OWL-Net 사이트

OWL-Net 사이트는 전세계에서 천문대가 운영되는 300여곳에 대해 문헌정보를 통해 기초적인 조건 (기상조건, 인프라, 기술지원 여부, 접근성)을 분석하여 17곳을 1차 후보지로 선정하였고, 이후 추가적인 조사와 직접 방문 등을 통해 최종 5곳을 선정하였습니다.

초기에는 북반구와 남반구를 모두 고려하였지만 협상 과정에서 북반구 사이트만 선정하였고, 사이트를 최종 결정하기 전에 1차 선정지 17곳에 대해 OWL-Net의 우선관측 대상인 국내위성의 가시성 분석을 수행하였습니다. 시뮬레이션 결과, 위도가 높을수록 유리하지만 대부분의 사이트에서 광학관측을 통해 궤도정보를 추출하는데 문제가 없는 것으로 나타나 위치 조건보다는 청정일수, 인프라 등 관측소 운영 효율성에 우선순위를 두고 경도 상에 골고루 배치하였습니다.

OWL-Net 사이트: 1호기 몽골

OWL-Net 사이트: 2호기 모로코

OWL-Net 사이트: 3호기 이스라엘

OWL-Net 사이트: 4호기 미국

OWL-Net 사이트: 5호기 한국

스케줄링 및 운영 소프트웨어

OWL-Net은 전체가 인터넷으로 연결되어 하나의 유기체처럼 제어되는데, 전체 네트워크를 운영하는 소프트웨어(NOS)는 각 관측소의 효율성과 관측자료 생산성을 최대화하는 방향으로 각 관측소를 제어하고 관측을 수행합니다.

각 관측소별 관측시간 할당은 관측임무계획 작성의 핵심요소이며, 이것은 Network Operating System(NOS)의 주요 역할입니다. Network Scheduling System(NSS)은 과거의 관측기록, 미래의 관측 가능성, 사용자의 요구조건을 고려하여 관측대상의 우선순위를 결정하며 그 결과물로 각 사이트와 날짜별로 Observation Command File(OCF)를 작성해 각 사이트로 전송합니다. 이렇게 정보를 받은 각 사이트의 SOS(Site Operating System)는 OCF를 해석하여 관측을 수행합니다.

한편, 각 관측소의 환경 및 상태 정보는 HQ에 준 실시간으로 전송되어 HQ의 화면에 표시됩니다. 기상상태, 기기상태, 관측결과와 총 운영시간 등 각종 통계가 사이트별로 표시되는데, 문제가 발생할 경우 HQ에서 이를 인식하여 운영책임자에게 자동으로 보고를 합니다.

OWL-Net 관측모드

OWL-Net의 관측모드는 크게 저궤도위성, 중고궤도위성, 천문관측 세 가지로 구분됩니다.

• 저궤도위성을 위한 관측모드는 특정한 저궤도위성을 관측하여 궤도요소를 산출하기 위한 것으로 chopper를 적용하여 관측을 수행하고 저궤도의 우주물체 서베이를 위한 관측모드는 초퍼(chopper)를 적용하지 않고 단지 trail만 추출합니다.
• 중궤도 또는 정지궤도 위성의 경우에는 특정 인공위성을 관측하는 모드와 영역을 조사(survey)하는 모드로 구분되고 두 경우 모두 chopper는 적용하지 않습니다.
• 천문관측 모드는 다시 일반 천체를 관측하는 모드와 빠르게 움직이는 소행성을 관측하는 모드로 구분되는데, 일반 천체를 관측하는 모드는 특정 좌표에 대해 주어진 시간을 만큼 노출을 주어 영상을 획득하며, 빠른 소행성을 관측할 경우에는 chopper를 적용합니다.

모든 관측모드는 sidereal tracking을 기본으로 하고 필요한 경우 filter를 사용합니다.

OWL-Net 관측기기

광학계는 카세그레인 방식으로 구경은 50cm, 초점비 f/3.8, 시야각은 1.1도 x 1.1도 입니다. OWL-Net 전용으로 개발한 망원경 마운트는 alt-az 방식으로 이동속도는 20도/분이고 가속성능은 20도/초입니다. 지향각 정밀도는 10초, 추적정밀도는 2초/10분으로 대상 물체에 대한 on-tracking도 가능하지만 주로 sidereal mode로 사용하게 됩니다.

또한 망원경 제어를 위해 전용제어 보드와 소프트웨어를 개발하였습니다. 일반 상용 컴퓨터와 제어보드를 이용할 경우, 소프트웨어의 잦은 업그레이드 또는 단종으로 인해 유지보수에 어려움이 발생하기 때문에 대부분의 control electronics는 자체 개발한 상태이며, 마운트에 직접 설치하여 외부에서 인터넷 연결만으로도 제어가 가능하게 하였습니다.

한편, 망원경은 관측 시 외부에 노출되기 때문에 히터를 설치하여 온도를 제어하고 있으며, CCD카메라의 경우 전용 제어장치가 내장되어 있고, 별도의 산업용 컴퓨터를 이용해 제어를 하고 있습니다.

OWL-Net의 망원경 및 마운트 시스템

또 다른 OWL-Net의 관측기기로는 장착된 2k x 2k CCD 카메라가 있습니다. 관측기기의 교체와 유지보수를 용이하게 하고자 CCD 카메라를 포함한 후위 처리(back-end)를 wheel station이라고 불리는 하나의 구성단위(unit)로 설계하였습니다. wheel station는 ilter wheel, chopper, de-rotator 등 모든 구동부를 포함하고 있습니다.

그리고 한 번의 노출로부터 다수의 궤적을 얻기 위해 chopper를 적용하였습니다. chopper는 50Hz까지 회전속도를 변화시킬 수 있으며, 노출이 시작되면 가속을 시작하여 수초 내에 원하는 회전수에 이르게 됩니다. 가속구간에는 검출되는 궤적의 길이가 변하게 되는데 이를 통해 인공위성의 진행방향과 시작점을 알 수 있게 됩니다. wheel station에는 time tagger가 장착되어 있어 chopper의 날개가 개폐될 때 마다(open 또는 close position) 그 시각을 기록합니다. 이를 통해 각 궤적별 시각을 약 1/1000초 정밀도로 동정 할 수 있습니다.

OWL-Net의 핵심 관측기기인 Wheel Station

자료분석

OWL-Net의 관측시스템으로부터 처음 얻어지는 영상자료는 인공위성이 지나가면서 생기는 궤적과 배경에 찍히는 별들입니다. 이러한 별들의 자료처리를 위한 첫 단계는 일반적인 천문영상 처리와 같이 bias, dark, flat filed에 대한 보정을 수행하게 됩니다. 그러나 대상의 위치정보 만을 알아내는 경우에는 이러한 보정을 수행하지 않습니다.

다음은 영상으로부터 별과 인공위성 궤적을 찾아내서 CCD상에서의 위치를 측정하는 작업을 수행하며, 천문영상 분석에 널리 이용되는 SExtractor를 사용합니다. 인공위성의 궤적은 중간지점의 좌표를 구하고 타임태거(time tagger)에서 기록한 시간과 일치시키는 작업을 수행합니다. 분리된 별들은 star chart와 비교하여 WCS(World Coordinate System) solution을 구하는데, 이를 위해 WCSTools을 이용합니다. 이를 통해 구한 변환계수를 인공위성의 궤적에 적용하여 각 궤적의 천구상 위치를 측정합니다. 이렇게 최종 결정된 인공위성 궤적의 중심좌표와 시각 정보는 ASCII 파일로 저장되고 이는 즉시 HQ로 전송합니다.

OWL-Net으로 촬영한 인공위성의 궤적

궤도계산

각 사이트에서 관측된 영상으로부터 추출된 인공위성의 궤적의 위치와 시간정보로부터 궤도계산을 위해서는 상용 소트웨어인 ODTK를 이용합니다.

우선 Gooding 방법을 이용하여 초기궤도를 결정한 이후 POD를 수행합니다. OWL-Net의 광학관측 자료를 처리하기 위해서 GEOSC 자료형식을 채택하였는데, ODTK를 OWL-Net과 연동하기 위해 least square 방법을 기본으로 하는 batch형 orbit estimator를 제작하였습니다. 그리고 ODTK를 기반으로 OWL-Net의 관측자료로 부터 궤도계산 및 궤도력 유지를 자동화하는 소프트웨어도 개발하였습니다.

초기 관측결과 및 성능분석

망원경의 지향정밀도와 측정하기 위해 적당한 고도에 있는 별을 선택하여 parking과 pointing을 반복하여 수행한 결과, RA 방향은 –0.9 ~ 1.5 arcsec, DEC 방향은 –0.6 ~ 0.5 arcsec 범위 내에 들어는 것을 확인하였습니다. 또한 추적정밀도를 측정하기 위해 같은 별을 대상으로 첫 번째 pointing을 수행하고 영상을 촬영한 후 1분 간격으로 15장의 영상을 촬영한 결과, RA와 DEC 방향 모두 1 arcsec 이내로 들어오는 것을 확인할 수 있었습니다.

한편, OWL-Net 관측시스템의 관측한계를 측정하기 위해 몽골 관측소에서 천문표준성에 대한 표준화 관측을 수행하였습니다. OWL-Net 시스템에 기본으로 장착되어 있는 Johnson B, V, R, I 필터를 이용하여 Stetson standard star 카탈로그에 있는 별을 대상으로 다양한 노출 시간을 주어서 영상을 촬영하였습니다. 촬영한 영상은 bias, dark, flat fielding 등 천문관측에 적용되는 일반적인 전처리 과정을 수행한 후, airmass correction coefficient와 standard correction coefficient를 구해서 기기등급을 표준화 등급으로 환산한 결과 테스트베드 사이트와 몽골 사이트의 경우 V 필터에서 limited magnitude는 각각 15.8 등급과 14.7 등급으로 나타났습니다.

OWL-Net을 이용한 궤도결정 성능을 확인하기 위해 KOMPSAT-1 위성의 몽골 site 관측자료를 이용하였습니다. 한국의 지구관측 위성인 KOMPSAT-1은 약 470kg의 소형위성으로 700km x 740km의 저궤도로 공전하고 있습니다. 자료는 2014년 11월에 관측된 결과로 5일에 걸쳐 4번의 pass를 관측하였고, 각 pass당 8-9회의 영상을 획득하였습니다. 궤도결정 결과는 12개의 연속한 TLE와 비교한 결과 오차가 가장 큰 In-Track 방향으로도 궤도결정 오차가 2.5km 이하로 나타났습니다.

몽골 관측자료로 계산한 KOMPSAT-1호의 궤도