KASI 인공위성추적시스템

한국천문연구원

SLR 그룹 박은서

2018. 08. 01.

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Outline

Introduction to SLR System

KASI SLR System

Introduction to SLR System

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SLR 시스템 개요

시스템개요

• 레이저를 이용하여 인공위성까지 거리 측정

- SLR (Satellite Laser Ranging) :

인공위성 레이저추적

• 1964년 NASA 최초 개발(Beacon-B 위성)

• 위성거리 = 레이저왕복시간×광속/2

특징

• 현존하는 가장 정밀한 위성 추적 시스템

• 주/야간 레이저추적 가능

• 레이저 : 대부분 Nd:YAG

거리측정정밀도

• mm 수준

• 현재 가장 정밀한 시스템 : 1 mm

인공위성

망원경

레이저 발진기

검출기

타이밍 시스템

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SLR 시스템 구성

광학망원경 및 마운트 송수신 광학계 송수신 전자계

레이저 발진기

운영 및 제어 센터

원격 제어실

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국내·외 SLR 관측소

일본 (JAXA) 호주 (EOS)

중국 (Kunming) 미국 (NASA)

세종 거창

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45 Active SLR operation Stations(2018.07.20. 기준)

ILRS SLR 관측소 네트워크

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Jason-1 GRACESTSAT-2C ANDE-RREnvisat

GLONASS GPS GIOVE ETS-8COMPASS

Starlette StellaLAGEOS-1 LAGEOS-2Etalon-I & -II GFZ-1Ajisai

지구관측/

항법/

우주과학

인공위성

측지전용

인공위성

KOMPSAT-5 ERS-2 CHAMPGFO-1 Terra-SAR-X

반사경 장착 인공위성

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SLR 활용분야 (1)

지구과학 연구

• 지구기준 좌표계, 지구중력상수 및 지구자전 연구

• 지구중심, 지구중력장 및 지오이드 결정

지구환경 모니터링

• 지각운동, 해수면/빙하 변화 모니터링

• 해양조석, 지구조석 모델 연구

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SLR 활용분야 (2)

인공위성 운용

• 정밀궤도 결정시스템 확보 과학기술위성 2호, 다목적실용위성 5호, 천리안 위성

• 기존 위성 추적 시스템의 Calibration 및 Validation 가능

• 정밀궤도결정/ 위성항법시스템 운영 지원

우주물체 추적 및 감시• 한반도 통과 인공위성 추적 및 감시

현재 추진중인 전자광학(천문연) 및 Radar 감시 체계와 연계

• 우주잔해물 추적 및 제거

기술수준 : 5cm 이상 우주잔해물(1000Km 상공)

추적(>30W), 소형 우주잔해물 제거(MW급)

Time Synchronization / Laser Com.

• 지상-인공위성, 지상-지상

GPS(s=10-6초), SLR(ps=10-12초)

KASI SLR System

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사업 소개

• 사업명 : 우주측지용 레이저추적 시스템(ARGO) 개발

• 사업 목표 : 이동형(40cm, ARGO-M) 및 고정형(1m, ARGO-F) 1기 개발

• 주관 기관 : 한국천문연구원

• 개발 기간/예산 : 10년 (2008년 ~ 2017년) / 230억원

• 의의 : 국내 최초 독자기술로 개발

사업 개요

• 반사경 탑재 인공위성의 레이저 추적을 통한 mm 수준의 정밀한

거리 측정으로부터 고정밀 궤도결정 기술 확보

• 반사경 탑재 인공위성의 레이저 추적시스템 개발을 통해

국가중점과학기술에 제시된 우주감시 체계 구축의 초석 마련

• 반사경 탑재 인공위성의 레이저 추적 자료를 이용하여 우주측지 연구

및 전지구관측시스템(GEOSS)/전지구측지시스템(GGOS)과 연계

사업 목적

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이동형 및 고정형 SLR 시스템

이동형 SLR 시스템 (40cm 송수신 분리형)

– 추적 성능• 추적 대상 : 고도 300 ~ 25,000km 인공위성

• 5kHz 주야간 추적 가능

• 극초단 펄스 레이저(5W, 50ps 펄스폭)

• Tracking & Pointing 정밀도 : < 5arcsec

– 거리측정 정밀도

• 10mm(SS), 5mm(NP)

고정형 SLR 시스템 (1m 송수신 일체형)

– 추적 성능

• 추적 대상 : 고도 250 ~ 36,000km 인공위성

• 60Hz 주야간 추적 가능

• 적응광학을 이용한 인공위성 영상 취득 가능

• 우주잔해물 레이저 추적(> 10cm)

• Tracking & Pointing 정밀도 : < 1arcsec

– 거리측정 정밀도

• 10mm(SS), 3mm(NP)

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Comparisons between ARGO-M and ARGO-F

Item Parameter ARGO-M ARGO-F

Telescope

Optical path Bistatic Common Coude

Rx and Tx telescope 40/10 cm 100 cm

Max slew rate20 deg/sec (Az)

10 deg/sec (El)

30 deg/sec (Az)

15 deg/sec (El)

Tracking & Pointing accuracy < 5 arcsec < 1 arcsec

DetectorType C-SPAD C-SPAD

Quantum efficiency 20 % 20 %

Laser

Wavelength 532 nm 532 nm

Pulse energy or Power 5 W1W (SLR)

25 W → 200W (DLT)

Pulse width 50 ps20 ps (SLR)

5 ns → 10 ns (DLT)

Repetition rate of Operation 5 kHz60 Hz (SLR)

10 Hz (DLT)

Beam diameter @ Tx telescope 10 cm 100 cm

EtcTiming system Event timer Event Timer

Aircraft detection type Radar Radar

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ARGO-M 구성

Electronics

RadarTelescope/Mount

Ground Target

Laser

Operation System

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ARGO-M 수신광학계

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ARGO-M10kHz 레이저추적기술

• 10kHz 광전자 제어기 및 운영시스템 개발

• 2kHz 레이저추적 : 전 세계 10개 미만

• 개발 완료 : 2015.05(세계 최초 10kHz 시스템)

• ARGO-M 성능 : 2kHz → 5kHz (레이저 사양)

<10kHz 광전자 제어기(ARGG) 성능시험 블럭도>

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ARGO-M10kHz 레이저추적기술

인공위성회전연구다양한정밀연구가능

5kHz 관측데이터는 2kHz에서보이지않는패턴보임데이터의상하의움직임은인공위성의회전에의해생성

Ajisai 위성 2kHz

Ajisai 위성 5kHz

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ARGO-M 내부

레이저실 운영실 부속실

- Tracking mount

- Laser

- Optical table

- Ground target pillar

- Electronics : Event timer, GPS and etc

- Tracking mount servo system

- Operation system

- Radar controller(LCU)

- Firewall and network system

- UPS

- Power distribution unit

- Surge protection device

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세종 및 거창 SLR 관측소

ARGO-M 세종 SLR 관측소 (2015. 07)

ARGO-F 거창 SLR 관측소 (2017. 03)

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거창 SLR 관측소 전경 ok

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ARGO-F 구성

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ARGO-F 구성

SLR/AO/DLT Lab

AO 시스템

Tx/Rx, 레이저 (DLT) Tx/Rx, 레이저 (SLR)

Rotation Mirror in Pier

전자실 운영실

한 개의 망원경/마운트/운영시스템

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ARGO-F Configuration

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ARGO-F – 송수신 광학계

<Optical Layout>Beam

Expander

T/R Disk

Detecting

Optics

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거창 SLR 시스템 First Shot 관측 성공

ARGO-F – 시험운영

− 2017년 10월 31일 00시 경

− 고도 720km 지구관측 위성인 Cryosat-2 위성 레이저 추적 성공

<First shot 발사(좌)와 Cryosat-2 위성의 레이저 관측 신호(우) >

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거창 SLR 관측소 ILRS 국제기구 등록(2017. 09.25.)

ARGO-F – 시험운영

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거창 SLR 적응광학시스템 영상 촬영

ARGO-F – 시험운영

− 대상 : 1.25 및 9.43 등급 stars

− Diffraction limit(0.18 arcsec @850nm)

m=1.25(11월 6일)

Seeing=0.38"

Seeing=0.40"

Exposure=1/30 sec, FoV=23"x23"

AO off AO on

m=9.43(11월 5일)

Seeing=0.47"

AO off AO on

Seeing=0.22"

Exposure=1 sec, FoV=11.4"x11.4"

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거창인공위성레이저관측소

세종인공위성레이저관측소

전 세계 SLR 반사경 탑재 인공위성레이저 추적

국제공동연구 수행

국제 레이저추적 네트워크 및캠페인 참여

자국 인공위성 및 주요 측지위성임무수행 지원

임무 활용구 분

우주측지 통합기준국(core station)구축 및 공동운영 (국토지리원)

전 세계 SLR 반사경 탑재 인공위성레이저 추적

국제 레이저추적 네트워크 및캠페인 참여

자국 인공위성(항법위성 포함) 및주요 측지위성 임무수행 지원

우주잔해물 레이저 추적/적응광학국가 우주감시 체계와 연동

우주레이저 활용기술 개발시각동기(지상-지상, 지상-위성), 레이저통신, 달/행성 탐사선

레이저추적 기술

국내 우주측지 통합인프라 연계구축

정밀궤도결정, 미세섭동 회전연구, 지구좌표계/자전연구

SLR 관측소 활용계획

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