NASA와 매사추세츠공과대학(MIT) 등이 공동 개발한 위성통신시스템 「TeraByte InfraRed Delivery(TBIRD)」가 200 Gbps의 전송 속도를 기록해, 2022년에 달성하고 있던 100 Gbps의 기록을 2배로 경신했습니다. 저비용의 작고 빠른 위성 레이저 통신 시스템으로 인공위성이 취득한 방대한 데이터를 순간적으로 지상으로 보낼 수 있게 됨으로써, 우주를 관측하는 과학 미션이 새로운 발견을 가져올 것으로 기대되고 있습니다.
NASA, Partners Achieve Fastest Space-to-Ground Laser Comms Link | NASA
NASA, Partners Achieve Fastest Space-to-Ground Laser Comms Link
On April 28th NASA and its partners achieved another major milestone in the future of space communications – achieving 200 gigabit per second (Gbps) throughput on a space-to-ground optical link between a satellite in orbit and Earth, the highest data rat
www.nasa.gov
NASA는 2023년 5월 12일, 4월에 실시한 위성에서 지상으로의 레이저 통신 테스트를 통해 지금까지 최고의 데이터 전송 속도인 200 Gbps의 처리량을 달성했다고 발표했습니다. 이를 통해 인공위성은 지상국의 상공을 5분간 통과하는 것만으로 고화질 영화 1,000개 분에 해당하는 2TB 이상의 데이터를 보낼 수 있다는 것입니다.
NASA의 우주통신 · 항법 프로그램의 항공우주 엔지니어인 제이슨 미첼은 "데이터가 늘어나면 발견도 늘어나므로 매우 큰 의의가 있습니다"라고 코멘트.
이 레이저 통신을 가능하게 한 TBIRD 시스템은, NASA의 패스파인더 기술 실증 위성 3호(PTD-3)에 탑재되어 2022년 5월에 SpaceX의 위성 라이드 셰어 미션 「Transporter-5」에 의해 궤도상으로 운반되었습니다. 상공 약 530km를 주회 하는 PTD-3 위성은, 그 크기가 호랑이기운이 솟아나는 시리얼 상자 2개를 겹친 정도로, 무게는 약 12kg의 CubeSat(큐브샛 : 초소형 인공위성)입니다. 또한, 내장된 TBIRD는 일반적인 티슈 박스만큼의 크기 밖에 안 된다는 것.
일반적으로 지구상에서의 고속 통신은 광섬유를 이용한 레이저 통신으로 이루어지고 있지만, 레이저로 고속 인터넷 통신을 할 수 있는 인공위성은 아직 없습니다. 따라서 우주 기관과 우주 개발 기업은 우주 공간에서의 통신에 무선을 사용하고 있으며, 위성이 고성능화됨에 따라 무선 통신의 지연이 과제가 되고 있었다는 것.
레이저 통신에 사용하는 적외선은 무선의 전파보다 주파수가 높기 때문에, 보다 고속의 데이터 통신이 가능합니다만, TBIRD의 개발 및 이번 기록 달성은 간단하지 않았습니다.
예를 들어, 지상 레이저 통신을 위해 개발된 대부분의 부품은 로켓에서 발사하거나 우주 공간이라는 어려운 환경을 견딜 수 있도록 설계되지 않았습니다. 때문에, 우주에서의 운용을 상정한 테스트를 실시했는데, 광신호 증폭기의 케이블이 녹아 버리는 일이 잦았습니다. 이것은 공기의 대류 방열을 전제로 만들어진 증폭기가 진공 중에서는 열을 잘 방출할 수 없었기 때문입니다. 그래서 연구팀은 증폭기의 메이커와 협력하여 열전도에 의해 냉각을 실시하는 개량을 실시했습니다.
또한 우주에서 지상에 도달하는 레이저는 대기의 영향과 기상 조건에 따라 왜곡되므로 데이터 손실이 발생합니다. 이 문제를 해결하기 위해 과학자들은 데이터 전송 중에 발생하는 오류를 정정하기 위한 프로토콜인 ARQ(Automatic Repeat Request: 자동 재전송 요청)를 독자적으로 개발했습니다. 지상국이 위성에 어떤 데이터 블록(프레임)을 올바르게 수신할 수 있었는지를 전달하는 이 메커니즘을 통해 위성은 재전송해야 할 프레임을 특정할 수 있었기 때문에, 불필요한 데이터를 재전송하는 시간을 줄일 수 있었습니다.
또한 레이저는 무선 통신에 비해 빔이 얇다는 문제도 있었습니다. 이것은 빔을 정확하게 수신기로 향해야 하기 때문에, 일반적으로 레이저 장치는 짐벌, 즉 회전 플랫폼에 장착됩니다. 그러나 TBIRD는 작은 CubeSat에 장착되므로 부피가 큰 회전대를 사용할 수 없습니다. 그래서 연구팀은 오류 신호를 사용하여 위성의 방향을 수정하여 해결했습니다. 이 짐벌리스 전략은 TBIRD의 추가 소형화로 이어졌으며 발사 비용 절감에도 기여하고 있습니다.
200 Gbps라는 이정표를 달성한 연구팀의 다음 목표는 이 기술에 적합한 과학 임무를 찾는 것입니다. MIT 링컨 연구소에서 일하는 항공 우주 엔지니어인 컷 리징은 "이 기술은 많은 데이터를 수집함으로써 큰 이익을 얻을 수 있는 과학 미션에 적합합니다. 스코프를 확장하는 「이벤트 호라이즌 익스플로러 미션」에서의 흥미로운 활약 등을 생각할 수 있습니다"라고 말했습니다.
블랙홀 촬영에 처음 성공한 이벤트 호라이즌 텔레스코프에서는 관측에 참가한 망원경이 하루 350TB라는 방대한 데이터를 쏟아냈습니다. 앞으로 이러한 미션에 우주망원경 등의 인공위성이 참가하는 경우, 우주와 지상 간의 고속통신이 필수 불가결합니다.
리징 씨에 의하면, 연구팀은 한층 더 TBIRD를 장래의 월면 미션에 사용하는 방법도 모색하고 있다고 합니다. 검토 중인 통신 속도는 1~5 Gbps로, 이것은 200 Gbps에 비하면 적어 보입니다만, 달과 지구가 약 40만 km 정도 떨어져 있다는 것을 생각하면 경이적인 스피드입니다.
또한 이 기술은 지구상의 데이터 링크에도 적용될 수 있습니다. 리징 씨는 "예를 들어 빌딩과 빌딩, 산 정상과 정상 등 사람이 쉽게 접근할 수 없는 곳의 통신으로 광섬유 부설에 엄청난 비용이 드는 경우에 도움이 될지도 모릅니다"라고 말했습니다.
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