실시간 중계 가능할까? ●인공위성으로 지구 전역

A매치 평가전을 앞두고 훈련 중인 한국 대표팀의 모습. 라인업에 앞서 인공위성으로 대표선수 명단을 확인할 수 있을까. <사진출처=대한축구협회>국가대표팀간 경기(A매치)를 앞두고 있는 양국. 축구팬들의 관심이 한 달 전부터 뜨겁습니다. A매치에 출전할 태극전사도 상대국 선수도 아직 공개되지 않은 상황. 자, 인공위성 지상국의 모니터로 연습장을 도는 등 번호가 포착됩니다. 유심히 지켜보던 상대국 축구 연습 경기장입니다. 스트라이커, 미드필더 등 각 포지션의 선수를 확인하면서 감독이 팀을 다시 짤 겁니다.인공위성, 해상도보다 커버면적이 중요?인공위성으로 실시간으로 지구영상을 찍어 제공하는 기업이 주목받고 있습니다. 플래닛, 디지털 장갑, 에어 버스, 아스 나우 등이 있는 것입니다만. 모두 '전지구 생중계' 서비스라는 파격적인 제안을 하고 있습니다. 지금까지 지구관측위성은 주로 높은 해상도를 자랑해 왔습니다. 정찰위성 키홀은 고도 250km에서 6cm의 해상도를 가진 것으로 알려져 있고, 우리 아리랑위성 3A호는 55cm의 고해상도를 자랑합니다. 반면, 위의 기업은 하루에 찍을 수 있는 면적, 즉 하루 데이터 획득 용량을 전면에 내세웁니다.

사실 지구 전체를 한눈에 보는 것은 기존 위성이 해 온 임무 중 하나입니다. 인공위성의 시야각이 좁기 때문에 멀리서 찍으면 가능한데요. 3만6000km 정지궤도에 올라 있는 천리안 2A호가 지구 전체를 찍는 데 걸리는 시간은 약 10분. 특히 한반도는 2분에 한 번씩 구름의 이동 방향을 타임랩스로 나타낼 수 있습니다. 기상정보를 알려주는데 탁월하군요. 근데 실시간으로 지구를 보면 저희가 원하는 정보가 좀 달라요. 언제든 조미중 어느 도시의 어느 광장에서 무슨 일이 일어나고 있는지 밀착 들여다볼 수 있어 필요한 정보에 접근합니다.실시간 중계? 실시간 다운로드! 지구 전역을 생중계하려면 몇 가지 조건이 필요합니다. 인공위성은 이제 지구를 쉬지 않고 돌고 있군요. 위성이 떠 있는 장소에서 데이터를 즉시 다운로드할 수 있으면 실시간이라는 것이군요. 첫 번째 조건은 실시간 전송입니다. 그러나 대부분의 위성은 촬영과 동시에 데이터를 전송하지 않습니다. 지상국을 지날 때만 가능합니다. 우리의 아리랑 위성이 지구와 교신하는 지점은 전 세계에 흩어져 있습니다. 한국항공우주연구원 대전본원 외에 남극과 북극, 미크로네시아추크주 웨노섬 위성관제소가 있습니다. 아리랑 위성은 하루에 15번 정도 지구를 돌며 연구원 지상국과 하루 3, 4번 정도 송수신을 합니다.

한국의 위성관제지상국은 남극 북극 KARI 대전본원 웨노섬 등 4곳이다. 각 지상국 안테나의 범위에 위성이 들어가는 약 10분간 데이터를 다운로드할 수 있다.그래서 위성 궤도 중 몇 곳에 지상국을 설치할 거예요. 4개 지점을 통해 하루에 통신할 수 있는 횟수는 10회 정도. 그 열 번의 만남도 답답해요. 초속 7.5km로 도는 저궤도 위성이 지상국 안테나 범위 내에 머무는 시간은 약 10분입니다. 10 분 이내에 송신할 수 있는 데이터량은 벌써 정해져 있습니다. 시간과 타이밍의 한계가 분명합니다. 실시간 다운로드에 한 발이라도 다가서기 위해서는 교신 범위를 넓혀야 합니다.

불가능한 일은 아니에요. 세계 각국이 설치한 지상국이 모두 인터넷처럼 하나의 통신 프로토콜로 연결되면 실시간 중계는 시간 문제입니다. 우리 지상국도 현재는 우리 위성과의 교신에만 활용하지만 다른 나라 위성과도 얼마든지 가능합니다. 영상정보를 공유해야 하는 민감한 문제만 해결된다면 충분히 예상할 수 있는 방안입니다. 아마존이 아마존 웹 서비스 지상국(AWS Ground Station) 사업을 시작한 것도 같은 의미입니다. 전 세계에 14개의 지상국을 운영, 이를 대출하여 클라우드 서비스를 통해 실시간 수준의 데이터를 받을 수 있도록 한다는 것입니다.

현재 가장 빠른 시간 내의 데이터를 제공하는 위성 회사 플래닛이 48시간 이내 수준입니다. 지상국에서 먼 지역의 화상을 고객이 원할 경우, 촬영과 다운로드와의 사이에 시간차가 생겨 데이터 후의 처리 시간까지 고려하면, 그런데도 꽤 빠른 속도입니다. 디지털글로브는 최근 1분 안에 데이터를 가져와 전송하는 테스트에 성공했다고 발표하기도 했습니다. 아스나우는 아직 위성 발매 전이지만, 약 1초 정도의 지연 시간을 가지고 지구상의 장소를 볼 수 있도록 한다고 합니다. 목표 시간대를 달성하면 해외특파원과의 중계방송 정도로 우주에서 찍은 지구를 볼 수 있습니다.

(왼쪽) 세계 14곳에 지상국을 두고 실시간급 데이터 클라우드 서비스를 제공한다고 발표한 아마존 지상국 사업의 개념도. <사진 출처 = AWS Ground Station> (오른쪽) 디지털 글로브는 위성 간의 데이터 릴레이로 실시간 다운로드 개념에 근접한다. <사진의 출처 = Digital Globe> 실시간 다운로드 방법은 다수의 지상국만이 아닙니다. 지구에서는 항상 같은 위치의 정지궤도 위성은 이미 지상국과 실시간으로 교신하고 있어요. 저궤도 위성이 찍은 영상을 정지궤도 위성으로 보내 다시 지상국으로 쏘아 올리면 가능합니다. 위성끼리도 할 수 있어요. 데이터를 바통처럼 이어 받아서 안테나의 범위 내에 있는 위성이 최종 다운로드를 할 것입니다. 다만 이를 위해서는 위성 간 통신 안테나, 정지 궤도 위성 송신기 등 별도의 안테나가 장착되어야 합니다. 작은 위성이라면 쉬운 일이 아니죠.2차원 CCD로 촬영하라 실시간 중계를 위한 두 번째 숙제는 2차원 감지 소자(CCD, CMOS 등)입니다. 감지 소자는 디지털 카메라에서 필름 역할을 하는 전자 소자입니다. 감지 소자의 빛을 전자 파일, 즉 영상(이미지)으로 바꿉니다. 우리가 사용하는 디지털 카메라에는 이미 평면형의 2차원 감지 소자가 들어 있습니다. 그러나 인공위성에는 주로 일자형(선형)을 사용합니다. 인공위성은 한번 보내면 수리할 수 없기 때문에 고장이 적은 단순한 부품을 선호하기 때문이죠. 그래서 컴퓨터를 포함한 많은 부품들이 고사양과는 거리가 있습니다. 두 감지소자의 가장 큰 차이는 전체를 한꺼번에 촬영하느냐, 마치 스캐너처럼 훑어보듯 촬영하느냐는 겁니다.

사진 왼쪽으로부터 선형(1 차원), 평면형(2 차원) 감지 소자. 인공위성은 신뢰도를 높이기 위해 보다 단순한 1차원 감지소자를 탑재한다. <사진의 출처=도시바, 코닥> 보통 위성사진을 영상과 혼용해서 부르기는 하지만, 엄밀히 말하면 위성이 촬영하고 있는 것은 스캔 이미지입니다. 1 차원 감지 소자를 좌우로 움직이면서 전체 화면을 비로 쓸 듯이 나누어 촬영합니다. 영상의 해상도를 높이는 방법입니다. 이렇게 촬영을 하면, 사진의 처음과 끝 부분에는 시간차가 생깁니다. 이 시간차가 10분이라고 가정하면 하나의 이미지가 완성되는 순간, 가장 처음 훑어본 영역은 이미 10분이 지난 후가 될 것입니다. 그동안 불났으면 모르겠어요. 평면형의 2차원 감지 소자라면 한 프레임 한 번에 찍을 수 있기 때문에 시차를 없앨 수 있습니다.

신뢰도를 조금 낮추더라도 감지소자만 바꾸면 가능할 것 같은데요. 데이터 전송속도도 고려해야 합니다. 1 차원 감지 소자가 송신하는 영상의 초기 데이터는 신호에 가깝습니다. 지상국만이 알 수 있는 특별한 형태로 되어 있어서 이용자가 내용을 알 수 있도록 관측 데이터 처리, 영상 복원을 거쳐 제공됩니다. 그러나 2차원 감지 소자의 데이터는 이보다 용량이 훨씬 더 큽니다. 영화 한 편과 사진 한 장을 내려받을 때 속도차와 비슷하다고 보면 됩니다. 임무 수명과도 직결되는 데다 위성 부품의 모든 사양을 데이터 크기에 맞춰 업그레이드해야 합니다.

위성은 스캔하듯 1차원 감지 소자를 움직여 지표면을 조사한다. 그림은 인공위성의 스트립 촬영방식. ▲ 여러 대로 가능한 한 자주 찍어라 = 2 차원 감지 소자로 모션이 자연스러운 영상이 되려면, 1 초에 25 프레임 이상은 찍어야 합니다. 하지만 위성의 이동속도는 너무 빨라요. 2차원 감지 소자를 활용하여 특정 영역을 연속적으로 촬영하면 가능할 수도 있습니다. 풀어야 할 숙제 세 번째는 연속촬영입니다. 지구와 같은 지역을 최단시간에 재방문 할 수 있는 궤도가 있습니다. 태양 동기 궤도라고도 불리는 극궤도입니다. 적도와 90도 각도를 이루어 남극과 북극을 지나갑니다. 지구가 자전하는 동안 극궤도 위성은 남극에서 북극으로 이동하기 때문에 지구 전체를 관찰할 수 있습니다. 그래서 지구관측위성과 정찰위성이 모두 이 극궤도를 돌고 있습니다. 보통 지구관측위성이 하루 15회 지구를 돈다고 할 때 1시간 반이면 같은 장소로 돌아오는 셈입니다. 극지점은 계속 통과하지만 지구의 자전 속도만큼 다른 지표면의 영역은 조금씩 바뀝니다.

디지털 글러브가 여러 대의 위성군을 이용해 지구의 많은 면적을 찍는 방식을 보여주는 개념도. <사진 출처=Digital Globe>가 재방문 주기를 연속 촬영 수준까지 높이려면 방법은 하나. 위성 대수를 늘려야 합니다. 극궤도를 주회하는 위성군단을 상상해 볼까요? 앞의 위성이 특정 지역을 찍고 뒤쫓는 위성이 그곳을 재촬영하는 것입니다. 실제 플래닛은 130개의 위성 군단 "도브"에서 이 일을 하고 있습니다. 지구 전역을 비교적 세밀하게 촬영할 수는 있지만 이미 다음 위성이 같은 상공에 왔을 때 지구는 약간 자전하고 있을 것입니다. 이미지 보완은 할 수 있어요. 하지만 모션 영상이 되려면 이 정도 대수는 말이 안 돼요.

전체 면적을 연속적으로 커버하기 위해서는 몇 대의 위성이 필요할까요? 위성의 관측폭과 지구 둘레에서 단순하게 계산해 봐요. 관측폭을 10㎞로 가정하고 지구 둘레를 10으로 나눈다. 지구가 완전히 구형이라고 가정할 경우, 둘레는 2πr. 6400㎞×2×3.14=40,192㎞입니다. 약 4만km를 10km로 나누면 4000개의 위성이 필요한 샘물입니다. 실제 인공위성의 관측시야는 상당히 좁습니다. 저궤도 지구관측위성의 시야각은 1.24° 정도입니다. 685㎞ 상공에서 15㎞의 관측폭으로 찍을 수 있다.

교통 체증이 심한 극궤도에 위성 대수를 이만큼 늘리는 것은 어려운 일입니다. 게다가 지구는 항상 7080%의 구름으로 덮여 있습니다. 구름을 뚫고 나가는 영상 레이더(SAR) 위성은 상업용으로는 아직 매우 드물어, 구름이 없는 장면을 얻기 위해서는 연속적인 촬영이 필수입니다. 지구 전역을 실시간으로 보내는 것은 사실상 불가능합니다. 하지만 '실시간'의 의미를 앞서 언급한 실시간 다운로드, 관심 영역에서의 실시간으로 압축해 생각하면 충분히 가능한 일입니다. 플래닛의 경우도 사실상 특정 영역에 대해 48시간 이내로 영상 서비스를 하고 있다고 보시면 됩니다.누구나 이용할 수 있는 우주, 그리고 위성사진의 마지막에 빼놓을 수 없는 숙제가 하나 더 있다면 해상도입니다. 지구의 많은 영역을 커버하기 위해서는 대수를 늘리지 않으면 안 되기 때문에 초소형 위성의 운용이 현실적입니다. 크기가 작다는 것은 인공위성 카메라의 렌즈에 해당하는 반사경의 구경을 크게 할 수 없다는 의미입니다. 구경의 크기는 해상도와 정비례합니다. 따라서 많은 기업들은 위성의 사양을 높이기보다는 후처리 기술을 발전시키고 있습니다. 여러 번 찍어서 가장 확실하게 잡은 부분만 맞추거나 인공지능과 결합해 대량의 영상을 자동으로 분석하는 기술력 등입니다. 고객의 요구에 맞추어 이렇게 후처리한 영상을 제공하는 플랫폼 사업도 두각을 나타내고 있습니다.

실시간 위성사진을 통해서 수행하는 임무는 잘 보면 이미 선배 위성이 거의 다 하는 일이기도 합니다. 산림자원, 선박, 농업, 수자원, 도시환경 감시 등인데요. 특히 실시간 빛을 발하는 조기경보위성은 특정 지역에 위성군을 운용하며 군사적 감시를 해왔습니다. 소형 위성군 운용의 강점은 확실히 있습니다. 더 자주, 원하는 지역을, 보다 저렴하게 이용할 수 있도록 해, 위성 화상에의 액세스성을 높이는 전략입니다. 각국의 영공에 대한 제재가 심한 드론이나 무인기와는 달리 우주에서의 촬영 규제가 없다는 점도 매력적이죠.기획 제작 : 항공 우주 Editor 오요한 자문 감수 : 정지 궤도 복합 위성 사업단 용기력 박사