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나사의 우주 네트워크

2021-05-22

사례 연구: NASA의 우주 네트워크



나사의 우주 네트워크(DSN)는 태양계(우주) 무선통신과 우주 관측 레이더를 지원하는 대형 안테나, 그리고 이를 수신하는 시스템으로 구성되어 있다. DSN은 또한 지구 궤도 공간내 네트워크를 지원한다. 이를 성취하기 위해서, DSN은 세 개의 우주 커뮤니케이션 시설을 가동하고 있는데, 각 시설은 캘리포니아의 모하비 사막, 스페인의 마드리드 근처, 호주의 캔버라에 위치하며, 지구의 중심점을 기준으로 각각 120도 방향으로 위치해 있다. 이 시설은 위성, 탐사용 로켓과 우주선을 24시간 감독할 수 있게 해주고(지구가 자전함에도 불구하고), DSN 과학 텔레커뮤니케이션 시스템이 전세계에서 가장 큰 시스템이 되는 것에도 일조하고 있다.




DSN 네트워크 운영 컨트롤 센터


DSN이 현재 추적하고 있는 많은 미션 중 하나는, 1977년에 발사되어 현재 지구에서 162억km 이상 떨어져 있으며 지금도 계속해 태양계의 바깥으로 향하고 있는 보이져 1호와 보이져 2호 탐사용 로켓이다. 1944년에 설립되어 캘리포니아 공과대학에 의해 관리되고 있는 Jet Propulsion 연구소(JPL)는 NASA를 위해 DSN안테나를 관리하는데, NASA는 보이져와 다른 탐사 로켓들을 추적하고 우리 행성과 다른 우주에 대해 과학적 데이터를 얻기 위해 이 안테나들을 사용한다.


JPL에는 24시간 쉬지 않고 데이터가 들어오는데, 그 중 일부는 시속 54,000km보다 빠르게 우주를 돌아다니는 탐사선으로부터 온 것이다. 그 결과로, 모든 안테나들이 꼼꼼하게 유지되어야 하며, 그렇지 않으면 회복 불가능한 데이터는 영원히 손실될 수 있다.
작년 여름 마드리드의 DSN에서, 230피트의 안테나가 미리 예정된 유지 보수와 업그레이드를 위해 작동을 멈췄을 때, 엔지니어들은 안테나의 거대 베어링 시스템에 균열을 탐지했다. 이 베어링들은 안테나가 회전하며 위아래로 기우는 동안 이 4백만파운드의 안테나를 지탱해 준다. 균열은 2006년 6월 두 쌍의 베어링에서 감지되었으며, 이것을 수리하기 위해서 안테나가 다시 작동을 시작하기 전까지 걸리는 시간은 4개월에서 7개월로 연장되었다.


고장 난 거대 안테나 하나가 있다는 것은 현실적인 문제를 발생시켰지만, 어느 정도 관리가 가능했다. 해결책으로서, 70미터 안테나의 더 높은 데이터 비율 역량을 지탱하기 위해 더 작은 안테나들이 함께 정렬되었다. 그러나 JPL은 곧 그들이 더 심각한 문제를 직면하고 있다는 것을 깨달았다. 마드리드에 있는 베어링들의 균열은 이 일이 일어난 지 대략 16년만에 두 번째 또 발생했다. 과학자들과 엔지니어들은 이 미숙한 실수들을 야기하는 비정상적인 무언가가 있을 것이라고 생각했다.


이 문제의 정확한 근본을 알아내기 위해서, 마드리드의 230 피트 안테나 베어링들은 들려질 것이며, 기존의 쐐기 꾸러미는 제거되고 로드 셀 변환기들로 대체될 것이다. 이것들은 빛, 소리, 압력과 다른 비전기적 힘들을 전기 신호로 전환하고 표현하는 장치이다. 전기 신호 출력은(보통 몇 밀리볼트의 순서로) 적용된 힘을 계산하기 위해 알고리즘에 플러그 될 것이다.




위 사진과 비슷한 안테나가 로드 셀 변환기와 SNAP PAC 시스템을 탑재하고 베어링 시스템에 이상 원인을 찾기 위해 곧 설치 될 예정이다.


DSN의 마드리드 230피트 안테나의 경우에는, 안테나가 베어링들을 가로질러 움직일 때 안테나의 무게를 효율적으로 재기 위해 그 힘을 측정할 것이다. 그러기 위해선 배열을 방해하거나, 작용하는 능력을 어떤 식으로든 타협 없이 안테나 아래에 완벽히 맞아 들어가는 5⁄8인치의 두꺼운 맞춤형 접시 안테나(각각 35개의 로드 셀이 있는)를 디자인하고 만들어야 하며, JPL는 이를 위해 캘리포니아 샌 디마스의 Force Switch와 계약을 맺었다. 이 크기 사양에 추가적으로, Force Switch는 JPL의 로드 셀을 위한 다른 요구 사항도 만족시켜야 한다. - 이중 가장 주된 것은 신호 조절이다.


이 특별히 디자인된 로드 셀 접시들은 밀리볼트 타입보다 밀리암페어 신호를 출력할 것이다. 이것은 매우 중요한데 왜냐하면 로드 셀들이 Opto 22 SNAP PAC 시스템과 연결 될 것이기 때문이다.


구체적으로 말하자면, SNAP 아날로그 입력 모듈은 4개의 개별 접시형 안테나들(각 세트의 베어링 당 하나)을 SNAP-PAC-EB2 프로세서(“뇌”라고도 부른다)에 연결시킬 것이며, 이것은 매 초 마다 정확한 로드 셀 기록(-20mA부터 +20mA범위까지의 현재 아날로그 입력으로 표현된)을 수용할 것이다.
이번 봄에 출시된 EB2는 자동화, 모니터링과 데이터 습득을 위한 Opto 22의 SNAP PAC 상품 라인 중 가장 최신 버전 중 하나이다.
“SNAP-PAC-EB2 프로세서는 이중 스위치 10⁄100 Mbps의 이더넷 인터페이스를 가지고 있는데, 이것은 JPL이 요구하는 것과 같은 다분기(多分岐) 구성에 완벽하다,”라고 Opto 22의 선임 기술 고문인 Tom Edwards가 설명했다.


Edwards(그리고 다른 Opto22의 엔지니어들까지)는 JPL을 위한 사전 영업 지원을 제공했으며, 우주 네트워크 안테나 프로젝트의 요구 사항을 정의 내리는 것을 도왔다. 또한, 그들은 프로젝트가 긴 케이블 선(대략 300피트)과 4개의 로드 셀/베어링 위치에 분산된 입출력을 필요로 할 것이라고 생각했다. Edwards는 SNAP-PAC-EB2 뇌가 JPL에게 분산된 입출력을 데이지 체인 방식으로 연결하고, Opto 22의 SNAP-PAC-R2프로그래머블 자동화 컨트롤러처럼 EB2에 의해 모아진 모든 로드 셀 기록을 하나의 똑똑한 컨트롤러에게 돌려줄 수 있는 능력을 줄 것이라고 기대하고 있다. 거기서부터, 데이터는 OptoDataLink를 통해 JPL데이터베이스로 보내질 것이며, 이것은 SNAP PAC 시스템과 SQL 데이터베이스간의 데이터 교환을 위한 다중 연결을 제공한다.


현재, JPL은 140아날로그 신호를 1HZz(1초당 한번)에 그리고 가능한 동시 발생에 가깝게 읽는 시스템을 디자인하기 위해 Opto 22와 함께 일하고 있다. 결과적으로, 주파수는 4Hz나 그 이상까지도 증가 될 수 있을 것이다.


안테나가 베어링 위를 움직일 때마다 다중의 위치의 로드 셀 데이터를 지속적으로 감독하고 기록하는 SNAP PAC 시스템이 있다면, JPL은 곧 데이터를 연구하고, 이론을 만들어 내고 왜 베어링들이 금이 갔는지 알게 될 것이다.




전기∙전자 공학의 데이지 체인은 디바이스A와 디바이스B가 서로 연결되게, 그리고 디바이스B와 디바이스C가 서로 연결되게, 그리고 디바이스C와 디바이스D가 연결되게 배선 된다. 데이지 체인은 전원, 아날로그 신호, 디지털 신호 또는 두 가지 이상이 합쳐진 신호에 많이 쓰인다.


Opto 22란?
Opto 22는 산업 자동화와 컨트롤, 원격 조정과 데이터 습득을 포함한 적용을 위한 하드웨어와 소프트웨어를 개발하고 제조한다. Opto 22제품들은 표준 규격에 맞춰진, 상업화 가능한 네트워킹과 컴퓨터 기술을 사용하며, 단순함과 혁신성, 품질과 신뢰성으로 전세계적으로 유명한 평판을 가지고 있다. Opto 22제품들은 자동화 최종 소비자, OEMs, 그리고 IT와 연산 관련 직원들에 의해 사용된다. 회사는 1974년에 설립되었으며 미국 캘리포니아의 테메큘라에 사설로 설립되었다. Opto 22 제품들은 전세계의 유통업자들과 시스템 통합 사업자들의 네트워크를 통해 구매 가능하다.



번역: 곽이레 연구원

편집: 김수진 선임연구원

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1. 여기서 쐐기는 물체 사이의 작은 틈이나 공간을 메꾸기 위해 쓰이는 가늘게 만들어진 쐐기 모양의 물질이다. 쐐기는 보통 지탱하거나, 더 잘 맞게 조정하거나 아니면 높이를 맞추기 위해 쓰인다.