미 해군이 GPS 대안으로 천체 항법에 주목

중세 항해사들이 북극성을 초점으로 삼아 대양을 횡단했던 것처럼, 미래의 우주 비행사와 우주선은 심우주에서 위치, 항법 및 타이밍(PNT)을 위해 펄서에 의존할 수 있으며, 현재 미국 해군연구소의 연구원들이 이 기능을 연마하고 있다.

"별의 각도를 주로 살펴보는 천체 항법은 오래전부터 존재해 왔습니다. 별의 각도를 보고 별이 어디에 있는지 알려주는 것이 바로 육분의 방식입니다. 이것은 다른 것입니다. 우주에서 시계를 사용하는 것입니다."라고 NRL의 고에너지 천체 물리학 및 응용 책임자인 폴 레이는 월요일 Breaking Defense와의 인터뷰에서 말했다.

이러한 "시계"는 펄서, "중성자별이 된 붕괴 된 별, 즉 정말 조밀하게 붕괴 된 별이 회전하고 지구를 가로 지르는 전파 및 기타 방사선 빔을 방출하고 빛을 깜박입니다."라고 Wray는 설명했다.

이 개념은 여러 대의 정교한 망원경과 수많은 복잡한 수학적 계산을 사용한 수십 년간의 연구에도 불구하고 실현 가능성을 입증하기 위해 어떤 면에서는 단순한 개념이다. 수신기는 현재 위성 위치 확인 시스템(GPS) 및 유사한 위성이 제공하는 원자 시계 대신 펄서가 몇 마이크로초마다 방출하는 규칙적인 방사선 펄스를 감지, 측정 및 사용한다. 매우 정밀한 원자 시계는 수신기가 GPS 위성과의 거리를 결정하고 위도, 경도 및 고도를 계산할 수 있도록 타이밍 신호를 제공한다.

상업용이든 군사용이든 운영자는 지상, 공중, 해상 또는 우주의 다른 곳에 있는 플랫폼과 장치가 데이터를 전달하는 다운링크 신호를 안정적으로 수신할 수 있도록 하기 위해 우주선의 위치를 정확히 알아야 하며, 우주선이 지상 관제소의 범위 내에 있을 때는 물론 우주선에 무엇을 해야 하는지 알려주는 업링크 신호를 보낼 수 있어야 한다.

펄서 기반 PNT는 우주군이 이미 미래의 작전을 주시하고 있는 황도계 우주나 GPS 신호가 도달하지 않는 더 먼 태양계에서 사용될 수 있다고 레이는 말했다. 또한 펄서 시계는 GPS 기반 PNT의 백업 및/또는 정확도를 개선하는 데 사용될 수 있다고 레이는 덧붙였다. 예를 들어, 유럽우주국은 갈릴레오 PNT 위성을 보강하기 위해 펄서 기반 타이밍을 연구하고 있다.

현재 펄서 폭발을 감지하는 기기는 지구 대기를 투과하지 않는 X-선을 기반으로하기 때문에 우주 공간에서만 유용하다고 Wray는 설명했다. 그러나 그는 언젠가는 이러한 엑스레이 신호가 변환되어 지상 플랫폼으로 전달될 가능성을 배제하지 않았다.

펄서의 위치(그리고 시계로 작동하는 방식)

천체 물리학자들은 수천 개의 펄서를 발견했지만, 정확한 PNT 기능에 필요한 단기간에 측정할 수 있을 만큼 충분히 규칙적이고 강한 신호를 제공할 수 있는 펄서는 "6~7개"에 불과하다고 레이는 말했다.

하지만 레이는 그 적은 수라도 미래에는 우주를 안정적으로 탐색할 수 있을 것이라고 설명했다.

"다행히도 하늘에 꽤 많이 퍼져 있습니다."라고 그는 덧붙였다.

NRL은 이미 2017년부터 국제우주정거장에서 중성자별의 특성을 분석하기 위해 NASA가 설계한 실험용 X-선 망원경을 사용하여 타당성 검증을 진행 중이다. 중성자 별 내부 구성 탐사기(NICER)라고 불리는 이 망원경은 세탁기 크기 정도이며, 각각 CD 디스크만큼 큰 56개의 작은 거울이 장착되어 있다고 레이는 말했다.

NRL은 X-선 타이밍 및 항법 기술을 위한 스테이션 익스플로러(Station Explorer for X-선 타이밍 및 항법 기술, 이하 SEXTANT)라는 임무에 따라 NICER를 비행 소프트웨어와 결합하여 X-선 펄서 관측을 사용하여 우주 정거장의 궤도 위치를 결정했다. SEXTANT 팀은 2018년 11월에 첫 번째 데모를 성공적으로 완료했다.

"NICER의 일상적인 업무는 천체 물리학 응용을 위해 중성자별을 연구하는 것이지만, 우리는 며칠 동안 이 장비를 동원하여 특정 펄서만 가리키도록 했습니다."라고 레이는 말했다. "우리는 펄서 관측만을 사용하여 궤도에서 실시간으로 완전히 자율적으로 탐색하는 첫 번째 시연을했습니다."

한편, NRL 연구원들은 시계로 사용할 새로운 "밀리초 펄서"를 발견하기 위해 노력하고 있으며, 펄서 PNT 기술과 기능을 실제 세계에서 사용할 수 있을 정도로 연마하기 위한 연구에도 기여하고 있다.

6월 28일, 이 연구소는 우주과학부를 포함한 국제 과학 공동연구팀이 펄서 관측을 통해 "시공간을 늘리고 쥐어짜는 중력파"에 대한 새로운 증거를 발견하는 데 성공했다고 발표했다. (초대질량 블랙홀이 생성하는 것으로 알려진 중력파는 1916년 알버트 아인슈타인이 처음 예측했으며, 거의 60년 후 미국 국립과학재단의 레이저 간섭계 중력파 관측소에 의해 존재가 입증되었다).

레이는 중력파가 펄서 "펄스"의 주파수에 작은 영향을 미친다는 발견은 이러한 천체 시계의 한계를 이해하는 데 중요하지만, 생성되는 왜곡은 일상적인 PNT 목적에서는 무시할 수 있을 정도로 작다고 강조했다.

"이것은 어떤 종류의 치명적인 결함이 아닙니다."라고 그는 말했다.

차세대 천체 항법을 향한 다음 단계

레이는 작동하는 펄서 PNT 네트워크를 구축하기 위해 더 많은 개발이 필요한 몇 가지 방법이 있다고 말했다.

첫 번째는 "시계의 수를 늘리는 것"이라고 그는 말했다. "우리는 더 많은 펄서를 찾아 시계로 특성화하고 방출을 이해하기를 원합니다. 그래서 우리에게 그 입력 신호를 제공하고 있습니다.

"그런 다음 검출기 측면에서 저는 '광자를 수집하기 위해 일정량의 정면 면적이 있어야한다는 점을 염두에두고 실용적인만큼 작은 강력한 검출기 시스템을 만들 수 있는가'라고 말하고 싶습니다. ... 하지만 기기의 배경을 개선할 수 있습니다. 기기의 크기를 어느 정도 줄일 수 있습니다. 더 적은 전력을 사용할 수 있고 공간에 맞게 설계를 최적화할 수 있습니다. 하지만 기존 방식에서 획기적인 변화는 아닙니다."

왜 우주군이 아닌 NRL이 이러한 연구를 수행하는지 궁금해하는 분들을 위해 말씀드리자면, 사실 미 국방부의 공식 시간 관리자는 해군이다.

레이는 "미 해군 천문대가 시계를 유지한다"며 "즉, 해군 천문대가 유지하는 시간 체계는 모든 국방부의 시간을 정의하고, 지리적 위치를 파악해야 하는 모든 종류의 해군 시스템에 필요한 우주에서 모든 것이 어디에 있는지 정의하는 천체 참조 프레임인 별들도 유지한다"고 말했다.

NRL은 GPS에 사용되는 원자 시계를 포함하여 원자 시계를 개발하고 완성하기 위한 오랜 역사를 가지고 있다.

"NRL에는 GPS에 사용하는 시계에 대한 장기적인 연구를 수행하는 해군 우주 기술 센터라는 전체 지부가 있습니다."라고 레이는 설명했다. "그래서 NRL은 이러한 시계를 특성화하고 이해하는 산업을 가지고 있습니다.

"마찬가지로 우리도 이러한 천체의 시계를 특성화하고 이해하려고 노력하고 있습니다. 그리고 그들 중 다수는 실험실 원자 시계만큼 안정적이라는 것이 밝혀졌습니다. 그들은 긴 시간 척도에서 매우 좋은 시계입니다. 천체시계는 크게 표류하지 않습니다. 어떤 경우에는 측정 결과에서 알 수 있듯이 측정할 수 있을 정도로 드리프트하지 않는 경우도 있습니다."라고 그는 덧붙였다.

Wray는 "시계는 중요하다"며 "시계가 항상 무엇을 하고 있는지 아는 것이 좋다"고 요약했다.