국제우주정거장과 지상국을 적외선 레이저 중계위성으로 연결하는 LCRD(Laser Communications Relay Demonstration) 개념도. ◆NASA/Dave Ryan최근 스페이스X의 스타링크(Starlink)가 베타서비스를 시작하면서 위성인터넷에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 스타링크는 무려 1만 2천대 이상의 저궤도 통신위성을 발사해 전 지구를 광대역 위성통신망으로 연결시키고자 하는 사업입니다. 이렇게 많은 인공위성이 원활하게 통신하는 것은 매우 어려운 일입니다.
인공위성이 서로 통신하는 기술을 ‘ISL(Inter-Satellite Links, 위성간 링크)’ 기술이라고 합니다. “지금까지 ISL 기술은 전파통신 방식이 주류였지만, 향후는 레이저를 이용한 광학 통신이 주류가 될 전망입니다” 이것이 ‘ISLL (Inter-Satellite Laser Link, 위성간 레이저 링크)’ 기술입니다. 이번에는 ISLL 기술이 무엇인지 알아보도록 하겠습니다.
(왼쪽) 아폴로 14호가 달에 설치한 레이저 반사판, (오른쪽) 지구 관측소에서 레이저 빔을 발사해 반사한 빔이 돌아오는 시간을 측정하면 달까지의 거리를 알 수 있다.ⓒ NASA Goddard 인류 최초의 우주 공간에서 레이저를 사용한 것은, 미국의 무인 달 착륙선 서베이어 7호입니다. 1968년 1월 달에 착륙한 서베이어 7호는 TV 카메라로 지구 관측소 두 곳에서 발사한 레이저 신호를 포착했습니다. 물론 단순한 실험에 지나지 않았습니다만, 38만 킬로미터 거리에서도 레이저 통신이 가능한 것을 확인했습니다.
아폴로 11, 14, 15호는 착륙 지점에 ‘달 레이저 거리 측정 반사판(Lunar Laser Ranging Retroreflector, LLR)’을 설치하여 지구와 달 사이의 정확한 거리를 측정하는 데 성공하였습니다. 그 후 레이저는 90년대까지 탐사기의 거리 측정 및 레이저 광학 통신의 개념 연구를 위한 실험에 활용되었습니다.
최초로 우주에서 레이저 통신에 성공한 것은 1995년, 일본 우주 항공 연구 개발 기구(JAXA)의 정지궤도 실험 위성 키쿠 6호(KIKU-6)입니다. 키쿠 6호는 3만 6천 킬로미터의 고도의 정지 궤도에서 지상국과 교신할 수 있었습니다. 이 무렵부터 본격적으로 위성레이저 통신이 시작됐다고 할 수 있죠. 2001년에는 유럽우주국(ESA)이 2기의 인공위성을 이용해 위성간 레이저 통신 실험에 성공했습니다. 그 후 각국이 우주 레이저 통신 기술을 개발하면서 점차 통신 속도가 빨라지는 추세에 있습니다.
ㅣ레이저 통신의 장점은?뉴 스페이스(New Space) 시대에 들어서자 위성 발사 비용이 낮아지기 시작했습니다. 소형 인공위성 기술도 급속도로 발전하면서 그때까지 불가능했던 대규모 군집위성의 개념이 등장했습니다. 이에 따라 수십 대의 소형 위성으로 지표면을 촬영하거나 스타링크처럼 수많은 통신위성을 쏘아 올리는 등 글로벌 위성 인터넷망을 구축하기에 이르렀습니다.
소형 위성기술이 발전하면서 군중 위성의 개념이 등장했다. ⓒ NASA처럼 지구를 도는 위성 수가 급증하면서 주파수 자원이 고갈될 우려가 커졌습니다. 모든 인공위성은 전파의 혼란을 막기 위해 국제전기통신연합(ITU)의 주파수 규제를 받기 시작했고, 전파 간섭 문제를 해결하기 위해 레이저 통신 기술이 각광받았습니다.
빛의 일종인 레이저는 전파에 비해 직진성이 뛰어나고 파장이 매우 짧아 최대 통신속도가 훨씬 빠릅니다. 레이저를 사용한 통신 기술은, 종래의 전파 통신 기술에 비해 여러가지 메리트가 있습니다. ▶보다 빠른 속도로 병렬 통신이 가능▶ITU의 주파수 규제를 받지 않는다▶신호 간섭이나 재밍 위협으로부터 자유.이러한 요소를 생각해 보면, 레이저 통신은 지구에 가까운 거리(지구 저궤도에서 달 궤도까지)를 접속할 때에 전파보다 유리합니다.
ㅣ저궤도 위성통신이 해저광케이블보다 빠르다?현재 지구 면적의 절반 정도는 인터넷을 접속할 수 없습니다. ITU 보고서에 따르면 2020년에 지구상에서 인터넷 서비스를 받을 수 없는 지역에 거주하는 인구는 약 30억 명으로 추산됩니다. 대양을 항해하는 선박이나 고고도를 비행하는 항공기도 마찬가지입니다. 이리듐과 같은 기존의 위성인터넷망이 있으나 너무 비싸고 통신속도가 느려 소수의 사용자에게만 서비스가 가능합니다.
현재 구축된 해저광케이블망. ⑨ PriMetrica, Inc 전세계의 인터넷 해외연결망 트래픽은 90% 이상을 해저광케이블이 담당하고 있습니다. 해저광케이블망은 인구밀집지역을 중심으로 연결되어 있고, 지역허브를 중심으로 지상케이블망과 3G, 4G 등 무선통신망이 펼쳐져 있지요. 반면 인공위성 트래픽은 1%도 안 됩니다.
현재 해저광케이블망을 전 세계인이 주 연결망으로 사용하고 있는데 저궤도 위성통신이 해저광케이블보다 전송속도가 빠르다는 사실을 알고 계셨나요? 흔히들 광케이블의 통신속도를 광속으로 착각하기 십상인데요. 빛은 진공 상태에서 광속으로 이동하며, 매질을 통과하면 속도가 느려지는 특성이 있습니다. 광케이블을 통과할 때의 속도는 광속의 절반 정도라고 할 수 있겠네요. 또, 통신 장치를 계속하는 것으로 신호 전환 시간이 조금씩 누적됩니다.
만약 런던에서 뉴욕까지 인터넷으로 통신하려면 6,400km 거리의 광케이블망을 통과해야 하고, 레이저 신호가 왕복하는 데 62.7ms가 걸립니다. 신호전환 과정에서 발생하는 시차까지 합치면 평균 지연시간은 76ms에 이릅니다. 얼핏 보면 하찮은 지연 시간이라도 금융 거래처럼 일각을 다투는 분야에서는 중요한 문제입니다. 한 가지 상황을 예로 들면 런던과 뉴욕 증권거래소간에는 초단위로 몇 백만달러 이상 거래됩니다. 대부분의 금융 투자 회사는 빅 데이터를 활용한 인공 지능 로봇 프로그램으로 단타 매매를 하고 있어 10ms라도 빨리 정보를 보내면 큰 이익을 얻을 수 있어요.
스타링크 통신망을 렌더링한 이미지. 지연시간이 짧은 인터넷 서비스 제공을 위해 위성 간 최단 통신경로를 연결함. © Mark Handley / University College London 정지궤도 통신위성을 이용하십시오. 정지궤도위성은 지상에서 3만6000km 떨어진 곳에 있어 빛의 속도로 왕복해도 240m의 시차가 발생합니다. 통신 속도 면에서 해저광 케이블보다 좋은 점이 없는 것 같습니다.
스타링크는 지상에서 저궤도 위성까지 광속으로 전파를 보내 다시 5개의 위성을 레이저 신호로 연결하기 때문에 통신 지연 시간을 해저 광케이블에 비해 3050% 정도 단축할 수 있습니다. 저궤도 위성은 지구를 한 바퀴 도는 데 90분밖에 안 걸려서 한 지역 사용자가 위성과 접촉하는 시간이 매우 짧습니다. 이에 따라 수천 대의 위성을 쏘아 올려 연결이 가능하지만 장점도 많아 스타링크와 비슷한 저궤도 군집위성 서비스가 속속 등장할 것으로 예상됩니다.
▶ 스타링크의 작동원리에 관한 소개영상 ◀
군집위성에 레이저 통신이 필요한 이유 스타링크처럼 한정된 주파수 자원을 사용하는 위성 인터넷의 특성상 여전히 한정된 사용자에게만 서비스를 제공할 수 있다는 문제가 남아 있습니다. 지구 저궤도를 뒤덮은 수만 대의 인공위성이 각각 전파 신호를 보낸다면 아무리 우주 공간에서도 신호 간섭으로 통신 속도가 떨어질 우려가 큽니다.
스타링크는 지상의 사용자와 연결할 때 전파를 사용하지만, 아직 레이저 통신 기기가 높고 구름이 끼면 통신에 장애가 생기기 때문입니다. 하지만 위성끼리 데이터 통신을 할 때는 레이저를 사용할 수 있습니다. 정해진 궤도에서 비행하는 옆 위성을 향해 지향성 레이저 신호를 보내 혼선의 우려가 없고 중간에 신호를 가로채거나 방해하는 재밍에도 안전한 편입니다. 통신 속도가 빨라지는 것은 덤입니다.
지구저궤도위성간에 레이저 링크를 연결하는 이미지. ⑨ Mynaric 현재 배치되어 있는 스타링크 위성은 1700개 정도입니다. 그 가운데 올해 1월 24일 발사된 10개 위성이 처음으로 위성간 레이저 통신장치를 탑재했고 7월부터는 레이저 통신이 가능한 338기의 위성이 추가 발사될 예정입니다. 2022년 이후에 발사되는 스타링크 위성은 레이저 데이터링크 기능을 탑재할 가능성이 높다고 합니다.
ㅣ각국의 기술경쟁이 치열해 미국항공우주국(NASA)은 오래전부터 우주레이저 통신기술을 연구해 왔습니다. 국제우주정거장(ISS)이나 달 궤도에 건설하는 루나 게이트웨이 또는 달 표면 아르테미스 기지와도 레이저를 이용한 초고속 통신망을 구축할 계획입니다.” 현재 ISS는 ‘TDRS(Tracking and Data Relay Satellite)’ 시스템이라는 무선 통신망을 이용해 600Mbps 속도로 지상과 교신하고 있습니다. 조만간 LCRD(Laser Communications Relay Demonstration)라는 적외선 레이저 중계 위성을 배치해 통신 속도를 1.2Gbps까지 높일 계획입니다.
ESA와 에어버스가 협력해 추진 중인 EDRS 개념도. ⑨ ESA 유럽도 위성간 레이저통신 기술개발에 박차를 가하고 있습니다. ESA는 갈릴레오 내비게이션 위성의 통신 속도 향상을 위해 2세대 갈릴레오 위성부터 ‘OISL(Optical Inter-Satellite Links, 위성 간 광학 링크)’ 기술을 적용한다고 발표했습니다. 레이저를 이용하는 OISL은 명칭만 다를 뿐 ISLL과 같은 의미입니다. 그 외 ‘EDRS(European Data Relaysatellite System, 유럽 데이터 중계 시스템)’라고 하는 차세대 위성 통신망도 추진하고 있습니다. EDRS는 전파와 레이저를 사용하여 정지궤도 위성과 저궤도 위성, 지상을 연결하는 초고속 통신망입니다.
새로운 우주개발 강국으로 떠오른 중국과 인공위성 기술에서 전통의 강호인 일본도 빼놓을 수 없습니다. 2020년 중국은 성운 2호 위성을 이용하여 위성간 레이저 통신 실험에 성공했습니다. 쌍둥이 실험위성인 성운 2호는 앞으로 80대의 위성으로 구성된 저궤도 군집 위성통신망 구축 프로젝트의 일환입니다. 일본은 2022년을 목표로 정지궤도 위성과 지상국 사이에서 10Gbps 속도의 레이저 통신 실험을 추진하고 있습니다.
ㅣ우리기업도 ISLL기술개발에 도전, ISLL기술은 장치가 복잡하고 높아 아직 실용화단계에 진입하지 못했습니다. 그러나, 점차 기술이 발전해, 시장이 커지면, 경량화와 함께 가격 인하가 되어, 소형 위성이나 큐브샛 분야까지 도입될 전망입니다.
이제 ISLL 기술에 도전하는 민간 기업도 생겼죠. 급성장하고 있는 우주산업에서 중요한 기술로 자리매김하고 있기 때문입니다. 스페이스X를 비롯해 미국의 볼 에어로스페이스, 독일의 미나릭, 글로벌 방산업체인 탈레스 알레니아스페이스, 에어버스 등의 자회사가 대표적이다.
스페이스허브와 KAIST의 최초 연구개발 프로젝트 ISL(Inter-Satellite Links) 한국에서는 한화의 스페이스허브(Space Hub)가 KAIST와 공동으로 설립한 우주연구센터가 핵심 우주기술 개발에 나서고 있습니다. 그 최초의 프로젝트로서 저궤도 위성에 적용할 레이저 「ISL」기술을 선정했습니다. 이러한 진취적인 시도에 좋은 성과가 있기를 기대합니다.
- 본 원고는 필자의 의견으로 (주)한화의 공식 입장과는 다를 수 있습니다.
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