[논문 리뷰] Measuring the absolute non-gravitational acceleration of a spacecraft: goals, devices, methods, performances

Benjamin Lenoir, Bruno Christophe외 1명|arXiv (Cornell University)|2011. 10. 03.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 3인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 행성계 스케일에서 일반 상대성 이론을 시험하기 위해 비중력 가속도의 편향 없는 측정을 가능하게 하는 전기적 가속도계인 중력 고급 패키지(GAP)를 제안한다. 특수한 회전 신호를 사용해 가속도계의 방향을 조절함으로써 기구적 드리프트를 억제하고, 3시간 동안 1 pm·s⁻²의 정밀도를 달성한다. 이는 일반 상대성 이론 시험을 위한 궤도 재구성의 정밀도를 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

Space provides unique opportunities to test gravitation. By using an interplanetary spacecraft as a test mass, it is possible to test General Relativity at the Solar System distance scale. This requires to compute accurately the trajectory of the spacecraft, a process which relies on radio tracking and is limited by the uncertainty on the spacecraft non-gravitational acceleration. The Gravity Advanced Package (GAP) is designed to measure the non-gravitational acceleration without bias. It is composed of an electrostatic accelerometer supplemented by a rotating stage. This article presents the instrument and its performances, and describes the method to make unbiased measurements. Finally, it addresses briefly the improvement brought by the instrument as far as orbit reconstruction is concerned.

연구 동기 및 목표

• 행성 간 우주선에서 비중력 가속도의 절대적이고 편향 없는 측정을 가능하게 하여 고정밀 궤도 결정을 수행하기 위해.
• 태양 복사 압력 및 열 반사력과 같은 비중력력의 모델링에 의한 불확실성으로 인해 발생하는 현재 궤도 재구성의 한계를 해결하기 위해.
• 유럽우주국(ESA)이 기본 물리학 임무를 위해 권장한 바와 같이, 비중력 가속도 측정 정밀도를 10 pm·s⁻² 수준으로 달성하기 위해.
• 변동하는 비중력 가속도를 직접 측정함으로써 궤도 피팅에서의 상관관계와 자유 매개변수를 줄이기 위해.
• 행성 간 탐사선을 활용해 태양계 거리 척도에서 일반 상대성 이론을 향후 시험할 수 있도록 지원하기 위해.

제안 방법

• GAP는 외부 힘, 특히 비중력 가속도를 측정하기 위해 3축 전기적 가속도계(MicroSTAR)를 사용한다.
• 세라믹 액추에이터를 갖춘 회전 스테이지가 가속도계의 x축을 중심으로 방향을 조절하여 시간에 따라 변하는 신호를 생성함으로써 편향과 진짜 가속도를 구분한다.
• 조절 신호는 주기 τ 동안 조절 함수와 cos(θ(t))의 곱을 적분했을 때 상수, 선형, 이차 항에 대해 0이 되도록 설계되어 있어 완전한 편향 제거를 보장한다.
• 마스킹 지속시간(T_M)과 조절 주기(τ)의 비율에 기반해 회전 프로파일이 최적화되며, T_M = 200 s 및 τ = 600 s일 때 노이즈 성능이 최적임이 입증되었다.
• 조절된 데이터의 후처리 과정에서 각 조절 주기 동안의 편향 없는 평균 가속도가 복원되며, 노이즈 특성은 앨런 분산과 파wer 스펙트럼 밀도를 통해 분석된다.
• 신호와 편향을 짧은 간격에서 시간에 대한 애핀 함수로 간주함으로써 드리프트 효과를 분석적으로 상쇄시킬 수 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 우주 공간에서 전기적 가속도계를 사용해 행성 간 우주선의 절대적 비중력 가속도를 편향 없이 측정하는 방법은 무엇인가?
• RQ2 가속도계 측정에서 기구적 드리프트와 편향을 완전히 제거하기 위해 필요한 조절 프로파일과 회전 전략은 무엇인가?
• RQ3 GAP는 비중력 가속도를 직접 측정함으로써 궤도 재구성 정밀도를 얼마나 향상시키는가?
• RQ4 GAP의 노이즈 성능은 태양 복사 압력과 열 반사력의 자연적 변동보다 어떻게 비교되는가?
• RQ5 GAP는 향후 우주 기반 기본 물리학 임무에 요구되는 10 pm·s⁻² 정밀도 수준을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• GAP는 600 s 조절 주기와 200 s 마스킹 지속시간을 사용할 경우, 편향 없는 가속도 측정에서 4.2 × 10⁻¹² m·s⁻²의 정밀도를 달성한다.
• 3시간의 통합 시간 동안 평균 비중력 가속도의 불확도는 1 pm·s⁻²로 감소하여 우주 기반 중력 시험에 요구되는 10 pm·s⁻² 목표를 충족한다.
• 편향 없는 측정에서의 노이즈는 관심 주파수 범위에서 거의 백색이며 스펙트럼적으로 평탄하여 색조 노이즈 오염이 최소임을 나타낸다.
• GAP의 측정 노이즈 스펙트럼 밀도는 10 AU에서 0.1 m²·kg⁻¹의 궤도 계수를 가진 태양 복사 압력 변동보다 현저히 낮아 이전에는 측정할 수 없었던 가속도를 감지할 수 있다.
• 비중력 가속도를 직접 측정함으로써 모델링의 필요성을 줄이고 궤도 피팅에서의 상관관계 있는 매개변수를 제거하며 궤도 재구성 정확도를 향상시킨다.
• 이 방법의 분석적 프레임워크는 조절 신호가 조건을 만족할 경우, 즉 m(t), cos(θ(t)) 및 조절 주기 동안의 시간에 의존하는 항과의 적분이 3개의 조건을 만족할 경우 완전한 편향 제거를 보장한다.