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[뉴스 클립] Special Knowledge <430> 인공위성 어디까지

박방주 기자
인공위성(人工衛星· satellite)은 민수용과 군사용 등 다양한 용도로 쓰이고 있는 최첨단 기기다. 우주 궤도를 돌며 지구를 손바닥 들여다보듯 내려다보고, 24시간 국제 간 통신을 이어준다. 또 허블 천체망원경으로 우주의 기원을 탐색할 때, 길을 세세하게 알려주는 차량 내비게이션을 쓸 때도 위성의 도움이 없이는 안 된다. 이처럼 위성은 이미 현대인의 일상에서부터 우주 개발, 우주의 기원을 밝히는 데까지 없어서는 안 될 문명의 이기가 됐다. 지금 국제사회는 북한의 광명성 3호 위성 발사를 놓고 시끄럽다. 이를 계기로 위성에 대해 알아본다.



우주에 떠다니는 994기 중 265기가 군사용 첩보위성

인공위성은 주로 지구의 주위를 주기적으로 돌도록 만든 인공 장치를 말한다. 1957년 10월 4일 소련이 세계 첫 인공위성(이하 위성)인 스푸트니크 1호를 쏘아올려 58년 1월 4일까지 지구 궤도를 돌게 하는 데 성공함으로써 위성의 시대가 열리기 시작했다. 농구공 크기의 스푸트니크 1호는 그럴듯한 과학장비 하나 탑재하지 않은 단순한 위성에 불과했지만 미국과 소련 진영으로 나눠진 냉전시대의 우주개발 경쟁을 격화시킨 계기가 됐다.



이후 지금까지 위성은 수십 개 국가 소유의 6200여 기가 우주 로켓에 실려 발사됐으며, 현재 운용 중인 위성만 994기에 이른다. 그 기능도 상상을 초월할 정도로 발전해 인류 복지와 전쟁, 우주 탐사 등 많은 분야에서 큰 역할을 하고 있다.



전파 환경을 실험 중인 우리나라 다목적 위성 ‘아리랑 5호`.위의 톱니처럼 생긴 둥근 원판은 안테나이며,벽돌담처럼 긴 직사각형은 레이더 전파를 지상으로 쏘는 곳이다. [한국항공우주연구원 제공]


위성은 용도별로는 군사용·통신방송용·기상용·원격탐사용·항행용·과학용 등으로 나뉜다. 돌고 있는 우주궤도에 따라 정지궤도용·중궤도용·저궤도용·타원궤도용으로 구분하기도 한다. 정지궤도는 그 위치가 한정돼 있기 때문에 위치 선점 경쟁이 뜨겁다. 정지궤도에 비해 저궤도와 중궤도는 위성이 자리할 수 있는 위치가 아주 많아 그런 경쟁을 잘 하지 않는다.



지상 고도 300㎞를 도는 저궤도 위성의 경우 지구를 한 바퀴 도는 데 약 1시간30분이 걸리고, 고도 1만㎞라고 하면 6시간이 걸린다. 정지궤도는 지구의 자전 속도와 동일하게 하루에 한 바퀴 돌아 지구에서 보면 마치 위성이 정지해 있는 것처럼 보인다. 그래서 정지궤도라고 한다.



현재 전 세계적으로 가동 중인 위성 994기는 첩보위성으로 불리는 군사용이 265기, 정부용 288기, 상업용 397기, 민간용 44기 등이지만 정부용 중 상당수는 군사용 겸용으로 사용하고 있다. 위성 소유 국가는 미국이 441기로 압도적으로 많고 러시아 101기, 중국 83기, 일본 41기 순이다. 한국은 4기를 보유하고 있다.



● 첩보위성: 지상 장갑차수, 자동차 종류 식별



첩보위성이라고도 하며 위성 기술이 비약적으로 발전하는 데 견인차 역할을 했다. 위성 초기에는 미국과 소련이 쏘아올린 군사용 위성이 우주의 대부분을 주름잡고 있었으며 점차 민간으로 그 기술들이 이전돼 지금의 위성 전성시대를 열었다.



적 상공에서 사진 촬영, 적 미사일 발사 탐지, 병력 이동 포착, 군사용 통신, 지상 위치 확인 등 초기 위성은 군사력을 높이는데 집중됐다. 현재 미국과 중국, 러시아가 수많은 첩보위성을 운용하고 있으며, 일본도 4기를 쏘아 한반도 상공을 감시하고 있다.



공중에서 지상의 물체나 변화를 식별하는 것이 첩보위성의 핵심 임무다. 이는 지상을 촬영하는 디지털 카메라와 적외선 카메라, 레이더 카메라 등의 기술발달에 힘입어 급속도로 그 성능이 향상되고 있다. 현재 첩보위성의 카메라는 한 변이 10㎝ 정도인 정사각형을 한 점으로 표시할 정도로 뛰어난 정밀도를 자랑하고 있다. 위성 카메라로 잡은 영상에 그런 점이 몇십 개, 몇백 개가 모이면 형상이 나타나고 지상의 장갑차나 자동차 수, 자동차 종류 등을 식별할 수 있다. 첩보영화나 공상과학영화에서 가끔 나오는 지상의 사람 얼굴을 클로즈업해서 누구인지 알아맞힌다거나 자동차 번호판을 읽어내는 것은 현재로선 말 그대로 영화에서나 가능하다. 아직 그 정도의 정밀도에는 이르지 못한다.



여러 종류의 카메라 영상을 조합해 감시의 사각지대를 없앨 수 있기도 하다. 예를 들어 일반 디지털 카메라는 구름이 끼지 않은 낮에만 지상을 촬영할 수 있지만 적외선 카메라나 레이더 카메라는 밤낮 구분 없이, 비가 오나 눈이 오나 지상을 촬영할 수 있다. 이런 여러 종류의 영상을 조합해 보면 특정 물체의 정체나 상태를 알아낼 수 있다. 예를 들어 적군이 군사용 비행장에 나무로 깎은 모조 전투기를 대거 배치해 놓은 상황을 보자. 디지털 광학 카메라 영상에는 진짜 전투기처럼 나타나지만 적외선 카메라 영상에는 금속과 나무의 온도 차이가 그대로 드러난다. 이런 차이를 이용하면 가짜 전투기임을 금방 알아낼 수 있다. 또 적외선 카메라를 활용하면 북한의 광명성 3호 발사용 로켓에 연료를 채웠는지, 안 채웠는지도 파악이 가능하다. 연료를 가득 채우면 로켓 액체 산소 연료통의 온도가 영하 100도 이하로 내려가면서 로켓 표면 온도도 영하로 떨어지는데 적외선 카메라는 이런 변화를 놓치지 않는다.



상당수의 고성능 첩보위성은 고도를 비교적 자유롭게 조정할 수 있다. 지상을 근접 촬영하려고 고도를 낮춘 뒤 다시 원위치로 복귀할 수 있다. 하지만 이런 기능을 사용하면 위성의 고도를 조절할 수 있는 연료가 과다하게 소진돼 위성 수명도 몇 개월, 또는 몇 일로 짧아진다. 그래서 전쟁 중이거나 급박한 상황에서만 활용한다. 첩보위성은 주로 저궤도에서 활약한다.



● 탐사위성=지구 대기관찰, 재난현장 사진촬영



위성의 성능에 따른 사진의 선명도 차이.왼쪽부터 해상도 6.6m,4m,1m,0.8m짜리로 인천공항을 찍은 사진이다.


지구 관측 위성으로도 불린다. 지구 표면과 대기 관찰, 사진 촬영을 통해 지상의 변화를 파악하는 게 주 임무다. 우리나라의 다목적 위성인 아리랑 2호도 원격탐사를 한다. 우리나라의 산불 현장, 일본의 지난해 동일본 대지진 현장 등을 사진으로 촬영해 재난 현황 파악과 복구 등에 활용했다.



원격탐사 위성은 주로 저궤도에 위치하며 다양한 목적으로 이용되고 있다. 세계적인 곡물회사들은 원격탐사 위성으로 세계의 작황을 수확기 이전에 예측한다. 측량 관련 공공기관들은 전자지도 제작을 하는 데 이용한다. 넓은 지역의 환경오염 실태 파악과 식생대 변화 등을 알아내는 데도 원격탐사 위성의 역할은 절대적이다. 항공기로는 위성에 비해 상대적으로 좁은 지역만을 관찰할 수 있을 뿐이다. 원격탐사 위성은 상황에 따라서는 군사목적을 겸할 수 있다. 우리의 아리랑 위성으로 북한 지역을 촬영하면 군사시설 변화나 동향도 파악이 가능하다.



2000년대 들어서는 상업용 원격탐사 위성이 위세를 떨치고 있다. 불과 몇 년 전까지만 해도 미국 첩보위성이나 제공 가능한 정도의 정밀도를 자랑하는 고정밀 위성 사진을 일반에 팔고 있다. 인터넷 포털 구글에서는 집주소만 치면 그 주변 위성 지도를 볼 수 있을 정도다. 위성 광학 영상의 경우 군사용과 상업용의 구분이 모호해지고 있는 셈이다.



● 통신·기상위성: 기상예보, 해양관측 등 사용



국제 간 통신을 중계하기 위한 통신위성, 기상 예보를 위한 기상위성, 해양 관측을 위한 해양위성 등은 주로 정지궤도에 올려놓는다. 우리나라의 무궁화 위성 시리즈는 통신과 방송 겸용이다. 지구가 둥글기 때문에 정지궤도의 정확한 위치에 3기만 올려놓으면 지구 반대편 국가는 물론 전 세계의 통신을 중계할 수 있다.



통신과 방송 겸용 위성은 상업위성 중에서 가장 대용량이며 앞서 발전했다. 국제 해저 광케이블이 대대적으로 포설되기 전에는 국제 통신과 방송 중계의 대부분을 처리했다. 그러나 위성은 두 지점을 중계하는 데 0.5초의 시간 지연이 있는 단점이 있고 또 해저 광케이블에 비해 동시 처리 용량도 적다. 해저 광케이블은 시간 지연이 거의 없고 대용량 데이터를 동시에 처리할 수 있다. 우리나라는 현재 통신·방송·기상 겸용 위성인 ‘천리안’을 정지궤도에 올려 가동하고 있다. 이 위성을 발사하기 전에는 위성 기상 정보를 일본으로부터 제공받았다.



과학위성은 우주 대기 관측이나 허블처럼 천체망원경을 탑재해 우주 탐사를 하는 등 과학적인 연구에 활용한다. 국제우주정거장도 인간이 거주하면서 과학실험을 할 수 있는 거대한 과학 위성의 일종이다. 세계 첫 위성인 스푸트니크 1호도 지구의 대기 밀도 측정기가 내장돼 있는 과학위성이었다.



● 항해용 위성: 위치 정보 지상에 발사 GPS에 이용



GNSS(Global Navigation Satellite System) 위성이라고 하며 위치정보를 지상에 발사해 누구나 지상(비행 중인 비행기 포함)에서 자신의 위치를 알 수 있게 한다. 우리에게 잘 알려진 미국의 GPS(Global Positioning System)도 그 일종이다. 미해국에서 군사용으로 처음 개발한 뒤 민간에 개방했다. 시스템은 지상 약 2만200㎞ 위에 27기의 위성으로 구성했으며, 이들이 시시각각 위치 정보를 지상으로 내려보낸다. 지상에서는 신호 수신기만 있으면 자신의 위치를 알 수 있다. GPS에 맞서 중국과 유럽이 독자적인 항행용 위성시스템 개발을 시작했다. 그러나 진척이 느려 아직 본격적인 서비스를 하지는 못하고 있다.



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