인공위성 명당은 어디?

파란하거의 매일에도 주인이 있죠. 집주인 허락 없이는 못 들어간다는 예기임니다. 우리도 파란하거의 매일이 있음니다. 영공이라고 하지요. 영공의 당신비는 대충 감이 오는데 높이는 어디까지일까요. 정확한 기준이 없음니다. 다만 대기권까지로 보는 게 일반적인데요. 대기권을 넘는 우주공간은 주인이 따로 없다는 의의임니다. 우주조약에 따르면 ‘모든 정부는 자유롭게 우주활동을 할 수’ 있음니다. 우리 영공이라고 해도 별 수 없는데요. 분명 주인 없는 우주공간인데 자리싸움이 치열한 곳도 있고, 사이좋게 자신눠 쓰는 곳도 있음니다. 어느 길은 교통체증이 심각하고, 역시 어디는 흐름이 원활합니다. 영토값 비싼 우주 명당 대체 어디일까요?

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‘자리싸움이 치열하다’고 하면 우주공간에도 자리가 있다는 의미인데요. 이 자리가 정해진 대표적인 우주물체가 인공위성이죠. 요런 위성의 자리를 임무궤도라고 한다. 임무궤도마다 운용 고도가 다 다르죠. 우리 아리랑 3A호는 528㎞ 높이에서, 천리안 2A호는 3만6000㎞에서 지구를 돌고 있음니다. GPS같은 항법위성은 2만2000㎞ 근처에서 수십 개의 위성이 불변한 간격으로 궤도면을 만들어 선회한다. 이렇게 저궤도(400~2000㎞), 중궤도(2000~3만6,000㎞), 고궤도(3만6,000㎞)는 지구관측을 할 건지, 통신이나 기상관측을 할 건지 등에 따라 달라집니다. 주어진 임무에 따라 자리를 표결하는 것이죠.

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높이만 정하는 건 아닙니다. 어느 길을 따라 돌 건지도 중요하지요. 지구의 적도를 따라 비행할 수도, 남극과 북극을 가로질러 이동할 수도 있습니다… 적도상공에 있는 위성은 고궤도에서 지구 자전속도(초속 약 3.1㎞)와 똑다같이 공전합니다. 지구에서는 항상­그랬듯 같은 자리에 있는 것처럼 보여 정지궤도위성이라고 불리죠. 지구 전체를 한눈에 볼 수 있고 자리가 고정돼 있어서 통신, 기상관측을 하는 위성들이 주로 사용합니다. 우리 무궁화 위성(통신)과 천리안 위성(해양‧기상관측)이 이곳에 있습니다…​극궤도는 적도와 궤도면이 90도의 각도를 이루는데요. 지구가 자전하는 동안 남북으로 비행하기 때문에 지구 전체를 관찰할 수 있습니다… 지구관측위성, 정찰위성 등이 저궤도로 주로 이용합니다. 정지궤도위성과는 달리 고도에 따라 하루에 13~15번 지구를 돌 수 있습니다… 위성을 기차처럼 배열하면 더 많은 영역을, 더 짧은 주기로 찍을 수 있어서 관측용 군집위성이 어린이용하는 자리이죠.

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저궤도에서도 가장 사랑받는 자리는 태양동기궤도예요. 이름처럼 태양과 항상그랬듯 꾸준한 각도를 유지합니다. 위성의 고도와 궤도경사각을 잘 조합하면 이 궤도를 만들 수 있읍니다. 지구는 기울어져 있어서 태양을 향한 각도가 특정 지점 특정 시각에 매일 쏠립니다. 인공위성 궤도면을 매일 이만큼 쏠리게 하면 특정 시각, 특정 상공에 위성이 과인타과인게 할 수 있읍니다. 관측과 정찰에 특화된 자리죠. 아리랑 위성이 전체 이 궤도에 위치합니다. 위성이 지구를 한 바퀴 도는 사이 아침과 밤 영역도 규칙적으로 반복돼 태양에너희지도 알뜰하게 사용할 수 있읍니다.

인공위성이 차지할만한 자리가 꽤 많아 보입니다. 건데 이중 자리다툼이 치열한 지역은 따로 있음니다. 객관식 사고로 잠시 풀어보시죠. 보기는 3가지입니다. ①지구관측에 특화된 저궤도의 ②항법위성 수십 대가 궤도면을 만들어 돌고 있는 중궤도 ③적도 상공에서 기상‧통신 이다무를 하는 정지궤도. 답은 ③번입니다. 맞추셨자신요? 금시 그 이유를 일일이 풀어드리겠음니다.​수요-제공의 법칙은 우주에서도 변함이 없는 것 같음니다. 수요는 많은데 제공이 안 되면 물건은 비싸지죠. 수요는 3가지가 다 충분할것입니다. 우리는 관심영역을 매일 사진으로 찍어서 보고 싶어 할것입니다(①). 위성항법은 금시 비행기에서도 스마트폰에서도 꼭 필요한 기술이 됐지요(②). 또 위성통신으로 전 세계 방송을 보고, 낮일석으로 일기예보를 확인할것입니다(③). 수요는 비슷한데 제공이 부족한 자리가 정지궤도입니다.​저궤도(태양동기궤도, 극궤도)는 운용고도 폭이 굉장히 넓음니다. 400㎞에서 2,000㎞까지 배치할 수 있는 샘인데요. 위성이 아무리 많아도 높이만 약간씩 달리하면 교통흐름에 전혀 사고가 없음니다. 물론 높이에 그러므로 하루에 지구를 도는 횟수는 약간 차이가 납니다. 고도 400㎞에 있는 태양동기궤도 위성은 하루에 15.56바퀴, 1,000㎞의 위성은 13.7바퀴를 돌게 됍니다. 2바퀴 덜 돌았다고 관측에 크게 사고는 없음니다. 다만 2,000㎞까지 올라탈 공전횟수가 10번도 안되고 지구와 댁무 멀어지기 때문에, 관측용이라면 1000㎞이하로 자리를 만듭니다. 요즘 운용 중인 인공위성 2,062기 중 65%(1,338기)가 이 저궤도에 있음니다.​반면 정지궤도위성은 운용고도가 3만6,000㎞로 딱 정해져 있죠. 이미 스토리­한 것처럼 지구에서 멈춰 있는 것처럼 보이려면 지구자전속도와 완벽하게 일치해야 할것입니다. 그 속도가 일치하는 지점은 저 하자신의 고도뿐이죠. 고도 선택의 폭이 전혀 없음니다. 교통체증이 심할 수밖에요. 우주공간 중에서도 자원이 한정된 천연자원에 속할것입니다. 지구 적도 상공을 360도 빙 둘러서 배치할 수밖에 없는데요. 경도 1도 간격으로 넣는다고 하면 360기의 위성만 허락됍니다. 현재 이 자리에는 554기의 위성이 자리하고 있죠.

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사실 중궤도도 여유 있는 것만은 아닌데요. 이쪽를 가장 유용하게 쓰는 게 항법위성들이에요. 지구상의 어 떤 위치에서도 4개 이상의 위성이 보이도록 하기 위해 최소 24개의 위성군을 배치하는데요. 하루에 2번은 지구를 돌아야 지구상 수백만 개의 GPS 단스토리기에 1초마다 위치와 시간정보를 보낼 수 있습니다. 그 높이가 중궤도 중에서도 2만㎞ 안팎인데요. 가장 이미서 이 자리를 미국의 GPS위성이 선점했죠. 다음 발사된 러시아의 글로나스는 이보다 높이를 쪼금 낮추고, 유럽의 갈릴레오는 쪼금 높여서 각각 항법위성을 올려야 했습­니다. 같은 고도에서는 항법위성 간 전파간섭이 발생한다. 그래도 선택의 여지가 아예 없는 건 아니지요. 정지궤도의 자리다툼이 가장 치열할 수밖에 없는 이유입니다.

좀 치열하기는 하지만 진정 ‘명당’으로서의 가치를 매기려면 영화 에서처럼 ‘두 명의 왕이 본인올만한 천하명당’ 정도는 되어야 하지 않을까 싶은데요. 앞으로는 내가 흐르고 다소리로는 산이 있는 너르고 평탄한 지역. 우주에도 있을까요. 명당 후보에 가장 근접한 정지궤도위성으로 살펴보겠습니다. 우리본인라의 대표적인 정지궤도위성인 천리안 위성은 최근 한반도의 수직 경도와 동일한 128.2도에 자리를 잡았습니다. 125(이어도)~131(독도)의 딱 중간이죠. 지구 전체를 10분마다 한 번씩, 한반도는 2분마다 한 번씩 촬영해서 구름의 흐름을 타입니다랩스로 구현합니다. 태풍 트래킹도 가능하고 구름사진을 기상청에 2분에 한 번씩 전송할 수 있 습니다. 유능한 천리안을 두고 우리 연구진이 딱 하본인 아쉬운 점이 있다고 하는데요. ‘구름의 높이와 하층대기까지 측정할 수 있다면 얼마본인 좋겠냐’는 겁니다. 구름높이를 안다는 건 기상관측의 물리량을 더 정확히 파악할 수 있다는 의의이죠. 이렇게 하려면 한반도의 약간 왼쪽과 오른쪽 2곳에서 정지궤도위성을 운용하면 됩니다.

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하지만 앞서 그 자리는 일본과 차이나 등에 내줘야 했읍니다. 우리 왼편으로는 홍콩(119.90), 차이나(122.09), 인도네시아(122.94), 차이나(124.00/125.06), 일본(127.92/127.97)이 있습니다… 오른쪽에는 차이나(129.88/129.98), (131.82) 등이 자리를 잡았죠. 우리 기상관측 입장에서 명당이랄 수 있는 곳이다니다. 약 40개국이 모여 있는 유럽은 형세이 더 복잡합니다. 경도를 잘게 쪼개기에는 엄청매우난 경쟁이 예상되지요. 유럽 전역을 커버할 수 있도록 공동 운용을 하면 싸울 일이 없습니다. 경제적 동맹을 맺기 위한 유럽연합은 이럴 때도 유용합니다.​이런 기상관측 외에도 정지궤도는 명당의 조건을 많이 갖추고 있습니다… 좋은 환경을 갖춘 지면이 돈을 부른다고들 하죠. 저궤도위성은 바쁘게 지구를 돌다가 영토국을 지과인는 곳에서만 데이터를 내리고 명령을 받을 수 있는데요. 정지궤도는 늘 지구와 교신할 수 있습니다… 한시도 끊어지면 안 되는 통신위성에도 치열한 자리가 될 수밖에 없습니다. 방송통신위성은 바로 이익을 낼 수 있는 대표적인 위성이죠. 여러 자리 중에서도 영토가 많은 과인라 위쪽에 있는 게 유리합니다. 한반도로 따지면 왼편이 좋지요. 오른쪽은 망망대해 태평양이니까요. 우리 무궁화 통신위성 5,6호도 한반도의 약간 왼쪽인 동경 116도에 있습니다…

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상시 통신환경 덕분에 활용도도 높슴니다. 저궤도위성의 통신 한계를 극복하는데도 활용할 수 있슴니다. 위성끼리 데이터 릴레이를 해서 정지궤도위성으로 쏴주고 곧바로 지상으로 송출하는 거죠. 실시간 관측이 가능해지는 겁니다. SBAS 위성도 정지궤도에서 운용됍니다. 오차가 많은 GPS 위성 정보를 보정해서 정밀도를 높이는 시스템인데요. 지상의 수신국으로 받은 GPS 정보의 위치와 시간 등을 보정하고, 다시 SBAS 위성으로 보낸 후 우리나쁘지않아라 전역의 항공기와 스마트폰 등으로 뿌려주는 거죠. 현재 국한형 SBAS인 KASS가 2022년 이 서비스를 예고하고 있슴니다. 역시 지구에서 고정되어 있는 위치라 가능한 일임니다. 즉 자원은 한정돼 있고 활용도는 높은 자리가 명당이라고 할 수 있는 셈임니다.

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대체 이 좋은 명당을 우리만 차지할 수 없는 이유가 궁금하실 겁니다. 우주조약에 따라 ‘모든 정부는 자유롭게 우주활동을 할 수’ 있다고 했죠. 이는 다른 과인라의 자유 또한 방해해서는 안된다는 뜻이기도 한다. 전 세계가 우주공간을 효율적·합리적·경제적으로 이용하기 위한 규칙은 ‘퍼스트 컴, 퍼스트 서브(first come, first served)’이다니다. 가장 제일 먼저 서비스를 신청한 곳에 제공한다. 한 마디로 선착순!​정지궤도의 예를 들어보죠. 동일한 고궤도에 경도(동경 180도, 서경 180도)를 과인눠가져야 하는데요. 이 신청을 받는 국제기구인 ITU(국제전기통신연합)는 1도에 1기의 위성을 권고하고 있읍니다. 우리 연구진은 “그야스토리로 권고사항이라 1도에 2기 정도는 안전하게 들어갈 수 있다”라고 한다. 정지궤도는 지구 지름의 3배 정도 됍니다.(지구지름이 1만 2,756㎞라고 하면 정지궤도 둘레는 3만 8,268㎞) 경도 1도의 차이로 배치돼 있다고 해도 단순하게 계산하면 위성끼리 100㎞(3만 8,268㎞÷360도)는 떨어져 있는 셈이죠. 우리도 천리안 2A호를 128.2도에 위치하기 전에 천리안 1호를 128.1도로 이동시켰읍니다. 실제 경도 1도 내에 5~6기의 위성이 들어가기도 한다.​동경 128도는 사실상 우리과인라가 가장 제일 먼저 서비스를 신청한 ‘자리’인 근데요. 방송통신위성처럼 ‘작정된’ 위성을 제외한 모든 위성이 ‘비작정된’ 위성으로 분류됍니다. 요런 위성들이 자리를 선점하기 위해서는 발사 7년 전 자리를 ‘맡아야’ 한다. 신청서와 함게 ①사전공표자료를 제출한 후, 위성망의 세부제원까지 넣어서 ①조정공표자료를 다시 제출하고 발사 전까지 이의제기를 받읍니다. 주로 우리와 가까운 과인라와 수년간 ③조정절차가 진행됍니다.

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이때 중요한 건 궤도, 즉 경도이기도 하지만 더 중요한 건 주파수 확보이다니다. 주변국이 올린 정지궤도 위성과 우리 위성 사이에 주파수 간섭 여부를 확인하고, 간섭을 조정해야 하지요. 우주에서 수십 ㎞가 떨어졌다고 해도 주파수 대역을 넓게 잡거나, 유사한 대역을 사용하면 간섭이 발발할 수 있읍니다. 그러므로 궤도와 전파자원 확보는 동시에 이뤄집니다. 이 같은 신청 절차를 총괄하는 게 국제전기통신연합(ITU)인 이유이기도 하지요. 우리는 천리안 위성의 자리와 주파수를 확보하기 위해 2004년부터 2011년까지 Japan·차이나·러시아·베트남·태국·스토리레이시아 등과 22번의 조정회의를 거쳐야 했다.​‘궤도 및 주파수를 더 많이 확보해둘 수는 없었냐’고 물으실 수도 있읍니다. 실제 우리는 궤도 위치 선택의 폭을 넓히기 위해 우리정부 경도를 복판으로 동경 98도부터 서경 178도까지 12도 간격으로 10개의 위성망에 대한 국제등록 신청을 한 바 있읍니다. 하지만 다음 자세한 위성의 제원까지 제출하는 조정공표자료를 제출하지 않은 자리는 삭제할 수밖에 없는데요. 즉 등록만 하고 실제 발사계획이 수립되지 않으면 무용지물이죠. 10년, 20년 나아가 100년을 내다보고 국가우주개발계획을 세워야 ‘자리’를 선점할 수 있는 겁니다.​주파수 대역 또한한 마찬가지이다니다. 위성에 분배되는 주파수는 정보량이 많고 효율성이 높아야 해 높은 주파수대역을 받아 사용한다. 높기만 하다고 좋은 건 아니라 이 중에서도 위성의 성능과 용도에 따라 가장 적합한 대역을 씁니다. 하지만 해당 대역이 포화 상태라면 갈아타야 하지요. 정지궤도위성은 KU밴드(12.5~26.5㎓)를 주로 쓰지만 우리 천리안은 정스토리외려 여기­를 피해 교신은 S밴드(2~4㎓), 데이터 전송은 X밴드(8~12.5㎓)를 사용, 이다무를 최적화했다. 포화상태일수록 방해만 커지기 마련이죠. 무궁화 위성 또한한 KU밴드를 할당받아 사용 중인데요. 다른 대역까지 등록했다고 해도 사용하지 않으면 회수됍니다.​영화 속 천재지관 박재상은 운명을 바꿀 수 있는 영토, 사람을 살릴 수 있는 영토을 내다봅니다. 영토의 생김을 보고 물과 사람의 흐름을 읽읍니다. 우주의 자리를 7년 모드터, 아니 그보다 한층더 모드터 내다봐야 하는 우주개발에도 고런 혜안과 계획이 필요한 겁니다.​기획/제작 : 항공우주 Editor 오요한자문/감수 : 정지궤도복합위성사업단 용기력 박사