[논문 리뷰] Autonomous Spacecraft Navigation With Pulsars

Werner J. Becker, Mike Georg Bernhardt외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 05. 21.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 55인용 수 25

한 줄 요약

이 논문은 태양계 내외에서 ±5 km 이내의 정밀도로 위치를 결정할 수 있는 천체적 X선 및 전파 빛부스터로써 펄서를 활용하여 자율적 우주선 항법을 제안한다. 이 방법은 기준 위치에서 예측된 도착 시간과 차이를 비교하여 우주선의 위치를 산정하며, 지상 지원 없이도 완전히 자율적인 행성간 및 간성 간 항법을 가능하게 한다.

ABSTRACT

An external reference system suitable for deep space navigation can be defined by fast spinning and strongly magnetized neutron stars, called pulsars. Their beamed periodic signals have timing stabilities comparable to atomic clocks and provide characteristic temporal signatures that can be used as natural navigation beacons, quite similar to the use of GPS satellites for navigation on Earth. By comparing pulse arrival times measured on-board a spacecraft with predicted pulse arrivals at a reference location, the spacecraft position can be determined autonomously and with high accuracy everywhere in the solar system and beyond. The unique properties of pulsars make clear already today that such a navigation system will have its application in future astronautics. In this paper we describe the basic principle of spacecraft navigation using pulsars and report on the current development status of this novel technology.

연구 동기 및 목표

• 지상 기반 추적 지점에 의존하지 않는 완전히 자율적인 우주선 항법 시스템을 개발하기 위해.
• 지구 근처를 벗어난 태양계 외부에서 증가하는 위치 불확실성과 통신 지연 문제를 해결하기 위해.
• 현재 및 향후 펄서 데이터 및 검출 기술을 활용한 펄서 기반 항법의 실현 가능성과 성능을 평가하기 위해.
• 실제 적용을 위한 X선 대비 전파 대역 관측 간의 이점과 상충 요소를 비교하기 위해.
• 밀리초 펄서가 은하 전체에 걸쳐 안정적이고 자연적으로 존재하는 항법 비콘으로 기능할 수 있음을 입증하기 위해.

제안 방법

• 우주선의 탑재된 검출기로 밀리초 펄서의 X선 및 전파 방출의 정밀한 펄스 도착 시간(TOA)을 측정한다.
• 고정밀 천체 계산 및 펄서 타이밍 모델을 사용하여 기준 위치(예: 태양계 질량중심)에서 예측된 도착 시간과 관측된 TOA를 비교한다.
• 다수의 펄서에서 유도된 도착 시간 차이를 바탕으로 삼차원 공간에서 우주선의 위치와 속도를 삼각측량 기법으로 계산한다.
• 펄스 프로파일 피팅 및 1 마이크로초 이내 정밀도를 갖는 도착 시간(TOA) 추정 기법을 포함한 신호 처리 기법을 구현한다.
• 저전력 소비 및 확장 가능한 읽기 방식을 갖춘 DEPFET 기반 활성 픽셀 센서(Aps)와 같은 고급 검출기를 활용한다.
• 신호 대 잡음비를 향상시키기 위해 안정적이고 잘 특성화된 프로파일 및 높은 유량을 갖춘 최적의 펄서를 선별하여 항법 성능을 최적화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 펄서는 태양계 내외의 태양계를 넘어서는 항법에 대해 안정적이고 자율적인 기준 프레임을 제공할 수 있는가?
• RQ2 현재 및 근래의 장비로 X선 및 전파 펄서 신호를 사용할 경우 도달 가능한 위치 정밀도는 어느 정도인가?
• RQ3 전파 대역에서 안테나 크기, 관측 시간 및 신호 대역폭 간의 상충 요소가 항법 성능에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 심우주 탐사선에 펄서 기반 항법 장치를 구현할 경우 기술적 제약과 질량 제약은 무엇인가?
• RQ5 펄서 항법은 기존의 GPS나 갈릴레오와 같은 GNSS 위성 편성에 보조 시스템으로 통합될 수 있는가?

주요 결과

• 밀리초 펄서의 X선 신호를 활용한 펄서 기반 항법은 태양계 내외에서 ±5 km 이내의 정밀도로 실현 가능하다.
• 고정밀 펄서 타이밍 템플릿과 민감도 높은 진열 어레이 안테나(≥150 m²)를 사용할 경우 전파 기반 항법은 미터 수준의 정밀도를 달성할 수 있다.
• X선 항법에서의 주요 제약 요소는 도착 시간 측정에 사용되는 펄스 프로파일 템플릿의 불확실성이며, 검출기 성능이 아니다.
• DEPFET 기반 APS와 같은 X선 검출기는 저전력 소비(1024×1024 픽셀 배열 기준 ≤22 W)와 확장 가능한 설계를 제공하여 비행 응용에 적합하다.
• 향후 전파 탐색 프로젝트인 제곱킬로미터 어레이(Square Kilometre Array, SKA)는 약 20,000~30,000개의 펄서를 탐지할 것으로 기대되며, 항법 비콘의 수를 크게 증가시킬 것이다.
• 이 기법은 완전히 자율적이며 지상 통신이 필요 없으며, 장기적인 행성 간 및 간성 간 임무에 매우 적합하다.