심우주를 탐사하는 우주 !!

여행을 할 때, 옛날에는 지도책을 펼치곤 했습니다. 요즘은 지도책을 펼쳐 보는 사람이 조금밖에 없을 것이다. 운전을 할 때는 내비게이션을 이용하고, 여행을 할 때는 스마트폰을 이용하기 때문이다. 이런 것이 가능한 이유는 기술이 있기 때문이다.   기술 덕분에 낭비되는 현재 위치를 정확히 파악할 수 있는 것이다.미국의 뉴ー호라이쥬은스호는 20하나 5년 7월 하나 41, 명왕성을 허가하 슴니다. 그 당시 약 50억 km 떨어진 태양계 외각에 위치한 메이오 별까지 확실히 도달하려면 우주선의 정확한 위치를 알고 안 될까요. 잘못된 방향으로 가고 있다면 궤도를 수정해야 하기 때문이다. 기술이 필수적으로 보이는데 과연 우주선도 를 사용할까요?

GPS는 인공위성에서 송신된 신호를 수신하여 수신자의 현재 위치를 계산하는 기술입니다. 원래 GPS는 미 국방부에서 폭격의 정확도를 높이기 위해 개발된 기술입니다. GPS 개발 이전에는 수많은 폭탄을 투하해 목표물을 파괴하는 융단 폭격을 사용했습니다. 하지만 정확도와 효율성이 떨어지는 단점이 있었습니다. 이후 레이저 유도폭탄이 개발되었는데 조종사의 시시각각, 지형, 날씨에 영향을 받았습니다. 외부 조건에 영향을 받지 않는 폭탄이 필요했습니다. GPS를 이용한 폭탄이 탄생한 계기입니다.

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하나 973년 미 국방부에서 네프 스타 GPS프로그램을 개발하기 시작했습니다. 20여년 동안 하나 50억달러의 비용이 들었는데 초기에는 군사용으로만 사용되었습니다. 그러나, 파하나렛의 실수로 정확한 위치를 파악하지 못한 대한항공 여객기가 소련 영공을 침범한 사건이 있었습니다. 이에 소련은 전투기에서 여객기를 격추시키고 탑승자 전원이 사망하는 비극이 발생했습니다. 이 사건을 계기로, 미국은 민간인도 무료로 GPS를 사용하는 것을 허가했습니다.

GPS의 원리는 인공위성이 지면의 수신기에 전파를 보내면 그 거리를 계산해서 좌표치를 구합니다. 이 좌표 값을 계산하기 위해서는 3개의 인공 위성이 필요합니다. 삼각측량을 생각하면 이해하기 쉬울거에요 그렇게 나보다 더 정확한 위치를 파악하기 위해서 4개의 인공 위성을 사용합니다. 지구 전역을 커버하기 위해서 2개의 인공 위성과 3개의 예비 위성이 재발도 한 간격으로 지구 상공 20,220km로 흐르고 있습니다. 이런 인공위성을 GPS 위성이라고 합니다.

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차뿐만 아니라 항공기도 GPS를 사용합니다. 그런데 우주에서도 GPS를 사용할 수 있을까요? 정답은 사용할 수도 있고 사용할 수 없을 수도 있습니다. 통상 지구와 우주의 경계를 100km로 하고 있습니다. 이를 카르만 라인이라고도 하지만 100km이상의 고도가 우주라고 정의하고 있습니다. 330km~410km고도에서 궤도를 돌고 있는 국제 우주 스테이션에서도 GPS를 사용하는 것입니다. 국제우주정거장의 자세를 바꿀 때 사용하는 본인, 국제우주정거장의 속도계산, 지관제소에서 국제우주정거장의 위치를 추적할 때 사용할 것입니다. 그렇다면 지구 상공 만 5,000km의 정지 궤도를 도는 인공 위성도 GPS를 사용할 수 있나요. 사용할 수 없습니다. 국제우주정거장과 어떤 차이가 있을까요? 바로 고도차이다.  GPS위성의 고도인 20,220km아래에 있으면 GPS신호를 수신할 수 있지만 그보다 높은 고도에서는 신호를 수신할 수 없기 때문이다.

태양계 행성을 탐사하는 우주선도 GPS를 사용할 수 없는 것은 당연하죠. 그렇다면 이러한 우주선의 위치는 어떻게 파악하는 것일까요? 우주선이 발사되면 지구에서 심우주 안테나 우주선으로 전파를 보냅니다. 이 전파가 우주선에 닿으면 반사되어 지구로 돌아옵니다. 전파가 돌아오는 시각을 계산해서 우주선의 속도와 위치를 파악할 수 있는 것입니다. 그러나, 이 비법에는 문제점이 있습니다. 명왕성 근처, 지구에서 약 59억 km 떨어진 곳에 위치한 우주선이 있다고 소가족하고 봅시다. 지구에서 보낸 전파가 여기까지 도달하는 데 약 5시간 30분이 걸립니다. 이 전파가 돌아오지만 다시 5시간 30분이 걸립니다. 우주선이 더 멀어질수록 정확한 위치 계산이 어려워집니다.

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GPS 위성에는 원자시계가 탑재되어 있지만 GPS 수신기와 동기화가 부착됩니다. GPS 수신기의 시계도 원자시계만큼의 정밀도를 갖게 됩니다. 이를 바탕으로 GPS 위성에서 보내는 신호의 속도와 수신기에 도달하는 시간을 계산하면 정확한 거리를 구할 수 있습니다. 우주선에서도 정확한 시계를 이용한 거리 측정이 가능할 것이다. 그런데 우주에는 원자 시계보다 1만배 이상 정확한 시계가 있습니다. 파르사퀸 입니다.

펄서는 중성자성이 초고속으로 자전하면서 보내는 전자기파입니다. 이 중에는 1/1000초 단위로 자전하는 중성자별이 있는데 이것을 밀리초 펄서라고 부릅니다. 자전 때문에 하얀 등대처럼 우주를 비추게 됩니다.

자전 주기가 하나 있는 펄서가 있는데, 이 펄서가 원자시계 역할을 하는 셈입니다. 전자기파 방출은 GPS 위성이 보내는 전파 역할을 합니다. 한가지 부족한게 있겠지? GPS 수신기 입니다. 펄서에 포함된 X선을 탐지하는 장비가 그 역할을 할 수 있습니다. NASA는 NICER 관측 장비를 국제우주정거장에 설치할 생각입니다. NICER는 파르사의 X선을 탐지하기 위해 개발되며 스페이스 X사의 이강 국제우주정거장 보급 임무 때 드래곤 우주선에 실려 발사될 것입니다. 앞으로 X선 관측 장비는 우주선에 탑재될 수 있는 경량화가 가능할 것으로 생각합니다. 곧 우주선 스스로가 나의 위치를 파악하는 시대가 올 것입니다.[에디터:전홍현]

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1.HOWSTUFFWORKS:How is GPS used in spaceflight?2.NASA Johnson Space Center:Space Station Using GPS in Attitude Control3.NASA:NASA’s NICER Mission Arrives at Kenndey Space Center4.KISTI과학의 향기:명왕성 탐사선 뉴ー호라이쥬은스호의 여정 5. 대한민국 항공 우주 연구원 칼리 스쿨:GPS6. 네이버 캐스트:전 세계가 사용하는 위성 위치 확인 시스템 GPS