를 결정하고 망원경의 방향(방위각 및 고도각)을 얻게 되면 위성의 3차원 위치를 계산할 수 있다. 관측영역 안에서 위성이 지나가는 위치를 연속적으로 얻고 관측모델(measurement model)을 적용하면 위성의 정밀궤도를 결정할 수 있다. 여기서 SLR의 거리측정 자료와 새롭게 결정된 위성 정밀궤도와의 차이로부터 SLR의 거리측정 정밀도가 계산된다.

시스템

  • 일반적인 SLR 시스템은 레이저 시스템, 송/수신 광학망원경, 고속추적마운트, 송/수신 광전자 장치 및 운영 소프트웨어의 5가지 서브시스템으로 구성된다. 레이저 시스템은 레이저 발진기로써 SLR 시스템에서는 펄스 레이저를 사용해야 한다. 광학 영역(파랑/녹색 파장)의 파장을 가지며 주로 Nd:YAG 레이저 (야그 레이저)를 사용한다.

  • 송/수신 광학망원경은 크게 송수신 분리형과 일체형이 있다. 송신 망원경은 레이저의 지향 (pointing) 및 퍼짐도 (divergence)를 조절하고 수신망원경은 표적 위성으로부터 반사된 레이저를 수광 검출기에 집속 시켜주며 표적 관측을 위한 망원경 역할을 한다.

  • SLR 시스템의 마운트는 저궤도 위성의 궤도 속도를 추적해야 하므로 일반적인 천문학분야의 망원경 시스템 보다 훨씬 빠른 마운트 구동을 요한다. 일반적으로 방위각-고도각 방식(또는 경위대식)의 마운트를 사용한다.

  • 송수신 광전자 장치는 레이저를 발사하고 위성으로부터 되돌아오는 신호를 받아 레이저의 비행시간을 측정하는 부분이다. 레이저 발생기에서 광다이오드를 이용하여 레이저가 출발하는 순간의 출발시간을 획득하고, 수신망원경에 장착된 검출기에 신호가 발생하는 순간의 시간을 획득한다. SLR은 psec 단위의 매우 정밀한 시각을 다루기 때문에 이를 검출하는 시계장치는 크게 카운터(타이머)와 오실레이터를 이용하게 된다. SLR 수신단에 들어오는 수신신호는 매우 미약한 상태가 된다. 따라서 SLR을 위한 검출기는 작은 광자 및 광량을 증폭시키면서 신호를 검출한다.

  • 운영 소프트웨어는 시스템 제어 및 위성 추적 관측, 그리고 추적관측 데이터를 처리해야한다. 부가적으로 시스템의 상태를 알려주거나 주변 환경 정보를 제공하는 부분이 최근 추가되고 있다.



SLR 시스템 소개

SLR 시스템 소개