4월 21, 2021
세계적으로 널리 알려진 연구 프로젝트가 MPIAB(Max Planck Institute of Animal Behavior) 주도 하에 독일 콘스탄츠 호수에 있는 라돌프젤 지역에서 독일항공우주센터(DLR) 및 러시아연방우주공사(Roscosmos)의 도움을 받아 진행되고 있습니다. 로데슈바르즈는 동물에 부착하는 송신기를 위한 무선 기술을 지원합니다.
전자장치 및 센서가 소형화되면서 동물의 몸에 소형 송신기를 부착하는 일이 오래전부터 가능했습니다. 덕분에 동물의 생활 영역을 침범하지 않고도 습성을 편리하게 관찰할 수 있었습니다. 하지만 이 송신기에는 모바일 통신 기술이나 단순한 아날로그 무선 방식이 적용되기 때문에 작동 범위가 매우 제한적이었습니다. 이와 대조적으로, 우주를 기반으로 하는 ICARUS 관찰 시스템은 지구 어디에서든 기능을 보장합니다. 철새와 이주 동물이 기존의 대륙을 벗어나 멀리 이주하더라도 고해상도로 동물의 이동 경로를 유연하게 추적합니다. 이주 생활을 하는 동물의 종류와 이동 목적지에 대한 정보는 많이 알려졌지만, 연구가들은 지금까지 정확히 어떤 경로를 따라 이동하고, 어떻게 행동하고, 이동 중 어떤 환경 조건을 마주하는지에 대해서는 전혀 알지 못했습니다. ICARUS는 이러한 질문에 대해 명쾌한 최신 답변을 제공합니다.
ICARUS 미션: 생물학에 도움을 주는 위성 기술.
ICARUS 시스템의 허브는 ISS(International Space Station)입니다. ISS는 원궤도를 비행하며 매일 지구 표면의 90% 이상을 통과합니다. 약 400 km밖에 되지 않는 낮은 궤도 높이에서 통과하므로 ISS는 저전력 무선 송신기에 쉽게 접근할 수 있습니다. ICARUS 프로젝트 파트너는 이러한 특성을 고려하여 ISS를 동물을 관찰하기 위한 원격 기지국으로 사용하자는 아이디어를 제안했습니다.
하지만 시장에 출시되어 사용할 수 있는 적절한 무선 기술이 없었습니다. 그런데 소규모 위성 라디오 전문 회사이자 현재 로데슈바르즈의 자회사인 INRADIOS가 이 문제를 해결할 방법을 제시했습니다. MPIAB에서 분사된 I-GOS(ICARUS Global Observation System), SpaceTech, DLR과 함께 INRADIOS는 무선 기술, 동물용 송신기, ISS용 신호 처리 모듈, ISS에서 신호를 수신할 수 있는 지상 기지국을 개발했습니다.
로데슈바르즈가 제작한 동물용 송신기(태그)는 소형화의 한계에 도전합니다. 크기가 매우 컴팩트(2 cm2)하고 중량이 매우 가볍기 때문에(< 5 g) 작은 동물에도 쉽게 부착할 수 있습니다. 환경 및 이동 데이터를 수집하기 위해 프로세서 및 메모리, GPS 수신기, 무선 모듈, 충전용 배터리, 태양 전지, 다중 센서가 태그에 포함됩니다. 동물의 현재 위치, 체온 및 이동 정보와 함께 습도, 기압 등 환경 조건에 관한 정보도 제공됩니다.
해양 동물용 태그에는 바다 생물의 환경에 적합하도록 추가로 방수, 수압 저항 및 부력 기능이 더해집니다. 부착된 태그는 일정 시간이 지나면 자동으로 분리되도록 설계되고, 수면에 태그가 떠오르면 ISS에 무선으로 연결되도록 설정될 것입니다.
1단계: 절전 모드 상태의 태그가 내장된 타이머의 호출에 따라 예정된 ISS 오버헤드 패스 타임에 작동하기 위해 대기 중입니다.
2단계: 작동 개시 후, 태그가 짧은 간격으로 ISS 다운로드 신호 수신 여부를 확인합니다.
3단계: 신호가 수신되면 태그는 현재 천체력 데이터를 추출하고, 추출한 데이터를 통해 자체 GPS 위치를 고려하여 다음 전송 시간대를 계산합니다. 그다음 대기 중인 데이터 로깅이 없으면 다시 절전 모드로 전환합니다.
ISS는 태그가 부착된 동물이 ISS가 떠 있는 지점을 통과할 때 데이터를 전송받는 데이터 수신부 역할을 합니다. 매우 짧은 시간 내에 데이터가 ISS로 전송됩니다. 동물들이 데이터 전송이 가능한 무선 범위 내에 있는 시간은 하루에 15초밖에 되지 않습니다. 이 짧은 시간대를 정확히 예측해야 합니다. 주기적으로 전송되는 ISS 천체력 데이터를 사용하여 태그는 시간대를 계산하고 정해진 순간에 송신 및 수신을 자체적으로 준비합니다. 태그는 대부분 시간 동안 절전 모드 상태로 유지되다가 데이터 수신 예정 시간이 다가오면 타이머에 의해 또는 프로그램에 따라 설정된 무선 접속에 의해서만 작동 모드로 전환됩니다.
1단계: ISS에 접근하면서 전송이 가능한 시간대가 되면 태그가 절전 모드에서 작동 모드로 전환됩니다. 15초가량의 짧은 전송 가능 시간대 중 약 3초 가량이 소요되는 업로드가 무작위로 실행되어 인접한 모든 태그가 동시에 전송되지 않도록 합니다.
2단계: 데이터 업로드 후, 태그와 관련된 추가 제어 명령이 있으면 태그가 잠시 수신 모드로 전환됩니다. ISS는 최근에 수신한 업로드 데이터를 바탕으로 태그가 통신 가능 범위 내에 있을 때만 태그에 명령을 전송합니다.
3단계: 태그가 대기 모드로 전환되기 전, 다음 접속 시간을 계산합니다. 타이머는 태그의 주요 구성 요소 중 하나입니다. 센서 데이터 로깅 또는 전송 준비 등 동작이 필요한 상황에서만 태그를 작동 모드로 전환합니다.
수집하고 전송하는 데이터 종류, 데이터 수집 및 전송 간격은 태그에 따라 개별적으로 설정할 수 있습니다. IoT(Internet of Things) 관련한 사물과 마찬가지로 ICARUS 또한 각각의 동물을 IoA(Internet of Animals)로 처리하는 것이 가능합니다. 절차를 간소화하는 것과 더불어 태그를 부착해야 하는 동물 집단이 주로 대규모인 경우가 많기 때문에 태그는 그룹으로 구조화되어 집합적으로 처리될 수 있습니다.
ISS에 탑재된 컴퓨터는 수신한 데이터를 축적하고 데이터 세트를 Roscosmos가 운영하는 ICARUS 지상 기지국으로 전송합니다. 지상 기지국은 독일에 있는 종합관제센터로 데이터를 전송하고, 종합관제센터는 전달받은 데이터를 인터넷을 통해 전 세계에서 접속 가능한 중앙 DB(www.movebank.org)에 업로드합니다.
ICARUS 프로젝트의 책임자인 마틴 위켈스키(Martin Wikelski) 박사는 과일박쥐의 이동에 관해 조사하고 있습니다.
ICARUS는 생물학자에게 독특한 연구 기회의 가능성을 열어주었으며, 이로 인해 전 세계의 과학자들이 MPIAB에 이미 수백 건이 넘는 요청 메일을 보냈습니다. MPIAB는 승인을 받은 지원자에 한해 필요한 수의 태그와 수집한 데이터 독점 사용 권리를 3년 동안 제공할 예정이며, 그 후에는 데이터를 공개할 예정입니다. 물론, MPIAB는 현재 자체 프로젝트도 진행하고 있습니다. 예를 들면, 대륙검은지빠귀에 대한 현재 연구 프로젝트를 ICARUS를 사용해 한 차원 더 발전시킬 계획입니다. 아프리카에 사는 과일박쥐는 에볼라 바이러스의 감염원으로서 매개체 및 "탐지견" 역할을 하는 것으로 한동안 큰 관심을 받았는데 ICARUS 덕분에 정확한 추적이 가능했습니다. 시칠리아에서는 동물들이 화산 폭발(예: 에트나 화산 폭발)과 같은 자연재해를 예측하는 육감을 가지고 있는지 알아보기 위한 연구가 진행 중입니다. 이 프로젝트를 위해 산양에 센서가 부착될 것입니다. ICARUS는 생물학자의 상상력에 날개를 달아줍니다.
초기에는 ISS 원격 기지국을 사용할 수 없었기 때문에 로데슈바르즈가 제작한 지상 무선국 장치를 사용하여 태그를 테스트하였습니다. 이 작동 모드는 대안으로 마련되었으며, 상당히 빠른 데이터 속도를 보장하고 ISS가 태그를 통과하는 것보다 데이터 전송이 더 빈번하게 발생한다는 장점이 있습니다. 과학자들은 이를 통해 조류 서식지 등 소규모 관찰 연구를 편리하게 수행할 수 있습니다.
2019년 7월에 ISS와 진행하기로 예정되었던 최초의 시스템 테스트는 위성 탑재 컴퓨터의 냉각 문제로 안타깝게 실패하였습니다. 부품 수급 문제로 인해 프로젝트가 몇 개월 연기되었으며, 코로나바이러스 전염병의 출현으로 인해 추가적인 지연이 발생하였습니다. 그럼에도 불구하고, 2020년에 광범위한 테스트가 실행되었으며, 시스템이 성공적으로 성능을 검증 받았습니다. 게다가 무선 장비의 성능은 기대치를 훨씬 초과하였습니다. 대륙검은지빠귀와 개똥지빠귀의 이주 습성을 관찰하는 최초의 대륙 간 프로젝트가 2020년 9월에 개시되어 진행 중에 있습니다. 시스템이 작업에 속력을 내는 동안, INRADIOS는 MPIAB와 함께 무선 태그 개발에 꾸준히 매진하고 있습니다. 이들의 목적은 태그의 크기를 초소형으로 줄이는 한편, 배터리 성능을 개선하는 데 있습니다. 미래에는 곤충에 부착할 수 있을 만큼 크기가 작은 태그가 개발될 것입니다.
