위성통신

◉ 위성통신의 발전

SF소설 『2001년 우주의 여행』의 작가로 알려진 영국의 아서 클라크(Auther Clark)는 1945년 10월에 『Wireless World』란 무선 전문잡지에 기고한 글을 통해 "앞으로 강력한 로켓이 개발되고 물체를 적도 상공 3만 6,000Km의 원 궤도상 쏘아올릴 수 있다면 이를 사용해서 대륙간 전화중계 및 라디오 방송이 가능할 것이다."는 예언을 하여 위성통신을 최초로 제안한 것으로 유명하다.

적도 상공 3만 6,000Km의 원 궤도에서 지구의 자전과 같은 방향으로 도는 인공위성은 24시간 공전주기를 가지기 때문에 지상에서는 정지되어 있는 것과 같이 보인다. 이를 통신용 중계기로서 사용하면 우주의 중계국이 될 수 있다.

클라크는 120˚간격으로 정지위성을 3개만 쏘아올리면 전 세계를 커버할 수 있다고 하였다. 최초의 인공위성인 스푸트니크(Sputnik) 호가 쏘아 올려지기 12년 전에 이런 선견적인 예언을 하였다.

적도 상공 36,000Km에 120도 간격으로 3개의 위성을 쏘아 올려 지구의 자전과 같은 방향으로 돌면 전 세계를 커버할 수 있다.

<그림 1> 정지 위성의 개념

세계 최초의 위성통신 실험은 1960년 미국이 쏘아올린 에코1호(Echo-1)였다. 에코1호는 풍성의 표면에 알루미늄박을 입혀 지상에서부터 전파를 반사 시키는 수동형 통신 위성이었다.

1962년 미국의 AT&T벨 연구소와 항공우주국(NASA)이 이어 쏘아올린 텔스타1호(TELSTAR-1)와 릴레이1호(Relay-1)는 위성에 중계기(트랜스폰더)를 실어 지상으로부터 수신한 전파를 증폭시켜 재차 지상으로 보내는 위성을 실용화하였고, 텔스타1호는 미국과 유럽간의 TV전송과 다중전화 신호의 전송에 성공하였으며, 릴레이 1호는 미국과 일본간의 TV전송 실험에 성공하였다. 이 두 통신위성은 지구의 주위를 약 3시간 만에 한 바퀴씩 도는 위성으로 정지위성은 아니었다.

최초의 정지위성은 1963년 7월 NASA가 쏜 신컴2호(SYNCOM-2)였다. 이로써 현재 각광 받고 있는 정지위성에 의한 세계 통신시대가 개막되었다.

1964년에 위성통신 업무를 담당하는 국제 기관인 인텔샛이 발족되었고, 1965년 4월에는 정지위성 얼리버드(인텔셋 1호)를 이용한 상업위성통신이 개시되었다.

처음에는 위성의 제조 발사 비용이 높았기 때문에 주로 대륙간의 국제통신에 사용되었다. 그러나 위성 발사 기술의 급속한 향상과 초기에는 1년 6개월 정도였던 위성 본체의 수명이 10년 이상으로 늘어나면서 위성의 비용이 대폭 내려갔다.

우리나라 최초의 방송통신 복합 위성인 무궁과 1호가 1995년 8월 5일 미국 플로리다주 케이프캐나배럴에서 발사되었다. 이 위성은 로켓의 일부 고장으로 궤도 진입에 차질을 빚는 사고가 발생하였는데, 후에 무궁화 1호 위성은 정상궤도에 진입하였으나 위성의 수명이 대폭 줄어들게 되었다.

1호 위성의 수명이 단축되자 이에 대비하여 무궁과 2호 위성을 1996년 1월 14일 성공적으로 발사, 위성통신 서비스를 제공하고 있으나, 위성방송 관련법이 마련되지 않아 아직까지 시험방송에 그치고 있다.


◉ 정지위성은 왜 떨어지지 않고 정지해 있는가?

인공위성이 떨어지지 않고 지구의 주위를 계속하여 돌고 있는 것은 지구가 매초 465m 속도로 자전하면서 태양의 주위를 매초 30Km 속도로 공전하고 있기 때문이다.

공 기의 저항이 없다고 가정한다면 지구 위에서 수평으로 던진 돌의 속도를 빨리 해 지구로부터 떨어져 나가려는 돌의 원심력과 지구의 인력이 균형이 잡히도록 한다면 돌은 지구로 떨어지지 않고 지구 주위를 계속 돌게 된다. 그에 필요한 속도는 매초 7.9Km 이다. 정지위성은 지구에서 볼 때 정지하고 있는 것 같지만, 지구에서 약 36,000Km 상공의 궤도를 지구가 자전하는 속도와 같은 속도로 24시간 지구의 주위를 돌고 있다.

<그림 2> 정지 위성의 개념


◉ 위성을 정지궤도에 어떻게 쏘아 올리나?

정지위성은 <그림 1>과 같이 파킹 궤도, 트랜스퍼 궤도, 드리프트 궤도를 거쳐 정지궤도로 쏘아올린다.

파킹 궤도는 우선 로켓을 수직으로 쏘아 올리고 점점 자세제어를 해서 200~300Km 상공의 궤도를 지구 자전과 같은 방향으로 돌게 한다. 이 때 위성의 속도는 매초 7.9Km 로 한다. 트랜스퍼 궤도는 이 원형궤도 상에서 위성이 적도 상공에 왔을 때 36,000Km 상공을 목표로 두 번째 로켓을 발사 커다란 타원을 만든다. 트랜스퍼 궤도에서 정지궤도에 매운 가까운 드리프트 궤도에 위성을 갖다 놓기 위해 아포지모터라는 소형 고체 로켓을 원지점에서 점화하여 정지궤도에 진입하게 한다.

<그림 1> 정지위성까지 발사 단계


◉ 위성의 궤도와 자세 제어

정지궤도 위성은 안테나를 항상 지구로 향해야 하고, 위성으로부터의 원격계측 데이터에 의해 위성의 위치, 자세를 감시하며, 태양전지 발생 전력과 소비전력 상태를 감시할 필요가 있다. 한편 위성의 자세를 규정범위 내에서 유지하기 위해서는 자세제어를 실하여야 하는데, 위성의 자세제어는 스핀 안정형 위성과 세축 안정형 위성 두 가지가 있다.

스핀 안정형 위성은 팽이의 원리를 이용하여 위성 본체를 회전시켜 자세안정을 취하도록 하는 것인데, 통신, 방송, 기상 위성 등에 많이 실용화되고 있다.

세 축 안정형 위성은 롤축(궤도 방향에 평행한 축), 요축(지구 방향에 평행한 축), 피치축(롤축과 요축에 직각인 축)의 세 축 주위(둘레)에 포일(foil)을 회전시켜 팽이의 원리에 의해서 각 축의 자세를 안정시키는 것으로, 대형 위성에 실용화되어 있다.

<그림 2> 스핀 위성의 자세  <그림 3> 세축 위성의 자세


◉ 위성궤도의 종류

궤도의 종류는 정지궤도, 저궤도, 중궤도, 장타원 궤도 등이 있다. 정지궤도 이외의 위성은 지상에서 볼 때 지구의 주위를 돌고 있는 것 같이 보이기 때문에 '주위위성'이라 부른다. 위성은 지구에서 가까운 궤도에서는 빨리 움직이고 멀리 떨어진 궤도에서는 천천히 움직인다.

1. 정지궤도(GEO)

정 지위성이 도는 적도 상공 36,000km의 원 궤도로서, 위성이 항상 같은 위치에 있기 때문에 대단히 편리하나 위성까지의 거리가 멀고 높은 위도지역(북구.러시아.캐나다 등)에서는 안테나의 각도가 수평에 가까워 사용하기가 어렵다.

2. 저궤도(LED)

고도 500~2,000km의 원 궤도로, 위성은 1~2시간에 한 번씩 지구의 주위를 돌기 때문에 적어도 수십 기의 위성을 쏘아올려 항상 어느 곳에서도 볼 수 있어야 한다.

거리가 가깝기 때문에 전송 지연시간이 짧고, 전파의 송신 전력이 약해도 괜찮은 장점이 있다. 이리듐(Iridium) 등 이동통신 위성 등에 사용된다.

3. 중궤도(ICO 또는 MEO)

고도 1만 km 정도의 원궤도로, 수기 내지 수십 기의 위성으로 전 세계를 커버할 수 있다. 저궤도와 정지궤도 위성의 중간에 해당하는데, ICO(InmarsatP) 등 이동통신 위성에 사용된다.

4. 장타원 궤도 (HEO)

원 지점의 고도가 약 4만 km, 근지점의 고도가 1,000km 정도의 가늘고 긴 타원형 궤도로, 원지점 부근에서는 위성이 천천히 움직이므로 지상에서 보이는 시간이 기록, 2~3기의 위성을 교차해서 사용하는데, 소련 등 높은 위도지역에서 이용되고 있다.

<그림 1> 여러 가지 위성궤도

고도(Km)	속도(Km/sec)	주기
200 500 1,000 2,000 3,000 5,000 10,000 20,000 35,786	7.79 7.62 7.35 6.90 6.52 5.92 4.94 3.89 3.07	1 시간 28분 20초 1 시간 34분 27초 1 시간 44분 57초 2 시간 07분 12초 2 시간 30분 27초 3 시간 21분 06초 5 시간 47분 24초 11시간 50분 36초 18시간 56분 04초

<표 1> 원 궤도 고도와 속도, 주기의 관계


◉ 위성통신 시스템

위성통신을 하려면 지상의 지구국과 우주공간에 있는 위성간에 전파로 연결되어야 한다. 직경 수m~ 20m 정도의 튼 안테나를 사용해서 지상 지구국에서 높은 전력으로 위성을 향해 전파를 송신하고, 위성에서는 받은 전파신호를 중계기(트랜스폰더)로 증폭하여 재차 지상을 향해 송신하는 것이 위성통신 및 위성방송의 원리이다. 다시 말하면 위성통신은 위성을 중계국으로 하여 통신을 하는 것이다.

<그림 2> 위성통신 시스템의 구성

지상에서 위성까지의 회선을 업링크 (up link)라고 하고, 위성으로부터 지상으로의 회선을 다운링크(down link)라고 한다.

지상과 위성을 연결하는 전파의 주파수는 수 GHz 내지 수십 GHz가 사용되고 있다. 주파수가 높은 전파는 공기층을 통과하면 곧 감쇄해서 약하게 되는 경향이 있으나, 위성통신의 경우 공기 층을 통과하면 곧 감쇄해서 약하게 되는 경향이 있으나, 위성통신의 경우 공기 층을 수직방향으로 통과하므로 문제가 없다. TV영상 등 대량 정보를 전송하는 데는 주파수가 높은 쪽이 유리하다.

위성에서의 전파 중계기는 중계기(Transponder)가 수행한다. 통신위성에는 보통 수십 대의 트랜스폰더가 실려 있기 때문에 트랜스폰더 단위로 여러 가지 목적의 통신을 하고 있다. 트랜스폰더는 주파수 대역이 수십 MHz도 있기 때문에 TV영상 외에 전화.데이터의 다중 전송회선으로도 이용된다. 신호를 중폭하거나 주파수를 변환하는 데 필요한 전력은 위성에 실려 있는 배터리를 태양전지로 충전하면서 사용한다.

위성에서 보내온 전파를 지상에서 수신하는 곳을 '지구국'이라고 부르는데, 지구국 안테나는 송신용과 수신용으로 모두 쓰인다. 안테나는 접시 모양의 반구형 반사경을 가진 구조인데, 반사면에서 위성을 향해 전파를 가는 빔으로 만들어 보내거나, 위성에서 보내온 전파를 한 점으로 모아 수신한다. 반사면은 폭이 큰 것이 전파를 많이 모을 수 있어 유리하며, 카세그레인 안테나(Cassegrain antenna)가 널리 사용되고 있다.

<그림 3> 카세그레인 안테나의 원리 (단면도)


◉ 위성통신에서 사용하는 주파수

우주통신 업무에 사용하는 주파수는 통신.방송 등 각 업무마다 국제적으로 분배되어 있다.

현 재 고정위성 업무의 대부분인 통신위성은 통칭 C밴드라고 불리고 있는 마이크로파대의 6/4GHz(up link 주파수/down link 주파수)와 Ku밴드의 14/12GHz대가 사용되고 있다. C밴드는 국제통신 및 국내통신에 널리 사용되고 있고, Ku밴드는 위성통신에 가장 사용하기 쉬운 주파수이다. 위성을 이용한 뉴스 수집(SNG: Satelite News Gathering), 초소형 지구국(VAST)에 의한 네트워크, 위성방송 등 다양한 서비스에 사용된다. 준밀리파대의 30/20GHz대(Ka밴드)는 구미 각국의 통신위성에 도입되어 차세대의 대용량화.광대역화.퍼스널화 통신 요구에 부응할 것이다.

장래 새로운 주파수대인 밀리파대의 50/40GHz는 연구 개발 단계에 있다.

주파수대	밴드	고정 통신위성	이동 통신위성	방송위성
1.6 / 1.5 GHz 2.6 / 2.5 GHz 6 / 4 GHz 8 / 7 GHz 14 / 12 GHz 30 / 20 GHz 50 / 40 GHz	L 밴드 S 밴드 C 밴드 X 밴드 Ku 밴드 Ka밴드 또는 밀파대 O,Q밴드 또는 밀파대	- - ○ ○ ○ ○ ○	○ ○ - ○ - ○ ○	- ○ ○ - ○ ○ ○

<표 1> 위성통신 및 위성 방송에 사용 되는 주요 전파의 주파수


◉ 통신위성과 방송위성

통신위성이나 방송위성도 정지위성을 사용하여 지구국에서 보낸 전파를 증폭해서 지상의 서비스 영역을 향해 전파를 발사하는 점에서는 같다.

방송위성은 방송용 전파를 정지위성 궤도에 쏘아올려 방송 전용위성(BS)이나 무궁화위성과 같이 통신과 방송 복합위성으로 보내고, 수신한 전파를 증폭한 후 지상의 수신안테나에 다시 보내는 방송 시스템이다.

다 른 점은 통신위성은 지상 수신국이 대형 안테나를 구비하고 있는 데 비해 위성방송은 위성의 송신전력이 100W 이상의 큰 출력으로 송신하기 때문에 지상에서는 직경 40cm 전후의 파라볼라 안테나로 수신할 수 있으나, 통신위성은 송신 전력이 20~40W 정도이기 때문에 직경 75cm 정도의 안테나가 필요하다.
 

<그림 1> 위성방송


◉ 위성통신의 특징

① 서비스 지역의 광역성: 위성으로부터 지상을 향해 발사한 전파는 넓은 지역에 미치기 때문에 넓은 지역을 통신의 대상으로 할 수 있다. 낙도.오지.사막.산악지대 등 지리적 장애에 좌우되지 않는 회선 구성이 가능하다. 통신 품질이 서비스 지역 내의 어느 지점에서도 거의 균일하다.

② 동보성.다원접속성: 한 지점으로부터 여러 곳에 흩어져 있는 다수의 수신 대상 설비로 동시에 동일 내용의 정보를 전송하는 통신, 즉 동보통신에 적합하다. 널리 분포된 다수의 지구국이 다원접속을 통해 공동 이용이 가능하기 때문에 회선 효율을 향상시킬 수 있다.

③ 내 재해성: 통신지점 간에는 우주공간에 있는 위성의 중계점에 지나지 않아 지진.풍수해 등 지상 재해의 영향을 받지 않는다.

④ 통신망 설정의 신속성: 지구국을 설치하는 것만으로 통신회선의 구성이 가능하기 때문에 넓은 지역에 걸친 통신망 건설이 비교적 단기간에 가능하다.

⑤ 통신거리에 대한 결제성: 설치비와 유지비는 통신거리와 관계 없기 때문에 지상거리가 멀어도 지상 방식보다 경제적이다.

이상과 같은 이점이 있는 반면에 다음과 같은 제약 조건이 있다.

① 지연 시간의 영향: 회선 길이가 위성까지 왕복으로 약 7만~8만km에 달하기 때문에 약 0.5초의 지연 시간이 생기므로 통화 시에 부자연스러움을 느낀다.

② 보안 대책이 필요: 지역 내에는 위성에서 보내는 전파는 어느 곳이라도 미치기 때문에 안테나를 설치하면 누구나 수신할 수 있어 통신의 비밀을 확보하기 위해서는 암호화 등 보안 대책이 필요하다.


◉ VSAT 시스템

1. VSAT이란 무엇인가?

VSAT(Very Small Aperture Terminal)이란 소형 안테나(주로 직경 0.6m~2.4m)를 사용하는 지구국을 말한다. 위성통신 기술이 발달함에 따라 위성이나 지구국의 성능이 대폭 향상되고, 사용 가능 주파수가 C대역(4/6GHz대)에서 Ku대역(12/14GHz)으로 옮겨감에 따라 직경이 작은 안테나를 사용해도 원활한 통신을 할 수 있게 되었다.

위성통 신은 재해에 강하고 동시에.넓은 지역에 정보 전달이 가능한 회선구성이 매우 쉽기 때문에 낙도 통신, 재해 지원용, 지상계 통신을 보완하는 데 이용되어 왔다. 그러나 앞으로는 멀티 빔 통신기술, 즉 복수의 주파수를 이용 한 통신이 발달함에 따라 기업들은 본사와 공장, 계열회사 등을 연결하는 영상.데이터 통신용으로 널리 보급될 것으로 보인다.

2. VSAT 통신망의 구성

VSAT 시스템은 <그림 1>과 같이 통신을 관리.제어하는 기능을 가지는 중앙허브(hub)국과 다수의 VSAT국(자국)으로 구성된 스타형 네트워크이다.

<그림 1> VSAT 시스템

허브국은 자국을 감시 제어하는 기능을 가지기 때문에 직경 2.5~5m 정도의 비교적 큰 안테나로 허브국을 중심으로 하는 스타형으로 함으로써 위성 회선상의 자국의 부하를 줄일 수 있음과 동시에 소형화를 가능하게 하고 있다.

VSAT는 작은 안테나와 옥외 유니트(ODU = Out Door Unit), 옥내 유니트(IDU = In Door Unit)로 구성되어 있다.

한편 VSAT의 사용 형태는 세 가지 종류가 있는데, 편 방향형인 일방통행의 정보 전달 타입, 포인트 투 포인트형인 두 지점간의 통신, 그리고 보다 일반적인 쌍방향형의 허브국과 VSAT간의 정보교환 등이 있다.

3. VSAT 시스템의 활용

VSAT는 소규모 거점이 원격지에 분산되어 있는 네트워크에 매우 유효하다. 데이터가 계속적으로 발생하지 않는 유통.운수.서비스업에서는 패킷 통신 형태로 이용되고 있다.

VSAT 시스템은 소매업에서의 신용카드 조회나, POS(POint Of Sales)데이터 전송과 금융 관련 데이터 전송 등에 상요되고 있으며, 위성통신 선진국인 미국은 K마트, 월마트 등 슈퍼마켓이 수천 대 단위로 도입하여 유통업계의 양상을 크게변화시키고 있다. 또한 센터의 스튜디오와 각지에 있는 원격교신을 위성통신 회선으로 접속하여 영상과 음서의 양방향 통신으로 수업을 하고 있는 원격교육 등에 VSAT이 사용되고 있으며, VSAT 시스템을 기업내 교육연수 시스템으로도 이용하고 있다.

앞으로는 VSAT 시스템과 지상계통 통신회선을 유기적으로 결합해서 쌍방향 통신을 하는 시스템이 성장할 가능성이 많다.

<그림 2> VSAT 서비스의 구성도

<표 1> 통신위성을 위한 서비스의 구성도

※ 출처 - http://www.bazi.pe.kr/