인공위성 수만큼 지상에 안테자신가 필요할까?

최근 미국 스페이스엑스는 전 지구에 인터넷 서비스를 제공하기 위해 우주공간에 12,000기의 위성을 발사하려는 의도다. 역시 최근 여러 위성을 동시에 운용하는 군중 위성이 운용되고 있습니다. 우주 공간에 위성이 많아 지역이 위성과 통신, 즉 위성을 작동시키기 위한 명령을 전송하고 본인 위성이 촬영한 데이터 등을 지면에서 수신하기 위한 지면의 안테나 갯수도 그만큼 항상… 그랬던 것처럼 스스로 해야 하는지 알아봅니다.​

정지궤도위성은 적도 약 36,000km 상공에 위치하면서 지구의 자전 속도와 같은 속도로 돌고 있기 때문에 지구에서 보면 위성이 정지하고 있는 것처럼 보입니다. 이 궤도에는 24시간 동안 지면을 관측하거나 방송통신 중계를 하는 위성이 빼곡히 실려 있습니다. 여기에 우리의 천리안 위성이 있는데 이들 위성은 한반도만 바라보고 있기 때문에 이들 위성과 통신을 하려면 땅에는 확신을 갖고 전용 안테나가 설치되어야 한다.이렇게 정지 궤도용 위성 안테나는 위성의 방향에 따라 안테나의 각도를 좌우나 상하로 움직일 필요가 없는 한 지점만을 목표로 하는 안테나입니다. 적도 상공에 있는 위성의 위치에 맞추어 북위 33도~39도에 있는 대한민국에서는 정지궤도 위성 안테나를 대부분 남쪽을 향해 설치합니다. 천리안 위성 1호는 동경 128.2도, 천리안 위성 2A, 2B호는 128.25도에 위치하며, 전체 적도 상공에 있기 때문입니다. 천리안 위성이 있는 곳은 멀기 때문에 한반도 내 어디서나 통신할 수 있는 범위와 속도는 같습니다. 그러나 부지를 선정할 때는 안테나가 향하고 있는 장소에 건물이나 산이 있어서는 안 됩니다. 직진하던 전파가 방해가 될 수 있으니까요.이론적으로 위성통신 범위는 앙각(아침에는 곳에서 높은 곳에 있는 목표물을 올려다볼 때 시선과 지평선이 이루는 각도) 5° 이상이면 가능하다. 혹시 모르는 촌락이나 조사 등에 대비해 안테나를 추가로 설치 및 운영하는데, 현재 우리가 운용 중인 천리안 위성은 천리안 1호와 천리안 2A, 2B호 등 3대의 정지궤도위성을 보유하고 있으며 안테나도 3기+백업용 1기 등 총 4기입니다.

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★천리안 2A/2B호 안테나는 나쁘지 않습니다.랩스 영상 www.youtube.com/watch?v=z4GZx0o587Y

아리랑 위성과 같은 저궤도 위성은 통상 고도 500~700 km의 남극점과 북극점을 경유하는 태양 동기 궤도를 돌고 있습니다. 이 궤도는 지구를 정밀 관측하기에 좋은 궤도로 한반도를 합격하는 시간대가 일정하지 않습니다. 즉 방문 주기가 다르기 때문에 1기의 안테나는 나쁘지 않고 여러 기의 위성과 통신이 가능하다. 실제로 아리랑 위성은 한반도 지면국과 교신할 수 있는 횟수는 아침저녁으로 합쳐 하루 3회 정도로 한반도 남쪽에서 북쪽까지 2분이면 합격한다. 매우 빠른 속도로 한반도 상공을 비행하지 않을 때 위성 안테나로 위성에 명령을 보내거나 위성이 촬영한 영상을 동시에 내려받는 작업이 진행됩니다.위성이 한반도 위를 걸어가는 시간은 2분(약 1,000km)이지만 통신 범위는 한반도 아래에서 위로 약 2500km 정도이지만 이 범위를 벗어나지 않으면 더 이상 위성과 교신할 수 없습니다. 저궤도 위성은 1초에 7.8mm 속도(K-2 소총탄이 초당 920m)로 정예기의 순식간에 위성이 지나가기 때문에 짧은 순간을 1초라도 놓치지 않기 위해 위성이 남쪽에서 올라오기 전에 안테나 나쁘지 않다를 남쪽 방향으로 각도에 맞춰 미리 준비해야 한다. 그 짧은 순간을 1초라도 놓치지 않으려면 저궤도용 안테나, 나쁘지 않은 스탠바이를 하고 올라오는 위성 궤도에 따라 안테나, 나쁘지 않은 방향을 전환해야 하기 때문에 정지궤도용과는 다른 고사양의 구동 모터 등이 필요하다.위성 1대와 교신을 하고 나면 안테나가 그리 나쁘지 않은 시간을 들여 한반도에 접근하는 위성과 교신을 할 수 있기 때문에 1기의 위성 안테나가 나쁘지 않아도 수기의 위성과 교신이 가능하다. 물론 당초 위성을 발사할 때 발사시간을 결정하는 요소 중 하나인 나쁘지는 않다는 것은 한반도를 지나가지 않고 다른 위성과의 방문주기를 고려해 얼마나 자주 위성이 한반도를 지나치지 않고 상회하는지를 고려해야 한다. 이렇게 1기의 위성 안테나가 나쁘지 않아도 충분히 여러 위성을 관제할 수 있습니다. 한국항공우주연구원 대전본원에서는 이렇게 안테나가 깨끗하지 않고 2기로 현재 위성 4대를 운용하고 있습니다. 이 숫자는 1기의 안테나가 고장났을 때 사용하는 백업용 안테나가 이를 포함한다.최신에는 위성 기술의 발전과 위성 수요로 많은 초소형 위성이 발사되고 있습니다. 또 과거와 달리 여러 위성을 동시에 운용하는 군집 위성이 많이 발사되고 있습니다. 미국의 플래닛 랩스는 지구상에 150여 기의 소형 위성으로 지구를 실시간으로 관측하고 있습니다. 군중위성도 똑같이 교신을 할 때는 안테나, 나쁘지 않다를 써야 하는데 방법은 아리랑 위성의 교신 방법과 같다고 한다. 즉, 시차를 두고 1기의 안테나, 나쁘지 않은 것을 몇 기의 위성이 이용하는 것입니다. 그리고 한 곳에 나쁘지 않고 나쁘지 않고 부족할 경우 이미 구축된 다른 토지의 안테나, 나쁘지는 않지만 계약을 통해 사용료를 지불하고 데이터를 송수신한다. 이른바 지면국 서비스만 하는 큰 기업이 설립되었습니다.즉, 한국이 발사한 아리랑 위성은 하루에 15바퀴를 돌지만 한반도 상공을 하루 2~3번 정도 지나지 않아 위성의 상태를 더 자주 파악하기 위해 남극 세종과학기지에 안테나를 설치하여 관제 데이터를 수신하고 있습니다. 또 국제협력을 통해 북극과 가까운 위치에 위성 안테나 안테나를 설치해 더 자주 위성과 교신을 하고 있습니다. 그러나 남극은 매우 춥고 설원이 많아 접시형 안테나 아름답지 않다 돔 안에 위성 안테나 아름답지 않다를 설치해 운영한다. 국내와 남극 안테나는 나쁘지 않다고는 전용망으로 관리하고 남극의 여름철 안테나가 나쁘지 않기 때문에 연구를 위해 남극까지 연구하러 가는 경우가 있습니다.​

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이렇게 정지궤도위성과 저궤도 관측위성에 필요한 안테나는 나쁘지 않고, 수를 줄거리 쓰면 이런 사고가 발생합니다. 그럼 스페이스엑스가 추진하는 스타링크위성은 12,000개 발사를 목표로 하고 있는데, 가장 작은 몇천개 이상의 안테나가 예쁘지 않을까요? 아닙니다. 위에서 스토리를 쓴 것처럼 전 세계의 수많은 안테나가 깨끗하지 않은 것을 사용하면 위성 갯수만큼 안테나가 깨끗하지 않은 것을 구축할 필요는 없습니다.여기서 관제 데이터와 탑재체 데이터에 대한 이해가 필요할 것이다. 관제데이터는 위성과 안테나, 나쁘지 않고 서로 통신하면서 위성의 상태에 대한 데이터를 주고받는 개념으로 탑재체 데이터는 예를 들어 관측탑재체이면 영상데이터를, 기상탑재체이면 기상데이터를 의미할 것이다. 아리랑위성을 관제하는 안테나=괜찮은 위성이 한반도를 지날 때 위성 상태에 대한 관제 데이터와 위성이 촬영한 영상 데이터를 동시에 수신하거나 위성의 자세제어 명령(관제 데이터)이 나쁘지 않아 영상촬영(탑재체 데이터) 명령을 전송한다. 천리안 위성의 택지안테나는 나쁘지 않아도 낮에 위성이 촬영한 영상과 관제 데이터를 몇 분 간격으로 지속적으로 수신한다.스페이스엑스의 스타링크 위성의 경우 전 세계에 있는 택지국 안테나 플럼시에서 위성 관제 데이터만 수신한다. 중계 기능을 수행하기 때문에 관제 데이터만 수신할 뿐 인터넷 콘텐츠 데이터를 수신하지 않습니다. 즉 스페이스엑스는 택지국 안테나가 깨끗하지 않게 들어오는 수천 대의 위성관제 데이터를 수신하면서 위성의 상태를 점검할 것이다. 이를 위한 소프트웨어 및 장치를 개발하고 관리될 것이다. 따라서 1기의 안테나가 깨끗하기도 전에 수십에서 수백 기의 스타링크 위성의 관제 데이터를 수신할 수 있습니다. 물론 세계 각지에 있는 안테나에서 수집한 관제 데이터를 모으고 위성의 상태를 관리하는 중앙 관제소가 필요할 것입니다. 스페이스 엑스가 12,000개의 위성을 관제하는 안테나는 나쁘지 않고, 세계의 몇 개인지는 알려져 있지 않을 것이다.방송통신위성이나쁘지않기때문에스타링크같은위성의탑재체데이터,즉방송프로그램,인터넷데이터는사용자끼리직접주고받습니다. 이른바 콘텐츠도 사용자가 만들고 사용자가 올리고 사용자가 수신(다운)된다고 소견하면 됩니다. 스카이라이프, 접시속의 안테나, 나쁘지 않다와 같은 각각의 안테나, 나쁘지 않다를 소견하면 세계에서 수백만 대의 안테나, 나쁘지 않다를 통해 인터넷도 하고 필요한 영화도 다운받아 시청하고 있습니다. 전체 이 중계위성을 통해 이용자끼리 주고 받는 겁니다.​

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그럼 달이 본인의 태양계 탐사를 했던 아주 멀리 떨어진 보이저호와의 통신에는 어떤 안테나 책인지 쓰일까요? 이 3에는 저궤도 위성이 본인의 정지궤도 위성과 교신하는 안테나 본인과는 다른 성능의 안테나 본인을 사용한다. 이름도 ‘심우주 안테나 본인’이라고 부르는데, 이런 심우주 지면 안테나 본인은 성능이 월등해야 하는데요. 지구-달의 거리는 약 38만 km, 통상 4만 km 전후의 고궤도보다 10배는 먼 거리입니다. 지구 궤도용 통신보다 전파의 강도도 강하고, 더 높은 주파수 대역을 사용하지 않으면 안 되겠네요. 안테나 본인(파라볼라 안테나 본인)의 반사판도 정지궤도·저궤도용이 직경 3m 이내라면 심우주 통신용은 34m급 이상의 고성능 안테나 본인이 필요하다. 달이 지면국 뒷면에 갔을 때도 통신이 두절되지 않으려면 세계 전역에 걸쳐 3곳 이상으로 안테나 본인을 확보해야 한다.우리 본인도 시험용 달 궤도선을 개발하고 있지만, 앞으로 달 탐사선이 달로 가는 동안 그렇게 달에서 관측을 하는 동안 심우주 안테나 본인을 사용하여 통신하게 됩니다. 당연히 지구가 자전을 하면 통신이 되지 않고, 미쿡 NASA의 협력으로 안테나 본인을 사용하는 안입니다.■심우주의 기술이 더 궁금하다면? https://blog.naver.com/karipr/220903392347 는 점차 우주 공간의 위성수가 폭발적으로 증가하고 있는 상황에서 주파수 사건※이 심각하게 대두하고 있습니다. 이런 주파수 분배와 할당을 하는 곳이 국기통신연합(ITU)이다. 이 위성이 시시각각 지구를 향해 데이터를 보내고, 지면국의 명령을 받습니다. 어떻게 수십, 수백만 신호가 깨지지 않고 정확하게 송수신할 수 있을까요? 세계적으로 위성 개발이 활발해지고 위성 간 간섭이 없도록 조정하는 역할을 다소 맡을 ITU(국제전기통신연합)가 생겼는데요. 각국은 ITU를 통해 주파수를 할당받고 가이드라인에 따라 위성을 발사해야 합니다. “ITU의 가이드 라인을 따르지 않으면 국제적 범죄를 저지르는 것과 같다”라고 하는 내용이겠지요.우주와 지구 간 통신에도 라디오 본인의 TV와 같은 방송 기기, 스마트폰 같은 통신 기기의 전파가 사용됩니다. 이때 사용하는 용도 본인 기기, 사용자, 지역별로 다른 주파수를 받는 것처럼 우주-지구의 통신도 혼선을 막기 위해 주파수를 각각 본인에게 나누고 있습니다. 같은 S밴드대역이라도 통신방식(일방향, 쌍방향 등)이 다르면 큰 사건※은 없지만 위성끼리 너희들 근처에 있는 인접행정부 간에는 간혹 간섭이 우려되지만 본인에 의한 실제 혼선이 발생하기도 한다. 국제적인 이의신청을 통해 모든 협상을 진행해야 하는 것도 우주개발 행정부의 의무입니다. 실제로 한국도 천리안 위성 발사 전에 주변국과 22차례의 조정회의를 거쳐야 했습니다.기획제작: 항공우주 에디터 이정원 내용감수 : 위성운영부장 정대원 박사