Win Tech - 우주물체 전자광학 감시체계 기술 개발
Win Tech는 공공연구기관의 연구성과 확산을 위해 국가과학기술연구회(NST)와 공동으로 우수 공공기술을 선별하여 게재하고 있습니다.
▲ 박장현 책임연구원
한국천문연구원
1957년 러시아의 스푸트니크 인공위성 발사를 시작으로 현재까지 약 8천여 기의 인공위성이 우주로 발사되면서 인간 활동의 영역이 우주공간까지 확대되는 시대에 접어들었다.
현재, 인공위성과 충돌 시 치명적인 손상을 입힐 수 있는 1cm 크기 이상의 우주물체는 50만 개 이상으로 추정되고 있고, 지상에서 추적 가능한 10cm 크기 이상의 우주물체도 2만여 개에 이르고 있다.
우주 잔해물 또는 우주쓰레기라고도 불리는 이들 우주물체는 고장 또는 폐기되어 우주공간에 버려진 인공위성, 발사체와 추진체, 이들의 폭발로 발생한 파편, 우주유영 시 떨어뜨린 공구 등이 대표적이다.
우주공간을 떠다니는 우주물체는 인공위성과 충돌하여 파손 또는 고장의 원인이 되기도 하며, 지상에 추락하게 될 경우 예상치 못한 큰 피해를 일으킬 수 있다.
작은 크기의 우주물체라 하더라도 초속 7~8km의 매우 빠른 속도로 지구 주변 공간을 떠돌며 우주인 또는 인공위성과 충돌할 위험이 있다.
또한 크기가 큰 우주물체의 경우, 우주공간에 미량으로 존재하는 공기의 저항력으로 인해 운동에너지를 소모하면서 고도가 점점 낮아져 결국 수십 년 후에는 지상으로 추락하게 된다.
우리나라도 본격적으로 우주개발을 시작하여 인공위성 등 우주자산도 국가의 중요한 인프라로 역할을 하고 있고, 향후 보유한 인공위성의 수도 지속적으로 증가할 예정이다.
우주공간에 떠돌고 있는 우주물체는 이미 우리나라가 보유한 우주자산에 대한 심각한 위험요소로 작용하고 있고, 인공위성의 수가 증가할수록 사고의 가능성은 급격히 증가하여 이에 대한 대책이 시급히 요구되고 있다.
우주물체 감시를 위해서는 국제적인 공조가 필수적이지만 우주물체에 대한 정보는 대부분 국가 안보와 직결되어 있기 때문에 정보 공유가 매우 제한적이다.
국제적인 자료 공유는 상대국의 자료 생산 능력에 따라 공유하는 정보의 양이나 질이 수준이 결정되기 때문에 실질적인 국제협력을 위해서는 독자적인 우주물체 감시 능력 확보가 필수적이다.
2010년 국가과학기술연구회는 우주물체로부터 국가우주자산을 보호하고 국가 안보 및 사회 안전위협에 대응하기 위한 ‘우주물체 전자광학 감시체계 기술 개발’을 국가현안문제(National Agenda)로 선정하였다.
이에 본 연구팀은 출연(연)이 보유한 기술을 활용하여 국가 현안문제를 해결하는 연구회의 NAP사업의 일환으로 6년간(2010. 12~2016. 11) 우주물체 전자광학 감시체계 기술 개발을 수행하였다.
한국천문연구원(천문연)은 이미 보유하고 있는 광학 감시기술을 기반으로 우주물체 감시에 필요한 광시야 광학계, 고속 구동 마운트, 영상 획득, 자료처리 등 핵심기술을 국내 관련 업체와 공동으로 개발하였다.
연구소 내에 테스트베드를 구축하여 국내에서 개발한 기술과 제작한 부품에 대한 기초 성능 테스트와, 국외 설치 이전에 모든 시스템에 대한 사전 성능 검증을 수행함으로써 시스템 완성도를 제고하였다.
연구팀은 국내에서 제작된 개별 감시 시스템(구경 0.5m 광시야 광학 관측시스템, 돔, 인클로저, 환경감시 시스템)을 몽골, 모로코, 이스라엘, 미국, 한국 등 전 세계 5개국에 설치하였는데, 이는 전 세계 최초의 우주물체 감시 전용 글로벌 광학 감시 네트워크(OWL-Net; Optical Wide-field patroL Network)이다.
천문연에 설치된 헤드쿼터에서는 OWL-Net 운영에 필요한 모든 정보를 자동으로 생산하여 각 사이트로 전송하고, 각 사이트에서 관측된 자료는 자동으로 처리되어 헤드쿼터로 전송된다.
OWL-Net 전체를 하나의 유기체처럼 전자동으로 운영할 수 있는 소프트웨어도 국내에서 독자적으로 개발하였다.
우주물체 전자광학 감시 시스템은 대부분의 우주 선진국들이 보유하고 있다.
하지만, 관측 계획의 수립부터 관측 결과의 분석까지 모든 과정을 로보틱스와 자동화된 소프트웨어를 기반으로 운영되는 시스템으로는 세계 최초로 개발되어, 우주물체 감시는 물론 한반도 상공을 지나는 수백 개의 위성에 대한 24시간 감시가 자국 기술로 가능해진 것이다.
세계 각국은 우주물체의 독자적 감시 및 대응체계를 구축함과 동시에 보다 정밀한 감시를 위해 국제협력을 통한 공동 대응체계 구축 노력도 강화되고 있는 추세다.
우리나라의 우주물체 전자광학 감시 네트워크(OWL-Net)를 통한 독자적 감시 시스템 및 대응체계구축은 국제적으로 우주상황인식(Space Situational Awareness)이라 불리는 신생 연구 분야로 진출하기 위한 연구기반과 국제협력 기반을 마련하는 데 크게 기여할 것으로 기대된다.
또한 6년의 연구기간 동안 국내외 학술지에 50여 편의 연구논문을 게재하여 우주상황인식 분야 발전을 위한 과학적 성과 창출에도 크게 기여하였다.
우주물체 감시를 위한 핵심기술인 고속 마운트, 망원경 제어기, 검출기 시스템, 완전 개폐형 돔 등 우주물체 감시 관련 핵심기술을 국산화하는 데 성공했다.
특히, 검출기 시스템은 사업팀의 독창적인 아이디어로 개발한 Variable Speed Chopper를 적용하여 세계 최초의 단일영상 다중궤적 촬영(그림 3)에 성공하였으며, 광학관측 자료를 이용하여 궤도력 유지에 충분한 위치 정밀도를 갖는 궤도 산출(그림 4)에 성공하였다.
사업기간 동안 개발된 기술은 15건의 특허로 출원되었다.
2016년 10월에는 공군의 전자광학 위성감시체계 구축 사업을 추진하는 국내 대표 종합방위산업체 엘아이지넥스원(주)와 총 5억 원의 기술이전 계약을 체결하여, 우리나라의 우주 영공을 독자적으로 감시하는 미래기술 확보하는 데도 크게 기여하였다.
우주물체 감시를 위한 핵심기술은 국내 벤처 또는 중소기업과 협력, 개발함으로써 핵심기술의 확보 및 국산화는 물론 관련 기업의 기술력 강화와 우주산업 활성화에도 크게 기여하였다.
(주)레인보우(KAIST 휴보랩 창업벤처)는 ‘마운트와 망원경 제어 기술’, (주)지솔루션은 ‘관측소 운영 시스템’, (주)데코컴포지트는 ‘관측돔과 캡슐형 관측소’ 개발을 담당했으며, 향후 시스템의 유지 보수에도 관련 기업을 지속적으로 참여시킴으로써 우주산업 전문 인력의 지속적인 고용 창출에도 기여할 것으로 기대된다.
천문연은 우주물체 감시 관련 핵심기술을 보유한 국내 유일의 연구기관으로 인공위성 추락 위험에 대응하기 위해 위성추락상황실을 운영하고 있다. 위성추락상황실은 청와대, 과학기술정보통신부, 행정안전부 등 비상 대응 유관기관과 주요 언론매체에 관련 정보를 지속적으로 제공하고 있다.
이를 계기로 2014년 5월 우주위험대비조항(15조)이 신설된 ‘우주개발진흥법 개정안’이 국회를 통과하였고, 동법을 근거로 ‘국가우주위험대비기본계획’이 수립되었으며, 한국천문연구원은 우주 위험 대응체계 구축 및 우주물체 감시 관련 연구개발과 국제협력을 총괄하는 ‘우주환경감시기관’으로 지정되었다.
‘국가우주위험대비기본계획’은 국가가 우주 위험에 체계적으로 대응하기 위해 준비해야 하는 인프라 구축에 대한 10년 계획으로 동 사업을 통해 구축된 우주물체 감시 네트워크(OWL-Net)를 주요 장비로 명시하고 있다.
OWL-Net은 ‘국가우주위험대비기본계획’에 계획된 인프라 중에 현재까지 유일하게 완성된 장비로, 향후 다른 장비가 추가되기 전까지는 우주 위험에 대응하기 위한 핵심 인프라로서 역할을 수행할 것이다.
우주물체 감시를 위한 인프라 구축과 핵심기술의 국산화는 미국에 의존하던 인공위성궤도 자료를 우리나라가 독자적으로 확보할 수 있는 능력을 갖추게 되었다는 점에서 중요한 의미를 갖는다.
우주물체 전자광학 감시 시스템 개발로 현재 운영 중이거나 폐기된 저궤도 인공위성의 궤도 정보를 지속적으로 파악할 수 있게 되었으며, 한반도 정지궤도 영역을 상시 관측해 위성보유국으로서 기본적인 우주정보를 획득하고 우주자산 보호 능력을 확보할 수 있을 것으로 기대된다.
뿐만 아니라, 우주물체 전자광학 감시 시스템 개발 기술은 공군의 전자광학 위성감시체계 구축 사업에도 직접 활용되어 국가 우주 위험 대비를 위한 감시체계 구축에 기여함은 물론, 우주산업 기반을 확대하고 신산업 창출에 크게 기여할 것으로 기대된다.
Win Tech는 공공연구기관의 연구성과 확산을 위해 국가과학기술연구회(NST)가 선정한 “2017 출연(연) 우수연구성과 10선” 기술을 선별하여 게재하고 있습니다.