화성 주위의 교통 정체

 

Image Credit: NASA/JPL-Caltech

 

도표> 이 표는 현재 화성에서 운용중인 5개 궤도 탐사선과 2개 달의 상대적인 궤도 형태와 거리를 묘사한 것이다.

각 공전체들의 교차 가능 지점이 표시되어 있다.

 

• 지난 여름 화성궤도 탐사선이 두 개가 늘어 현재 총 5개의 궤도 탐사선이 화성궤도를 돌고 있다.
• 강화된 충돌 예측 시스템은 만약 두 개의 궤도탐사선이 지나치게 가까이 접근하면 경고를 울리게 된다.

NASA는 화성 궤도를 돌고 있는 탐사선들이 지나치게 가까워지지 않도록 궤도탐사선들에 대한 감시와 통신, 회피기동 계획의 과정을 강화하고 있다.

 

지난 해 두 개의 새로운 탐사선이 화성 궤도를 돌기 시작하면서 화성 궤도를 돌고 있는 우주선은 총 5개가 되었다.

 

현재 이 다섯개의 궤도 탐사선은 각각 2001년과 2006년에 궤도에 진입한 NASA의 마스 오디세이(Mars Odyssey)와 화성궤도탐사위성(Mars Reconnaissance Orbiter, 이하 MRO), 2003년 화성궤도에 진입한 유럽우주국(ESA)의 마스 익스프레스 호, 그리고 작년에 이 대열에 합류한 NASA의 메이븐(Mars Atmosphere and Volatile Evolution, MAVEN)및 인도의 MOM(Mars Orbiter Mission)이다.

 

새로 강화된 충돌 회피 프로세스는 1997년에 화성궤도에 진입한 우주선으로서 더 이상 작동을 하지 않는 NASA의 마스 글로벌 서베이어 호의 위치도 추적하게 된다.

 

2014년 9월 21일 화성에 도착한 메이븐 호는 화성의 상층 대기를 연구하고 있다.
이 탐사선은 타원형 궤도를 비행하는데,  어떤 때는 다른 위성들보다 먼 위치에 있지만 또 어떤때는 다른 위성들보다 가깝게 화성에 접근한다.
그 결과 이 위성은 다른 위성들의 공전궤도를 가로지르게 된다.

 

안전상의 이유로 NASA는 메이븐과 동일하게 타원궤도를 가지고 있는 ESA의 마스 익스프레스 호와 인도의 MOM도 함께 감시하고 있다.

 

화성 프로그램 수석 엔지니어인 NASA 제트추진연구소의 로버트 쇼트웰(Robert Shotwell)의 설명은 다음과 같다.
"이전까지 화성 궤도탐사선 간의 충돌 회피 기동은 마스 오디세이 호와 MRO 위성의 네비게이션 팀 간의 조율을 통해 이루어졌습니다만, 이러한 문제가 생길 가능성은 아주 작았죠.
그러나 이제 메이븐 호의 경우 이심율이 높은 타원궤도를 가지고 있음에 따라  다른 탐사선들의 궤도를 가로지르게 됐습니다.
사건이 발생할 가능성을 낮추기 위해 누군가는 회피기동을 해야 할 필요가 있죠.
우리는 모든 탐사선들을 훨씬 주도면밀하게 추적하고 있습니다.  
여전히 회피기동이 필요할 가능성은 낮지만 우리가 관리를 해야 할 이유는 분명히 있습니다."
 
화성의 탐사선간 교통관리는 지구보다는 훨씬 덜 복잡하다.
지구의 경우 1,000 개 이상의 활동을 지속중인 위성들이 있으며 여기에 더 이상 작동하지 않는 위성들을 포함하면 위험은 더 높아진다.

 

화성 역시 탐사가 강화되어 갈수록, 그리고 이러한 강화가 향후에도 지속되게 되면 사전경고 발생상황은 지속적으로 증가한다.

새로운 충돌회피 프로세스는 향후 화성 궤도를 공전하는 새로운 우주선의 유입이 증가할 경우를 고려하여 이를 모두 관리토록 수립되었다.

 

현재 운용중인 5개의 화성 궤도 탐사선들은 JPL이 관리하고 있는 NASA의 깊은 우주 네트워크에 의한 통신 및 추적 서비스를 이용하고 있다.
이를 이용하여 모든 궤도 탐사선들의 궤도 정보가 전달되고 엔지니어들은 비교를 위해 향후 수 주 동안 거치게 될 궤적을 컴퓨터 예측치를 이용하여 구현할 수 있다.

 

JPL의 설계 및 항법 분야 미션 매니저인 조셉 긴(Joseph Guinn)의 설명은 다음과 같다.
"이것은 화성궤도에 많은 우주선들이 모여들 때를 예견하는 감시 기능을 합니다.
두 개의 우주선이 서로에 대해 대단히 가깝게 다가설 것이라는 것이 예측되면, 우리는 이 선행정보를 사람들에게 제공하게 되고, 프로젝트 팀은 항로의 변경이 필요한지 여부를 판단할 수 있게 됩니다."

 

화성 궤도 상에서의 위치를 수일 범위에서 예측하는데 있어 오차범위는 2킬로미터 이상이다.

따라서 여러 주간의 전망 계산치에서 불확실성은 배가 되어 수십킬로미터정도가 된다.

 

대부분의 경우 충돌이 일어나는 때는 2주이상의 선행 예측치로부터는 배제되지 않는다.  

시간이 점점 지나면서 예측치의 정확도도 향상이 되어야 회피기동이 필요치 않다는 사실과 함께 충돌 가능성을 배제하게 된다.

 

각 탐사선들을 운용하는 팀들은 충돌 가능성을 나타나는 예측치가 나타날 때는 후속 예측치에서 충돌 가능성이 사라질 것으로 보여도 우선 예측치를  통보를 받게 된다.

 
이러한 상황이 지난 2015년 첫 번째 주말에 발생한 바 있다. 
1월 3일 자동화 모니터링 시스템은 2주 후에 메이븐 위성과 MRO 위성이 3킬로미터 이내까지 접근할 것이라고 예견했는데, 실제 정확한 거리 에측에는 상당한 불확실성이 남아 있었다.

하지만 그 날은 토요일이었음에도 불구하고 자동 문자가 각 탐사선의 운용팀에게 발송되었다.

 

긴은 당시에 회피 기동 계획수립에 필요한 시간대에 접어들기 전에 불확실성이 사라졌고, 두 개 우주선이 지나치게 가깝게 접근할 가능성은 이미 배제되었다고 설명했다.

 

이러한 상황이 일반적인 패턴이 될 것으로 보인다.
선행경고가 높은 수준에서의 모니터링을 촉발시키고 선택사항에 대한 토론이 시작되게 된다.

만약 회피기동의 준비가 필요하게 되면, 해당 우주선으로 보내는 명령이 작성되고  테스트된 후 준비에 대한 승인이 이루어진다.
그러나 이 명령은 하루나 이틀 전에도 여전히 위험한 충돌 가능성이 보일 때까지는 바로 우주선으로 전송되지는 않는다.

 

각 우주선의 정확한 위치에 대한 불확정성의 양이 다양하기 때문에 위험성에 대한 근사치 역시 여러 변이를 갖게 된다.

그런데 하루나 이틀전 예측치에서 두 개 우주선이 100미터 이내까지 근접할 것이 예상되면 회피기동이 자동으로 일어날 수도 있다.

두 개의 우주선이 비록 안전거리를 유지하긴 하지만 서로 가까워진다는 정보가 가져다주는 또다른 이점은 이 정보가 합동 과학 탐사를 사전에 계획하는대 활용될 수도 있다는 점이다.

한쌍의 우주선은 화성의 특정 부분이나 대기를 본질적으로 같은 관점에서, 상호보완이 되는 장비로 바라볼 수 있게 되는 것이다.

 

화성 지표에서 탐사를 계속하고 있는 오퍼튜니티호, 큐리오시티호와 함께 마스 오디세이와 MRO 그리고 메이븐 호와 같은 궤도 탐사선들은
2030년대 후반, 인간 승무원을 싣고 화성을 여행하고자 하는 NASA의 전략의 한축을 구성하는 NASA의 화성 로봇탐사 프로그램의 한 부분이다.

 

출처 : NASA Solar System Exploration 2015년 5월 5일 News Release
         http://solarsystem.nasa.gov/news/display.cfm?News_ID=49102           
      

참고 : 각종 화성 탐사선을 비롯한 화성에 대한 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다.
            https://big-crunch.tistory.com/12346937

 

원문>

Traffic Around Mars Gets Busy

5 May 2015

 

(Source: NASA Jet Propulsion Laboratory)

Fast Facts:

• Five active spacecraft are orbiting Mars, an increase of two since last summer
• An enhanced system warns if two orbiters may approach each other too closely

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NASA has beefed up a process of traffic monitoring, communication and maneuver planning to ensure that Mars orbiters do not approach each other too closely.

 

Last year's addition of two new spacecraft orbiting Mars brought the census of active Mars orbiters to five, the most ever. NASA's Mars Atmosphere and Volatile Evolution (MAVEN) and India's Mars Orbiter Mission joined the 2003 Mars Express from ESA (the European Space Agency) and two from NASA: the 2001 Mars Odyssey and the 2006 Mars Reconnaissance Orbiter (MRO). The newly enhanced collision-avoidance process also tracks the approximate location of NASA's Mars Global Surveyor, a 1997 orbiter that is no longer working.

It's not just the total number that matters, but also the types of orbits missions use for achieving their science goals. MAVEN, which reached Mars on Sept. 21, 2014, studies the upper atmosphere. It flies an elongated orbit, sometimes farther from Mars than NASA's other orbiters and sometimes closer to Mars, so it crosses altitudes occupied by those orbiters. For safety, NASA also monitors positions of ESA's and India's orbiters, which both fly elongated orbits.

"Previously, collision avoidance was coordinated between the Odyssey and MRO navigation teams," said Robert Shotwell, Mars Program chief engineer at NASA's Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, California. "There was less of a possibility of an issue. MAVEN's highly elliptical orbit, crossing the altitudes of other orbits, changes the probability that someone will need to do a collision-avoidance maneuver. We track all the orbiters much more closely now. There's still a low probability of needing a maneuver, but it's something we need to manage."

Traffic management at Mars is much less complex than in Earth orbit, where more than 1,000 active orbiters plus additional pieces of inactive hardware add to hazards. As Mars exploration intensifies, though, and will continue to do so with future missions, precautions are increasing. The new process was established to manage this growth as new members are added to the Mars orbital community in years to come.

All five active Mars orbiters use the communication and tracking services of NASA's Deep Space Network, which is managed at JPL. This brings trajectory information together, and engineers can run computer projections of future trajectories out to a few weeks ahead for comparisons.

"It's a monitoring function to anticipate when traffic will get heavy," said Joseph Guinn, manager of JPL's Mission Design and Navigation Section. "When two spacecraft are predicted to come too close to one another, we give people a heads-up in advance so the project teams can start coordinating about whether any maneuvers are needed."

The amount of uncertainty in the predicted location of a Mars orbiter a few days ahead is more than a mile (more than two kilometers). Calculating projections for weeks ahead multiplies the uncertainty to dozens of miles, or kilometers. In most cases when a collision cannot be ruled out from projections two weeks ahead, improved precision in the forecasting as the date gets closer will rule out a collision with no need for avoidance action. Mission teams for the relevant orbiters are notified in advance when projections indicate a collision is possible, even if the possibility will likely disappear in subsequent projections. This situation occurred on New Year's weekend, 2015.

On Jan. 3, automated monitoring determined that two weeks later, MAVEN and MRO could come within about two miles (three kilometers) of each other, with large uncertainties remaining in the exact passing distance. Although that was a Saturday, automatic messages went out to the teams operating the orbiters.

"In this case, before the timeline got short enough to need to plan an avoidance maneuver, the uncertainties shrank, and that ruled out the chance of the two spacecraft coming too near each other," Guinn said. This is expected to be the usual pattern, with the advance warning kicking off higher-level monitoring and initial discussions about options.

If preparations for an avoidance maneuver were called for, spacecraft commands would be written, tested and approved for readiness, but such commands would not be sent to a spacecraft unless projections a day or two ahead showed probability of a hazardous conjunction. The amount of uncertainty about each spacecraft's exact location varies, so the proximity considered unsafe also varies. For some situations, a day-ahead projection of two craft coming within about 100 yards (100 meters) of each other could trigger a maneuver.

The new formal collision-avoidance process for Mars is part of NASA's Multi-Mission Automated Deep-Space Conjunction Assessment Process. A side benefit of it is that information about when two orbiters will be near each other -- though safely apart -- could be used for planning coordinated science observations. The pair could look at some part of Mars or its atmosphere from essentially the same point of view simultaneously with complementary instruments.

Odyssey, MRO and MAVEN -- together with NASA's two active Mars rovers, Opportunity and Curiosity -- are part of NASA's robotic exploration of Mars that is preparing the way for human-crewed missions there in the 2030s and later, in NASA's Journey to Mars strategy.

NASA's Goddard Space Flight Center manages the MAVEN project for the NASA Science Mission Directorate, Washington. MAVEN's principal investigator is based at the University of Colorado's Laboratory for Atmospheric and Space Physics. JPL, a division of the California Institute of Technology in Pasadena, manages NASA's Mars Exploration Program and the Odyssey and MRO projects for the Science Mission Directorate. Lockheed Martin Space Systems, Denver, built all three NASA Mars orbiters.

For more about NASA's Mars Exploration Program, visit:

http://mars.jpl.nasa.gov

 

http://www.nasa.gov/mars

 

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2015-150

Guy Webster
Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, Calif.
818-354-6278
guy.webster@jpl.nasa.gov