[정보통신신문=차종환기자]

지난달 25일 한국형 발사체 ‘누리호’가 3차 발사에 성공하면서 우리나라도 명실상부 ‘우주 강국’으로의 토대를 마련했다.

앞으로 더 많은 우주 임무의 수행과 사업화를 위해 우주 공간에서의 통신 수요 역시 크게 확대될 것으로 예상된다.

레이저 기반의 광통신 기술은 현재 흔히 쓰이고 있는 무선전파(RF) 통신에 비해 데이터를 보다 촘촘하게 압축해 보낼 수 있어 우주 통신을 실현하는 핵심 기술로 기대가 높다.

우주 광통신의 기본 원리와 구성요소에 대해 한국전자통신연구원(ETRI)이 발표한 ‘우주 광통신 기술 동향(여찬일 외)’ 보고서를 통해 살펴봤다.

■전례없는 전송효율 실현하는 ‘빛’

우주 통신은 다양한 원인으로 송수신 시스템 간 통신 연결이 즉시 이뤄지지 않는다.

특히 거리가 늘어날수록 지연 시간이 증가하는데, 주로 지구 관측에 활용되는 저궤도 위성조차 고도는 2000km 이하이고 통신∙기상 관측으로 쓰이는 정지궤도 위성의 고도는 3만6000km에 달한다.

때문에 1초에 약 30만km로 이동하고 넓은 대역폭을 갖는 ‘빛’을 활용한 통신은 필수불가결한 요소로 여겨진다.

예로, 화성 탐사에 촬영된 지도 정보를 지구로 보내야 하는 경우, RF 통신은 9주가 소요되는 반면 광통신은 약 9일이면 충분하다.

우주 광통신 시스템은 크기, 무게, 전력 사용 측면에서도 RF 시스템 대비 장점이 명확하다.

실제로 위성탑재체는 크기가 작아야 발사체에 더 많은 공간 활용이 가능하고 무게가 적게 나가야 발사 비용이 절감된다. 낮은 전력 사용 역시 임무수행 기간을 길게 가져갈 수 있는 요소로 꼽힌다.

2013년 미국항공우주국(NASA)이 달 레이저 통신을 시연한 결과, 우주 광통신 시스템은 RF통신 대비 절반의 무게를 갖는 우주 광통신 터미널을 활용해 25% 적은 전력으로 6배 빠른 달-지구 간 데이터 전송을 달성한 바 있다.

또한 우주 광통신 기술은 RF통신 대비 좁은 빔 폭을 사용해 간섭을 최소화하고 통신링크를 가로챌 수 있는 영역을 크게 감소시켜 우수한 보안 특성을 갖는다.

갈수록 위성 데이터에 대한 의존도가 높아지고 더 많은 위성 서비스가 필요해질 것으로 예상되는 상황에서 이러한 뛰어난 보안성은 우주 광통신이 더욱 각광받는 요소로 부각될 전망이다.

■우주와 지상 아우르는 ‘삼총사’

우주 광통신을 이루는 구성요소는 △광학 지상국 △우주 광학 터미널 △우주 중계 노드다.

광학 지상국은 우주에서 지상으로 전송된 데이터를 수신해 지상 네트워크를 구축하고, 우주로 임무 정보를 전달하기 위해 설치된다.

광신호가 대기를 통과하는 과정에서 구름, 먼지, 에어로졸, 난기류와 같은 대기 교란 요소들이 적은 고지대에 주로 위치한다.

광학 지상국에는 인공위성, 우주선 등이 상공을 지날 때 수백km에서 수십만km 거리까지 데이터 송수신을 수행하며, 이를 위해 정확한 트래킹을 통한 신속한 가시선 정렬이 필요하다.

아울러 우주 광학 터미널에 도달하는 데 소요되는 시간을 고려해 예상 위치에 광신호를 송신하는 지향각 제어 기술이 요구된다.

또한 우주에서 지상으로 전송된 미약한 광신호를 수신하기 위해 광자 계수 수신기와 같은 매우 민감한 광신호 검출기 및 대기에 의한 영향을 보정 과정을 최소화하기 위해 파면 측정장치, 변형 가능한 거울 등으로 구성된 적응 광학 시스템이 필요하다.

우주 광학 터미널은 우주에서 지상으로 방대한 과학 수집 데이터와 우주선 및 인공위성의 상태 데이터를 전송하거나 지상에서 우주로 전송된 임무 정보를 수신하기 위해 필요한 시스템이다. 주로 인공위성, 큐브 위성, 궤도선 등에 탑재돼 운용된다.

수백km에서 수십만km 이상 떨어진 곳과 대용량 데이터를 고속으로 송수신하기 위해 광학 지상국과 동일하게 정확한 가시선 정렬 및 지향각 제어 기능과 민감한 광신호 검출기가 필요하다.

극한의 우주 공간에서 정상 동작하기 위해 유해 우주광선, 극저온, 급격한 온도 변화 환경에서 내구성을 갖도록 엄격한 재료 선정과 부품 선정 및 구조설계가 필요하다.

우주와 지상 간 직접적인 데이터 통신방식 외에 중계 위성, 우주 정거장 등 중계 노드를 활용한 통신 방식이 있다.

중계 노드를 활용한 방식은 글로벌 커버리지를 갖는 우주 광통신 네트워크의 유연한 구축과 지구~달(약 40만km) 및 지구~화성(약 5600만km) 간 장거리 심우주 광통신 링크의 효과적인 구축을 위해 필요하다.

실제로 지구의 서로 다른 3개 궤도에 중계 위성을 적절히 배치할 경우 전세계 커버리지를 갖는 우주 광통신 네트워크 구축이 가능하다.

기존의 우주-지상간 직접 통신방식은 광학 지상국 상공을 우주 광통신 터미널이 통과하는 시간에 한정적으로 데이터 통신이 가능했으나, 우주 중계 노드 기반 통신은 24시간 데이터 통신이 가능하다.

지구 궤도 임무 수행뿐만 아니라 달과 달 궤도선 및 화성과 화성 궤도선 간에도 활용 가능하며, 달 지상국-달 궤도선-지구 궤도 중계위성-지구 지상국 및 화성 지상국-화성 궤도선-지구 궤도 중계위성-지구 지상국 간 광통신 링크 구축에도 확대 활용할 수 있다.

■우주 광통신을 향한 치열한 경쟁

선진국들은 국가안보 및 차세대 성장동력을 확보하기 위해 국가적 차원의 적극적인 우주 광통신 연구개발을 추진 중이다.

NASA는 ‘아르테미스II’ 임무를 통해 1972년 아폴로17호 달 탐사 우주선 이후 처음으로 인간을 달에 데려갈 유인 우주선인 ‘오리온’ 우주선을 2024년 5월경 발사할 예정이다.

‘아르테미스II’는 지구와 우주 비행사 간 실시간 통신에 우주 레이저 광통신 기술을 사용할 예정이며 이를 위해 O2O(Orion Artemis II Optical Communication System)를 개발하고 있다.

O2O 터미널은 오리온 우주선에 탑재돼 달에서 수집한 방대한 과학 데이터를 지구로 실시간 전송하는 역할을 한다. O2O 우주 광통신 터미널은 최대 260Mbps 다운링크 속도와 20Mbps 업링크 속도 달성을 목표로 한다.

유럽우주항공국(ESA)은 EDRS(European Data Relay System)을 추진하고 있다.

EDRS는 저궤도 지구관측 위성 4개에서 획득한 주야간 레이더 이미지 및 멀티스펙트럼 고해상도 정보를 매일 실시간 전송하고 있다. 수집한 민감 데이터는 거의 실시간 암호화된 접속 서비스로 제공할 수 있고, 유럽 외부 지상국에 대한 의존도를 제거해 독립성을 강화했다.

ESA의 ‘달빛(Moonlight)’ 프로젝트는 다수의 산업 파트너와 협력해 달 주위에 통신 및 내비게이션 기능을 갖는 위성군을 배치, 전용 달 통신 및 내비게이션 시스템을 갖추고 다양한 달 탐사 임무 수 지원 및 미래 상업 서비스를 실현할 예정이다.

우리나라도 공간 한계를 뛰어넘는 위성통신 기술개발 전략을 수립하고 있으나 우주 광통신을 적용하기 위한 연구와 인프라가 크게 부족한 실정이다. 핵심기술 확보를 위해 정부가 주도하고 민간이 공동참여하는 프로젝트 추진이 필요하다는 지적이다.

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