인공 위성간 광링크를 위한 빔 제어 기술

Abstract

최근 인공위성 및 발사 기술의 발전으로 인하여 수많은 저궤도 인공위성으로 구성된 초대형 군집 위성(mega-constellation) 우주 인터넷 서비스가 등장하고 있다. 이러한 위성 인터넷망은 제한된 RF 자원을 활용하여 지상에 서비스를 제공하므로 가뜩이나 부족한 RF 주파수 자원 대신 무선 광통신 기술을 활용하여 인공위성 간 통신을 구축하려는 시도가 활발하다. 레이저를 이용한 무선 광통신은 발산각이 매우 좁은 레이저 빔과 수백 THz의 높은 반송파 주파수를 사용하므로 수십 Gb/s 이상의 초고속 신호를 수천 km 이상 원거리 전송이 가능하다. 특히 우주에서는 빛의 세기를 감쇠하고 위상을 왜곡하는 물질이 거의 존재하지 않기 때문에 RF 주파수 신호보다 적게 퍼지는 레이저 빔은 에너지 효율적인 전송을 가능케 한다. 따라서 인공위성 간 무선 광통신 시스템에서 기술적으로 가장 어려운 부분은 송수신 간의 정밀한 정렬이다. 먼 전송거리와 좁은 레이저의 발산 각도, 빠른 인공위성의 비행속도로 인하여 정밀한 송수신 간의 정렬이 필수적으로 요구된다. 이러한 송수신기 간의 정렬 과정은 통상 조준, 습득, 그리고 추적(pointing, acquisition, and tracking: PAT)으로 구성된다. PAT에서 습득(spatial acquisition)은 위성이 자신과 상대 위성의 위치 정보를 활용하여 상대 위성의 정확한 위치를 찾는 과정이다. 이는 위성의 궤도 결정(orbital determination) 오차로 인하여 송신 위성과 수신 위성의 위치에 오차가 발생하기 때문이다. 수신 위성의 위치에 대한 불확실성 영역(uncertainty area)을 송신 위성에서 스캔 빔으로 탐색하여 수신 위성의 정확한 위치를 파악하고 송수신기의 방향을 가시선(line of sight)에 맞추어 광학 정렬을 구성한다. 인공위성 간 무선 광통신의 경우 습득 과정에 소요되는 시간을 최소화하는 것이 매우 중요하다. 이는 위성간 통신 가능한 시간이 제한될 수도 있을 뿐 아니라 예상치 못한 정렬 오류로 인하여 광링크가 단절되는 경우 신속하게 다시 링크를 복구해야 하기 때문이다. 습득 과정을 통해 연결된 광링크는 추적(tracking) 과정을 통해서 유지된다. 이 때 송신 위성의 진동에 의해 발생하는 조준 오차(pointing error)와 수신 위성의 진동에 의한 도달 방위각 요동(angle-of-arrival fluctuation)을 최대한 억제하는 것이 중요하다. 그러나 위성의 진동에 의한 조준 오차와 도달 방위각 요동을 감소시키더라도 미소 진동이 남아 정렬 오차를 유발한다. 또한 진동 속도가 PAT의 추적 기능보다 빠른 경우 정렬 오차가 발생할 수밖에 없다. 송수신기 간의 정렬 오차는 수신 광전력을 감소시켜 전송 성능을 열화시키므로 정렬 오차의 영향을 완화시키는 기술이 필요하다. 가변 초점 렌즈 기술의 발달 및 상용화로 인해 광학 시스템의 출력 빔 발산 각도를 전송 환경에 맞춰 적응적으로 조절하는 빔 제어 기술이 최근 제안된 바 있다. 가변 초점 렌즈는 렌즈의 곡면을 전기적으로 변화시켜 초점 거리를 조절할 수 있다. 본 논문에서는 먼저 빔 제어 기술을 이용하여 빔의 발산 각도를 전송 환경에 맞춰 조절함으로써 인공위성간 광링크의 습득 과정에 소모되는 시간을 최소화하는 연구를 보고한다. 이를 위하여 위성에 진동이 있는 경우 습득 시간을 예측하기 위한 단일 스캔의 적중 확률(hit probability)을 이론적으로 분석하였다. 또한 습득 시간을 최소화하기 위해 빔 제어 기술에 필요한 최적의 스캔 빔 발산 각도를 도출하였다. 이론적으로 유도한 최적의 발산 각도 및 습득 시간은 시뮬레이션과 실험을 통하여 검증하였다. 다음으로는 추적 과정 중 발생하는 송신 위성과 수신 위성의 진동에 대해서 즉각적으로 빔 발산 각도 및 수렴 각도를 제어하여 수신기에 수집되는 광전력을 최대화함으로써 진동에 의한 영향을 감소시키는 방안을 제안하고 그 성능을 분석하였다. 상용화된 가변 초점 렌즈는 고정 초점 렌즈에 비교하여 크기가 작아 위성에 필요한 좁은 발산 각도를 가지는 빔을 생성하기 어려우므로 가변 초점 렌즈와 고정 초점 렌즈를 이용한 두 렌즈 배열을 활용하여 광학계를 구성함으로써 가변 초점 렌즈의 크기에 대한 제한점을 극복하였다. 제안한 기술의 성능은 컴퓨터 시뮬레이션을 활용하여 평가되었다. 송수신기 모두에 동적 적응형 빔 제어 기술을 적용하는 시스템은 송수신기에 진동이 있는 경우 빔 발산각과 수렴각이 고정인 시스템 보다 20% 이상 전송 거리를 늘일 수 있다. 본 논문에서 제안하는 빔 제어 기술을 통해 습득 시간을 최소화하고, 송수신기의 진동에 의한 정렬 오류의 영향을 감소시킬 수 있으므로 본 연구결과는 향후 인공위성 무선 광통신 시스템의 PAT 성능 향상에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.