High-Precision Ranging Method for Future Space Missions Is Developed

- Published in 'Nature Photonics'-

High precision ranging method for future space missions based on formation-flying satellites is recently developed by Prof. Seung-Woo Kim's group in KI for Optical Science and Technology. They utilized optical cross-correlation of ultrafast femtosecond pulses for precision timing detection, which enables unprecedented 1 nm precision far beyond the existing resolution limit of 1 mm even in distances over several hundreds of kilometers.

Formation-flying missions involve multiple spacecraft flying between tens and over hundreds of meters apart, which autonomously control their position relative to each other. The benefit of such missions is they can gather data in a completely different way to a standard spacecraft - the formation can effectively act as one large sensor. Measuring absolute distance between the formation spacecraft is critical to mission success.

Prof. Kim's group determined target distances to a few nanometers using time-of-flight of ultrashort femtosecond pulses with aid of the optical cross-correlation technique. This work was published in 'Nature Photonics' as an advance online publication on 8th, August.

The formation-flying missions could answer a lot of the 'big questions' in astronomy and cosmology, like: "Is general relativity correct?", "How did the universe developed following the Big Band?", and "Where do all the magnetic fields in the universe come from?"

KIOST 김승우 교수팀, 수 백 km의 거리에서 1nm의 차이까지 측정할 수 있는 정밀거리측정기술 개발

- 네이처 포토닉스誌 발표, “미래우주핵심기술 개발을 통한 우주선진국 도약 가능성 열어”-

수 백 km의 거리에서 1 nm의 차이까지 정확히 측정할 수 있는 정밀거리 측정기술이 KI 광기술 연구소 김승우 교수팀에 의해 개발되었다.

KI 광기술 연구소 김승우 교수팀은 지금까지 장거리 측정의 한계점이던 1 mm 분해능*을 1 nm 분해능으로 측정할 수 있는 획기적인 정밀거리 측정기술 개발에 성공하였다. 본 연구결과는 광학 분야 권위지인 ‘네이처 포토닉스(Nature photonics)’ 온라인 속보(8월 8일자)에 게재되었다.

특히 이 기술은 일반적으로 장거리를 측정할 때 나타나는 모호성(ambiguity)도 극복하여, 이론적으로 100만 km를 모호성 없이 측정할 수 있다. 김 교수팀은 실제 KAIST 캠퍼스 내 700m의 거리에서 150 nm의 분해능 구현에 성공하였고, 우주와 같은 진공상태에서는 1nm의 분해능 구현도 가능하다는 사실을 실험을 통해 검증하였다.

이번 연구결과로 향후 지구와 유사한 행성을 찾기 위한 편대위성군 운용 및 위성 또는 행성 간의 거리측정을 통한 상대성 이론 검증과 같은 미래우주기술개발에 한 발 다가서게 되었다.

위성 또는 행성 간의 정밀거리측정은 지구와 유사한 행성을 찾거나 상대성 이론을 검증하는 핵심기술로, 우주 선진국에서는 이 기술을 개발‧보유하기 위해 경쟁적으로 연구하고 있다.

 김승우 교수는 “장거리를 1nm 분해능으로 측정할 수 있는 기술개발로, 우리나라도 편대위성군운용과 같은 미래우주핵심기술인 정밀거리측정 기술을 보유하게 되어, 명실 공히 우주 선진국으로 도약할 수 있는 기반을 마련하게 되었다”라고 연구의의를 밝혔다.