우리얘기

모든 위성은 자신만의 궤도가 있습니다.

위성의 임무에 따라 궤도의 형태도 다른데, 일반적으로 고도에 따라 저궤도, 중간궤도, 지구정지궤도 등으로 구분됩니다.

또한 특정 목적을 위해 크기나 모양이 특이한 극궤도, 타원궤도도 있습니다.

○ 저궤도(Low Earth Orbit)

저궤도 위성은 대기 밀도가 거의 0에 가까운, 지구 대기의 최 상층부를 도는 위성입니다.

이러한 저궤도 위성은 지구와 가까이 돌고 있어 지구의 아름다운 광경들을 볼 수 있는데, 우주에서 찍어오는 아름다운 사진들이 거의 저궤도에서 찍어오는 사진들입니다.

또한 대기 밀도가 거의 0에 가깝기 때문에 천문 관측 시에 대기에 의한 영향을 받지 않습니다.

따라서 허블 우주망원경 같은 관측 장비를 궤도상에 올려서 먼 우주를 촬영하는데 사용한 바 있습니다.

저궤도 위성은 주로 고도 500km~1500km이하의 궤도에서 돌고 있습니다.

500km 안쪽에서는 인공위성이 공기저항으로 1년 내에 추락하게 되고, 1500km이상에서는 밴 앨런대로 인해 지자기의 영향을 받게 되기 때문에 500~1500km의 궤도를 유지하도록 하고 있습니다.

다만 특별한 고해상도 사진 획득을 목적으로 하는 첩보위성은 500km 보다 훨씬 낮은 고도에서 단 단 기간 동안 지구를 돌며 정찰 임무를 하고 추락하기도 합니다.

저궤도는 기상 관측, 지구 관측 등의 목적으로 많이 사용됩니다.

우리나라의 우리별 시리즈, 아리랑 시리즈 등의 인공위성이 저궤도 위성입니다.

○ 극궤도(Polar Orbit)

극궤도 위성은 저궤도 위성의 특별한 형태로, 북극과 남극을 잇는 궤도를 돕니다.

위성이 북극과 남극을 도는 동안 지구가 자전하게 되는 데, 그로 인해 인공위성이 서쪽으로 조금씩 치우쳐가는 현상(인공위성의 서편현상)을 볼 수 있습니다.

지구의 전체표면을 관측할 수 있다는 특징이 있으며 이러한 특징을 이용하여 기상위성, 관측 위성, 군사 위성 등으로 사용됩니다.

○ 정지궤도 (Geo-synchronous Orbit)

정지궤도 위성은 지구의 자전 주기와 동일한 공전주기를 가지고 지구 주위를 도는 위성으로 약 3만 6000km고도에서 지구 주위를 돌게 됩니다.

이 때 지구의 자전 주기와 정지궤도 위성의 공전 주기가 같기 때문에 항상 같은 지역의 위에 떠있는 것처럼 보이게 됩니다.

따라서 우리가 하늘을 볼 때 정지한 것처럼 보이게 되는 것입니다.

이러한 정지궤도 위성은 통신위성, 기상위성 등의 목적으로 사용되며, 우리나라 천리안위성이 정지궤도 위성입니다.

○ 타원궤도(Elliptical Orbit)

모든 위성의 궤도는 윈 또는 타원의 형태를 가지고 있습니다.

원형의 궤도는 지구와의 거리, 즉 고도가 일정하고 속도 또한 일정하게 움직이고 있습니다.

반면 타원형의 궤도는 지구로부터의 거리가 일정하지 않아서 고도가 높은 지점과 고도가 낮은 지점이 생기게 됩니다.

이 때 고도가 가장 높은 지점을 원지점 , 고도가 가장 낮은 지점을 근지점이라고 합니다.

타원형 궤도를 도는 위성들은 근지점 근처서는 아주 빠른 속도로 움직이고, 원지점 근처서는 아주 느리게 움직이게 됩니다.

다시 말해서 위성의 고도가 낮을수록 빠르게 움직이고 고도가 높을수록 느리게 움직이게 됩니다.

이러한 원리를 이용한 특수 형태의 궤도를 몰니야(Molniya)궤도라고 하는데, 정지궤도 위성과 통신을 항 수 없는 고위도 지방에서 통신이나 방송용으로 사용하고 있습니다.

즉, 근지점은 남반구에, 원지점은 북반구에 오도록 궤도를 형성하면 위성은 남반구보다는 북반구에 훨씬 더 오래 머무르게 됩니다.

따라서 적도상의 정지궤도 위성을 사용할 수 없는 러시아 같은 고위도에 위치한 국가에서는 이러한 몰니야 궤도상의 위성을 이용해서 통신을 할 수 있습니다.

<자료=한국항공우주연구원 제공>

□ 한국천문연구원 임형철 박사팀은 레이저를 이용해 인공위성 등 우주물체의 위치를 정밀하게 잡아내는 ‘우주측지용 레이저 위성추적시스템(SLR)’을 최근 개발했습니다.

SLR은 레이저를 단계적으로 증폭시켜 우주까지 도달할 수 있는 고에너지 레이저를 쏘아보내 인공위성의 정확한 위치를 추적하는 시스템입니다.

천문연구원은 지난 2008년 SLR 연구에 착수, 최근 이동형 SLR을 완성했고, 오는 2014년까지는 더욱 고출력의 고정형 SLR을 개발할 예정입니다.
 
이 기술의 핵심은 고에너지 레이저를 우주로 쏴 인공위성에 맞고 돌아온 시간과 각도를 계산해 거리와 위치를 정확히 측정하는 것으로, 레이저를 우주까지 보내기 위해서는 상당한 고출력이 필요합니다.

또 출력을 더욱 증강시킬 경우 인공위성에 탑재된 각종 센서를 파괴하거나, 아예 위성 자체를 무력화시키는 것도 이론적으로 가능합니다.

SLR은 1962년 미국에서 처음 개발된 이래 극소수의 우주강국들이 전세계에서 50여 개 시스템을 운영 중입니다.

이 기술은 인공위성은 물론 탄도미사일 추적 등 우주 무기체계 기술과 연관돼 선진국들이 기술이전을 꺼리고 있습니다.

특히 미국과 러시아, 중국 등은 위성 공격용 SLR을 이미 실전배치한 것으로 알려졌지만, 우주공간을 평화적으로 활용해야 한다는 UN 규정에 따라 이를 비공식적으로 운용하고 있습니다.

□ 최근 중국이 레이저를 항공기 조종사나 전차 포수에게 직접 지향해 실명시켜버리는 무기를 장착했다는 소문이 파다합니다.
 
지금까지 거리측정기 등으로 전차나 항공기에 장착된 레이저를 직접 살상용으로 사용하기 시작한 것입니다.

이번에 천문연구원이 개발한 SLR이 아직 인공위성을 향한 직접 테스트를 하지 못하고 있는 것도 이 때문입니다.

만약 상공에 비행기가 있을 경우 조종사에게 상해를 가할 수 있다는 우려에 따른 것입니다.

실제 이번에 개발한 이동형 SLR의 레이저 세기는 손바닥으로 가릴 경우 뼈까지 녹는다고 합니다.

천문연구원은 현재 이 부분을 관할하는 국토해양부의 허가를 기다리고 있는 상태인데, 이르면 다음 주 중 테스트를 할 예정이라고 합니다.

이번 이동형 SLR 테스트는 반사경이 부착된 인공위성에만 적용된다고 합니다.

그러나 2014년 개발될 고정형 SLR은 레이저 세기가 더욱 세져서 반사경이 없는 인공위성이나 우주 물체까지 탐지할 수 있습니다.

한국천문연구원에 설치된 SLR을 지상 테스트 하는 모습

□ 이런 레이저 시스템이 완성되면 이를 정교하게 컨트롤할수 있는 마운트가 필요합니다.

아주 미세한 각도 차이라도 수 만~수십 만 ㎞ 거리에 있는 위성을 정확히 맞추는 데는 치명적이기 때문입니다.

그래서 이 같은 추적장치를 추적마운트(Tracking Mount)라고 하는데, 우주 감시기기를 지지하면서 인공위성과 같은 우주물체나 별을 정확히 지향하고 추적하는 초정밀 기계시스템입니다.

□ 한국기계연구원 로봇메카트로닉스연구실 손영수 박사팀이 한국천문연구원의 '우주측지용 레이저 위성추적시스템(SLR) 개발 사업'의 일환에 따라 제작된 레이저 송수신 광학망원경을 초당 10도의 빠른 속도로 움직이면서 300~25,000㎞ 상공의 인공위성을 1 각초(1/3600도) 이내의 정밀도로 추적할 수 있는 초정밀ㆍ고속 마운트 제어기술을 개발했습니다. 
 
특히 이번에 개발된 기술은 기존의 기어방식이 아닌 비접촉 직접 구동(Direct Drive) 메카니즘 설계기술이 적용돼 인공위성을 정밀하게 지향하고 추적할 수 있습니다.

천체망원경으로 천구상의 별을 추적하기 위해서는 정밀 마운트가 필요합니다.

그런데 인공위성은 별보다 수백 배 빠르게 움직입니다.

그러나 이와 관련된 레이저 인공위성 추적시스템 기술은 인공위성이나 탄도 미사일의 레이저 요격과 같은 국방무기체계 기술과 연관돼 우주기술 선진국들이 기술이전을 꺼려왔습니다.

이번에 국내 순수 기술로 독자 개발한 기술은 우주기술 강국인 미국ㆍ일본 등이 보유하고 있는 레이저 위성추적시스템의 추적마운트 지향 정밀도 보다도 오히려  1~2 각초 앞선 세계 최고 수준입니다.

<레이저 위성추적 개요 및 시스템 구성>