제21회 KSEF과학프로젝트대회 저궤도 위성의 천문 관측 방해 해결을 위한 촬영 시스템 구축 정별하 이준석 여찬민 강원과학고등학교 Establishment of Photographic System for Resolving Astronomical Observation Obstruction of Low-Orbit Satellites Byeol-ha Jung Jun-Suk Lee Chan-Min Yeo KangwonScienceHighSchool, Wonju, Korea 요 약 천문학의 발전에 따라 민간우주기업이 성장하고 이에 따른 지구 궤도를 공전하는 저궤도위성의 개수가 증가하고 있으며 이에 따른 천 문 관측 방해 또한 증가하고 있다. 본 연구에서는 관측 데이터를 수집하고, 지구를 일주운동하는 천체와 저궤도위성의 차별점을 이용해 저궤도 위성을 인식한 뒤 저궤도 위성의 영향을 받은 데이터를 삭제시켜 저궤도 위성의 방해를 받지 않는 관측 데이터만 선택적으로 수집할 수 있도록 했다. 또한 실시간으로 저궤도 위성과 천체들을 구별하여 관측지점에서 저궤도 위성이 카메라 프레임내에서 나타났 Abstract 을 때 조리개를 닫아 저궤도위성의 영향을 받은 데이터는 수집하지 않도록 하는 촬영시스템을 구축하였다. With the development of astronomy, private space companies are growing and the number of low-orbit satellites orbiting the Earth is increasing, resulting in increased interference with astronomical observations. In this study, we collect observation data, recognize low-orbit satellites using the differences between celestial bodies that move around the Earth and low-orbit satellites, and then delete data affected by low-orbit satellites to selectively select only observation data that is not disturbed by low-orbit satellites. made available for collection. In addition, we built an imaging system that distinguishes between low-orbit satellites and celestial bodies in real time and closes the aperture when a low-orbit satellite appears within the camera frame at the observation point to avoid collecting data affected by the low-orbit satellite. Key Words : Interference, Observation-System, Photograph, Satellite 1. 서론 수 있도록 촬영 시스템을 구축하여 저궤도 위성의 개수의 최근 다수의 민간우주기업의 등장과 발전으로 지구 상 공을 비행하는 우주 발사체들이 증가함에 따라 천체 관측 증가에도 상관없이 원하는 관측 데이터를 얻어 천문학 연 구에서 쉽게 활용될 수 있도록 연구를 진행하였다. 및 관측 데이터 수집에 방해를 받고 있다. 스페이스 X는 2. 본론 2019년 스타링크 위성을 궤도로 발사하기 시작했고, 현재 약 1800여개가 약 550km 고도에서 지구 궤도를 비행하고 2.1 연구 방법 있다. 스타링크와 같은 저궤도 위성이 증가함에 따라 초저 2.1.1 관측 데이터 수집 녁에 스타링크 위성에 영향을 받은 것으로 추정되는 이미 본 연구는 2023년 10월, 11월에 대한민국 강원도 원주시 지 비율이 2019년 말 0.5%에서 2021년 8월에는 18%로 크 천문대(위도: 127.98, 경도:37.38)에서 촬영된 밤하늘의 이미지 게 증가했으며. 개수가 10,000개에 도달하면 초저녁에 촬영 를 사용해 분석하였다. 셔터 스피드를 조절하여 연속촬영사 되는 모든 이미지에 영향을 줄 것으로 예상된다. (Przemek 진과 장노출 사진을 촬영하였고 영상까지 총 3가지 종류의 Mróz et al. 2022) 관측 데이터를 수집하였다. 본 연구에서 관측 데이터 수집에 이와 같은 천체관측에 미치는 영향에 대처하기 위해 SpaceX는 스타링크 위성에 도료를 칠해 태양 빛의 반사를 사용된 굴절망원경과 카메라는 [Table 1], [Table 2]와 같은 기 능을 지니고 있다. 막거나 빛의 반사 방향을 바꾸기 위한 반사판을 설치하는 등 여러 방안을 제시했지만, 위성의 밝기는 큰 차이가 나 지 않은 것으로 나타났다.(J.Tregloan-Reed et al. 2020) 본 연구에서는 이러한 스타링크와 같은 저궤도 위성의 천문 관측 방해를 최소화하는 실용적이고 실현 가능성이 높은 방법에 대해 탐구하였다. 천체 이미지를 촬영할 때나, 촬영된 이미지를 분석할 때 스타링크와 같은 위성의 영향 을 받은 이미지라면 해당 이미지를 삭제시키고 위성의 방 해를 받지 않은 원하는 관측 데이터만 선택적으로 수집할 - 1 - 초점길이 대물렌즈 종류 극한등급 집광력 분해능 경통 길이 CELESTRON Omni XLT 102 1000mm 아크로메틱 렌즈 12.5등급 212배 1.37초(Rayleigh), 1.14초(Dawes) 810mm [Table. 1] 천체 이미지 촬영에 사용된 굴절 망원경 정보 제21회 KSEF과학프로젝트대회 임의의 천체들을 설정한다. 이외의 다른 레이저 포인터 를 이용해 궤도를 그리며 앞서 설정한 천체들을 지나게 해 저 궤도 위성을 구현했다. 그 후 파이썬 opencv 라이브러리를 이 면에 Canon EOS 800D 2420만 1:1. 100 25 00 최소 1/4000초 화소 센서 크기 ISO 6 ~ 6 셔터속도 용해 10초간 장노출 사진을 촬영하였다. [Table. 2] 천체 이미지 촬영에 사용된 카메라 정보 격 I 값을 2500, 3200, 4000 연속촬영 사진은 셔터스피드 1/8초로 10초간 1초 간 으로 총 40장의 사진을 촬영하였으며, SO 순으로 변경해가며 사진을 촬영하였다. 촬영한 사진은 startrail을 사용하여 합성해 한 장의 사진으로 보이도록 하였 다. 장노출 사진의 경우 셔터스피드 10초로 10초간 조리개를 열고 빛을 노출시켜 한 장의 사진을 얻었다. 일정 시간 동안 암막판을 이용해 카메라의 렌즈의 전면에 입사하는 빛을 차 단해 조리개가 닫힌 사진을 구현하였다. 영상의 경우에는 10 초간 녹화 후 Premiere Pro를 이용하여 프레임 별로 분리시켜 여러장의 사진을 얻을 수 있었다. 유사도 분석 파이썬(Python) 이미지 처리 라이브러리 opencv를 사용하 였여 여러 장의 연속촬영 사진을 한 장의 사진으로 합성한 사 진과 10초간 촬영한 장노출 사진의 유사성을 판별하였다. 이 미지간의 유사성을 판단하는 CORREL, CHISQR, INTERSECT 알고리즘을 사용하여 앞서 언급한 두 이미지의 유사성를 판단하였다. 또한 두 이미지 간의 유사점을 이용하 여 유사도를 판별하는 코드를 사용하였으며, SIFT 알고리즘 을 사용해 위 과정에서 검출된 특징점들 중 유사성을 나타내 는 특징점을 쌍으로 연결하여 유사도를 판별할 수 있도록 했 2.1.2 [Fig. 1] 결 2.2 연구 과 2.2.1 관측 데이터 수집 음 리 다 은 강원도 원주시 천문대에서 각 일자 별 카메라 세팅 일 촬영한 목성 습 F F F F 각 사진에 대한 촬영 조건 및 카메라 세팅은 [Table 3]과 같다. [Fig 2] 셔터스피드 0.125s, iso 2500 40장 합성 [Fig 3] 셔터스피드 0.125s, iso 3200 40장 합성 [Fig 4] 셔터스피드 0.125s, iso 4000 40장 합성 [Fig 5] 셔터스피드 10s, iso 40 - 강원도 원주시 천문대에서 10월 25 (Jupiter)의 모 , [ ig. 2], [ ig. 3], [ ig. 4], [ ig. 5] [Table. 3] 다. 2.1.3 저궤도 위성의 판별 른 지구를 일주운동하는 천체들에 저궤도 위성의 경우 다 비해 습 을 달 하여 촬영한 천체의 모 이다. 빠른 속도로 지구를 공전한다는 것을 이용하여 관측 데 이터로 얻은 천체와 저궤도 위성을 구분하였다. 먼저, 밤하늘 상에서 천체와 저궤도 위성을 인식하기 위해 v 그레이스케일로 변환 하고, 특정 값 이상을 가지는 점들을 천체 또는 저궤도 위성 의 후보군으로 선정한다. 이후 시간이 지남에 따라 변화하는 좌표를 이용하여 다른 좌표들에 비해 변화량이 큰 값을 가진 경우 저궤도 위성 혹은 혜성으로 판별하였다. 혜성의 경우, 광도가 일정하지 않고 변화한다는 특징이 있지만 그에 비해 저궤도 위성의 밝기는 비교적 일정하다는 점을 이용하여 광 도변화로 혜성과 저궤도 위성을 구분하였다. 연속 촬영된 사진을 openc 를 이용해 험 2.1.4 모의실 동 여부를 확인하기 위해 천체와 저 궤도위성을 구현하여 확인한다. 1mW이하의 출력을 가진 레이저 포인터 5개를 사용해 벽 촬영시스템의 정상작 - 2 - [Fig. 2] 제21회 KSEF과학프로젝트대회 F CORREL [ ig. 2] 1.0000 CH S R 0.0000 IQ INTERSE CT 1.0000 F [ ig. 3] 0.4354 5275.75 3 6 0.2143 F F [ ig. 4] 0.4423 [ ig. 5] 0.4499 799.8710 238.4232 0.2174 0.2193 [Table. 4] 세 가지 알고리즘의 경우 [Fig. 5]로 갈수록 더 높은 유사 도를 보이는 경향이 있지만, 유사점을 이용한 유사도 판별의 경우 iso값에 의한 사진 각각의 밝기 변화가 강하게 작용하여 [Fig. 5]로 갈수록 더 적은 유사도를 나타내는 경향성이 나타 난다. 위 [Fig. 3] 일 촬영한 직녀성(Vega) 습 F 6 F F 각 사진에 대한 촬영 조건 및 카메라 세팅은 [Table. 5]와 같다. [Fig. 6] 영상 12800프레임 합성 [Fig. 7] 장노출 방해x 10s iso 3200 [Fig. 8] 장노출 방해o 10s iso 3200 - 강원도 원주시 천문대에서 10월 30 의 모 , [ ig. ], [ ig. 7], [ ig. 8] [Table. 5] [Fig. 4] [Fig. 6] [Fig. 5] 유사도 판별 과정 각 사진별 유사도를 판별할 때, 유사도의 정확성을 높이기 위 해 목성과 주변 위성을 포함하는 범위로 사진 정규화를 진행 시킨 뒤 유사도를 비교하였다. COREEL, CHISQR, INTERSECT 알고리즘을 사용하여 유 사도를 분석하였다. (COREEL: 1에 가까울수록 원본이미지와 유사함을 나타냄, CHISQR: 0에 가까울수록 원본이미지와 유 사함을 나타냄, INTERSECT: 1에 가까울수록 원본이미지와 유사함을 나타냄.) [Fig. 2]을 원본으로 하여 위 세가지의 알 고리즘을 사용해 [Fig. 3], [Fig. 4], [Fig. 5]의 유사도를 판별했 을 때의 결과는 [Table. 4와 같다. - [Fig. 7] 일 서, 남, 북 세 방향에 대해 촬영한 천체의 모습(순서대로 알타이르(Altair), 토성 (Saturn), 미르팍(Mirfak)), [Fig. 9], [Fig. 10], [Fig. 11], [Fig. 12], - 강원도 원주시 천문대에서 11월 13 - 3 - 제21회 KSEF과학프로젝트대회 F F F F 6 F F F 19], [Fig. 20] 각 사진에 대한 촬영 조건 및 카메라 세팅은 [Table. 6]와 같다. [ ig. 13], [ ig. 14], [ ig. 15]. [ ig. 1 ], [ ig. 17], [ ig. 18], [ ig. 알타이르(Altair) 셔터스피드 0.125s, iso F 3200 40장 합성 알 타이르(Altair) 셔터스피드 10s, iso 3200 [Fig. 10] 장노출 (방해 X) 알 타이르(Altair) 셔터스피드 10s, iso 3200 [Fig. 11] 장노출 (방해 O) [Fig. 12] 알타이르(Altair) 영상 8000프레임 합성 토성(Saturn) 셔터스피드 0.125s, iso 3200 [Fig. 13] 40장 합성 토 성(Saturn) 셔터스피드 10s, iso 3200 [Fig. 14] 장노출 (방해 X) 토 성(Saturn) 셔터스피드 10s, iso 3200 [Fig. 15] 장노출 (방해 O) [Fig. 16] 토성(Saturn) 영상 8000프레임 합성 미르팍(Mirfak) 셔터스피드 0.125s, iso [Fig. 17] 3200 40장 합성 미르팍(Mirfak) 셔터스피드 10s, iso 3200 [Fig. 18] 장노출 (방해 X) 미르팍(Mirfak) 셔터스피드 10s, iso 3200 [Fig. 19] 장노출 (방해 O) [Fig. 20] 미르팍(Mirfak) 영상 8000프레임 합성 [ ig. 9] [Fig. 11] [Fig. 8] [Table. 6] [Fig. 12] [Fig. 9] [Fig. 13] [Fig. 10] - 4 - 제21회 KSEF과학프로젝트대회 [Fig. 14] [Fig. 18] [Fig. 15] [Fig. 19] [Fig. 16] [Fig. 20] 2.2.2 저궤도 위성의 판별 저궤도 위성의 판별은 다음 그림과 같은 과정으로 진행 었다.[Fig. 21] 가장 먼저 천체의 사진을 그레이스케일로 변환하고, 임 계값 이상의 값을 가지는 픽셀의 군집을 하나의 천체로 인 식시킨다. 인식한 픽셀들을 하나의 객체로 표시하기 우해 군집을 모두 포함시키는 사각형으로 객체를 나타내었다. 이때 다른 천체들과 비교 했을 때, 시간이 지남에 따라 변 화하는 픽셀의 좌표값이 1.5배 이상 차이나는 천체를 저궤 도 위성으로 판단한다. 또한 이미지 분석을 반복하면서 각 픽셀 군집의 밝기 변화를 파악해 밝기 변화가 임계값 이상 으로 변한다면 혜성, 그렇지 않다면 저궤도 위성으로 판단 해 각 천체를 판별하였다. 되 [Fig. 17] - 5 - 제21회 KSEF과학프로젝트대회 [Fig. 23] [Fig. 21] 험 2.2.3 모의실 레이저 5개를 이용해 천체를 구현하고 다른 레이저를 이용해 저궤도 위성을 구현한 모습이다.[Fig. 22] 결 3. 결론 요약 본 연구에서는 1차적인 실험을 통해 연속사진촬영 기법으 로 촬영한 사진들의 합성본과 동일한 시간동안 조리개를 개 방한 장노출 사진과의 유사성을 COREEL, CHISQR, INTERSECT 알고리즘을 사용해 판단하였고, 그 결과 ISO 값 이 증가할수록 장노출 사진과의 유사성이 높아지는 경향성을 보였다. 3.1.1 연구 론 및 천체 관측을 방해하는 저궤도 위성의 영향을 최소화하는 후 리 두가지 방법을 구축하였다. (a)사진 상에서 저궤도 위성을 인식하기 위해 각 사진을 파 이썬 이미지 처리 라이브러리 opencv를 사용해 그레이스케 일로 이미지를 변환시키고 그레이스케일로 변환한 이미지 내 에서 임계값 이상의 값을 가지는 픽셀의 집합을 하나의 천체 로 판단하였다. 그 후 시간에 따른 천체의 좌표 변화를 인식 해 지구를 일주 운동하는 천체와 저궤도 위성의 평균적인 속 력비인 1.5배 이상의 변화값을 가지는 픽셀의 군집을 저궤도 위성으로 인식해 표시하도록 하였다.[Fig. 24] 만일 이미지 내에 저궤도 위성으로 인식된 천체가 있다 면, 해당 사진을 제외시키고 한 장의 장노출 사진으로 합성하 는 과정을 거침으로써 저궤도 위성이 천체 관측에 끼치는 영 향을 줄이고자 했다.[Fig. 25] 방법으로 (a) 처 , (b)실시간 [Fig. 22] 파이썬 opencv 라이브러리를 사용해 10초간 장노출 사진을 촬영하는 과정에서 천체와 카메라간의 간격이 좁아 레이저 의 빛이 분산되어 나타나는 현상이 발생하였다. 이를 해결하 기 위한 방법으로 일정값 미만의 픽셀은 사진을 촬영하는 과 정에서 더하지 않고 암흑으로 나타내 천체와 암흑구역 간의 경계를 명확히 하였다. 이후 후처리 과정을 통해 프레임 안 에 저궤도 위성이 포함되었다고 판단한 사진을 삭제하고 장 노출 사진을 촬영했을 때 결과이다.[Fig. 23] [Fig. 24] - 6 - 제21회 KSEF과학프로젝트대회 데이터가 수집할 수 있도록 하는 것이 본 연구의 이다. 궁극적 목표 f Re erences [1] Przemek Mróz, Angel Otarola, Thomas A. Prince, Richard Dekany, Dmitry A. Duev, Matthew J. Graham, Steven Medford L. Groom, Frank “I mpact of the J. Masci, SpaceX and Michael S. Starlink Satellites on the Z wicky Transient F acility Survey Observations”, , pp 1~11, January, 2022 [Fig. 25] [2] J. Tregloan-Reed, A. Otarola, E. Ortiz, V. Molina1, J. Anais1, R. González, J. P. Colque, and E. Unda-Sanzana (b)장노출 사진을 촬영하는 과정에서 저궤도 위성의 영향 을 최소화하는 방법에는 장노출 사진을 촬영 과정과 연속사 동시에 진행시켜 앞서 언급한 방식을 사용해 저궤 도 위성을 인식한 뒤 현재 저궤도 위성이 이미지 프레임내에 포함된다면 조리개를 닫아 저궤도 위성의 영향을 받은 관측 데이터를 제외 시켜 영향을 최소화하도록 했다. 이는 위성이 관측지점을 지나는 시각을 예측하여 조리개 의 개폐를 조절하는 기존 해결방안과 달리 저궤도 위성의 궤 도를 몰라도 저궤도 위성의 영향을 받지 않은 특정 데이터 수 집을 가능하게 했다는 점에서 이점이있다. 기존 방식의 경우 저궤도 위성의 궤도와 예측한 시간의 정확성에 따라 성능에 차이가 나타나는 문제점이 있었으나, 본 연구에서 제안한 촬 영 시스템의 경우 복잡한 과정 없이 위성의 영향을 줄일 수 있다. 또한 별도의 추가적인 장비를 요구하지 않는다는 점에 서 여러 장소에서 쉽고 유용하게 사용할 수 있다는 활용성 부 “F irst observations and magnitude measurement Starlink’s Darksat”,pp 1~5, April, 2020 진 촬영을 정별하(Byeol-Ha Jung) • • 2022년 1월 : 봄내중학교 졸업 2022년 3월~현재 : 강원과학고 등학교 재학 <관심분야> 천문학, 지구과학 이준석(Jun-Suk Lee) 분에서 큰 이점이 있다. • • 언 및 향후 연구 방향 3.2.1 제 인공위성 에 도포함으로써 천체관측에 끼치는 영향을 줄이고자 했으나 실제 관측 결과 큰 효과를 나타내지 못했다. 본 연구에서 제 안한 방법은 혜성과 저궤도 위성의 구분이 어렵다는 한계점 이 존재하나, 이는 혜성의 관측지점 도달 시각 입력을 통해 조리개의 개폐를 조절함으로써 해결될 수 있을 것으로 예측 현재 스타링크 위성은 태양 빛 반사 방지 도료를 된다. 날 2022년 1월 : 원주중학교 졸업 2022년 3월~현재 : 강원과학고 등학교 재학 <관심분야> 천문학, 알고리즘, 데이터처리 여찬민(Chan-Min Yeo) 시간이 지 수록 지구궤도를 공전하는 저궤도 위성의 개 른 저궤도 위성으로 인한 관측 피 수는 증가할 것이고 이에 따 • • 해가 증가할 것이다. 현재 제시된 저궤도 위성의 영향을 피할 확실한 방법으로는 저궤도 위성 바깥 범위에서 우주망원경을 사용하는 것이지만 현재 실현하기엔 어려운 상 황이다. 본 연구는 현 상황에서 가장 효율적인 방법을 사용하 여 해당 문제를 해결하고자 하였다. 실제 스타링크 위성과 천 체에 적용하지 못해 실상황에서 어떠한 변수가 작용할지 모 른다는 한계점이 존재하지만 실제상황과 유사한 모의실험을 통해 극복하였다고 판단된다. 본 연구에서 제시한 촬영시스템이 천문학 분야에서 활용 되어 많은 이들이 저궤도 위성의 영향을 받지 않은 특정 관측 수 있는 가장 - 7 - 2022년 1월 : 대룡중학교 졸업 2022년 3월~현재 : 강원과학고 등학교 재학 <관심분야> 천문학, 지질학 of
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