레이저 기술로 나사 미션 데이터 지구 전송: LCRD 시연

나사는 위성, 로버, 궤도선을 발사해 은하수에서 인류의 위치를 탐구한다. 이 미션들이 목적지에 도달하면 과학 기기들이 이미지, 비디오, 우주에 대한 귀중한 통찰을 포착한다. 우주와 지상의 통신 인프라가 이 데이터가 지구에 도달하도록 한다. 그러나 지상국이 이를 수신하지 못하면, 이 미션들이 포착한 놀라운 데이터는 우주에 갇혀 지구의 과학자들과 연구자들에게 도달할 수 없다.

우주 탐사 초창기부터 나사 미션들은 주로 무선 주파수 통신에 의존해 정보를 전송해 왔다. 나사의 우주 기반 레이저 통신 중계 시연(LCRD)은 우주에서 지상으로 데이터를 통신하는 혁신적인 방식인 레이저 통신을 시연할 것이다.

LCRD의 지상국인 광학지상국(OGS)-1과 -2는 캘리포니아 테이블 마운틴과 하와이 할레아칼라에 위치한다. 이 외딴 고지대 장소들은 맑은 날씨 조건 때문에 선택되었다. 레이저 통신은 데이터 전송률을 높일 수 있지만, 구름과 난류 같은 대기 교란이 레이저 신호가 지구 대기로 들어올 때 방해할 수 있다.

“현지 기상 특성상 산꼭대기에는 먼지가 적고 대기 난류가 적어 레이저 통신에 좋다”라고 나사 고다드 우주비행센터 론 밀러(Ron Miller)는 말한다. “약 3,000m(10,000피트) 고도라 정상 아래에서 발생하는 대기 현상과 날씨 대부분 위에 있다. 정상에서는 맑은 날이 많은데 산 중턱은 흐린 경우가 흔하다.”

나사 통신 엔지니어들은 이 장소들의 기상 패턴이 일반적으로 서로 보완되기 때문에 선택했다. 캘리포니아 OGS-1이 흐리면 하와이 OGS-2는 맑은 경향이 있고, 그 반대도 마찬가지다. 구름 덮개를 모니터링하고 어느 지상국을 사용할지 결정하기 위해 상업 파트너 노스롭 그루먼이 할레아칼라의 기상 조건을 관측하는 대기 모니터링 스테이션을 제공했다. 이 모니터링 스테이션은 거의 자율적으로 주 7일 24시간 가동된다. OGS-1도 테이블 마운틴에서 유사한 기상 모니터링 능력을 갖췄다.

보통 맑은 날씨에도 나사 엔지니어들은 OGS-1과 OGS-2가 수신하는 데이터에 대한 대기 난류 영향을 줄이기 위해 노력해야 한다. 이를 위해 두 지국 모두 적응 광학(adaptive optics)의 힘을 활용한다.

“적응 광학 시스템은 우주선에서 내려오는 전자기 신호의 왜곡을 측정하는 센서를 사용한다”라고 나사 제트추진연구소(JPL) OGS-1 개발 및 운영 매니저 톰 로버츠(Tom Roberts)는 말한다. “왜곡을 측정하면 변형 거울을 통해 그 왜곡을 상쇄하는 형태로 모양을 바꿔 대기가 유도한 수차를 제거할 수 있다. 그러면 깨끗한 신호를 얻을 수 있다.”

OGS-2는 LCRD 미션을 위해 특별히 개발되었지만, OGS-1은 JPL의 광학통신망원경연구소에 기반을 두고 있으며 이전 레이저 통신 시연에 사용되었다. OGS-1을 LCRD 지원용으로 준비하기 위해 엔지니어들은 지상국을 업그레이드해야 했다. 한 가지 업그레이드는 더 나은 반사율과 더 높은 레이저 파워를 위해 거울을 교체하는 것이었다.

미션 지원 전 LCRD는 약 2년간 테스트와 실험을 수행한다. 이 기간 동안 OGS-1과 OGS-2는 시뮬레이션 사용자 역할을 하며, 한 지국에서 LCRD로 데이터를 보낸 뒤 다른 지국으로 내린다. 이 테스트들은 항공우주 커뮤니티가 LCRD로부터 배우고 미래 레이저 통신 시스템 구현을 위해 기술을 더욱 정교화할 수 있게 한다. 실험 단계 후 LCRD는 우주 미션을 지원한다. 국제우주정거장 터미널 같은 미션들이 데이터를 LCRD로 보내면 LCRD가 OGS-1이나 OGS-2로 빔 전송한다.

LCRD는 국방부 우주시험프로그램 위성-6(STP-Sat-6)의 탑재체로 실린다. LCRD는 레이저 통신 탑재체지만 우주선은 여전히 지상과 무선 주파수 연결을 유지한다. 뉴멕시코주 라스크루세스 인근 화이트샌즈 단지에 위치한 탑재체-지상 링크 터미널(PGLT)이 무선파로 우주선에 추적, 텔레메트리, 명령 데이터를 통신한다. 나사는 LCRD의 지상 요소들(OGS-1, OGS-2, PGLT)을 화이트샌즈의 LCRD 임무운영센터에서 관리한다.

“임무운영센터는 LCRD 시스템의 중앙 두뇌다”라고 나사 고다드의 LCRD 지상 세그먼트 매니저 미리엄 웬너스텐(Miriam Wennersten)은 말한다. “탑재체와 세 지상국 모두의 구성을 동시에 조정하고, 다양한 광학 서비스와 링크를 스케줄링한다.”

지상 인프라 없이는 놀라운 과학과 탐사 데이터가 지구 연구자들에게 도달할 수 없다. LCRD의 지상 세그먼트는 미션 성공에 필수적이며, 엔지니어들에게 레이저 통신을 테스트하고 개선할 기회를 제공한다. 차례로 LCRD는 위성과 우주 탐사선에서 얻은 통찰에 전례 없는 접근을 제공하는 레이저 통신의 새로운 시대를 열 것이다.