[논문 리뷰] Space Debris detection and tracking with the techniques of cosmic ray physics

H. Miyamoto, Matteo Battisti외 46명|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 12.

Ionosphere and magnetosphere dynamics참고 문헌 8인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 우주선 탐지 기술, 특히 지구를 도는 광학 망원경인 Mini-EUSO와 유사한 우주 기반 형광 망원경을 사용하여 태양빛이 반사된 우주 쓰레기(SD)를 탐지하고 추적하는 방법을 제안한다. 시뮬레이션과 실제 실험을 통해 로켓 부품의 탐지가 확인되어 반사율 약 0.5, 거리 100 km 이내의 센티미터 크기의 우주 쓰레기까지 탐지 가능함을 입증하였으며, 연간 약 45건의 SD 탐지가 예상된다.

ABSTRACT

Space Debris (SD) consist of non-operational artificial objects orbiting around the Earth, which could possibly damage space vehicles, such as the International Space Station (ISS) or other manned spacecrafts. The vast majority of such objects are cm-sized, not catalogued and usually the tracking data are not precise enough. Here we present the feasibility study of SD detection and tracking with techniques usually employed in cosmic-ray physics. For this purpose, we have evaluated the possibility of using Mini-EUSO, a space-borne fluorescence telescope to be deployed on the ISS, to track SD illuminated by the Sun. By means of ESAF (EUSO Simulation and analysis Framework) simulation and by developing the trigger algorithms, we estimated the minimum size and maximum distances of detectable SD. We then studied the number of possible SD detections using an ESA software called MASTER (Meteoroid and SD Terrestrial Environment Reference). With the Mini-EUSO Engineering Model (Mini-EUSO EM), we performed some measurements to estimate the reflectance of the most common SD materials and to demonstrate the ability of Mini-EUSO to detect SD events. We also performed some tests in open-sky conditions, identifying and tracking fast-moving objects. In particular, the detection of a rocket body allowed us to confirm the simulation outcomes predictions and the expected performance of the detector.

연구 동기 및 목표

• 우주선 물리학 기법을 활용하여 우주 쓰레기(SD)를 탐지하고 추적하는 데의 가능성을 평가하기 위해.
• 일출/일몰 기간 동안 태양빛에 의해 조명된 SD를 탐지하는 데에 Mini-EUSO 유사 망원경의 성능을 평가하기 위해.
• 실제 우주 쓰레기의 반사율 및 탐지 가능한 물체의 반사율 측정 결과를 실험실 및 실외 측정을 통해 시뮬레이션 결과를 검증하기 위해.
• 실시간으로 빠르게 움직이는 SD 물체를 탐지하기 위한 트리거 알고리즘 개발 및 테스트를 위해.
• ESA의 F 및 MASTER 시뮬레이션을 활용하여 우주 쓰레기의 연간 탐지 수를 추정하고 추적 정확도를 평가하기 위해.

제안 방법

• SD 반사광의 전파, 검출기 반응 및 재구성 과정을 시뮬레이션하기 위해 ESAF(EUSO Simulation and Analysis Framework)를 사용하였다.
• 사진 감지 모듈(PDM) 상의 25개 가상의 기본 셀(EC)을 스캔하는 트리거 알고리즘을 설계하였으며, 배경 이상으로 3σ 이상 초과하는 픽셀 수를 갖는 5개 연속적인 L3_GTU(40.96 ms)를 탐지하도록 하였다.
• 일반적인 SD 재료의 반사율을 측정하기 위해 Mini-EUSO 공학 모델(EM)을 사용하였으며, 평균 반사율은 약 0.5, 다듬은 알루미늄의 경우 0.92로 측정되었다.
• Pino-Torinese 관측소에서 실외 관측을 수행하여 고속으로 움직이는 물체, 특히 로켓 부품을 탐지하였다.
• 탐지된 물체의 파rameter(크기, 거리, 밝기)를 확장하여 반사율 및 거리 조건이 다양한 경우의 우주 쓰레기 탐지 성능을 추정하였다.
• ESAF 시뮬레이션과 MASTER 소프트웨어를 융합하여 연간 탐지 수를 추정하고 추적 예측의 정확성을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Mini-EUSO 유사 망원경은 표면에서 반사된 태양빛을 관측하여 우주 쓰레기를 탐지할 수 있는가?
• RQ2 이 방법을 사용할 경우 탐지 가능한 최소 크기와 최대 거리는 얼마인가?
• RQ3 실시간으로 빠르게 움직이는 희미한 우주 쓰레기 궤적을 탐지하는 데에 트리거 알고리즘이 얼마나 정확한가?
• RQ4 실험실에서 측정한 우주 쓰레기 재료의 반사율 측정치가 시뮬레이션 가정과 얼마나 일치하는가?
• RQ5 이 방법을 사용할 경우 예상되는 연간 우주 쓰레기 탐지 수는 얼마인가?

주요 결과

• Mini-EUSO EM은 실외 관측 중 로켓 부품을 성공적으로 탐지하여 탐지 방법의 가능성은 입증되었다.
• 탐지된 로켓 부품은 궤도 고도 530 km에서 2.8 m × 2.6 m 크기로 추정되었으며, 망원경에서 100 km 거리에선 반지름 5.6 cm, 50 km 거리에선 반지름 2.8 cm의 물체로 환산되었으며, 이는 시뮬레이션 예측과 일치하였다.
• 반사율 측정 결과는 전자보드의 경우 0.17에서 다듬은 알루미늄의 경우 0.92까지 다양했으며, 시뮬레이션에 사용된 평균 반사율 약 0.5는 탐지 결과와 일치하였다.
• ESAF 프레임워크와 트리거 알고리즘을 사용한 시뮬레이션 결과, 반사율 0.5일 경우 약 연간 45건의 우주 쓰레기 물체 탐지가 가능하다고 예측되었다.
• 반사율 0.1일 경우에도 탐지 성능은 타당하게 유지되지만, 관측 데이터와의 일치도를 고려할 때 더 높은 반사율이 더 타당하다.
• 트리거 알고리즘은 로켓 부품을 성공적으로 식별하고 추적하여 실시간으로 우주 쓰레기 탐지 및 추적에 잠재적 적용 가능성을 입증하였다.