낮에도 별을 추적한 SR-71 블랙버드 Astro-Nav 시스템

 (theaviationgeekclub.com)
1P by GN⁺ | ★ favorite | 댓글 1개
  • SR-71 Blackbird는 위성항법망 이전에 장시간 고속 정찰을 수행해야 했고, Nortronics NAS-14V2 ANS가 별을 이용해 위치를 보정함
  • RSO 조종석 뒤의 장치는 상단 렌즈로 별을 관측해 관성항법장치를 업데이트했으며, 항로 유도 정확도는 최소 90m, 즉 300피트 수준이었음
  • 최대 10시간 비행하는 SR-71은 자기 위치를 1,885피트 이내, 비행 경로 중심에서 300피트 이내로 유지해야 했고, ANS가 그 정밀 항법을 맡음
  • ANS는 온보드 별 목록에서 최소 두 개의 별을 추적하고 크로노미터로 지상 기준 위치를 계산했으며, 특수 석영 창과 별 추적기로 낮에도 별을 볼 수 있었음
  • 1967년 7월 2일 SR-71A #17972 훈련 비행에서는 ANS 고장으로 Jim Watkins와 Dave Dempster가 실수로 멕시코 영공에 진입함

SR-71에 필요했던 별 기반 항법

  • SR-71은 Lockheed A-12와 YF-12A에서 발전한 장거리 Mach 3+ 전략 정찰기였음
  • 첫 SR-71 비행은 1964년 12월 22일에 이뤄졌고, 첫 실전 배치 기체는 1966년 1월 캘리포니아 Beale Air Force Base의 4200th, 이후 9th Strategic Reconnaissance Wing에 인도됨
  • Kelly Johnson은 Lockheed Martin 글에서 Blackbird가 이전 항공기와 완전히 다른 범주였고 “모든 것을 발명해야 했다”고 회상함
  • A-12 프로그램 경험을 거친 미 공군은 SR-71을 안전하게 운용하려면 2인 승무원이 필요하다고 판단함
    • 조종사는 항공기 조종과 자동 시스템 감시를 맡음
    • Reconnaissance Systems Officer, 즉 RSO는 카메라, 센서, 방어 시스템, 항법 시스템을 다룸

RSO 뒤에 장착된 R2-D2

  • RSO는 항공기에 설치된 감시·방어 장비를 운용함
    • 대부분의 획득 및 표적 레이더를 방해할 수 있는 정교한 Electronic Counter Measures 시스템이 포함됨
    • Nortronics NAS-14V2 Astroinertial Navigation System, 즉 ANS도 RSO가 다루는 장비였음
  • Smithsonian Institution에 따르면 ANS는 SR-71에 빠른 천문 항법 위치 보정을 제공함
  • ANS는 RSO 조종석 뒤에 장착됐고, 1977년 Star Wars 영화가 나온 뒤 애칭으로 R2-D2라고 불림
  • 장치 상단 렌즈로 관측한 별을 이용해 항법 위치를 계산했고, 이 값은 관성항법장치 업데이트와 항로 유도에 쓰임
  • 항로 유도 정확도는 최소 90m, 300피트 수준이었음
  • 일부 현재 항공기와 미사일 시스템은 개선된 버전을 GPS 백업으로 사용함

1960년대식 GPS처럼 작동한 ANS

  • ANS는 1960년대식 GPS에 가까웠지만, 위성 대신 별을 사용해 자기 위치를 찾음
  • 현대 위성항법망이 없던 시기에는 SR-71 운용 지역에서 필요한 정밀 항법을 대체할 방법이 없었음
  • SR-71은 최대 10시간 고속 비행 중에도 위치를 정밀하게 유지해야 했음
    • 자기 위치를 1,885피트, 575m 이내로 고정할 수 있어야 했음
    • 비행 경로 중심에서 300피트, 91m 이내를 유지해야 했음
  • ANS는 적대 지역에 위치한 특정 정밀 표적을 제공했음
  • 이 장치는 SR-71이 이륙하기 전 활주로 위에 있을 때도 지구 자전을 감지할 수 있는 자이로 컴퍼스였음
  • RSO는 활주로상의 한 지점 좌표와 ANS 값을 비교할 수 있었고, 두 값은 거의 항상 정확히 같았음

비행 전 프로그래밍과 낮 별 관측

  • ANS는 온보드 목록에 있는 별 중 최소 두 개를 동시에 추적하고, 크로노미터의 도움으로 SR-71의 지상 기준 위치를 계산함
  • 매 비행 전 항공기의 기본 정렬과 비행 계획은 천공 테이프에 기록됨
  • 천공 테이프는 항공기에 다음 정보를 제공함
    • 어디로 갈지
    • 언제 선회할지
    • 센서를 언제 켜고 끌지
  • 별은 RSO 조종석 뒤의 특수 석영 창을 통해 관측됨
  • 특수 별 추적기는 낮에도 별을 볼 수 있었음
  • 모든 임무가 같은 별을 쓰지는 않았고, 비행 지역에 따라 사용하는 별이 달라짐
  • 남반구를 비행한다면 그곳에서 보이는 별만 사용했지만, SR-71이 실제로 남반구를 비행했는지는 확인되지 않았음

실제 운용에서 드러난 신뢰성과 한계

  • SR-71이 순항 속도와 고도에 도달하면 임무는 적대적이거나 잠재적으로 적대적인 국가에 대한 정보를 카메라와 센서로 수집하는 데 집중됨
  • Air Force Colonel Jim Watkins는 85,000피트와 Mach 3에서의 비행을 “거의 종교적 경험”이라고 표현함
  • RSO들 사이에서는 ANS를 두고 “누구도 태양, 달, 행성, 별을 방해하거나 격추할 수 없다”는 말이 있었음
  • 1967년 7월 2일 Jim Watkins와 Dave Dempster는 SR-71A #17972로 첫 국제 출격을 수행함
  • 이 훈련 임무에서 ANS 고장이 발생했고, 승무원은 실수로 멕시코 영공에 진입함

함께 보면 좋은 글 β

GN⁺   [-]
Hacker News 의견들

  • 1990년대 초에 잠깐 유행했던 Windows Mobile용으로 Pocket Stars라는 별자리표와 천체력 앱을 만들었음
    원래는 원양 항해자가 GPS 고장 시 대비하도록, 세 번 이상의 육분의 관측으로 지리적 위치를 계산하는 용도였는데, 이해하기 어려운 이유로 이스라엘 군 계약업체가 대량 구매했음
    아마 다른 전자장비가 모두 고장 난 뒤에도 전차와 병력이 방향을 잡기 위한 용도였던 듯하고, 내 15분짜리 Dr. Strangelove식 얽힘이었음

    • 아마 전자기 펄스 공격에 대비한 것 아니었을까?
    • 몇 년 전 미국 해안경비대가 미 해군 인원에게 천문 항법을 가르쳤다는 기사가 있었음
      미 해군에서는 사라진 조직 지식이었지만 해안경비대에는 남아 있었고, 목적은 GPS를 쓸 수 없는 지역에서의 항법이었음
      https://slate.com/technology/2015/10/u-s-naval-academy-reins...
    • “이해하기 어려운 이유로 이스라엘 군 계약업체가 Windows Mobile을 쓰기로 했다”가 더 맞는 말 아닐까 ;)
      농담이지만, 나도 예전에 WinMo 개발을 했다는 걸 거의 부끄러워하지 않음
    • 90년대판 Windows Phone을 겪어보진 못했는데, 카메라·나침반·자이로가 없었다면 관측은 별도로 하고 값을 폼에 입력하는 방식이었나?
    • Windows Mobile이 잠깐 존재하던 시절에 Pocket Stars를 썼었음, 고마웠음

  • 구글링하지 않고 기억으로만 재생해보면, 20세기 말 술집에서 검증 불가능한 사실을 주고받는 분위기 같음
    돌아가신 어머니의 오랜 친구 중 은퇴한 엔지니어가 있었는데, 자신이 2단 참치캔을 발명한 사람이라고 했고, 운영하던 사업에서 남은 티타늄 주물 끝조각을 나눠주곤 했음
    그는 아마 8x4인치 정도 되는 연마된 석영 결정 원통 두 개를 갖고 있었는데, 너무 평평해서 사이에 알코올 한 방울을 넣으면 수직으로 떼어내기 힘들 정도였음
    그 물건이 Polaris 핵미사일 항법 시스템에서 나온 것이고, 별을 보고 초정밀 타임스탬프와 대조하며 코어 메모리의 로그표 같은 것을 쓰는 식으로 항법을 했다고 주장했음
    틀린 부분이 있다면 미안하지만, 그는 꽤 그럴듯했고 이번에는 구글을 꺼둔 채로 적는 중임

    • 아버지가 Singer-Kearfott에서 Trident 핵미사일 유도 시스템을 여러 해 작업했는데, 대체로 맞는 이야기임
      기하학이 많이 들어갔음
      냉전 시절 캘리포니아 앞바다의 잠수함에서 미사일 시험 발사를 했고, 미사일은 미국 본토를 가로질러 플로리다 앞바다에 떨어졌음
      소련은 늘 “어선”을 보내 시험을 측정했지만 해안경비대는 쫓아내지 않았고, 오히려 이 미사일들이 얼마나 정확한지 소련이 알기를 원했음
      아날로그 기술로 가능했던 수준을 생각하면 놀라움
    • 그 “석영 결정”은 아마 광학 평면이었고, 게이지 블록처럼 밀착(wringing-on)된 상태였을 가능성이 큼
      https://en.wikipedia.org/wiki/Optical_flat#Wringing
      미사일 항법 시스템에서 왜 광학 평면을 썼는지는 모르겠지만 궁금해짐
    • 20여 년 전 Charles Stark Draper Laboratory에서 인턴을 했을 때, 한 사람이 점심시간에 그날 작업을 이야기해줬음
      지게차 운전자가 Trident 유도 시스템을 떨어뜨린 뒤, 해군에 재제조를 위해 돌려보내야 하는지 판단할 시뮬레이션을 돌려야 했다고 했음
      운반 상자에는 거친 취급 감지기가 내장돼 있었던 듯하고, 아마 3축으로 얇은 선에 보정된 추를 매달아 어떤 선이 끊어졌는지 보고 최대 가속도 범위를 추정하는 방식이었을 것 같음
      대기권 대부분을 벗어나면 MIRV 버스 유도 장치가 렌즈 덮개를 열고 별을 촬영한다고 들었음
      그때 MIRV 버스는 회전 중이라 망원경이 하늘의 꽤 넓은 구역을 훑지만, 매우 특정한 시각에 촬영하고 관심 있는 영역은 꽤 작은 하늘 조각뿐이라고 했음
      관측된 별자리와 저장된 기준 모습을 비교해 관성측정장치를 재보정한다고 들었고, 한 번 회전으로 별장을 확인하고 다음 회전에서 보정을 검증한 뒤 바로 개별 탄두를 분리하기 시작한다고 했음
      이렇게 짧은 관측 창으로 관성측정장치를 재보정한다는 게 이상해 보이지만, 비인가 인턴에게 TS/SCI 정보를 실수로 누설하지 않으려고 일부러 잘못된 정보를 줬을 가능성도 큼
      유도 시스템의 세부는 매혹적이지만, 초정밀 유도의 주된 용도가 무기라는 점은 아쉬움
      연구실 유리 진열장에는 Apollo 관성측정장치의 진자식 적분 자이로 가속도계가 있었는데, 들어올 수 있는 사람이 극히 적다는 게 안타까웠음
    • 런던에서 서쪽으로 약 50마일 떨어진 Reading 근처 Museum of Berkshire Aviation에는 Polaris 개량형인 Chevaline의 상당 부분이 전시돼 있음
      자이로스코프 같은 항법 시스템도 가까이서 볼 수 있음
      이런 공학 수준을 가까이서 자세히 볼 기회는 흔치 않아서 흥미로움
      10년쯤 전에 방문했을 때 사진을 몇 장 찍었음
      작은 박물관이라 꽤 뒤죽박죽이지만 Miles M.52 모형과 실제 Fairey Jet Gyrodyne 같은 독특한 전시품도 있음
      https://museumofberkshireaviation.co.uk/html/exhibits/cheval...
      https://www.flickr.com/photos/stevecargill/albums/7217772030...
    • 별을 읽는 데 왜 평평한 석영 원반이 필요한지 모르겠음
      일종의 추측항법처럼 들리는데, 별 관측과 납작한 석영 디스크가 어떻게 연결되는지 설명해줄 수 있을까?

  • “[그것은] 낮에도 별을 볼 수 있을 만큼 강력했다”는 표현은 꽤 이상함
    85,000피트에서는, SR-71의 순항고도이기도 한데, 우주의 시야를 가리는 파란 “낮 하늘”이라는 개념은 위가 아니라 아래에만 있음
    그 고도에서는 별자리표와 대조할 별을 찾는 카메라를 방해할 만큼 레일리 산란이 충분하지 않음
    사실상 우주 중간쯤에 있으면 별이 늘 보이기 때문에 별 항법을 쓴 것임
    http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/atmos/blusky.html

    • 꼭 그렇지는 않은 듯함
      이 장치의 별 센서와 관련된 흥미로운 특허들이 있고, 특히 하늘 배경의 기울기와 관련돼 있음
      개인적으로는 Lockheed보다 Northrop 특허가 더 흥미롭고, 모든 경우 특허에서 대비를 높이기 위해 적외선 통과 필터를 쓴다고 언급함
      센서는 기본적으로 회전 셔터와 별장을 시선축 주변으로 세차시키는 쐐기 프리즘을 가진 아날로그 락인/동기 검출기임
      대부분의 특허에서 핵심 구성품은 셔터이고, 서로 다른 패턴이 있으며 Northrop은 꽤 영리한 설계를 냈음
      광전자증배관에서는 주파수 변조 신호가 나오는데, 반송파는 셔터에서 오고 변조 주파수는 프리즘과 셔터의 차이에서 옴
      변조 신호의 위상과 크기를 측정하면 망원경을 별로 조향할 수 있고, 락인에서 오는 코딩 이득이 상당함
      이전 댓글:
      https://news.ycombinator.com/item?id=27084261
      https://news.ycombinator.com/item?id=23238437
    • Astro-Nav System은 순항고도에서만 작동한 게 아니라, SR-71이 지상에 있을 때도 별을 추적했음
      https://airandspace.si.edu/webimages/collections/full/NAS-14...
    • 이륙 전에도 초기 위치 보정이 필요하고, 임무에 따라 낮일 수도 밤일 수도 있음
    • 단파 적외선 카메라를 쓰면 지상에서도 낮에 별이 꽤 잘 보임
      산란은 주파수의 네제곱에 비례하므로 적외선 영역까지 내려가면 산란광이 꽤 적어짐
      하늘이 파란 이유도 이것이고, 우리가 볼 수 있었다면 사실 자외선에 더 가까웠을 것임
      천체 사진의 판별 소프트웨어도 꽤 좋아서, 영화 스크린샷을 가져와 별이 실제인지, 올바른 반구인지 알아보는 재미도 있었음
      다만 시간과 카메라 방향을 모르면 위치 파악에는 쓸 수 없음

  • 오리건 McMinnville의 Evergreen Aerospace Museum에 가면 이 장치와 비행기를 가까이서 볼 수 있음
    또 DEF-H라고 표시된 다른 Blackbird 탑재체도 전시돼 있는데, 평범한 흰 상자처럼 생겼고 볼 수는 있지만 무엇을 하는지는 알 수 없게 되어 있음

    • 몇 년 전 뉴욕에서 전시된 SR-71을 봤는데, 정말 인상적이었던 건 크기였음
      사진만 보면 규모감이 잘 안 오는데, 실제로는 엄청나게 큰 비행기였음
    • Balboa Park의 San Diego Air & Space Museum에는 A-12 Blackbird가 있음
      전문가는 아니지만 A-12는 결국 SR-71로 이어진 베타 버전 같은 기체였던 것으로 이해함
      https://sandiegoairandspace.org/collection/item/lockheed-a-1...
    • 그 박물관은 훌륭함
      이 장치뿐 아니라, 역사상 가장 큰 목제 비행기인 Spruce Goose도 있고 정말 거대함
      https://www.evergreenmuseum.org/exhibit/the-spruce-goose/
    • 이 자료를 보면 레이더 재머로 보이지만, 말한 것처럼 세부사항은 기밀임
      http://www.sr71.us/sr_sensors_pg3.htm
    • 거의 그만큼 흥미로운데, 천장에 매달린 747에서 워터슬라이드를 타고 내려갈 수도 있음

  • 살짝 다른 이야기지만, 어제 전통 폴리네시아 원양 카누의 복제품인 Hokulea가 샌프란시스코에 들어왔음
    별 관측을 포함한 비계기 방식으로 항해했음
    https://www.sfchronicle.com/bayarea/article/hokulea-polynesi...
    Hokulea의 첫 항해는 1975년이었고, 이후 고대 폴리네시아 길찾기 방법을 보여주고 보존하기 위해 전 세계 항해를 해왔음
    지역 뉴스 채널이 2014년의 이전 항해를 다루며 고대 항해자들이 별을 기준점으로 어떻게 썼는지 요약한 영상도 있음
    https://youtu.be/dla3RoQo37M

    • 폴리네시아 항법은 정말 대단함
      바다 현장에서 가르치는 것이 이상적인 지식이라 거의 사라질 뻔했다는 건 꽤 알려져 있음
      하지만 이제는 30대 중에도 별, 소리, 파도 모양과 패턴, 구름 배치, 새를 보고 항해할 수 있는 사람들이 있음
      https://manoa.hawaii.edu/exploringourfluidearth/physical/nav...
      비슷하게, 사막의 모래언덕이 대부분 계속 바뀌는데도 사막에서 길을 찾을 수 있는 사람들도 있음
    • 놀라운 이야기임
      마침 동료들과 서핑 파도에 가장 좋은 조건에 대해 이야기하고 있었음
      캘리포니아의 좋은 파도는 태평양 반대편의 폭풍에서 시작되고, 파도는 며칠 동안 수천 마일을 이동하면서도 눈에 띄게 약해지지 않음

  • SR-71과 다른 냉전기 정찰기에 관심 있다면 Ben Rich의 Skunkworks가 개발 과정의 재미있는 세부사항이 많아 흥미로운 책임
    또 재미있는 사실은 2025년이 되면, SR-71의 첫 비행 시점이 현재보다 Wright Flyer에 더 가까웠던 역사 구간으로 넘어간다는 점임

    • 작은 정정: Joe Rich가 아니라 Ben Rich임

  • JavaScript로 예제용 디지털 육분의/항법 컴퓨터를 만들어봤음
    브라우저의 카메라 제어 지원이 제한적이라 실용성은 떨어지지만, 보통 실제 위치에서 10마일 이내까지는 맞출 수 있음
    Louisville Astronomical Society에서 한 발표를 위해 알고리즘이 어떻게 작동하는지 보여주는 예제로 주로 만들었음
    앱:
    https://www.celestialprogramming.com/apps/celestialfix/sexta...
    발표 영상, 오디오는 매우 작음:
    https://www.youtube.com/watch?v=5kAqcZYmWjA&t=5s

  • 장난감 수준의 별 카메라 구현을 만들어봤음: https://nickp.svbtle.com/star-cameras

    • 글에서는 매칭 부분을 건너뛴 것 같음
      소스 코드에는 보이지만 별 두 개만 쓰는 것처럼 보이는데, 그게 어떻게 작동하는지 궁금함
      ASTAP과 Astrometry.Net은 별 세 개나 네 개를 쓰고 그 사이의 각도와 거리를 계산하는 것으로 알고 있음

  • SR-71이 남반구에서 비행했는지 확인되지 않았다는 점이 흥미로움
    실제로 안 했고 시스템도 그에 맞게 설계되지 않았다면 꽤 대담한 설계였을 것임

    • F22에는 원래 의도치 않게 국제 날짜 변경선을 넘지 못하는 문제가 있었고, 하와이에서 일본으로 비행하려다 발견됐음
      그래서 시험하지 않은 것은 전혀 작동하지 않는다고 가정하고 그 제한 안에서 사는 편이 더 나을 수도 있음
    • 적도 부근 군 조직, 예컨대 해군이나 공군은 레이더에 격자 기준계를 쓰고 더 북쪽으로 가면 문제가 생기며, 반대로 삼각형 기반 기준계는 극지 국가에서는 좋은 모델이지만 남쪽으로 내려가면 잘 확장되지 않는다는 게 사실일까?
      너무 예측 가능한 문제라 진짜 이야기를 들은 건지 믿기 어렵고, 구글에서 검색할 적절한 키워드도 찾기 힘듦
    • 남반구 항법 기능은 있었다고 되어 있음
      다만 남반구에서만 보이는 별 두 개를 사용해야 한다는 뜻일 수는 있겠음
    • Astro-Nav System 문서에 따르면 이 시스템은 극지방에서도 작동하도록 설계됐음
      https://airandspace.si.edu/webimages/collections/full/NAS-14...

  • 미사일용 천문 항법을 처음 들었을 때는 Star Trek처럼 미래적인 느낌이었음
    그런데 이제 천체사진을 자주 찍다 보니 그냥 내가 쓰는 또 하나의 도구가 됐음
    방식은 아주 단순해서 밤하늘 사진을 찍고 카메라의 초점거리와 픽셀 크기만 알면, 몇 초 안에 내 망원경이 정확히 어디를 향하는지 2.5각초 정확도로 알아낼 수 있음
    망원경이나 카메라 정보를 전혀 모르는 블라인드 방식도 가능하지만, 그 경우 몇 분 정도 걸림

    • 우리가 기술의 정점에 살고 있다는 가장 분명한 신호 중 하나는, 수학자와 천문학자들이 수천 년 동안 천체력을 만드는 방정식을 다듬어왔고, 그 역문제인 별의 위치와 시간을 보고 위치와 지향 벡터를 예측하는 문제도 발전시켜왔다는 점임
      이제는 평균적인 사람도 평균적인 하드웨어로, 과거라면 세계 최고 관측소들이 큰 노력을 들여야 했을 것들을 즉시 추정할 수 있음
      https://en.wikipedia.org/wiki/Fundamental_ephemeris
    • 좋아요. 이제 같은 걸 Z-80급 CPU로 해주세요
    • 그걸 하는 데 어떤 소프트웨어를 쓰나요?
답변달기
GeekNews BeeBS 게시판 오픈! 자유로운 이야기와 소소한 일상을 함께 나눠보세요.