통신불가범위에 대해 (IKAROS, 태양돛)

http://www.jspec.jaxa.jp/ikaros_channel/bn015.html
(설명하듯이 쓰여져있는데 원문이 원래 그렇습니다.)

통신불가범위에 대한 질문이 많았기때문에 그림을 통해 설명해보려고 합니다.
* 다만 이 페이지의 설명은 이해하기 쉽게하기 위해서 애매한 표현을 하고, 사실을 제대로 정확하게 설명하고 있는 것은 아니기때문에 그 점 양해바랍니다.
이카로스는 저이득 안테나(LGA : Low Grain Antenna)와 중이득 안테나(MGA : Middle Gain Antenna)의 2종류의 안테나를 사용하고 있습니다. 저이득 안테나는 태양쪽으로 LGA1, 태양반대쪽에 LGA2의 2개가 탑재되어있기때문에 총 3개가 됩니다.(VLBI용, DCAM용 제외.)

지구를 출발할 때부터 지금까지 모두 LGA를 운용하고 있는데, LGA의 특징을 대략적으로 그려보면 다음과 같습니다. 그림은 알기쉽게 설명하기위해 대략적으로 표현되었습니다만, 이카로스의 LGA는 가로방향의 전파강도도 가능하면 강해지도록 설계되어있습니다. JAXA우주과학연구소의 카마타씨에 의한 신규 설계 개발품입니다.

이카로스 탑재 LGA 안테나의 성능이미지.
(정면에서 가장 강하고, 측면으로 갈수록 약해집니다.)

즉, 지구에 날아가는 전파의 세기는 지구에 대해 안테나가 어느 방향(각도)에 있는가에 따라 결정되고, 안테나의 바로 위에 지구가 오는 경우가 가장 강합니다. 이카로스는 LGA1과 LGA2를 전환하여 사용하기 때문에 어느 한쪽 밖에 사용할 수 없지만, 태양면과 태양반대면에 탑재되어 있으므로 안테나에서 낼 수 있는 전파의 강도는 다음 그림과 같습니다. 이러한 안테나 성능 이외에 지구가 바로 옆 부근에 보이는 경우 전파가 돛에 반사해버려 지구에 닿는 전파가 불안정해집니다.

 

이카로스에서 지구에 대한 전파강도 이미지.

그럼 어떤 상황이되면 통신이 불가능하게 되어 버리는 것일까요?
트위터에 이카로스군(이미지에 나오는 의인화 캐릭터입니다. 역시 일본...)이 몇 개의 궤도그림을 소개해주엇습니다만, 알기 쉽게 지구와 태양을 고정한 그림으로 설명하겠습니다.
또한 운용 중에는 태양에 대한 각도가 0~35도 정도가 되도록 자세를 제어합니다만, 더 알기 쉽게하기위해 여기서는 태양 각도를 0도로 고정하겠습니다.
지구출발 직후에는 그림처럼 지구에 대한 전파강도가 강한 방향으로 안테나가 향하고 있는 것을 알 수 있습니다.

지구출발 직후의 위치관계 이미지.(태양-지구 고정좌표계.)

당분간 진행되면 다음과 같습니다.

한동안 궤도상을 비행한 후의 위치 관계 이미지(태양-지구 고정좌표계.)

이대로 계속 날아가면 어떻게 될까요? 다음과 같은 위치관계가 되어버립니다.

9월 하순 무렵의 위치관계 이미지.(태양-지구 고정좌표계.)

다만 이와 같이 지구에 대해 안테나가 바로 옆을 향해버리면 전파가 매우 약해 지구에 닿지 않게됩니다. 이 상태에서는 LGA1도 LGA2도 모두 바로 옆을 향하고 있으므로 어떻게 할 수가 없습니다. 이것이 통신불가범위라고 부르는 기간입니다. 가로축이 발사 이후의 일수, 세로축이 태양각도인 그래프에 지구의 각도로 등고선(등각도선)을 뽑아내면, 이와 같은 통신할 수 없는 영역이 강처럼 보이는데(말로만 설명하니 어렵네요. 미안합니다.), 애초에 '강' 이라든가 '도하운용'이라든가 하는 식으로 말하고 있습니다. 협의에서도 '이카로스가 강에서 익사하지 않도록 운용하지 않으면' 같은 표현을 사용하고 있습니다.
이카로스는 무사히 이 강을 건너주었어요.
더 나아가 지금의 상태가 어떻게 되었는가 하면, 다음 그림과 같은 이미지가 됩니다.

현재 (2010년 10월 상순)의 위치관계 이미지(태양-지구 고정좌표계.)

이번에는 태양반대쪽 LGA2가 지구쪽을 향하도록 되어있습니다. 그래서 지금은 LGA2로 전환하여 운용을 계속하고 있습니다.
앞으로 LGA2의 방향은 점점 지구쪽을 향하기때문에 안테가에서 나오는 전파가 강해지지만, 지구에서의 거리가 점점 멀어지기때문에 통신상태가 안테나의 방향만으로 좋아지는 것은 아닙니다.

자... 날카로운 분은 이미 눈치챘을지도 모르겠습니다만, 실은 이대로 진행되면 다시 안테나의 방향이 바로 옆을 향하는 기간이 있습니다. 제2의 통신불가대(帶)입니다.
지금은 연료를 최대한 절약하면서 제2 통신불가대를 건널 수 있도록 팀 내에서 운용계획을 의논하고 있습니다.

몇 달 후 위치관계 이미지(태양-지구 고정좌표계.)


[추가]
'안테나가 옆 방향으로 통신할 수 없다면 이카로스의 자세를 지구를 향하면 되잖아.' 라고 생각하는 분이 있을지도 모릅니다. 위 그림 중, 통신이 어려운 위치 관계에서 빙글하고 이카로스군을 지구쪽으로 향해보세요. 어떻게 될까요.
분명히 안테나는 지구 방향을 향합니다만, 이번에는 태양이 비스듬히 비치기때문에 태양전지셀에서 발생시킬 수 있는 전력이 감소합니다. 만약 발전이 심하게 줄어들면 이카로스를 움직일만한 전력을 확보할 수 없고, 이카로스의 기능이 정지해버리는 큰일이 일어납니다.(당연히, 통신기도 움직이지 않기때문에 통신이 불가능합니다.) 그래서 통신뿐만 아니라 발전도 생각하면서 이카로스의 자세를 지구에 대해 어느 정도의 각도로 향할 것인가, 계획하지 않으면 안 됩니다. 아래의 4개의 그림이 있는데 이해가 되나요?

또한 실제 이 페이지의 그림처럼 평면만 생각하지 않고 3차원적으로 생각해야하며, 우주에서 자세를 제어하지 않는 경우에는 기본적으로 우주공간에서 가던 방향으로 계속 향하기때문에(관성지향) 통신안테나의 지구에 대한 방향과 태양각도를 계획하는 것은 많은 것을 생각해야합니다. 이 자세계획은 자세담당자를 중심으로 검토되는데, 어떤 때는 발생전력을 확보하기위해 지구에 닿는 전파의 강도를 다소 희생하더라도 태양각도를 작게하고, 어떤 때는 그 반대로 운용하고 있습니다.
아무리 궁리를 해도 역시 통신불가대는 없앨 수 없습니다. 다음 통신불가대도 무사히 헤쳐나갈 수 있도록 스탭뿐만 아니라 이카로스군도 노력해주지 않으면 안 되네요.

태양이 바로 위에 있어 태양전지 발전량은 커진다.
지구가 바로 옆에 있기때문에 전파가 약해져 지구에 닿지 않는다.

태양이 비스듬히 보여 태양전지 발전량은 작아진다.
지구가 비스듬히 보여 전파가 닿는다.

태양이 옆에 있어 발전이 안 된다. -> 이카로스군은 전기가 없어 기능이 멈추고 잠든다.
안테나가 지구를 향해있어 전파가 가장 강하지만, 실제는 발전이 안 되어 이카로스군이 자느라 전파가 나가지 않는다.

발전을 생각하면 이 이상 태양 각도를 크게 할 수 없다.
이럴 경우 지구가 바로 옆에 있으면 어떻게해도 전파가 닿지 않는다.(통신 불가대.)

이상 안테나의 방향과 태양 각도의 관계 이미지.

관성지향 이미지.