Doppler-Based GNSS Variometry for Velocity Estimation in High-Dynamic Sounding Rocket Missions

폭풍 속을 질주하는 벌새를 추적한다고 상상해 보세요. 벌새가 정확히 어디에 있고 얼마나 빨리 움직이는지 알기 위해 고해상도 사진을 여러 장 찍으려 할 수도 있습니다. 하지만 벌새가 너무 빨리 움직이거나 바람 때문에 카메라가 흔들리면, 사진이 흐릿하게 나오거나 아예 찍히지 않을 수도 있습니다. 이것이 바로 로켓과 같은 고속 물체를 추적할 때 발생하는 과제입니다. 과학자들은 스마트폰을 안내하는 것과 동일한 기술인 GNSS(위성으로부터 신호를 듣는 방식)를 사용하여 위성의 신호를 듣습니다. 보통은 매우 정밀한 속도 데이터를 얻기 위해 신호의 '위상(phase)'을 측정하려고 노력합니다. 이는 소리의 파동 개수를 정확히 세는 것과 같습니다. 하지만 로켓이 엄청난 힘으로 발사될 때 신호가 뒤섞일 수 있으며, 이 정밀한 파동 계산법은 길을 잃게 됩니다. 이는 과학자들이 가장 필요로 하는 순간, 즉 비행 중 가장 흥ente한 고속 구간에서 데이터의 공백을 남깁니다. 큰 질문은 이것입니다. 만약 고해상도 사진을 찍을 수 없다면, 더 단순하고 견고한 방법을 사용하여 속도를 알아낼 수 있을까요?

이 연구 논문은 실제 사운딩 로켓을 통해 이 영리한 해결책을 테스트함으로써 바로 그 문제에 파고듭니다. 사피엔차 대학교의 카롤리나 기니(Carolina Ghini)와 아우구스토 마초니(Augusto Mazzoni) 저자들은 파동의 개수를 세는 것을 포기하는 대신, 신호의 '음조(pitch)', 즉 도플러 편이(Doppler shift)를 듣기로 했습니다. 이는 마치 구급차가 당신 쪽으로 빠르게 다가올 때 사이렌 소리가 높아지고, 멀어질 때 낮아지는 것과 같습니다. 이 방법은 파동을 세는 것만큼 완벽하게 정밀하지는 않지만, 훨씬 더 튼튼하며 혼란스러운 상황에서도 깨질 가능성이 적습니다. 연구팀은 이탈리아 로카라소(Roccaraso)와 미국 텍사스에서 각각 하나씩, 총 두 대의 소형 로켓을 발사했으며, 여기에는 가볍고 기성 제품인 컴퓨터 설정이 탑재되었습니다. 그들은 '파동 세기' 방식과 '음조 듣기' 방식을 비행 중에 비교했습니다. 결과는 '파동 세기' 방식이 평온할 때는 더 매끄럽지만, 격렬한 가속 단계(boost phase) 동안에는 속도를 제대로 포착하지 못한다는 것을 보여주었습니다. 반면, '음조 듣기'(도플러) 방식은 계속 작동하여, 다른 방식이 포기했을 때도 성공적으로 로켓의 속도를 추적했습니다.

두 로켓의 이야기

무슨 일이 일어났는지 이해하기 위해 연구팀이 수행한 두 가지 임무를 살펴보겠습니다. 2025년 5월 이탈리아에서 발사된 첫 번째 로켓은 '정상적인' 비행을 했습니다. 로켓은 솟구쳐 올라 약 1,200미터의 정점에 도달한 후 낙하산을 타고 부드럽게 내려왔습니다. 두 번째 로켓은 2025년 6월 텍사스에서 발사되었으며 조금 더 극적이었습니다. 더 강력한 엔진을 가지고 더 높이(약 2,600미터) 날아올랐지만, 문제가 발생했습니다. 에어브레이크가 제대로 작동하지 않았고 낙하산이 펴지지 않았습니다. 이는 로켓이 부드럽게 속도를 줄이지 못하고, 대신 빠르고 통제 불능인 상태로 지구로 추락했음을 의미합니다.

연구팀은 두 로켓에 라즈베리 파이(Raspberry Pi) 컴퓨터와 두 개의 작은 GPS 칩을 탑재했습니다. 이 칩들이 서로 다른 속도로 위성의 신호를 듣도록 설정했습니다. 어떤 것은 초당 1번(1 Hz), 다른 것들은 더 빠르게 2번 또는 5번(2 Hz 또는 5 Hz) 듣도록 했습니다. 그들의 목표는 복잡한 항법 시스템 없이, 칩이 수집한 원시 데이터만을 보고 로켓의 속도를 계산할 수 있는지 확인하는 것이었습니다.

두 가지 듣기 방식

논문은 속도를 파악하는 두 가지 주요 방법을 비교합니다:

1. '파동 세기' (캐리어 위상, Carrier-Phase): 이것은 고정밀 방식입니다. 위성과 로켓 사이의 정확한 전파 파동 개수를 세려고 시도합니다. 이는 한 걸음 한 걸음의 거리를 재기 위해 모든 발걸음을 세는 것과 같습니다. 매우 정확하지만, 만약 발이 걸려 넘어지거나 지면이 흔들리면(로켓 발사 시처럼) 숫자를 놓치게 됩니다.
2. '음조 듣기' (도플러, Doppler): 이 방식은 신호의 주파수가 얼마나 빨리 변하는지를 봅니다. 이는 기차가 옆을 쌩 하고 지나갈 때 경적 소리의 음조가 변하는 것을 듣는 것과 같습니다. 파동을 세는 것만큼 정밀하지는 않지만, 추적을 놓치기가 매우 어렵습니다. 기차가 흔들리고 있더라도 경적의 음조는 여전히 변하기 때문입니다.

연구 결과

결과는 "완벽함보다 견고함(robustness over perfection)"에 대한 명확한 교훈을 주었습니다.

이탈리아 비행 (로카라소):
부드러웠던 이탈리아 비행 동안, '파동 세기' 방식은 작동할 때는 확실히 더 정밀했습니다. 하지만 치명적인 결함이 있었습니다. 로켓이 가장 빠르게 가속하는 단계인 부스트 단계 동안 작동을 멈춘 것입니다. 로켓이 너무 심하게 흔들렸기 때문에 신호가 유실되었고, 데이터에 구멍이 생겼습니다. 팀이 속도를 재구성하려고 했을 때, '파동 세기' 방식은 실제 속도인 150 m/s에 도달하지 못하고 약 120 m/s까지만 측정하며 정점 속도를 놓쳤습니다.

반면, '음조 듣기'(도플러) 방식은 끊임없이 말을 멈추지 않았습니다. 비행 내내 데이터를 계속 기록했습니다. 신호를 놓치지 않았기 때문에, 이 방식은 로켓의 정점 속도인 150 m/s를 성공적으로 포착했습니다. 숫자가 '노이즈'가 많아(덜 정밀하여) 파동 세기 방식보다는 덜 정밀했지만, 비행의 전체적인 그림을 제공했습니다.

텍사스 비행:
텍사스 미션은 훨씬 더 혼란스러웠습니다. 여기서 '파동 세기' 방식은 완전히 실패했습니다. 신호가 너무 방해를 받아 팀은 이로부터 사용할 수 있는 속도 데이터를 전혀 얻을 수 없었습니다. '음조 듣기'만이 유일하게 작동하는 방식이었습니다. 이 방식은 고속 상승과 통제 불능의 추락 과정 내내 로켓을 추적해 냈습니다.

흥ente로운 점은, 더 빠르게 듣는 것(2 Hz)이 더 느리게 듣는 것(1 Hz)보다 비행의 세부 사항을 더 잘 포착하는 데 도움이 되었다는 것입니다. 텍사스 비행에서 2 Hz 설정은 실제 정점 속도와 불과 몇 m/s 차이밖에 나지 않을 정도로 우수한 근사치를 보여준 반면, 1 Hz 설정은 속도를 엄청나게 과소평가했습니다(약 80 m/s 차이). 그러나 연구팀은 로켓의 내부 시계—데이터의 박자를 맞추는 '메트로놈'—가 속도에 따라 다르게 행동한다는 것을 발견했습니다. 1 Hz에서는 시계가 놀라울 정도로 안정적이었습니다. 하지만 2 Hz에서는 시계가 더 많이 흔들리기 시작했는데, 이는 더 빠른 샘플링 속도가 혼란스러운 비행의 격렬한 진동과 열 변화에 더 민감했기 때문으로 보입니다. 따라서 2 Hz 설정이 더 정확한 속도 판독값을 제공하기는 했지만, 동시에 하드웨어에 더 많은 스트레스를 주어 시계의 드리프트(drift)를 더 많이 유발했습니다.

요약 및 시사점

이 논문은 고속 로켓, 특히 격렬한 부스트 단계 동안에는 '음조 듣기'(도플러)가 더 신뢰할 수 있는 도구임을 시사합니다. 완벽하게 정밀하지는 않을 수 있지만, 상황이 어려워졌을 때 포기하지 않습니다. 저자들은 도플러 기반의 가변성(variometry)이 신호 손실로 인해 더 정밀한 방식들이 실패할 가능성이 높은 상황에서 속도를 추정하는 견고한 방법임을 확인했습니다.

또한 연구팀은 데이터의 메트로놈 역할을 하는 로켓의 내부 시계를 살펴보았습니다. 혼란스러웠던 텍사스 비행에서, 시계는 더 낮은 속도(1 Hz)로 들을 때보다 더 높은 속도(2 Hz)로 들을 때 더 많이 흔들린다는 것을 발견했습니다. 이는 가혹한 비행 환경이 하드웨어에 영향을 미치고 있음을 확인시켜 주었으며, '음조 듣기'가 취약한 '파동 세기' 방식보다 이러한 흔들림을 더 잘 처리할 수 있다는 점을 더욱 강조해 주었습니다.

요약하자면, 만약 스스로 부서질 듯 흔들리는 로켓을 추적하고 싶다면, 완벽한 정적을 요구하는 방식에 의존하지 마세요. 음조를 들으세요. 그러면 전체 이야기를 들을 수 있을 것입니다.