전리층 전자밀도(Total Electron Content) 관측시스템은 다수의 GPS 위성으로부터 신호를 수신하여 전리층 전자밀도와 신틸레이션(위성신호 페이딩 현상)을 실시간 측정하는 장비로서 지구-위성간 통신에 미치는 전리층 변화 현상 연구에 활용됩니다.

[수신기]

태양 표면의 온도는 약 6,000도로, 태양은 모든 전자기파의 파장 대에서 그 에너지를 방출하고 있습니다. 전파 영역 대에서 태양의 절대플럭스를 관측하는 대표적인 파장은 2.8GHz이며, 국내에는 2008년부터 2018년까지 이천에서 관측하였습니다. 2019년부터는 제주에 신규 관측기를 구축하여 운영해오고 있습니다.

전파영역에서 태양의 절대플럭스를 수신하기 위해서는 각 파장별로 전용 수신기가 요구되며, 절대플럭스 값의 정밀도를 유지하기 위해서는 많은 노력이 요구됩니다. 따라서 파장 선정은 매우 중요한 부분이며, 전 세계적으로 우주환경예보에 이용되는 주파수는 2.8GHz 이지만, 다양한 방송 통신 장비의 활용도가 증가하여 사용 주파수도 점점 높아지는 추세를 감안하면, 다른 전파 영역대의 태양 절대플럭스 관측이 요구됩니다.

높이에 따른 전리층 플라즈마의 전자밀도의 분포를 측정하기 위한 가장 기본적인 방법으로, 전파를 수직 입사하여 전리층내의 여러 전자층에 반사되어오는 전파를 측정함으로써 전리층내의 전자들의 분포를 높이에 따른 함수로 나타내는 Ionosonde를 통해 관측합니다.

우주항공청이 보유하고있는 Ionosonde는 미국 메사추세츠 대학 로웰 대기연구센터(UMLCAR : Univ. of Mass. Lowell Center for Atmospheric Research)에서 제작한 Digisonde-256이라는 모델로써, 관측 가능 주파수 sweep 범위는 0.1∼30MHz이며 펄스 파워는 5kW, 밴드폭은 20kHz, 관측 주파수는 100kHz단위로 기기를 설정하여 운용 중에 있습니다. Ionosonde로 관측한 결과를 나타낸 그림을 Ionogram이라고 하며, Ionogram은 전파가 반사되어 수신된 결과를 나타낸 것이므로 그림을 해석하면 관측당시의 전리층 상태를 알 수 있습니다.

[수신안테나]

[송신안테나]

[제어시스템]

우주환경센터는 지구자기장 연속관측을 통하여 통신위성에 영향을 미치는 지구근접 우주환경을 연구하기 위하여 1996년 8월부터 이천 및 용인(경희대)에 연속관측시스템을 각각 설치하고 pair station으로 운용하였습니다. 2007년에는 제주도에 같은 시스템을 추가로 설치하여 한반도 지역에서의 위도별 지구자기장 변화를 실시간으로 모니터 하고 있습니다. 용인(경희대) 시스템은 2010년 7월 강릉으로 이전하여 운영 중에 있습니다.

우주환경센터에서 구축한 실시간 연속 지구자기장 관측망 시스템은 크게 Sensor부, Data Logger부 및 전력부로 구성되어 있으며, 각각의 센서는 200m의 Main Cable로 Data Logger에 연결되어 있습니다.
Magnetometer로 얻어진 data는 binary type으로 변환되어지며, 임시로 buffer memory에 저장되어 Data 취득용 PC와 전용회선을 통해 이천 관측소에 자동 전송됩니다. 또한 buffer memory에 있는 data는 매 시간마다 memory card로 보내지는데, memory card는 16일 동안 관측 data를 저장할 수 있습니다. 이와 함께 관측한 지자기 data의 시각동기는 GPS clock으로부터 RS232C를 통하여 PC controller 혹은 data logger에서 이루어집니다. 여기서는 UT(Universal Time)로 설정되어 있습니다.

지자기의 3성분을 관측하며, 완전 방수처리가 되어 있고 기온 차이로 인한 관측량의 편이(0.2nT/℃)를 막기 위해 지표면 아래에 설치되어 있습니다. 센서는 수평면상에서 설치될 때, directional finder로 방향을 잡습니다.
관측범위는 ± 65,000nT 이고, 각각의 field 성분들은 센서코일의 보상 field에 의해 제거되며, 지자기 변화에 의해 관측되는 지자기는 0.01nT의 분해능으로 관측됩니다. 전원이 공급되면, 최적의 보상 field가 자동적으로 결정되며, 관측한 지자기가 관측범위를 벗어날 때는 보상 field가 300nT 간격으로 조정됩니다. 또한, 여기서는 4종류의 샘플링 비(1, 2, 4, 8 times/sec)를 선택할 수 있습니다.

지자기의 총 변화량의 절대값을 프로톤 세차 신호를 모니터하여 관측하며, 이것 역시 완전 방수가 되어 있습니다. 이것은 안정된 자기장 속에 설치되어야 하므로, 지표면 위에 설치된다면 지표면의 자화된 정도에 영향을 받기 때문에 지상으로부터 1m 이상의 높이로 곧게 세워져야 합니다.

Data Logger는 6부분으로 나눌 수 있습니다. 즉, 각 Magnetometer interface, Data formatter & Buffer memory, Memory card drive, RS232C interface, GPS clock, 그리고 Key board & display panel 입니다.

Magnetometer와 data logger는 DC 24V 전원으로 동작이 되며, battery charger에서 이 전원을 공급할 뿐만 아니라 정전시 12시간 동안 전원을 계속 공급할 수 있습니다.

전리층 전자밀도(Total Electron Content) 관측시스템은 다수의 GPS 위성으로부터 신호를 수신하여 전리층 전자밀도와 신틸레이션(위성신호 페이딩 현상)을 실시간 측정하는 장비로서 지구-위성간 통신에 미치는 전리층 변화 현상 연구에 활용됩니다.

[수신기]

태양풍은 태양으로부터 날아오는 전기를 띤 플라즈마 상태의 입자를 일컫는 말로, 주로 양성자와 전자로 구성되어 있습니다. 태양 폭발이 발생하게 되면 이들 입자들이 대량으로 지구권으로 날아와 인공위성의 전자장치에 영향을 주거나, 지구 대기의 전리층 입자들과 충돌하여 자기장을 교란하여 통신 장애 현상을 일으키게 됩니다. 태양풍 지상 관측기는 현재 태양풍의 이동 경로를 지상에서 모니터링 할 수 있는 유일한 장비입니다.

우주환경센터에 설치된 태양풍 지상 관측기는 우주전파원이 태양풍 입자를 지날 때 관측되는 신틸레이션(Scintillation) 현상을 관측하여 태양풍 입자의 속도와 밀도변화를 측정합니다. 각 타일당 24개의 안테나가 설치된 타일이 32개 설치되어 있어, 총 768개의 Phased Array 방식의 안테나로 구성되어 있으며, 기존에 주로 사용되던 모터 추적 방식의 안테나와는 달리 빔 위상 제어를 통해 관측대상을 추적하기 때문에 관측 대상을 빠르고 정밀하게 추적할 수 있는 장점이 있습니다.

태양풍 지상 관측기 각 타일에는 24개의 다이폴 안테나가 구성됨.
4개의 타일이 1개의 노드를 이루며, 총 32개의 타일이 설치되어 있음.

광대역 태양전파 노이즈 관측기는 500MHz~18GHz 대역에서의 태양전파의 신호 세기를 관측하여 태양 폭발을 직접 모니터링 하는 시스템입니다. 광대역 태양전파 노이즈 관측기는 크게 태양 전파의 절대값을 측정하는 절대플럭스 관측 부분과 신호의 상대적 세기를 측정하는 저주파 스펙트럼 관측 부분으로 나뉘어 집니다.

우주환경센터는 0.5~18GHz 대역 구간의 20개 주파수에 대해 태양 전파 세기의 절대값을 측정하고 있습니다. 현재 우리는 통신을 위해 각각의 목적에 맞게 주파수를 할당하여 일정 신호의 전파를 송출하고 있는데, 평소에는 태양에서 나오는 전파의 세기에 비해 이들 인공 신호의 세기가 대단히 크기 때문에 통신에 영향을 받지 않지만, 태양 폭발이 발생할 경우 태양에서 나오는 전파의 세기가 이들 인공 신호와 비슷한 크기가 될 수 있으며 이 경우 통신에 장애가 발생하게 됩니다. 따라서 주요 통신 주파수 대역에서 태양 전파 세기의 절대값을 모니터링 하여 태양 폭발 시 어떤 주파수 대역에서 통신장애가 발생하는 지를 신속하게 파악하고 그 대책을 수립하는 것이 중요합니다.

기존 미국 등에서 사용하는 광대역 절대플럭스 관측 시스템이 대부분 관측 주파수가 고정된 방식임에 비해 ,우주환경센터 시스템은 사용자가 임의로 관측 주파수를 변경할 수 있는 방식입니다. 이는 통신의 발달에 따라 관심 주파수 대역이 바뀔 경우에도 기존 시스템을 그대로 사용할 수 있는 선진적 시스템입니다.

30~500MHz 대역 구간에 대해서는 전 영역에 대해 태양 전파 세기의 상대 값을 스펙트럼 현태로 측정하고 있습니다. 태양 전파의 스펙트럼 측정은 절대플럭스 관측과 함께 태양 폭발을 모니터링 하는 대표적 방법 중 하나로 폭발 시 스펙트럼의 모양을 관측하여 태양폭발의 유형과 향후의 영향을 예측할 수 있게 해 줍니다.

지구와 태양 사이의 인력과 원심력이 균형을 이루는 L1 지점의 궤도(Lagrangian Point)에 위치하고 있는 ACE/DSCOVR 위성은 태양에서 방출되는 태양풍을 관측합니다. 관측된 데이터(Raw Data)를 ACE 위성수신 안테나로 수신하여 SWPC에 보내 자료를 처리하고 분석된 데이터는 태양활동에 의한 각종 통신장애 및 항공, 항법, 전력 등 산업 분야 피해를 예방하기 위해 활용하고 있습니다.

[안테나]

태양흑점폭발로 인한 우주환경의 변화는 지자기 교란 및 유도전류(GIC : Geomagnetically Induced Currents)의 형태로 지구에 영향을 줍니다. 태양흑점폭발로 인해 방출된 태양풍 입자는 지구 자기권과 전리층에 커다란 변화를 초래하는 동시에 지구 자기장에도 큰 충격을 주는데 이러한 급격한 변화는 지상에 설치된 송전설비에 직류성분의 전류를 유도하여 초고압 변압기 손상 내지 전력망 정전피해를 초래할 수 있습니다.
이에 우주환경센터는 주요 변전소에 유도전류 관측기를 설치하여 지자기 교란으로 인해 관측되는 유도전류 발생규모 정보 등을 즉시 제공하는 상시 모니터링 체계를 구축하였습니다.

STEREO(Solar TErrestial RElations Observatory) 위성은 2006년 8월 발사된 위성으로써, 동일한 두 대의 위성을 지구 공전 궤도를 따라 앞뒤로 배치하여 태양 활동 영상을 3차원 이미지로 관측하며, 태양풍 등 태양 방출물질을 실시간으로 감시하여 결과를 지구로 전송하고 있습니다. STEREO 위성은 태양 후면 관측이 가능하므로 태양 자전에 따른 사전 예·경보를 가능하게 해줍니다.