재미있는 과학이야기 - 우주 통신에 있어 알아야 할 7가지

재미있는 과학이야기 - 우주 통신에 있어 알아야 할 7가지

영화와 TV쇼를 보면 우주와의의사 소통을 아주 쉽게 하는데 멀리 떨어진 행성의 우주 비행사가 지구상의 사랑하는 사람들과 선명한 화질로 지연없이 화상 채팅을 하는것을 볼 수 있습니다.

이러한 미디어속의 우주통신은 현실성이 적다고 할 수 있습니다. 우주를 오가는 소통은 생각보다 아주 어려운 작업입니다.

NASA의 우주 통신 및 내비게이션 (SCaN) 프로그램은 국제 우주 정거장에 탑승 한 우주 비행사, 화성 탐사선 또는 달에서 임무를 하고 있는 아르테미스2 탐사선과 데이터 교환을 가능하게 합니다 .

NASA가 우주의 탐사선들과 우주 통신을 하기위해 해결해야 하는 중요 과제가 7가지 정도가 있습니다.

1. 기본

가장 간단하게 우주 통신은 송신기와 수신기의 두 가지에 의존하게 되는데 송신기는 변조를 통해 메시지를 전자기파로 인코딩하여 데이터를 표현하기 위해 파동의 속성을 변경합니다. 

이 전자파는는 공간을 통해 수신기를 향해 흐릅니다. 수신기는 전자파를 수집하고 복조하여 보낸 사람의 메시지를 해독합니다.

집 주변의 Wi-Fi 라우터와 네트워크 장치를 생각해보면 이해하기 쉽습니다. 각 장치는 라우터에서 신호를 수신하여 인터넷에서 데이터를 전송합니다. 

본질적으로 우주와 통신하는 복잡한 작업은 가정에서의 무선 통신과 유사합니다. 단지 차이점이라면 엄청난 규모와 상상할 수 없을 만큼 놀라운 거리에서도 가능하다는 것입니다.

알래스카 페어 뱅크스의 알래스카 위성 시설에 위치한 2개의 접지 안테나.

2. 지상 네트워크

우주에서 통신하려면 우주선의 안테나가 지구를 향하도록하는 것 이외에 더 많은것이 필요합니다. NASA는 전 세계 7개 대륙에 걸쳐 우주선에서 전송을 수신하기위한 광범위한 안테나 네트워크를 보유하고 있습니다. 

네트워크 엔지니어는 지상국과 임무간의 통신을 신중하게 계획하여 우주선이 오버헤드를 통과 할 때 안테나가 데이터를 수신 할 준비가되었는지 확인합니다.

지상국 안테나는 우주 정거장에 백업 통신을 제공하는 소형 초고주파 안테나에서 170억km 이상 떨어진 보이저 우주선과 같은 멀리 떨어진 임무와 통신할 수 있는 거대한 70미터 안테나에 이르기까지 다양합니다 .

호주 캔버라의 캔버라 딥 스페이스 커뮤니케이션 컴플렉스에 위치한 70미터 폭의 안테나.

3. 공간 릴레이

Direct-to-Earth 통신 외에도 많은 NASA 임무는 데이터를 지상으로 가져오기 위해 중계 위성에 의존합니다. 예를 들어, 우주 정거장은 뉴 멕시코와 괌의 지상국으로 데이터를 전송하는 TDRS (Tracking and Data Relay Satellites)를 통해 통신합니다. 

최근 발사된 Mars 2020 Perseverance 로버는 화성 주변의 궤도를 통해 데이터를 전송하여 데이터를 지구로 보냅니다.

릴레이는 통신 가용성 측면에서 고유한 이점을 가지고 있는데 예를 들어, 지구 위의 세 지역에 TDRS를 배치하면 지구의 자전에 의해 통신이 끊어질 수 있는 위험성을 완전히 해소 합니다.

이 처럼 TDRS를 이용하면 지상과 통신하기 위해 기다림없이 하루 24시간, 주 7일 데이터를 전달할 수 있습니다.

국제 우주 정거장과 허블 우주 망원경이 함께 추적 및 데이터를 중계하는 모습

4. 대역폭

NASA는 다양한 전자기 주파수 대역에서 데이터를 인코딩합니다. 이러한 대역폭 (주파수 범위)은 서로 다른 기능을 가지고 있는데 대역폭이 높을수록 초당 더 많은 데이터를 전송할 수 있으므로 우주선이 데이터를 더 빠르게 다운 링크 할 수 있습니다.

현재 NASA는 통신을 위해 주로 전파에 의존하고 있지만 적외선 레이저로 통신하는 방법을 개발하고 있습니다 . 이러한 유형의 전송(광통신)은 그 어느 때보 다 높은 데이터 속도를 제공하게 될것입니다.

NASA의 LCRD (Laser Communications Relay Demonstration)는 광통신의 이점을 보여줄 것으로 보이며 이 임무는 캘리포니아와 하와이의 지상국간에 데이터를 전달하며 또한 LCRD를 통해 지상으로 데이터를 전달할 수 있는 광학 터미널을 우주 정거장에 제공 할 예정입니다.

우주 테스트 프로그램 위성 (STPSat-6)에 대한 레이저 통신 중계 모습

5. 데이터 속도

더 높은 대역폭은 임무에 대한 더 높은 데이터 속도를 의미할 수 있습니다. 조만간 광 단말기를 통해 이루어질 아르테미스 II의 임무는 달 궤도에서 4K급의 초고화질 영상을 전송하게 될것입니다.

그러나 대역폭이 데이터 속도에 대한 유일한 제약은 아니며 데이터 전송률에 영향을 미칠 수있는 다른 요인으로는 송신기와 수신기 사이의 거리, 사용하는 안테나 또는 광학 터미널의 크기, 양쪽 끝에서 사용할 수 있는 전력등을 고려해야 하며 통신 엔지니어는 데이터 속도를 극대화하기 위해 이러한 변수의 균형을 맞춰야합니다.

높은 데이터 속도의 광통신 단말기를 갖춘 Artemis II

6. 지연

모두가 알다시피 초당 약 30만km의 빛의 속도와 통신속도는 같기때문에 이 속도 제한에 묶여 있습니다. 지구에 가까운 우주선의 경우 이 시간 지연 또는 통신 지연은 거의 무시할 수 있습니다.

그러나 지구에서 점점 멀어지게 되면 지연 시간이 문제가 될 수 있습니다. 화성이 지구와 가장 가깝게 접근 했을때 대략 5600km 정도인데 이때 통신을 하게 되면 지연은 약 4분정도 걸리며 가장 먼 거리인 약  4억km에 있을 때 지연 시간은 대략 24분 정도입니다. 

즉, 우주 비행사는 메시지가 임무 통제에 도달 할 때까지 4 ~ 24분, 응답을 받기까지 4 ~ 24 분을 기다려야한다는 것입니다.

인간을 붉은 행성인 화성으로 보낼 준비를하면서, 통신 엔지니어들은 지연이 대화의 일부가 될 것임을 인식하면서 우주 비행사가 지구와 연결을 유지할 수있는 방법을 개발하고 있습니다.

2020년 화성탐사 로버인 Perseverance(인내)는 지구를 기준으로 한 화성의 위치에 따라 4 ~ 24 분의 지연 시간이 있다.

7. 간섭

통신 전송이 장거리 또는 대기를 통해 이동함에 따라 데이터 품질이 저하되어 메시지가 왜곡 될 수 있습니다. 다른 임무, 태양 또는 기타 천체로부터의 나오는 방사선이 데이터 전송 품질을 방해 할 수 있습니다.

임무 운영 센터가 정확한 데이터를받을 수 있도록  오류 감지 및 수정 방법을 사용하는데 그 방법에는 잡음이 있는 전송을 사용 가능한 데이터로 해석하는 컴퓨터 알고리즘이 포함됩니다.

할리우드가 은하계의 사람들을 쉽게 연결하는 이야기를 꿈꾸는 동안 NASA 엔지니어는 그 꿈을 현실로 만들기 위해 노력합니다. NASA는 우주 통신의 실제 과제를 해결하는 기술과 기능을 개발하는 동시에 강력한 통신 서비스로 과학 및 탐사 임무를 강화합니다.

태양으로부터의 나오는 복사는 우주 통신 전송을 위협하는 잠재적인 간섭원 중 하나입니다.