인공위성 수만큼 땅에 안테자신가 필요할까?

최근 아메리카 스페이스 X는 전 지구 인터넷 서비스를 제공하기 위해 우주 공간에 12,000기의 위성을 발사할 계획입니다. 역시 최근에는 여러 기의 위성을 동시에 운용하는 군중 위성이 운용되고 있습니다. 우주공간에 위성이 많아 지면이 위성과 통신, 즉 위성을 작동하기 위한 명령을 송신하고 위성이 촬영한 데이터 등을 지면에서 수신받기 위한 지면의 안테나 자신수도 그만큼 늘 막연한지 살펴본다.​

정지궤도 위성은 적도 약 36000km 상공에 위치해 지구의 자전 속도와 같은 속도로 돌고 있기 때문에 지구에서 보면 위성이 정지하고 있는 것처럼 보입니다. 이 궤도에는 24시 때때로 지상을 계속 관측하는 방송통신 중계를 하는 위성이 빽빽하게 발사되고 있다. 여기 한국의 천리안 위성이 있는데, 이 위성들은 한반도만 바라보기 때문에 이들 위성과 통신을 하려면 지상에는 분명히 전용 안테나가 설치되어 있어야 합니다.그리고 정지궤도용 위성 안테나는 위성의 방향에 맞추어 안테나의 각도를 좌우와 상하로 움직일 필요가 없는 한 지점만을 목표로 하는 안테나입니다. 적도 상공에 있는 위성의 위치에 맞추어 북위 33도~39도에 있는 대한민국에서는 정지궤도 위성 안테나를 대개 남쪽을 향해 설치하도록 합니다. 천리안 위성 1호는 동경 128.2도, 천리안 위성 2A, 2B호는 128.25도에 위치하지만 전체 적도 상공에 있기 때문입니다. 천리안 위성이 있는 곳은 너무 멀어서 한반도 내 어디든 통신할 수 있는 범위와 속도는 동일합니다. 단 부지를 선정할 때는 안테나가 향하고 있는 곳에 건물이 과인 산이 있어서는 안 된다. 직진하던 전파가 방해가 될 수 있으니까요.이론적으로 위성통신의 범위는 앙각(낮은 곳에서 높은 곳에 있는 목표물을 올려다볼 때 시선과 지평선이 이루는 각도) 5도 이상이면 가능합니다. 예를 들어 시과인모 마을이 과인 검토 등에 대비해 안테나 과인을 추가로 설치 운영하는데 현재 우리가 운용하고 있는 천리안 위성은 천리안 1호와 천리안 2A, 2B호 3대의 정지궤도 위성을 보유하고 있으며 안테나도 3기+백업용 1기 등 총 4기입니다.

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천리안 2A/2B호 안테나 자신 타임니입니다 랩스 영상 ttps:/www.youtube.com/watch?v=z4GZx0o587Y

아리랑 위성과 같은 저궤도 위성은 통상 고도 500700km의 남극점과 북극점을 경유하는 태양동기궤도를 돌고 있다. 이 궤도는 지구를 정밀하게 관측하기에 좋은 궤도로 한반도를 합격하는 시간대가 일정하지 않습니다. 즉, 방문주기가 다르기 때문에 1기의 안테나 결여로 복수기의 위성과 통신이 가능하다. 실제로 아리랑 위성은 한반도 지면국과 교신할 수 있는 횟수는 moning 밤을 합쳐 하루에 3번 정도로 한반도 남쪽에서 북쪽까지 2분 만에 합격한다. 매우 속도로 한반도 상공을 나아갈 때 위성 안테나 나쁘지 않다로 위성에 명령을 보내거나 위성이 촬영한 영상을 동시에 내려받는 작업이 이뤄진다.위성이 한반도 위를 지나가지 않는 시간은 2분(약 1,000km)이지만 통신 범위는 한반도 아래에서 위로 약 2500km 정도인데 이 범위를 친국어가 나쁘지 않으면 더 이상 위성과 교신할 수 없게 됩니다. 저궤도 위성은 대개 1초에 7.8km의 속도(K-2 소총 탄환이 초당 920m)로 정화를 나누는 동안 위성이 지나가기 때문에 한순간도 놓치지 않기 때문에 위성이 남쪽에서 올라오기 전에 안테나답지 않게 남쪽 방향으로 각도를 맞춰 미리 준비해야 한다. 그 짧은 순간을 1초라도 놓치지 않기 위해 저궤도용 안테나 뒤떨어지지 않는은 스탠바이(스탠바이)를 하고 올라오는 위성의 궤도를 따라 안테나 못지않은 방향을 전환해야 하기 때문에 정지궤도용과는 다른 고사양 구동 모터 등이 필요하다.위성 1기와 교신을 한 뒤 안테나는 나쁘지 않지만 시간을 두고 한반도에 접근하는 위성과 교신할 수 있기 때문에 위성 안테나가 나쁘지 않아도 여러 기의 위성과 교신이 가능하다. 물론 처sound 위성을 발사할 때 발사시간을 표결하는 요소 중 하나임에 틀림없지만 한반도를 지나가지 않은 다른 위성과의 방문 주기를 고려해 얼마나 간격으로 위성이 한반도를 지나가지 않고 점포에 위치하는지를 고려해야 한다. 이것에 의해, 1기의 위성 안테나에 어울리지 않아도, 충분히 복수기의 위성을 관제할 수 있게 됩니다. 한국항공우주조사원 대전본원은 이처럼 안테나가 낮지 않아 2기로 현재 위성 4기를 운용하고 있다. 이 숫자는 하나의 안테나 쁘띠가 촌락된 경우에 사용하는 백업용 안테나 쁘띠를 포함한다.최근에는 위성 기술의 발전과 위성 수요로 많은 초소형 위성이 발사되고 있다. 또 과거와 달리 여러 기의 위성을 동시에 운용하는 군중위성이 많이 발사되고 있다. 미쿠의 플라넷 랩스는 지구상에 150여기의 소형 위성으로 지구를 실시간으로 관측하고 있다. 군중위성도 마찬가지여서 교신을 할 때는 안테나에 지지 않도록 써야 하지만 방법은 아리랑 위성의 교신 방식과 같다고 한다. 즉, 시차를 두고 하나의 안테나가 뒤지지 않는 것을 여러 개의 위성이 이용하고 있는 것입니다. 그래서 한 곳에 나쁘지 않게들만의 안테나, 작게로 부족할 경우 이미 구축된 다른 육지의 안테나, 나쁘지 않게를 계약에 따라 사용료를 지불하고 데이터를 송수신한다. 이른바 지면국 서비스만 하는 기업이 생겼다.참고로 우리 측이 발사한 아리랑 위성은 하루에 15바퀴를 돌지만 한반도 상공을 하루 2~3차례 정도 지나 위성 상태를 더 자주 파악하기 위해 세종과학기지에 안테나가 뒤지지 않기 때문에 관제데이터를 수신하고 있다. 또 국제공조를 통해 북극에 가까운 위치에 위성 안테나 푸아시아를 설치해 더 자주 위성과 교신을 하고 있다. 그러나 남극은 매우 춥고 눈바람이 강해 접시형 안테나 플레이지어가 아닌 돔 내에 위성 안테나 플레이지어를 설치해 운영한다. 국내와 안테나는 빠지지 않는다고는 전용망을 통해 관리하고 있어 남극의 여름철에 안테나는 빠지지 않기 때문에 점검을 위해 남극까지 점검하러 가는 경우가 있습니다.

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이렇게 정지궤도위성과 저궤도관측위성에 필요한 안테나 인수를 설명하면 이런 의문이 든다. 그러면 스페이스엑스에서 추진하는 스타링크 위성은 12,000기의 발사를 목표로 하고 있는데, 가장 작은 것으로 몇천 개 이상의 안테나가 필요할까요? 아닙니다. 위와 같이 전 세계의 수많은 안테나 본인을 사용하면 위성의 개수만큼 안테나 본인을 구축할 필요가 없습니다.여기서 관제 데이터와 데이터에 대한 이해가 필요합니다. 관제 데이터는 위성과 안테나가 상호 통신하면서 위성 상태에 대한 데이터를 주고받는 개념으로, 데이터는 예를 들어 관측 탑재체라면 영상 데이터를, 기상 탑재체라면 기상 데이터를 의미합니다. 아리랑 위성을 관제하는 안테나 본인은 위성이 한반도를 지날 때 위성 상태에 대한 관제 데이터와 위성이 촬영한 영상 데이터를 동시에 수신하거나 위성의 자세제어 명령(관제 데이터) 본인의 영상 촬영( 데이터) 명령을 전송합니다. 천리안 위성의 지면 안테나 본인도, 오전중까지의 사이에 위성이 촬영한 영상과 관제 데이터를 몇분 간격으로 계속적으로 수신합니다.스페이스엑스 스타링크 위성의 경우 전 세계에 있는 지국 안테나에서 위성의 관제 데이터만 수신합니다. 중계 기능을 하기 때문에 관제 데이터만 수신하고 인터넷 콘텐츠 데이터를 수신하지 않는다. 즉, 스페이스 X는, 지국 안테나로부터 들어오는 수천대의 위성 관제 데이터를 수신하면서 위성의 상태를 점검합니다. 이를 위한 소프트웨어 및 장치를 개발하여 관리된다고 합니다. 이 때문에 한 대의 안테나 본인에게 수십수백 기의 스타링크 위성 관제 데이터를 수신할 수 있다. 물론 전 세계 곳곳에 위치한 안테나 본인으로부터 수집한 관제 데이터를 모아 위성 상태를 관리하는 중앙 관제소가 필요할 것입니다. 스페이스 X가 12,000개의 위성을 관제하는 안테나인지 전 세계가 몇 개는 알고 있지 않다고 합니다.방송통신위성이 본인의 스타링크와 같은 위성 데이터, 즉 방송 프로그램, 인터넷 데이터는 사용자끼리 직접 주고받는다. 이른바 컨텐츠도 이용자가 만들어, 이용자가 올리고, 이용자가 수신한다고 소견해 주세요. 스카이라이프 접시 안테나 같은 개개의 안테나를 소견하면 전 세계 수백만 대의 안테나를 통해 인터넷도 하고 필요한 영화도 내려받아 시청하고 있다. 모두 이 중계위성으로 이용자끼리 주고받는 것입니다.​

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그럼 달이나 태양계 탐사를 떠나 멀리까지 간 보이저호와의 통신에는 어떤 안테나가 사용되는 것일까요? 여기에는 저궤도 위성이나 정지궤도 위성과 교신하는 안테나와는 다른 성능의 안테나를 사용한다. 이름도 심우주 안테나라고 불리는데 이런 심우주 지상 안테나는 성능이 뛰어나야 한다. 지구-달 거리는 약 38만 km, 통상 4만 km 안팎의 고궤도보다 10배는 먼 거리다. 지구궤도용 통신보다 전파 강도도 더 세야 하고 더 높은 주파수 대역을 써야 합니다. 접시 안테나(파라볼라 안테나)의 반사판도 정지궤도·저궤도용이 직경 3m 이내라면, 심우주 통신용은 34m급 이상의 고성능 안테나가 필요합니다. 달이 지상국 뒤편으로 갔을 때도 통신이 두절되지 않으려면 세계 전역에서 3곳 이상 안테나를 확보해야 한다.한국도 시험용 달 궤도선을 개발하고 있는데 앞으로 달 탐사선이 달에 가는 동안, 그래서 달로 달 관측을 하는 동안 심우주 안테나를 이용해 통신을 합니다. 당연히 지구가 자전하게 되면 통신을 할 수 없게 되어, 미국 NASA의 협력으로 안테나를 사용하려는 의도이다.심우주 기술을 알고 싶다면? blog.naver.com/karipr/220903392347 점차 우주공간에 위성 수가 폭발적으로 증가하고 있는 가운데 주파수 문제가 심화되고 있다. 이러한 주파수의 분배와 할당을 실시하는 것은, 즉시 국기 통신연합(ITU)이다. 이 위성들이 시간 각 지구를 향해 데이터를 보내 지상국의 명령을 받는 것입니다. 어떻게 수십, 수백만 신호가 꼬이지 않고 정확히 송수신할 수 있는가. 세계적으로 위성 개발이 활발해 영토에서 위성 간 간섭이 없도록 조정하는 역할을 다음에 맡을 ITU가 생겼는데. 각국은 ITU를 통해 주파수를 할당하고 가이드라인에 따라 위성을 발사해야 한다. 「ITU의 가이드 라인을 따르지 않으면 국제적인 범죄를 저지르는 것과 같다」라고 한다.우주와 지구 간 통신에도 라디오나 TV와 같은 방송기기, 스마트폰과 같은 통신기기의 전파가 사용된다. 이때 사용하는 용도나 기기, 사용자, 지역별로 다른 주파수를 받듯 우주-지구 통신도 혼선을 막기 위해 주파수를 각각 나눠 갖는다. 같은 S-밴드 대역이라도 통신 방식(단방향, 양방향 등)이 다르면 큰 문제는 없습니다만, 위성끼리 댁 근처에 있는 이웃 나라 사이에는, 자주 간섭이 염려되거나 실제의 혼란이 발발하기도 합니다. 국제적인 ‘이의제기’를 통해 모든 협상에 임해야 하는 것도 우주개발국가의 의무입니다. 실제로 우리도 천리안 위성 전에 주변국과 22차례의 조정회의를 거쳐야 했다.기획제작 : 항공우주 에디터 이종원 이말 감수: 위성운영부장 정대원 박사

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