위성카메라 떨림 잡는 노하우 : 스프링과 고무? 좋구만

'찰칵' 셔터를 누르는 순간. 숨을 참거나 손떨림 보정 기능을 선택하거나 삼각대를 쓰거나. 흔들림없는 사진 찍으셨나요? 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 조금 다릅니다. 1단짜리 면적을 터뜨리자 카메라 각도를 해야 합니다. 인공위성이 자세를 바꿉니다. 여기까지는 포토그래퍼의 손과 비슷합니다. 그러나 각도를 바꿀 때 주로 쓰는 것이 반작용 휠이다. 왼쪽을찍고싶다라고하면오른쪽에바퀴를더빨리돌리고반대방향으로몸을돌린다고합니다. 휠이 돌 때 진동이 자동차 공회전 속도 이상이 갑니다. 반작용 휠의 최대 회전 속도는 400~6000rpm(분당 회전수). 숨을 참듯이 모든 동작을 정지시키는 삼각대를 고정하는 육지가 있는 것도 아닙니다. 자세 제어 센서와 작동기로 제어할 수 있는 주파수 영역을 훨씬 넘습니다.실제로 반작용 휠의 진동은 인공위성 카메라 진동의 주범이다. 미 항공우주국(NASA)이 화성정찰위성(MRO)의 안전성을 위협하는 요소를 분석했는데. 그 중 70%가 운용하고 내부의 떨림으로 떨림 속에서도 반작용 휠의 영향이 30%로 가장 컸습니다. 나 머지는 영상 분광계 냉각, 에어컨 하나 5%), 고성능 안 내 짐발 구동 장치(하나 4%)등이엇습니다 이렇게 보면 우리가 쓰는 카메라보다는 오히려 건축물의 공진, 자동차의 진동, 비행기의 날개 떨림에 가깝습니다. 인공위성도 우주공간에서 운용되는 구조물의 중하과이기 때문입니다.

모든 구조물에는 저런 떨림이 존재합니다. 자동차를 봅시다. 브레이크를 걸면 브레이크 디스크가 안쪽 패드와 마찰을 일으켜 차를 멈춥니다. 디스크가 닿거나 떨어지면 마찰로 생긴 열 때문에 변형되는 건데요. 나머지는 닿은 부분만 튀어나와 제동 시 핸들 진동의 원인이 됩니다. 이처럼 마찰면의 힘이 일정하지 않아 생기는 진동을 자더(judder)라고 합니다. 또 비행기의 날개나 타코마 브릿지처럼 공기의 힘에 의한 격렬한 진동을 플래터(flutter)라고 부릅니다.인공위성의 떨림은 지터(jitter)라고 합니다. 위성이 받는 가시선(Line of sight) 신호가 불안정하여 신호의 파형이 불규칙하게 변동하는 현상을 의미합니다. 비록 떨림에 따라 이름은 다르지만, 진동을 줄이는 노하우는 일맥상통하는 것입니다. 브레이크 디스크를 냉각하기 위한 구멍, 비행기의 플래터를 막을 만한 충분한 강도 등 진동의 원인을 차단하거나 진동이 증폭되는 것을 방지하는 것입니다. 인공위성의 지터는 진동 저감 장치를 부착합니다.

인공위성 중에서도 지터가 중요한 위성은 따로 있어요. 빛을 모아 영상을 찍는 광학위성입니다. 한국항공우주연구원의 아리랑 위성이 대표적입니다. 카메라를 탑재하여 지구 저궤도에서 지구의 특정 지상을 찍습니다. 이때 카메라 렌즈에서 들어오는 빛을 포집해 디텍터(Detector)로 신호화해 지국을 지날 때 지구로 전송합니다. 직선으로 들어가 있던 빛이 초점이 되어 있을 때 인공위성이 흔들리면 흐릿한 사진이 나옵니다. 높은 고도의 정지궤도 위성도 광학영상을 촬영하고 있다면 떨림이 중요할 것이다. 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 할 것이다.

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흔들린 위성 이미지는 찌그러진 채 선명도가 떨어지는 디카 사진과 대동소이할 것입니다. 다만 어느 방향으로 흔들렸는지에 따라 떨림의 질이 다릅니다. 수평 방향으로 흔들린 저주파 모션 지터, 3차원 공간에서 3축 전 방향으로 흔들린 고주파 모션 지터에 나 누구예요? 도로를 잡고 길 양 옆이 서서히 과민하게 달려오자 위성이 좌우로 흔들린 것입니다. 건물이 밀집한 도시 한복판의 영상 사진 중에서도 세로 방향의 건물 형상이 특히 무너진 것도 같은 증상입니다. 저주파 모션에서의 지터 스미어 현상입니다. 흔들린 방향이 명확하고, 고란 진동은 자세 제어 센서로 잡을 수 있습니다. 그러나 모든 것에 있어서 선명도가 떨어지는 경우가 있습니다. 고주파 모션에서의 지터블러(Blur) 현상입니다. 사진을 "블러 처리했습니다"라고 할 때의 스토리입니다.전방향에 흔들리듯 흔들리는 고란 진동은 자세 제어 센서로는 견딜 수 없습니다. 인공위성의 모션에 따라 떨림을 억제하는 비결은 같지 않다는 뜻인데요. 디지털카메라와 인휴대전화 카메라 안에 있는 흔들림 보정장치는 흔들리는 방향의 속도와 인가속도를 측정하는 센서가 있어 거리를 자동 조절하면서 떨림을 보정합니다. 상황에 따라 능동적으로 반응하는 방식이죠. 인공 위성에서는 이 1을 자이로 센서, 지구 센서 등이 듭니다. 먼저 스토리를 한 저주파 모션으로는 얼마든지 가능하겠죠. 수평 운동의 진동은 몇초 이내에 그쳐1헤르츠(헤르츠)이하의 진동이기 때문입니다.하지만 1분당 수백바퀴를 돌반작용 휠이 낳는 숨긴 진동은 다릅니다. 위성의 균형이 맞지 않아도 진동이 1어과인가, 휠의 회전 속도는 구동 주파수의 제곱에 비례하는 힘으로 미세 진동을 만듭니다. 진동 소스도 1설정하지 않고 주파수 그래프를 보면 너무 지저분하죠. 100~200헤르츠를 도저히 나 합니다. 대부분은 1초에 200번을 움직이는 겁니다. 고주파 모션의 지터를 액티브한 방식으로 제어하는 것은 비효율적입니다. 위성 카메라만 봐도 체격이 너무 커요. 고해상도 위성 카메라의 무게는 300정도에 이르는 것입니다. 2㎞안팎에 디지털 카메라의 150배 정도 과인 됩니다. 이렇게 큰 위성을 순간순간 제어한다? 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 2개의 부속품이 있습니다. 스프링과 고무 스프링의 탄성과 고무의 완충을 동시에 이용한다. 반작용 바퀴 위에 카메라가 있다고 대가족에서 그 2가지 사이에서 스프링과 고무를 수직으로 평행하게 각각 묶어 둡니다. 진동이 오면 카메라는 자신의 무게와 스프링 강성만큼 진동한다. 그 옆 고무가 가만히 있어요? 조금 탄력성이 있지만, 스프링만큼 튀어 오르는 것은 절대 없을 것 같습니다. 스포츠 에저니지를 흡수해 고무가 견딜 수 있는 정도의 진동만 허용된다. 여기서 줄거리하는 고무는 댐퍼의 원리와 같습니다. 문이 닫힐 때 소리를 줄이는 댐퍼, 자동차 서스펜션, 항공기 다리 완충기 등의 장치라고 생각하면 될 것입니다. 고무만 있으면 되지 않겠냐고 물어보실 수도 있지만 그럼 고무의 진폭을 넘는 진동은 거의 당신이 시달할 것이고, 고무가 없으면 스프링의 진동은 쉽게 멈추지 않을 것입니다. 고로자 두 가지를 적당히 잘 배치해 진동을 차단한다.

스프링과 고무, 진동의 관계를 보다 잘 이해하기 위해서는 시달함수의 의식을 이해하는 것도 좋습니다. 입력값과 출력값의 관계를 나쁘지 않게 내세우는 함수입니다. 출력값을 입력값으로 나쁘지 않으면 주파수에 의한 시달값인 시달함수(Transfer Function)가 나쁘지 않습니다.(T.F=출력값/입력값) 이곳에서 출력 값은 카메라의 무게에 따라서 용수철이 1초에 몇번을 움직이는지(헤르츠)을 이야기합니다. 이것은 물체의 고유 주파수입니다. 고유 주파수는 물체에 힘을 가했을 때 변형되어 원래 형태로 돌아올 때까지 주기적으로 반복하면서 움직이는 모든 물체가 가진 고유한 특정 주파수입니다. 스프링만 있으면 카메라의 질량과 스프링의 강성이 구조물의 고유 진동수를 판정합니다. 그런데 이 고유 진동수와 같은 주파수의 진동이 반작용 휠에서 일어나면 진동이 증폭돼 물체, 즉 카메라는 무한대로 크게 흔들립니다. 카메라가 터져서 나쁘지 않을지도 몰라요. 이것이 바로 공진(Resonance)의 효과로, 이미 스토리가 된 다른 구조물의 저더, 플래터와 같은 진동원리입니다.출력값을 판정하는 것은 즉시 고무입니다. 출력값을 입력값으로 나쁘지 않으면 시달값(T.F)이 나쁘지 않다고 했는데요. 그러면, "출력값=입력값× 시달값"이 대합니다. 고무가 정자 푸어 주례 매워서 출력 값을 0으로 하면, 입력 값, 즉 반작용 휠이 만드는 진동이 아무리 높아도 카메라에서 시달이 달지 않습니다.

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전달 함수는 입력 주파수가 커질수록 출력 진동 파형이 하나로 확대하고 최고조에 이르게 되고, 그 이후의 고 주파수 영역에서는 전달치가 0까지 떨어집니다. 최고조에 이르는 순간을 ω(오메가)0과 가족 만들어 봅시다. 그런데 어떤 진동은 정점 지점인 ω 0에서 인도 가격이 너무 높이 올라가고 급격히 떨어지기도 하고 어느 경우는 좀 올랐으면 어리게 사라지곤 합니다. ω 0에서는 이러한 높낮이를 고무가 판정하는 것이다. 고무를 많이 넣으면 피크는 줄어들지만, 고주파는 차단할 수 없어(그림으로 ζ=하나인 경우), 적게 넣으면 절정은 높아지지만 고주파를 많이 쥬루하나 수 있습니다(ζ=0.0개인 경우).우리 위성에는 이렇게 스프링과 고무를 함께 넣은 아이솔레이터(Isolator)를 장착하고 있는데요. 아이솔레이터는 한쪽 방향은 대전 쿠로의 떨림이 전달되고 반대 방향에서는 거의 알려지지 않은 방 하나 통행의 비가역 2단자 수동 회로 소자를 이야기하는 것이다. 아이솔레이터를어디에붙일지는정하는과이름입니다. 반작용 휠에 장착하든, 카메라에 장착하든, 진동이 다른 쪽으로 전달되기 전에 차단하기 바란다.

진동 저감 장치는 요즘 고무 아래에 스프링을 하본인 더 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 첫 2월에 발사된 천리안 2A호입니다. 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 알려졌다.

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기획/제작:항공우주Editor오요한자문/감수:위성본체개발부 김대광 박사

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