기존 위성들은 탑재체 성능 향상을 위해 많은 연구 개발이 있었고, 위성 탑재체 크기를 증가시켜 성능을 향상하는 형태가 많았다. 이는 위성체 전체의 크기및 무게 증가로 인한 발사 비용 증가, 발사체 탑재공간 한정 등의 한계를 가지고 있었다. 또한 각 국가의 정부 주도로 위성을 개발하였다. 하지만 최근에는 정부 주도의 위성개발에서 민간주도의 위성개발로, 대형 위성에서 중형 위성 군집(Constellation)으로, 중형 위성에서 소형 위성 군집으로 패러다임이 변화하고 있다.
위성 군집화 실현을 위한 최신 기반기술로는 재사용 발사체 상용화 및 위성 제작기술(H/W, S/W) 향상 등이 있다. 재사용 발사체는 발사 로켓을 회수해 재사용하는 개념으로 스페이스엑스(SpaceX)사가 선도하고 있으며, 로켓 제작 시간을 단축하고 제작 비용이 절감되는 효과를 얻을 수 있다. 이러한 발사 비용 절감은 위성 제작 기술 및 방향에도 많은 변화를 불러일으켰다. 위성 제작기술 향상을 중심으로 군집 위성 개발 현황을 소형 위성과 중·대형 위성으로 나누어 트렌드를 조사하였고 뉴 스페이스 시대의 위성 개발 방향과 변화를 예측해 보고자 한다.
위성의 분류 및 기능
위성의 분류 기준은 다양하지만, 무게를 기준으로 소형 위성(500kg 이하), 중형 위성(500~1,000kg), 대형 위성(1,000kg 이상)으로 구분할 수 있다.
또한 위성들은 운용궤도에 따라 저궤도, 중궤도, 정지궤도, 고타원궤도 위성 등으로 구분할 수 있다. 저궤도 위성은 지구 표면으로부터 고도 125~2,000km 범위에 위치하며, 주로 지표면, 대기, 해양 등을 관측하는 지구관측 위성으로 활용된다. 중궤도 위성은 고도 2,000~36,000km까지의 궤도에서 운용되며, GPS, Galileo 등 위성항법 시스템에서 주로 사용된다. 정지궤도 위성은 고도 36,000km에 위치하여 지구 자전 속도와 동일하게 지구를 공전하기 때문에 상공에 정지해있는 것처럼 보이며, 통신, 중계, 관측 등의 용도로 사용된다. 고타원궤도는 근지점이 1,000km 미만이고, 원지점이 36,000km 이상인 궤도를 의미하며, 고위도 지역에서 장기간 위치할 수있기 때문에 통신, 정찰 위성에서 많이 활용하는 궤도이다.
마지막으로 위성의 탑재체에 따라 위성을 구분할 수 있으며, EO(Electro Optical, 전자 광학), SAR(Synthetic Aperture Radar, 합성 개구 레이더) 및 Hyperspectral(초분광) 탑재체와 같은 영상 촬영용 탑재체를 적용한 지구관측 위성, TV 또는 음성신호 중계, 인터넷 서비스 등을 제공하는 통신위성 등으로 구분할 수 있다.
소형 위성 발전 방향
2020년 유로컨설트(Euroconsult)의 “Smallsat Symposium, Silicon Valley 2020”에 따르면 2028년까지 8,500대의 소형 위성 중 7,000대가 군집으로 운용될 것으로 전망하고 있다(그림 1). 소형 위성의 군집화가 가능해진 가장 큰 이유는 위성의 제작기술 및 위성에서 획득한 영상의 처리기술 향상으로 구분할 수 있다. 위성의 제작기술 측면을 살펴보면, 전기·전자 분야의 기술 발전으로 회로의 집적화, 부품의 소형 및 경량화, 신뢰도 향상이 가능해짐에 따라 전장품의 크기 및 무게는 감소하고 성능은 향상되었으며, 기계 분야에서는 신소재 개발로 위성체 구조물 경량화 및 강건성을 확보할 수 있게 되었다.
또한 위성을 통해 획득한 데이터를 처리하는 영상 처리 기술(Artificial Intelligence, Deep learning, Super-Resolution 등)의 발전에 따라 고해상도(1m 이하) 영상 여러 장을 이용하여 초고해상도(0.5m 이하) 영상을 생성할 수 있게 되어, 목표 공간 해상도보다 낮은 사양의 위성을 활용하여도 군집화를 통해 각위성이 획득한 정보를 조합하여 보다 나은 해상도의 영상을 제공할 수 있게 되었다. 이로 인해 고성능의 중대형 위성 1기의 제작 비용으로 상대적으로 낮은 성능의 소형 위성 여러 대를 동시 제작하고 발사하여 군집화함으로써 임무 수행 능력을 극대화할 수 있다.
현재까지 운용 또는 개발 중인 소형 군집 위성의 사례들은 다음과 같다. 미국의 플래닛랩(Planet Labs)사의 도브(Dove) 위성(4kg)은 88대의 초소형 군집 위성으로 3m급의 해상도로 원하는 지역을 매시간 촬영할 수 있고, 우주용 부품이 아닌 일반 부품을 장착했다는 특징이 있다. 또한 플래닛랩사의 120kg 급 위성 스카이샛(SkySat)은 21기 군집 운용을 통해 서브미터급(50~80cm급)의 해상도로 영상을 제공하고 있다. 핀란드의 아이스아이(ICEYE)는 85kg 소형 위성 18대(15대 발사)의 군집 운용을 통해 SAR 관측 임무를 수행하며, 초해상 기술을 통해 동일 지역을 반복 촬영한 이미지를 합성하여 0.25m 고해상도의 SAR 영상을 획득할 수 있다.
또한, 통신 서비스 제공을 목적으로 소형 군집 위성이 활용되기도 한다. 위성을 통한 통신 서비스는 유선 통신이 제공되지 않는 지역을 포함하여 전 지구적인 서비스가 가능하며, 별도의 지상 장비나 기기 없이 무선 통신을 제공할 수 있다. 통신 서비스는 문자·통화 서비스와 인터넷 서비스로 구분할 수 있다. 소형 군집 위성을 통한 문자·통화 서비스의 대표적인 예는 미국의 오브콤(Orbcomm) 위성이다. 오브콤 위성은 13.6~172kg 위성 47대의 군집 운용을 통해 전 세계를 대상으로 서비스를 제공하며, 사용자 문자메시지의 99.9%는 지연시간(Latency) 15분 이내로 전달된다. 소형 군집 위성을 활용한 인터넷 서비스는 현재 세계 각국의 회사들이 경쟁적으로 구축하고 있으며, 대표적으로 미국 스페이스엑스사의 스타링크(Starlink) 위성군과 영국에 본사를 둔 글로벌 기업인 원웹(OneWeb)사의 원웹(OneWeb) 위성군이 있다. 스타링크는 227~260kg 위성 42,000대(현재 1,740대)를 궤도상에 배치하여 100Mbp(다운로 드)/20Mbps(업로드) 속도로 인터넷을 제공할 계획이며, 지연시간은 25ms(5G 서비스 수준)로 예측된다. 원웹은 150kg 위성 648대(254대 발사)를 궤도상에 배치하여 50Mbps(다운로드)/25Mbps(업로드) 속도로 인터넷을 제공할 계획이며, 지연시간은 50ms로 예측된다.
중·대형 위성 발전 방향
중·대형 위성의 대표적인 상업용 지구관측위성은 미국의 맥사(Maxar)사에서 운용 중인 월드뷰 (WorldView)가 있다. 월드뷰(WorldView) 시리즈는 1호기가 발사된 2007년부터 현재까지 고해상도 탑재체를 적용한 중·대형 위성의 개발에 대한 최신 트렌드를 살펴볼 수 있다.
이는 소형 위성과 마찬가지로 군집화를 통한 성능의 향상이다. 맥사사는 향후에 750kg 중형급의 EO 위성 6대를 발사할 예정이며, 월드뷰 리전 컨스털레이션(WorldView Legion Constellation)으로 명명하였다. 이렇게 대형 위성에서 중형 위성 군집으로 변화하게 된 이유는 군집 위성을 통한 정보획득 빈도 증가, 정보획득 지역의 확장, 영상처리를 통한 고해상도 영상 생성이 가능했기 때문이다.
위성 간 통신(ISL, Inter Satellite Link)
최근에는 위성 간 통신(ISL, Inter Satellite Link)을 사용하여 군집 위성의 운용 효율을 극대화하고 있다. ISL 사용은 지상국과의 교신이 불가능한 위치에 있는 위성과도 통신을 수행할 수 있고, 위성간 거리 측정, 명령 정보 등의 데이터 교환으로 지상국의 개입을 최소화하고 군집 비행 등을 자동화할 수 있다. 기존 ISL은 동일 궤도선상의 위성 간 통신에 적용되었으나, 최근에는 저궤도-정지궤도-심우주 탐사 등 다양한 궤도상의 위성 간 통신을 통해 임무 효율을 극대화할 수 있도록 적용되고 있다. 다양한 궤도상의 위성 간 ISL 통신의 예로 유럽의 EDRS(European Data Relay System) 시스템과 미국의 TDRS(Tracking and Data Relay Satellite) 시스템이 있다. 이 시스템은 정지궤도 위성을 중심으로 UAV, 저궤도 위성, 심우주 탐사선 등이 데이터를 상호 교환하고, 이를 통해 획득한 정보를 정지궤도 위성을 통해 지상으로 전송하여 지속적인 시스템 내 정보 공유가 가능하다.
뉴 스페이스 시대 한국항공우주산업㈜의 준비
앞서 살펴본 바와 같이 위성 개발의 세계적인 추세는 소형 경량화 및 군집화로 전환되고 있으며, 정부 기관 주도의 개발 및 운용에서 민간기업 주도의 개발 및 운용되는 것으로 변화하고 있다. 뉴 스페이스 시대에는 위성 소형화 및 군집화가 핵심 요소로 자리 잡게 되면서 대량의 위성생산 기반 또한 중점적인 투자가 필요할 것으로 판단된다. 아울러, 민간기업 주도의 위성 개발은 비용 측면에서 효율성이 중요하므로 위성 설계의 최적화 및 위성에 활용되는 부품의 최적화가 동반되어야 한다. 이러한 뉴 스페이스 시대에 맞추어 한국항공우주산업㈜는 국내 최대규모의 민간 우주 센터를 신설하여, 위성 설계부터 생산까지 일괄(One Site-One Stop) 개발 체계를 구축하였다.
