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미래 전장은 어떤 모습일까? K-초소형 군집위성으로 그물망 감시정찰

국방홍보원-국방과학연구소 공동기획 <2> ADD 지구 관측하는 초소형 위성 개발

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구 소련은 1957년 세계 최초의 인공위성 스푸트니크 1호를 발사했다. 당시 과학기술 분야에서 세계 최강을 자부하던 미국은 큰 충격을 받을 수밖에 없었다. ‘스푸트니크 쇼크’라고 불린 이 사건 이후 국가 주도의 우주 경쟁이 본격화되기 시작했다. 


그러나 오늘날 우주산업이라고 하면 특정 국가보다 스페이스X, 블루오리진 같은 민간 기업이 먼저 떠오른다. 우주산업의 패러다임이 변한 것이다.

초소형 위성 개발 시장 역시 정부에서 민간 기업 주도로 바뀌면서 시장 자체가 폭발적으로 확대될 것으로 보인다. 미국과 유럽의 스페이스 X, OneWeb 등이 새로운 패러다임의 대표적인 기업이다.

소형 위성군 해외 개발 사례.

출처스페이스X 홈페이지 캡처.

해외 소형 위성군 개발 사례.

출처ICEYE 발표자료 ICEYE-SSS-16.

초소형 인공위성 Old Space Paradigm에서 New Space Paradigm으로


기존 올드 스페이스 패러다임(Old Space Paradigm)에선 높은 성능과 신뢰성 확보에 초점을 맞춰 부품을 선정하고, 제작 방식을 채택하다 보니 무게 증가와 과도한 비용이 불가피했다. 또 까다로운 검증 절차로 개발 기간이 길어진다는 단점이 있었다. 최근 글로벌 우주산업 시장은 비용 대비 효율적인 부품선정, 검증된 신기술 도입 등 뉴 스페이스 패러다임(New Space Paradigm)으로 변화하고 있다. 

위성 기술 발전에 따른 인공위성의 소형화와 로켓 재활용에 따른 비용의 감소는 (초)소형 위성 사업을 확대하는 촉매제 역할을 하고 있다. 

이에 우리나라도 관측용 초소형 위성을 개발하려는 시도를 본격화하고 있는데, 아직 국내에서 개발된 지구 관측용 위성은 중량 600~1000kg 이상의 중·대형 위성이 주를 이루고 있다.


초소형 위성 중 지구 관측을 목적으로 하는 ‘초소형 SAR 위성’은 핀란드의 ICEYE와 미국의 Capella 단 두 곳만 갖고 있다. ICEYE의 경우 ICEYE X1를 시작으로 현재 ICEYE X5까지 발사를 완료했다.

Capella X SAR.

출처Capella 제공

ICEYE X2.

출처Capella 제공.

Capella는 미국 국방부와 협력해 높은 사양의 Capella X SAR 2까지 발사했다. 국내에서는 국방과학연구소(ADD)가 미래를 선도할 수 있는 초소형 위성 연구개발에 박차를 가하고 있다. ADD는 ‘미래도전기술PM기획사업’을 통해 경제성과 활용성을 갖춘 초소형 SAR(합성개구레이더) 위성 개발 사업을 진행 중이다.

국방과학연구소, 한화시스템·솔탑·쎄트렉아이와 손잡고 초소형 SAR 위성 만든다


ADD는 지난 2019년 12월 한화시스템, 솔탑, 쎄트렉아이와 함께 초소형 SAR 위성을 개발하겠다고 발표했다. 이후 ‘초소형 SAR 위성군 설계 및 제작을 통한 운영 능력 확보’라는 목표를 달성하기 위해 힘 쏟고 있다.


이 사업은 기존 중·대형 위성의 단점인 고비용, 고중량, 긴 개발 기간 등을 해결하고 초소형 위성의 특징인 저해상도, 낮은 신뢰도 등의 문제를 해소하는 데 중점을 두고 진행 중이다. 이를 통해 미래 초소형 SAR 위성체 분야에서 국내외 시장을 선점하겠다는 게 ADD 측 설명이다.


초소형 SAR 위성체 핵심 분야인 탑재체는 한화시스템이 맡는다. 한화시스템은 국내 군사용 정찰위성 개발사업인 425 사업과 K3A호, K7호 등 다목적 실용위성 사업에 참가하며 국내 중·대형 탑재체 개발을 담당하고 있다. 위성체의 체계 분야는 한화시스템과 솔탑이 공동 개발한다. 위성체 본체 분야는 쎄트렉아이가 담당한다. 


이 기업들은 한국항공우주연구원, 국방과학연구소 등 국내 위성 관련 기관과 협조 체제 구축을 마쳤다.

무게 줄이고 성능 높여 해외시장에서 경쟁력 확보할 것


우주개발 선진국에서는 초소형 위성 분야 연구개발이 활발히 진행되고 있다. 

글로벌 초소형 SAR 위성체 시장에서 핀란드 ICEYE는 현재 1m급의 SAR 레이더 영상을 상용시장에 제공하고 있다. 또한 소형 SAR 레이더 위성기술(Small Satellite Synthetic Aperture Radar)을 탑재한 소형인공위성 20개를 군집 운영할 계획이다.


그에 비해 국내 초소형 SAR 위성체 개발은 현재 시작 단계다. 초소형 SAR 위성 분야 연구 지적기반이 취약해 해외시장에서의 경쟁력 확보가 시급한 실정이다. 

이에 ADD는 미래도전기술개발 PM 기획 사업을 통해 단계별 설계 및 검증을 진행할 계획이다.

ADD는 영상 해상도와 직결되는 SAR 탑재체 핵심 구성품인 고효율 TR 모듈이 탑재된 능동위상배열안테나를 개발하고, 위성체를 본체·탑재체 일체형 구조로 설계해 무게를 줄이는 동시에 신뢰성이 확보된 저비용 대량생산구성품(COTS)을 적극적으로 활용할 방침이다.

국방과학연구소 관계자는 "미래도전기술개발 PM 기획 사업인 초소형 SAR 위성체는 야간, 악천후에 영향을 받지 않는 전천후 영상정보 획득이 가능한 위성으로 개발될 것"이라며 "개발에 성공한다면 수년 뒤 국산기술로 개발된 초소형 SAR 위성체가 운용될 것이고 이는 국내 위성체 개발에 한 획을 그을 것으로 예상된다"고 밝혔다.  

해외 초소형 SAR 위성체 악천후 영상.

준 실시간 감시 능력 갖춘 초소형 SAR 위성군 개발한다


소수의 위성으로 관심국 전 지역을 실시간으로 탐지하는 것은 사실상 불가능하다. 재방문 주기가 수 시간에 이르기 때문이다. ADD가 국내 민간기업과 손잡고 개발하려는 초소형 SAR 위성체는 뉴 스페이스 패러다임(New Space Paradigm) 철학에 충실한 단기간, 저비용, 대량생산에 초점이 맞춰져 있다.

이 위성체는 군집 위성(Constellation)으로 운용돼 재방문 주기를 최소화할 수 있을 것으로 보인다. 이를 통해 관심 지역의 시한성 긴급표적 및 군사적 이상 징후 포착 시 적시에 대응할 수 있다. 그물망처럼 촘촘한 감시정찰이 가능해지는 것이다.  


국내 기술로 개발되는 이 초소형 SAR 위성체는 미국 Capella X SAR, 핀란드 ICEYE X 등 외국 초소형 위성과 비교해도 성능이 뒤지지 않을 것으로 보인다. 

영상 해상도는 1m 급이고, 본체·탑재체 일체형 구조를 적용해 무게가 85kg인 ICEYE X2 SAR보다 15% 가벼워진다. 더불어 자세 기동 시간과 안정화 시간이 상대적으로 긴 ‘기계적 안테나 빔 조향’이 아닌 ‘전자적 안테나 빔 조향’ 방식을 채택해 영상 촬영 시간 및 촬영 매수 증가와 함께 넓은 관측 범위를 확보할 수 있다. 

초소형 SAR 위성체 전개 모습. 위가 태양전지판, 아래가 SAR 탑재체 안테나.

출처국방과학연구소 제공.

ADD의 SAR 위성체 개발은 주요 핵심 구성품 모두를 국산화하는 방향으로 진행 중이다. 특히 국내 최초로 우주급 능동위상배열안테나를 개발하고 있다.  


이 안테나는 초소형 SAR 위성체의 핵심인 탑재체 중 하나다. 또 본체·탑재체 일체형 구조로 기계적 기능을 단순화하고 위성체 설계를 통합해 위성체의 크기와 중량을 획기적으로 줄일 수 있을 것으로 보인다. 이와 함께 고집적 FPGA 기반 기능이 통합된 위성 전장품을 개발해 소형·경량화를 실현할 수 있는 방향으로 설계하고 있다.  


국방과학연구소 관계자는 "초소형 SAR 위성체군은 단일 편파, 위성·다중 편파 위성군 운용으로 다양한 편파 특성을 이용해 뛰어난 영상 수집 능력을 보일 것"이라며 "이를 통해 효율적인 정찰체계 전력 증강 기반을 확보하게 될 것"이라고 밝혔다. 

안승회 기자

단일 편파 위성/ 다중 편파 위성군 운용도.

출처국방과학연구소 제공.

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