위성카메라 떨림 잡는 볼까요

'찰칵' 셔터를 누르는 순간. 숨을 빼내는 사람, 손떨림 보정 기능을 선택하는 사람, 삼각대를 쓰는 사람. 흔들림 없는 사진을 찍었습니까? 지구를 찍는 인공위성 카메라도 이 중요한 순간 거의 비슷한 떨림을 경험합니다. 그런데 이 떨림의 주범이 바퀴이고 진동을 잡는 것은 스프링과 고무입니다. 인공위성 카메라의 특별한 진동 방지 기술, 궁금하시죠?

인공위성 카메라의 떨림은 디지털 카메라의 손떨림과 약간 다릅니다. 일단 찍기로 한 면적을 정하면 카메라 각도를 정해야 합니다. 인공위성이 자세를 바꿉니다. 여기까지는 포토그래퍼의 손과 비슷합니다. 그런데 각도를 분리할 때 주로 사용하는 것이 반작용 휠입니다. 왼쪽을찍고싶다라고말하면오른쪽바퀴를더빨리돌리고반대방향으로몸을돌립니다. 휠이 돌 때 진동이 자동차 공회전 속도 이상이 됩니다. 반작용 휠의 최대 회전 속도는 400~6000rpm(분당 회전수). 숨을 참듯이 모든 동작을 정지시키고 과도한 삼각대를 고정하는 지상이 있는 것도 아닙니다. 자세 제어 센서와 작동기로 제어할 수 있는 주파수 영역을 훨씬 넘습니다.실제로 반작용 휠의 진동은 인공위성 카메라 진동의 주범입니다. 미 항공우주국(NASA)이 화성정찰위성(MRO)의 안전성을 위협하는 요소를 분석했는데. 그 중 70퍼.세인트가 운용하고 내부의 떨림으로 떨림 속에서도 반작용 휠의 영향이 30퍼.센트에서 가장 컸어요. 나 머지는 영상 분광계 냉각 쿨러(15퍼.센트), 고성능 안 내 짐발 구동 장치(14퍼.세인트) 등이었죠. 이렇게 보면 우리가 쓰는 카메라보다는 오히려 건축물의 공진, 자동차 진동, 비행기 날개 떨림에 가깝습니다. 인공위성도 우주공간에서 운용되는 구조물의 중하과이기 때문입니다.

모든 구조물에는 이런 떨림이 존재합니다. 자동차를 봅시다. 브레이크를 걸면 브레이크 디스크가 안쪽 패드와 마찰을 먼저 일으켜 정차시킵니다. 디스크가 닿거나 떨어지면 마찰로 생긴 열 때문에 변형되는 건데요. 과인 중에는 닿은 부분만 튀어, 과인과 제동 시 핸들 진동의 원인이 됩니다. 이렇게 마찰면의 힘이 처음에 정해지지 않아 생기는 진동을 자더(judder)라고 합니다. 또 비행기 날개의 타코마 브릿지처럼 공기의 힘에 의한 격렬한 진동을 플래터(flutter)라고 부릅니다.인공위성의 떨림은 지터(jitter)라고 합니다. 위성이 받는 가시선(Line of sight) 신호가 불안정하고 신호의 파형이 불규칙하게 변동하는 현상을 뜻하는 줄거리입니다. 비록 떨림에 따라 이름은 다르지만, 진동을 줄이는 방법은 처음에 통할 것입니다. 브레이크 디스크를 냉각하기 위한 구멍, 비행기의 플래터를 막을 만한 충분한 강도 등 진동의 원인을 차단하는 과도한 진동이 증폭되는 것을 방지하는 것입니다. 인공위성 지터는 진동 저감 장치를 장착할 것입니다.

인공위성 중에서도 지터가 중요한 위성은 따로 있어요. 빛을 모아 영상을 찍는 광학위성입니다. 한국항공우주조사원의 아리랑 위성이 대표적입니다. 카메라를 탑재하여 지구의 저궤도에서 지구의 특정 지상을 찍습니다. 이때 카메라 렌즈에 들어오는 빛을 포집해 디텍터(Detector)로 신호화하고, 지면국을 지날 때 지구로 전송합니다. 직선으로 들어가 있던 빛이 초점이 되어 있을 때 인공위성이 흔들리면 흐릿한 사진이 나쁘지 않습니다. 높은 고도의 정지궤도 위성도 광학 영상을 촬영하고 있으면 떨림이 중요합니다. 천리안 2A호에는 기상·해양 탑재체가 들어 있는데요. 지구 표면의 구름 사진을 찍고 흔들리면 정확한 정보를 얻을 수 없을 것입니다. 고도가 높을수록 작은 흔들림은 큰 오차를 낳습니다. 지구와 가깝든 멀든 빛을 이용한 광학이라면 카메라의 떨림은 반드시 잡아야 합니다.

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흔들린 위성영상은 찌그러지거나 선명도가 떨어지는 디카 사진과 거의 비슷하다. 다만 어느 방향으로 흔들렸는지에 따라 떨림의 질이 다릅니다. 수평 방향으로 흔들린 저주파 모션 지터, 3차원 공간에서 3축 전 방향으로 흔들린 고주파 모션 지터로 나뉘는데,입니다. 도로를 잡고 길 양 옆이 흐물흐물하게 나오고 있었는데 위성이 좌우로 흔들렸습니다. 건물이 밀집한 도시의 한산함 속에서 영상 사진 중에서도 세로 방향의 건물 형상이 특히 무너진 것도 같은 증상입니다. 저주파 모션에서의 지터 스미어 현상이다. 흔들림 방향이 명확하기 때문에 이러한 진동은 자세 제어 센서로 파악할 수 있습니다. 그러나 모든 것에 있어서 선명도가 떨어지는 경우가 있습니다. 고주파 모션에서의 지터블러(Blur) 현상이다. 사진을 "블러 처리했습니다"라고 할 때와 같은 이 스토리입니다.전방 방향으로 흔들리듯이 흔들리는 듯한 진동은 자세 제어 센서로는 견딜 수 없습니다. 인공위성의 모션에 따라 떨림을 억제하는 노하우가 다르다는 의미입니다. 디지털카메라나 휴대전화 카메라 안에 있는 흔들림 보정장치는 흔들리는 방향의 속도나 가속도를 측정하는 센서가 있어 거리를 자동 조절하면서 떨림을 보정한다. 귀추에 따라 능동적으로 반응하는 방식이지요. 인공 위성에서는 이 1을 자이로 센서, 지구 센서 등이 듭니다. 이미 이 스토리였던 저주파 모션에서는 얼마든지 가능하다. 수평 스포츠의 진동은 몇 초 안에 멈추는 하나헤르츠(Hz) 이하의 진동이니까요.하지만 1분당 수백바퀴를 돌반작용 휠이 낳는 숨긴 진동은 다릅니다. 위성의 균형이 맞지 않아도 진동이 1어하고, 휠의 회전 속도는 구동 주파수의 제곱에 비례하는 힘으로 미세 진동을 만듭니다. 진동 소스도 1설정하지 않고 주파수 그래프를 보면 너무 지저분하죠. 하나 00~200헤르츠를 오갑니다. 대부분은 한 마을에 200번을 움직이는 겁니다. 이런 고주파 모션의 지터를 액티브한 방식으로 제어하는 것은 비효율적입니다. 위성 카메라만 봐도 덩치가 굉장히 커요. 고해상도 위성 카메라의 무게는 300정도에 이른다. 2㎞안팎에 디지털 카메라의 하나 50배 정도 될 겁니다. 이렇게 큰 위성을 순간순간 제어하나요? 센싱을 받아 명령어를 만들고 자세를 바로 잡을 때까지 복잡한 로직이 필요하네요. 그렇기 때문에 수동적인 방식, 패시브 타입으로 진동을 저감시킵니다. 카메라로 가는 진동 자체를 차단해 버리는 것입니다.

반작용 휠의 진동을 차단하는 2개 브붕품품이 있습니다. 스프링과 고무입니다. 스프링의 탄성과 고무의 완충을 동시에 이용합니다. 반작용 바퀴 위에 카메라가 있다고 가족에서 그 2가지 사이에서 스프링과 고무를 수직으로 평행하게 각각 묶어 둡니다. 진동이 오면 카메라는 자신의 무게와 스프링 강성만큼 진동을 합니다. 그 옆 고무가 가만히 있어요? 조금 탄력성이 있지만, 스프링만큼 튀어 오르는 것은 절대 없을 것 같습니다. 스포츠에 당신을 흡수하고 고무가 견딜 정도의 진동만 허용합니다. 여기서 일어나는 고무는 댐퍼의 원리와 같습니다. 문이 닫힐 때 소리를 줄이는 댐퍼, 자동차 서스펜션, 항공기 다리 완충기 등의 장치라고 생각하시면 됩니다. 고무만 있으면 되지 않을까 하는 의문이 드는데요. 그럼 고무의 진폭을 넘는 진동은 거짓 없이 거의 그대로 전달되고, 고무가 없으면 스프링의 진동은 쉽게 멈추지 않을 것입니다. 그러니까, 이 2개를 적당히 잘 배치 칠로 진동을 차단합니다.

스프링과 고무, 진동의 관계를 보다 잘 이해하기 위해서는 전달함수의 의식을 이해하는 것도 좋습니다. 입력값과 출력값의 관계를 나쁘지 않게 내세우는 함수입니다. 출력값을 입력값으로 나쁘지 않으면 주파수에 따른 전달값인 전달함수(Transfer Function)가 나쁘지 않습니다(T.F=출력값/입력값). 이곳에서 출력 값은 카메라의 무게에 따라서 용수철이 1초에 몇번을 움직이는지(헤르츠)을 말합니다. 이것은 물체의 고유 주파수입니다. 고유 주파수는 물체에 힘을 가했을 때 변형되었습니다. 하지만 원래의 형태로 돌아올 때까지 주기적으로 반복하면서 움직이는 모든 물체가 가진 고유한 특정 진동수입니다. 스프링만 있으면 카메라의 질량과 스프링의 강성이 구조물의 고유 진동수를 결정할 것입니다. 하지만 이 고유 진동수와 같은 주파수의 진동이 반작용 휠에서 일어나면 진동이 증폭돼 물체, 즉 카메라는 무한대로 크게 흔들립니다. 카메라가 터져서 나쁘지 않을지도 몰라요. 이것이 즉석공진(Resonance)의 효과로 이미 언급한 다른 구조물의 저더, 플래터와 같은 진동원리입니다.출력값을 결정하는 것은 즉석 고무입니다. 출력값을 입력값으로 나쁘지 않으면 전달값(T.F)이 나쁘지 않다고 했는데요. 그러면 "출력값=입력값×전달값"이 나옵니다. 고무가 정자 푸어 주례 매워서 출력 값을 0으로 하면, 입력 값, 즉 반작용 휠이 만드는 진동이 아무리 비싸고도 카메라에 전달이 안 됩니다.

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하복 함수는 입력 주파수가 커질수록 출력 진동 파형이 1로 확대하고 최고조에 이르게 되고, 그 이후의 고 주파수 영역에서는 통지의 가격이 0까지 떨어집니다. 최고조에 이르는 순간을 ω(오메가)0과 소가족하고 봅시다. 그런데 어떤 진동은 정점 지점인 ω 0으로 꺾고 가격이 아주 높이 올라가고 급격히 떨어지기도 하고 어느 경우는 좀 올랐으면 어리게 사라지곤 합니다. ω 0에서 이런 노프오 전이를 고무가 판정합니다. 고무를 많이 넣으면 피크는 줄어들지만, 고주파는 차단할 수 없어(그림으로 ζ=1의 경우), 적게 넣으면 절정은 높아지지만 고주파를 많이 쥬루하나 수 있습니다.(ζ=0.01의 경우).우리 위성에는 이렇게 스프링과 고무를 함께 넣은 아이솔레이터(Isolator)를 장착하고 있는데요. 아이솔레이터는 한쪽 방향은 그대로 떨림이 하달되고 반대 방향에서는 거의 통보되지 않는 하나의 방 통행의 비가역 2단자 수동 회로 소자를 기대합니다. 아이솔레이터를 어디에 달지는 정하는 자신의 이름입니다. 반작용 휠 측에 설치하든, 카메라 측에 설치하든, 진동이 다른 쪽으로 전해지기 전에 차단합니다.

진동 저감 장치는 최근 고무 아래에 스프링을 끼워 피크도 줄이고, 고주파 진동도 더 빨리 잡는 방법으로 진화하고 있습니다. 이를 3-파라미터 아이 설 레이트(3-Parameter Isolator)라고 합니다. 이 시스템을 도입한 인공 위성이 지난해 2월에 발사된 천리안 2A호이다. 5개의 반작용 휠 아래 설치하여 진동을 확 줄였습니다. 천리안 2A호의 카메라로 찍은 지구의 사진을 본 한 연구진은 "눈이 시리고 못 보겠다"고 할 정도로 선명한 영상을 얻었다고 한다.

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기획/제작:항공우주Editor오요한자문/감수:위성본체개발부 김대광 박사

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