가. GOCI 관측 자료의 궤도상 성능 검증
(1) 위성 발사 전 광학 성능 검증 평가 사용자 요구 조건
(가) 궤도상 MTF 성능 요구 조건
GOCI는 표 18과 같이 총 8개의 밴드로 이루어져 있으며 각 밴드별로 MTF의 성능의 요구 조건을 달리 하고 있다. 이 때, MTF 값의 기준이 되는 Nyquist Frequency는 수식 1을 토대로 계산이 되고, GOCI의 동서 방향의 검출기 픽셀 크기는 14.81μm, 남북 방향의 검출기 크기는 11.53μm 이므로, 기준 Nyquist Frequency는 동서방향 33.8mm-1, 남북방향 43.4mm-1로 계산이 된다.
Spectral Band 중심 파장(nm) 밴드 대역(nm)
B1 412 20
B2 443 20
B3 490 20
B4 555 20
B5 660 20
B6 680 10
B7 745 20
B8 865 40
표 18. GOCI 관측 밴드 파장과 그 대역
×
(수식 1)
GOCI의 궤도상의 영상 MTF 성능의 요구 조건은 위의 밴드 별로 식 1과 같이 예측되어 있 고, 이 후의 해석 결과와 비교되어진다. 아래 식은 3차식으로 이루어져 있고, 여기서 u는 표준 화된 특정 주파수로 정의 된다. k1, k2, k3 와 같은 계수들과 식 2으로부터 도출된 동서방향, 남북방향의 MTF 성능의 요구 조건은 표 19와 20에 정리되어 있다.
× × × (수식 2)
East/West k1 k2 k3 Requirement
B1 0.35 0.50 -0.3 0.40
B2 0.36 0.50 -0.3 0.39
B3 0.37 0.50 -0.3 0.38
B4 0.38 0.50 -0.3 0.37
B5 0.40 0.50 -0.3 0.35
B6 0.44 0.50 -0.3 0.31
B7 0.43 0.50 -0.3 0.32
B8 0.43 0.50 -0.3 0.32
표 19. 동서 방향의 MTF 성능 요구 조건
South/North k1 k2 k3 Requirement
B1 0.41 0.50 -0.3 0.34
B2 0.42 0.50 -0.3 0.33
B3 0.43 0.50 -0.3 0.32
B4 0.44 0.50 -0.3 0.31
B5 0.45 0.50 -0.3 0.30
B6 0.47 0.50 -0.3 0.28
B7 0.47 0.50 -0.3 0.28
B8 0.49 0.50 -0.3 0.26
표 20. 남북 방향의 MTF 성능 요구 조건
(2) 궤도상 MTF 성능 검증 결과
(가) 가장자리 칼날 방법을 이용한 궤도상 MTF 성능 검증
그림 75. 가장자리 칼날 방법을 이용한 궤도상 MTF 계산 과정
궤도상의 MTF 성능을 검증하는 방법들 중 가장 많이 사용되는 방법은 그림 75의 계산 과 정을 따르는 가장자리 칼날 방법이다. 이 GOCI 광학계의 경우 공간 해상도를 나타내는 GSD(Ground Sampling Distance)가 500m 이므로, 이 방법을 사용하기에 마땅한 인공물이 없 으므로, GOCI의 경우 그림 76의 영역(한반도의 동해안의 해안선과 일본의 해안선)을 토대로 밝은 신호의 육지 부분, 어두운 신호의 바다 부분으로 MTF 성능을 계산 하였다.
그림 76. 가장자리 칼날 방법에 쓰인 MTF 대상 (좌) 한반도 동해안 해안선, (우) 일본 연안의 해안선
위 그림의 영상의 영역을 토대로 계산되어지는 과정은 아래 그림에 정리되어 있고, 아래 표 21에는 시간대별, 날짜별 Nyquist Frequency를 기준으로 동해안의 해안선을 토대로 계산되어 진 궤도상 MTF 값을 보여 주고 있다. 이 값들은 8번 밴드(865nm)를 기준으로 계산되어진 결 과이며, 이때의 요구 조건인 0.26을 대부분 상회하는 값을 보임으로써, 2010년 9월 이후 2011 년 5월까지 거의 광학계의 성능의 변화 없이 요구 조건을 만족하는 것을 보여 주고 있다.
그림 77. MTF 계산과정, (a) Target, (b) Edge Spread Function, (c) Line Spread Function, (d) Modulation Transper Function(MTF)
(좌) 한반도 동해안 해안선, (우) 일본 연안의 해안선
10. 09. 15 11. 01. 31 11. 03. 10 11. 05. 17 UTC-00 0.3367 0.2143 0.2814 0.3212 UTC-01 0.3403 0.2745 0.3368 0.3216 UTC-02 0.3386 0.3226 0.3557 0.3137
UTC-03 0.3410 0.3712 0.295 0.3134
UTC-04 0.3673 0.3664 0.3701 0.3331 UTC-05 0.3511 0.3576 0.3373 0.3617 UTC-06 0.3083 0.3567 0.2918 0.2961 UTC-07 0.1916 0.2838 0.2852 0.3255 표 21. 날짜별 시간별 궤도상 MTF 성능 평가 값
(나) 가상의 점광원을 이용한 궤도상 MTF 성능 검증
가장자리 칼날 방법과 마찬가지로 궤도상 MTF 성능을 검증하는 방법 중 하나인 점광원을 이용하는 방법이다. 이는 보통의 고해상도 위성의 경우 램프나 먼 별을 이용하는데, GOCI 의 경우 남해안의 GSD 500m을 넘지 않는 400m 정도의 섬 하나를 지정하여 점광원으로 가정하 고 점분포 함수를 토대로 MTF 값을 도출 할 수 있었다. 이 점광원에 대한 영상은 그림 78에 나타나 있고, 그림 79은 점광원을 이용하여 계산되어진 MTF 값을 보여 주고 있다.
그림 78. 점광원을 이용한 방법의 대상 섬 영상
그림 79. 점광원을 이용한 MTF 계산 결과
(다) Astrium사의 궤도상 MTF 성능과의 비교
IOT 기간 동안 GOCI의 개발 업체인 Astrium사의 궤도상 MTF 성능 계산 결과와 비교해본 결과를 아래 표에 정리 하였다. 그 결과를 살펴보면 두 개의 결과 모두 사용자 요구 조건인 0.26을 만족하는 것을 확인 할 수 있었으며, 이는 현재 운용되고 있는 GOCI가 만족할 만한 성능을 토대로 운용되고 있음을 보여 주고 있다.
MTF @ Nyquist Astrium KORDI(Target 1) KORDI(Target 2)
Sample #1 0.34 0.4036 0.2741
Sample #2 0.27 0.2697 0.3652
Sample #2 0.29 0.2311 0.2649
Sample #2 0.28 0.3488 0.3514
Sample #2 0.35 0.3639 0.3297
Sample #2 0.40 0.2256 0.3556
Sample #2 0.31 0.1963 0.3332
Sample #2 0.43 0.3423 0.2697
Sample #2 0.32 0.3514 0.3280
Sample #2 0.32 0.2697 0.2354
평균값 0.36 0.3002 0.3107
표준편차 0.06 0.0703 0.0431
표 22. 궤도상 MTF 값의 계산 결과 비교
(3) 궤도상 복사 성능 검증 결과
궤도상의 GOCI의 성능을 분석하기 위하여 현재 운용되고 있는 GOCI 영상 내에서의 Saturation 되는 픽셀의 수와 그 값을 2010년 9월 1일부터 15일, 2011년 1월 1일부터 15일까지 수신되는 8개의 모든 밴드에 대해서 결과를 분석을 해보았다. Band 6의 Low gain의 픽셀에 서 노광 현상이 발생하기는 했으나, 이는 해양이 아닌 구름대 대한 것이고, 전체영역의 0.0002%에 불과하기 때문에 GOCI 영상에서는 노광 현상이 없다고 볼 수 있다. 즉, 현재 운용 되고 있는 GOCI 영상의 결과는 모두 신뢰할만한 데이터로 활용 가능하고, 추후에도 영상의 노 광 정도를 지속적으로 확인 하면서 파라미터의 개선을 통해 양질의 데이터를 제공 하고 있다.
그림 80. 밴드별 노광 정도 분석
나. 기하보정 수행 능력 모니터링
IOT 후반기부터 해양위성센터는 위성 센서의 안정성을 위해 매일 생산되는 Level 1B로부터 기사보정 수행 능력이 요구사양을 만족하는지에 대한 성능 모니터링을 수행하고 있다. 또한 매일 기하보정 결과를 기하보정시스템 개발사인 프랑스 Astrium사에 전달하여 모든 영상에
대한 INRSM에 대한 평가를 지속적으로 함으로써, 향상된 기하보정 결과를 얻기 위해 양 기
관은 꾸준히 노력하고 서로 협력하고 있다.
총 4개 평가 항목(Image Navigation, Image Registration(Within-Frame, Frame-to-Frame, Band-to-Band))을 동서, 남북에 대하여 각각 평가하고 있으며(표 23), 대체적으로 기하보정 시 스템 안정화에 따라 사용자 요구사항에 만족하고 있는 것으로 확인 된다(그림 81). 2012년 1-2 월, 겨울철에서 동서방향의 Band to Band Registration 항목의 경우 영상정합 요구사항이 만 족되지 못했던 것으로 파악된다. 이것은 관측영역 내 구름 중가에 의한 해안선 정합자료 부족 을 주요 원인으로 추정하고 있다.
Navigation Within-Frame
Registration Frame-Frame
Registration Band-Band Registration
EW NS EW NS EW NS EW NS
요구사항(μrad) 28 28 28 7
평가 만족 만족 만족 대부분 만족
28μrad = 1km = 2 pixels, 7μrad = 0.25km = 0.5 pixels 표 23. 기하보정 주요 항목별 요구사항 및 궤도상 성능 평가
그림 81. 기하보정 모니터링 (2010.12~2013.02)
다. 천리안 해양관측위성 자료처리 속도 분석
해양위성센터는 위성 자료 수신 후 L2 자료 생산까지 1.5시간 내 처리를 목표로 하고 있으 며, 배포까지 포함할 경우 총 3시간 내 처리 완료하는 것을 최종 목표로 하고 있다. 이것은 시스템 하드웨어 사양, 네트워크 상태, 시스템 내부 알고리즘 등에 의해 큰 영향을 받는다.
(1) 자료처리 속도 모니터링
현재 해양위성센터의 위성 운영 시스템들은 위성 자료 처리 알고리즘의 개선이나 시스템 문제점 보완을 위해 지속적으로 시스템 수정이 이루어진다. 이것은 실시간 자료처리 소요 시 간과 직결되고, 유관 기관의 실시간 배포에도 영향을 끼치기 때문에 지속적으로 모니터링 할 필요가 있다.
IOT이후 2011년 4월 이후의 자료처리 소요시간을 그림 82에 나타내었다. 이것은 12시 16분 에 수신된 영상들에 대해 분석된 것이다. “수신 완료”는 Raw자료를 수신하는데 소요된 시간 을 의미하고, “Level 1B”는 수신과 동시에 처리가 시작된 Raw 자료가 Level 1B로 생산되는 데까지 소요된 시간을 의미한다. 그리고 “Level 2”는 Level 1B를 이용하여 해양 표준자료를 생산하는데 소요된 시간이며, “Total”은 Level1B 와 Level 2 소요시간의 합을 의미한다.
IOT를 거치면서 위성체 및 전처리 시스템은 상당부분 안정화를 이루었기 때문에 수신 시간 및 Level 1B 처리 소요시간이 거의 일정하게 운영되고 있다. GDPS에는 2011년 9월부터 정규
고, 2012년에는 대부분 40분 내로 처리되고 있어 처리속도가 향상된 것을 알 수 있다.
Level 1B가 Level2로 처리되기 위해 전처리 시스템에서 GDPS로 이동하는 시간(약 5분)을 감안하더라도, 현재 수신 시작부터 Level 2까지 위성자료 처리시간은 약 1시간 20분이다. 이 시간에서 수신 시간을 제외하면 약 50분이 소요되는 것이며, 애초 목표했던 1.5시간보다 훨씬 빠른 처리시간을 보이고 있다.
이 자료처리 소요시간의 분석은 주기적으로 수행하고 있고, 장애 발생 시 해양위성센터가 자료 재생산, DB 등록 등 자료 서비스 정상화에 소요되는 시간을 산출하는데 주로 사용하며 기존보다 더욱 신속한 서비스를 하기 위한 기초 자료로 활용되었다.
다만, 추후 대기보정 알고리즘 및 기존 해양산출물 알고리즘 업데이트, 신규 해양산출물 알고리즘 추가 등이 예정되어있어, GOCI 자료처리 소요시간이 현재보다 다소 늘어날 것으로 보여 지속적인 모니터링이 필요하다.
그림 82. GOCI 자료처리 소요시간(2011.04~2012.12)
(2) 비정상 자료처리 속도 발생
실제 2012년 2월과 5월에 정상치보다 훨씬 느리게 자료가 처리가 되는 사례가 발생하였다. 2월의 경우 L1B를 처리하는데 1시간 30분이 소요되는 건이었다. 이것은 INRSM의 CheckMark Determination 기능을 테스트하기 위하여 On함에 따라 발생한 것으로, 다음 영상이 수신, 처 리될 때까지 이전 시간의 L1B 처리가 완료되지 못했다. 이로 인해 운영업무에 큰 영향을 미 치게 되어 이 기능을 다시 Off하는 것으로 문제를 해결하였다.
5월의 발생 건은 시스템의 안정적 운영과 보안을 위해 보안 소프트웨어를 설치하고 실시간 감시기능을 On함에 따라 처리 소프트웨어가 영향을 받은 경우였다. Raw자료를 이용한 L0처 리에만 1시간가량 소요되는 현상이 발생하여, 보안 소프트웨어를 전체 영상 수신이 완료된 17 시 이후에 정기적으로 모니터링하고 운영자가 직접 수동 업데이트해줌으로써 더 이상 비정상 적 자료 처리 속도는 재발되지 않았다.
날짜 Level(System) 정상
처리시 비정상 소요시간 해결
2011.2.10
~2.14 L1B(INRSM)
수신 후 45-50분
수신 후
1시간 30분 소요 CheckMark Determination DB수정 2011.5.25 Raw(DM) 수신 후
30분 내
수신 후 1시간 소요
V3 실시간 감시 및 업데이트 OFF (정기적 수동 업데이트 진행)
표 24. 2011년 비정상 처리 소요시간 발생 사례
라. 해양위성센터 내․외부 전송속도 분석
해양위성센터에서는 천리안 해양관측위성 자료의 원활한 배포를 위해 사용자 예측을 통해 필요 데이터 대역폭을 예측하였다. 100명의 사용자가 L1B파일을 다운로드 한다고 가정하고 최초 제공예정이었던 GOCI L1B 파일의 용량 1GB, 이를 압축하였을 경우에는 780Mb정도로 확인 되었으며, 이를 추산한 결과는 78G/day의 전송 대역폭이 필요하게 됨을 확인하였다.
그러나 주된 사용자가 한국과 한반도 주변 국가들인 점을 가만하고 홈페이지에 접속하는 시간이 밤 시간이 아님을 가만하였을 경우에는 156G/day의 트래픽 용량을 필요로 하였으며 이는 15Mbps가 필요하다는 결론이 나오게 된다. 그러나 파일 하나의 용량이 크고 이를 한 시 간에 한 개식 받을 경우에는 350Mbps의 속도를 필요하게 된다.
해양위성센터가 위치하고 있는 한국해양과학기술원은 100Mbps의 외부 전송속도를 지원하 고 있으며, 실질적인 업로드 대역폭(내부>외부)의 사용량은 50%수준이었다. 그러나 해양과학 기술원 내부 네트워크 사용량은 매우 높은 수준으로(약 99%) 파악되어 현실적으로 외부망을 거치기 전에 거쳐야 하는 한국해양과학기술원 내의 망 사용량에서의 외부 제공 대역폭은 한 계가 있을 수 밖에 없었다. 더군다나 이를 모두 사용한다고 가정하였을 경우에는 시간당 13명 정도의 사용자가 1개의 L1B 파일을 한 시간 안에 다운로드 받을 수 있는 사용량이 된다. 하 지만 실질적으로 외부에서 이용자가 다운로드 할 경우에는 충분한 속도를 제공하지 못할 수 있기 때문에 이를 위한 테스트를 진행 하였다.
다운로드 서버를 한국해양과학기술원 본관동의 서버실에 위치하여 두고 외부 15대의 컴퓨 터를 활용하여 더미 데이터를 다운로드 서버에서 다운로드 받게 하였으며, 그 결과 평균 50kb/s의 다운로드 속도를 나타내었다. 예상치 보다 낮은 속도를 보였으며, 원인분석을 시도 하였다.