성층권은 대류의 움직임이 억제돼 기상현상이 거의 없는 지표 20∼30㎞ 상공의 안정된 기층으로 태풍이나 눈비의 영향을 전혀 받지 않는 공간이다. 인공위성보다 낮은 위치에서 통신이나 방송을 송·수신할 수 있는 비행선을 띄워 이동통신, 고정통신, 방송, 기상관측, 원격탐사, 측위 등 각종 응용서비스를 구현한다는 게 ‘HAPS’의 골자다.
국내에서는 HAPS가 연구 단계에 머물러 있으며 상용화를 위한 본격적인 개발은 보류된 상태다. 지난해 2월 정보통신부는 성층권 비행선을 이용한 무선중계시스템 개발에 과도한 비용이 소요되는데다 실효성도 의문시돼 본격적인 개발은 추진하지 않기로 최종 결론지은 바 있다.
하지만 HAPS가 지니는 잠재적 가치는 아직도 충분하다는 게 관련 전문가들의 견해다. 특히 통신 및 방송위성을 경쟁적으로 발사, 정지위성 궤도와 주파수가 이미 포화상태에 달한 선진국에서는 HAPS에 대한 연구개발을 지속적으로 추진하고 있으며 관련 표준화에도 힘을 쏟고 있다. 여기서는 한국전자통신연구원(ETRI)의 기술 자료를 바탕으로 HAPS의 원리 및 기술개발 동향에 대해 살펴본다.
HAPS의 기본 개념 및 특성
HAPS란 ‘High Altitude Plaform Station’의 약자로 ITU(국제전기통신연합)가 채택한 공식용어다. 기본원리는 그렇게 복잡하지 않다. 성층권에 해당하는 지상 20∼30㎞ 상공에 통신과 방송기기, 기타 무선응용기기 등을 실은 무인비행선을 띄워 이동통신, 방송중계, 원격탐사, 전파감시, 기상관측 등에 활용하는 것이다.
HAPS는 지상 중계기나 인공위성 등 기존 통신인프라를 대체할 수단으로 고안됐다. HAPS가 상용화되면 현재처럼 막대한 투자비를 들여 땅에 설치해야 됐던 이동전화기지국, 방송국 기지국 등이 필요 없게 된다. HAPS의 특성을 설명하기 위해서는 셀룰러·PCS와 같은 지상 무선 통신시스템 및 위성 통신시스템들과 같은 기존의 무선 통신 인프라에 대해 살펴볼 필요가 있다.
우선 지상 무선 네트워크는 비용이 적게 들고 낮은 전력으로도 단말기를 사용할 수 있다는 게 장점이다. 아울러 전파 지연이 짧고 시스템 용량 확장이 쉽다는 것도 장점이라고 볼 수 있다. 그러나 채널 경로가 단순하지 않고 많은 안테나 타워와 기지국, 이동 교환 센터를 필요로 하는 등 인프라 구조가 복잡하다는 단점이 있다.
이와는 대조적으로 위성 네트워크는 지상 무선 통신에 비해 서비스 제공 지역이 넓고, 오지, 사막 등의 지리적 장애에 관계없이 손쉽게 통신회선을 설정할 수 있다. 또한 지상재해에 무관하게 안정적인 서비스를 제공할 수 있을 뿐만 아니라 한 지점에서 다수지역으로 동일 내용의 정보를 동시에 전송할 수 있다.
그러나 사용자 단말기가 높은 전력을 필요로 하며 이용에 많은 비용이 든다는 게 단점이다. 또한 전파 지연이 길며 시스템 용량이 실질적으로 고정돼 있어 위성을 추가해야만 용량을 증가시킬 수 있다는 것도 단점이다. HAPS는 지상 무선 통신시스템 및 위성 통신시스템들과 같은 기존의 무선 통신 인프라의 장점들을 복합적으로 갖고 있다.
즉 HAPS는 망 구성의 유연성, 광대역성 등 위성 통신의 장점을 지니면서 수요에 따른 적기 공급, 단말기의 소형화, 짧은 전송 지연 시간 등 지상 이동 통신의 장점도 함께 갖추고 있다. 이에 따라 HAPS를 이용하면 적은 비용으로 고속의 통신 서비스를 제공할 수 있고 전송 손실도 최소화 할 수 있다. 아울러 전송 지연 시간을 줄일 수 있는 잇점도 있다.
HAPS의 작동 원리
비행선이 떠 있게 될 성층권은 기상상태가 비교적 안정돼 있고 항공 관제 영역 윗부분에 위치한다. 또 필요할 경우 비행선을 착륙시켜 유지 보수할 수 있다는 장점을 지니고 있다. 이와 함께 환경 오염 방지를 위해 연소에 의한 동력추진이 금지돼 있다는 점도 주목할만 하다.
비행선은 전장 약 150∼250m 정도의 크기로 약 1톤의 탑재물을 싣고 있다. 이 비행선은 내부의 헬륨 가스를 사용해 정점 체공을 위한 부력을 얻고 성층권에서 바람 등의 영향에 대해 자세 및 위치를 제어하기 위해 전동기로 구동되는 프로펠러를 사용한다. 성층권 비행선에 요구되는 전력은 낮에는 비행선 표면에 장착된 태양 전지로부터 얻는다. 또 밤에는 내부에 장착된 연료 전지에 의해 공급된다.
HAPS 응용 분야
HAPS의 응용분야는 크게 △고정·이동 통신 서비스 △방송 서비스와 관측·탐사·감시·측위 등 무선응용서비스 분야로 구분할 수 있다.
□ 고정통신 서비스 = 성층권 통신시스템을 이용한 고정통신 서비스에는 무선 인터넷 접속 서비스, 디지털 가입자 무선통신 서비스, 정지위성과 연계한 광역통신 서비스, 기상정보 서비스 등이 있다. 이는 성층권 통신시스템을 통해 대용량의 회선을 공급할 수 있고 초고속 통신 서비스 제공이 가능하며 시스템 구축이 쉽다는 점에 바탕을 두고 있다.
또 HAP를 통해 실시간으로 데이터를 전송할 수 있고 낮은 전력으로 소형·경량의 단말기를 사용할 수 있다. 또한 기존 정지위성에 HAPS를 접목시킴으로써 전세계적인 광대역 통신망을 구성할 수 있게 된다.
□ 이동통신 서비스 = 위성에 비해 상대적으로 가까운 거리에 있는 장점을 활용할 경우 이동 멀티미디어 서비스, 차량용 양방향 데이터 통신 서비스 등 다양한 이동통신 서비스 제공이 가능하다. 특히 HAP를 이용하면 위성 통신망을 통하는 것보다 빨리 동화상을 전송할 수 있고 주파수를 효과적으로 재사용하는 것도 가능하다. 또한 재해 발생으로 인해 지상 이동 통신망이 두절됐을 경우 효과적인 백업 시스템이 될 수 있다.
□ 방송 서비스 = HAP는 일반 가정으로의 TV 및 라디오 방송 송신을 위해 지상의 중계소 대신 성층권 비행선에 탑재된 중계기를 사용한다. 이에 따라 기존의 지상파 또는 위성 방송 시스템에 비해 지상 구조물에 의한 반사(Ghost)의 영향을 적게 받는다. 이로 인해 지상 중계소를 통하는 경우보다 고화질의 영상을 얻을 수 있고 도서벽지 등과 같은 난시청 지역에서도 비교적 용이하게 방송을 할 수 있다.
□ 기타 응용 서비스 = 송전선 감시, 화재감시 등 지역방재를 위한 탐지·감시 시스템이나 기상관측 시스템은 HAPS의 대표적인 응용 분야다. 이 밖에 HAPS는 교통·항공관제 시스템, 해상감시 및 원격 탐사 시스템, 전파감시 시스템 등으로 이용될 수 있다. 특히 HAPS는 지상, 환경 등을 상시 관측할 수 있고 필요한 위치로 비행선을 이동할 수 있다는 점에서 효율적인 관측, 감시시스템이라 할 수 있다. 또 전송거리 및 탐사 거리가 짧아 고정밀의 관측이나 탐사, 감시 기능도 쉽게 구현할 수 있다는 점도 장점으로 꼽힌다.
해외 개발 현황
□미국 SSI사=미국 SSI(Sky-Station Inc)사는 무인 비행선을 이용해 세계 최초의 성층권 통신시스템(STS, Stratospheric Telecommunication Service)의 상용화를 시도하고 있다. 특히 오는 2005년까지 약 250기의 비행선을 성층권에 띠워 전세계에 상용 서비스를 제공한다는 목표를 세워 놓고 있다.
SSI는 고도 21㎞ 저점에 길이가 약 157m인 비행선을 띄워 47/48㎓ 대역 및 2㎓ IMT-2000 대역의 음성, 데이터, 멀티미디어 서비스 등을 제공할 계획이다. 비행선 1기당 가입자는 약 100만명의 정도로 예상하고 있다. SSI는 향후 통신수요와 시장성 등을 고려해 통신 인프라 발달 정도를 기준으로 두 가지 방향에서 HAPS 구축을 추진하고 있다.
즉 통신인프라가 발전돼 있는 미국 및 선진국을 대상으로 광대역 통신 서비스를 제공하고 통신 기반 구축이 미비한 개발도상 국가들에게는 기본적인 음성 서비스 및 데이터 서비스 중심의 WLL(Wireless Local Loop) 통신 서비스를 제공한다는 것이다.
□일본 우정성=일본에서는 HAPS 상용화를 위해 우정성, 과기청, 연구소, 기업체 등이 참여해 범국가적인 밀레니엄 프로젝트로서 연구 개발을 추진하고 있다. 제안된 성층권 비행선은 전장 약 245 m, 총 무게는 약 32.4 톤에 이르며, 1 톤의 탑재물을실어 성층권에 2∼3년간 장기 체공할 수 있을 것으로 예상하고 있다.
일본의 성층권 시스템 제공 서비스 분야는 크게 통신 방송 분야와 지구 관측 분야로 구분된다. 통신 방송분야는 우정성 산하의 CRL(통신연구소)과 TAO(통신개발단)에서 주관하고 있다. 특히 통신 서비스를 일본 전역에 제공하기 위해서는 최소한 15기 이상의 비행선이 필요로 할 것이로 예상하고 있다.
□ 유럽의 ESA(European Space Agency) = 유럽의 경우 지난 95년 6월 ESA 내부에서 정식으로 HALE(High Altitude Long Endurance)이라 명명하는 성층권 통신시스템의 개발을 승인함으로써 유럽의 성층권 통신시스템 개발이 본격화되기 시작했다. 그 뒤 비행선 및 통신 탑재체에 대한 연구가 ESA 관련 국가들을 중심으로 활발하게 진행돼 지난 99년 1단계로 타당성 연구를 마치고 실용화를 위한 비행선 모델을 제시했다.
1단계 연구 결과로 얻은 비행선은 총 길이 232m, 직경 58m, 무게 30톤 규모다. 부력을 얻기 위해 헬륨가스를 사용하며 후미의 반경 약 15m급의 프로펠러가 방향조정 및 위치 이동 역할을 맡는다. 또한 비행선에 요구되는 전력을 얻기 위해 태양전지와 연료전지 사용을 계획하고 있으며 임무 수행을 위한 탑재체의 무게 및 요구 전력을 각각 1 톤, 10kW 정도로 예상하고 있다.
국내 개발 현황 및 문제점
정보통신부는 지난 98년 성층권 통신시스템 기술 개발을 위한 첫 단계 사업으로 ‘성층권 비행선에 의한 전파통신 이용 방안에 관한 연구’를 정보통신부 국책과제로 지정했다. 이 과제는 한국전자통신연구원(ETRI) 주관으로 한국항공우주연구원 및 SK텔레콤이 공동으로 참여해 수행했다. 이어 ETRI는 한국항공우주연구원과 공동으로 지난 99년부터 2001년까지 ‘성층권 무선중계 시스템 기반기술 연구’과제를 수행했다.
하지만 상용화를 위한 본격적인 개발과 채택 여부는 불투명하다. 일단 개발에 성공할 경우 경제성 확보가 가능하다는데는 이론이 없지만 막대한 독자개발 비용이 큰 부담이 되고 있는 것이다. 또한 국토면적이 넓지 않은 상황에서 통신기반도 완비돼 있어 도입의 실효성이 크지 않다는 지적도 있다.
정보통신부는 독자개발의 경우 해외장비 구매보다 2배 이상의 비용이 투입돼야 한다고 계산하고 있다. 비행선 2대에 대한 독자개발비는 약 2,500억원 정도. 반면 SSI는 공급가능액을 1,200억원선에 제시하고 있는 것으로 알려지고 있다.
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