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2016년 11월 3일 목요일

나사의 딥 스페이스 네트워크



(지름 70m의 안테나인 Goldstone DSN antenna. 출처: 나사) 


 보이저 2호는 발사된지 거의 40년 만에 지구에서 168억km 떨어진 지점까지 도달했습니다. 하지만 그럼에도 아직도 통신이 가능한 상태입니다. 이것이 가능한 이유는 나사의 딥 스페이스 네트워크 (NASA Deep Space Network) 덕분입니다. 캘리포니아, 호주, 스페인 세 곳에 건설된 30~70m 지름의 거대 안테나 네크워크 덕분에 태양계 어디에서든 통신이 가능한 것입니다. 


 이 네트워크가 처음 계획되었던 것은 1950년대 말로 거슬러 올라갈 수 있다고 합니다. 이후 나사의 아폴로 미션과 달, 금성, 화성의 무인 탐사선 미션에서 활약했고 더 가까이는 나사의 보이저 미션 및 카시니, 뉴호라이즌스 등 여러 태양계 탐사임무에 없어서는 안될 기반 통신 시설로 활약했습니다. 


(나사의 딥 스페이스 네트워크 커버리지.  출처: 나사) 




(동영상) 



(동영상2) 


 우리가 지금 보는 태양계의 다양한 사진은 모두 이 딥 스페이스 네트워크 덕분에 가능했습니다. 하지만 어떻게 이렇게 장거리에서 통신이 가능한 것일까요. 여기에는 거대한 안테나와 더불어 몇 가지 비밀이 숨어 있습니다. 


 일단 통신에 사용되는 주파수는 넓게 퍼지지 않지만, 직진성이 강한 마이크로웨이브파를 사용합니다. S band (2.29 - 2.30 GHz), X band (8.40 - 8.50 GHz), Ku band (31.8 - 32.3 GHz) 의 세 가지로 X와 Ku 밴드의 경우 일반적으로 우리가 통신에 사용하는 주파수에 비해서 상당히 고주파수를 사용하는 셈입니다. 이를 마치 빔처럼 우주선이나 지구 방향으로 쏘는 것이죠. 


 문제는 거리 때문에 전파의 세기가 거리에 제곱에 반비례해서 약해진다는 것입니다. 따라서 목성 궤도 밖에서 통신을 시도하는 경우 지구에서 보내는 것도 문제지만, 우주선에서 지구로 오는 신호도 극도로 약한 상태가 됩니다. 더구나 우주선의 출력을 담당하는 RTG의 경우 출력이 정해져 있어 탐사선에 설치된 큰 안테나에서 사용할 수 있는 출력은 20W 수준입니다. 


 이를 해결하기 위해서 지구에서는 거대한 안테나가 필요합니다. 하지만 우주선에서 보내는 전파는 지구에 도착할때 쯤이면 지구 지름 보다 1000배 정도 넓게 퍼지기 때문에 그 이 안테나에 잡히는 에너지는 손목 시계에 사용되는 에너지의 200억 분의 1에 불과합니다. 이 신호를 잡기 위해 절대 영도에 가까운 상태에서 작동하는 민감한 리시버가 신호를 파악합니다. 


 하지만 그래도 신호가 워낙 약하고 잡음이 많이 들어가므로 데이터 전송 속도는 극도로 느릴 수밖에 없습니다. 한번에 신호가 선명하게 잡히는 경우가 없고 항상 노이즈가 섞여 있으므로 이를 감별하기 위해서 데이터에는 확인을 위한 디지털 신호가 항상 같이 들어가게 됩니다. 이 신호를 반복해서 보내면 이중에서 제대로 온 것을 다시 확인하는데, 이 과정에서 속도는 매우 느려지게 됩니다. 


 뉴호라이즌호의 예를 들면 (x 밴드를 통신에 사용함) 목성 부근에서 데이터 전송 속도는 38 kbit/s에 불과합니다. 하지만 명왕성 부근에서는 다시 1 kbit/s 수준으로 감소합니다. 탐사선 내부에는 8Gb의 두 개의 솔리드 스테이트 레코더가 있어 데이터를 저장할 수 있지만, 이를 지구로 모두 전송하는데 15개월이 걸린 이유입니다. 


 보이저의 경우에는 3.7m 지름의 비교적 큰 안테나와 두 개의 통신 주파수 (S-band (about 13 cm wavelength)와 X-band (about 3.6 cm wavelength))를 이용해서 목성 궤도에서는 115.2 kbit/s 수준의 전송 속도를 지니고 있습니다. 하지만 역시 먼 거리에서는 뉴호라이즌과 비슷한 수준으로 통신 속도가 떨어집니다. 보이저는 오래 전 발사된 탐사선이라 64KB 의 디지털 테이프 레코더를 저장 장치로 사용하고 있습니다. 


 나사의 딥 스페이스 네트워크는 이미 계획된 거리보다 훨씬 먼 장소에서 통신을 주고 받고 있습니다. 하지만 그 거리는 저 멀리 다른 별에 비하면 너무나 짧은 수준입니다. 먼 미래 인류가 알파 센타우리 같은 다른 별에 탐사선을 보내게 된다면 통신 문제에 대해서도 고민하지 않을 수 없을 것 같습니다. 


 참고 


 딥 스페이스 네트워크 팩트 시트 : http://www.jpl.nasa.gov/news/fact_sheets/DSN-0105.pdf







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