[논문 리뷰] Optical technologies for the observation of low Earth orbit objects

D. Hampf, Paul Wagner외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 01. 23.

Space Satellite Systems and Control참고 문헌 8인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 독일항우공학연구소(DLR) 슈투트가르트 천문대에서 개발한 광학 시스템을 소개한다. 이 시스템은 수동 광학 추적과 레이저 레인지잉을 융합하여 저궤도(Low Earth Orbit, LEO) 물체의 고정밀 3차원 추적을 가능하게 한다. 이중 기준 기준점 파라렐랙스 또는 단일 기준점 레이저 레인지잉을 통해 나노초 이내 정밀도의 시간 측정을 실현함으로써, 시스템은 1.4 각초의 추적 정밀도를 확보하고 직접적인 거리 측정이 가능해져 충돌 회피를 위한 궤도 요소 정확도가 크게 향상된다.

ABSTRACT

In order to avoid collisions with space debris, the near Earth orbit must be continuously scanned by either ground- or spaced-based facilities. For the low Earth orbit, radar telescopes are the workhorse for this task, especially due to their continuous availability. However, optical observation methods can deliver complementary information, especially towards high accuracy measurements. Passive-optical observations are inexpensive and can yield very precise information about the apparent position of the object in the sky via comparison with background stars. However, the object's distance from the observer is not readily accessible, which constitutes a major drawback of this approach for the precise calculation of the orbital elements. Two experimental methods have been devised to overcome this problem: Using two observatories a few kilometres apart, strictly simultaneous observations of the same object yield an accurate, instantaneous 3D position determination through measurement of the parallax. If only one observatory is available, a pulsed laser can be used in addition to the passive-optical channel to measure the distance to the object, in a similar fashion as used by the satellite laser ranging community. However, compared to conventional laser ranging, a stronger laser and more elaborate tracking algorithms are necessary. The two approaches can also be combined by illuminating the object with a pulsed laser from one observatory and measuring the return times at both observatories. These techniques are explored by German Aerospace Center in Stuttgart using its orbital debris research observatory, in cooperation with the Satellite Laser Ranging station in Graz and the Geodetic Observatory in Wettzell. This contribution will present some of the results and plans for further measurement campaigns.

연구 동기 및 목표

• 수동 및 능동 광학 방법을 활용해 저궤도(Low Earth Orbit, LEO) 우주 쓰레기의 고정밀 광학 추적을 개발하고 구현하는 것.
• 수동 광학 관측의 한계인 직접적인 거리 측정 부재 문제를 레이저 레인지잉 기술 통합을 통해 해결하는 것.
• 다중 지상 기지를 활용한 비동기 레이저 레인지잉을 통한 정밀한 3차원 궤도 결정을 가능하게 하는 것.
• 기존의 SLR 기지와 협력하여 저비용 고정밀 광학 시스템의 우주 쓰레기 감시 가능성과 성능을 평가하는 것.
• 궤도 요소 업데이트의 정밀도와 즉시성 향상으로 인해 충돌 분석 및 충돌 회피를 지원하는 것.

제안 방법

• 고속 정밀 추적을 위해 43cm 개구구경과 직접 구동식 적시대체 장치를 갖춘 Planewave CDK 17 천체망원경을 사용한다.
• 2.5×10⁻⁵초에서 3600초까지의 통합 시간를 갖는 고감도 카메라(Andor Zyla sCMOS, FLI ProLine, Andor iXon Ultra)를 다수 활용한다.
• 배경별 별과의 상대적 2차원 위치 측정을 통해 정밀 천문학적 측정을 통한 수동 광학 추적을 수행한다.
• 1064nm 파장, 100mJ 펄스 에너지를 갖는 펄스 레이저 레인지잉 시스템을 도입하며, 단일 광자 검출기와 나노초 이내 정밀도의 시간 측정(PicoHarp 300 및 White Rabbit FMC-DEL)을 사용해 정확한 왕복 시간 측정을 수행한다.
• 한 기지(예: Wettzell)를 송신기로, 다른 두 기지(슈투트가르트 및 그라츠)를 수신기로 활용해 이중 기준점 레이저 레인지잉을 실현함으로써 기준선 기하학과 측정 정밀도를 향상시킨다.
• 빠르게 움직이는 LEO 물체에 대해 레이저 빔 정렬을 유지하기 위해 2각초의 추적 정밀도(시험에서 1.4각초 σ)를 확보한 폐쇄 루프 제어 시스템을 구현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고해상도 카메라와 정밀한 조준을 통해 수동 광학 추적은 LEO 위성 오염물체에 대해 1각초 이내의 천문학적 정밀도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 100mJ 정도의 중간 펄스 에너지를 갖는 레이저 레인지잉을 통해 비협조적 LEO 물체에 대한 직접적인 거리 측정이 어느 정도 가능해지는가?
• RQ3 다중 지상 기지를 활용한 이중 기준점 레이저 레인지잉은 단일 기준점 또는 수동 방법에 비해 3차원 궤도 결정의 정밀도와 신뢰성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 저비용 섬유 결합형 레이저 송신기 시스템은 장기간 관측 기간 동안 안정적이고 고정밀 추적 및 레인지잉을 유지를 할 수 있는가?
• RQ5 단일 광자 검출기와 나노초 이내 정밀도의 시간 측정 시스템 통합이 레이저 레인지잉에서의 신호 대 잡음비와 측정 정밀도에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 2014년 3월 12일, QuikSCAT 위성에 대해 1.4각초(σ)의 추적 정밀도를 확보하여 회절 한계에 근접한 성능을 입증했다.
• Andor Zyla sCMOS 카메라를 활용한 수동 광학 관측은 고정밀 2차원 천문학적 측정을 가능하게 하여 LEO 물체의 정확한 각도 위치 측정이 가능했다.
• 1064nm 파장, 100mJ 펄스 레이저를 사용한 레이저 레인지잉 실험은 협조적 및 대규모 비협조적 물체에 대한 직접적 거리 측정 가능성의 실현 가능성을 입증했다.
• 낮은 암전 카운트율과 높은 양자 효율을 갖춘 단일 광자 검출기를 사용해 1% 이하의 듀티 사이클에서도 약한 반사 신호를 감지할 수 있었다.
• PicoHarp 300 및 White Rabbit FMC-DEL 카드를 활용한 나노초 이내 정밀도의 시간 측정 해상도 덕분에 정확한 왕복 시간 측정이 가능했으며, 이는 정확한 레인지잉에 필수적인 요소였다.
• 그라츠 및 웨츠엘 SLR 기지와의 공동 실험을 통해 성공적인 이중 기준점 레인지잉을 실현했으며, 향상된 궤도 요소 정밀도를 통해 궤도 예측 정확도 향상 가능성을 입증했다.