유럽의 독자적 위성 항법 시스템 – 갈릴레오

[별들의 후손이 들려주는 천문학 이야기] Non-programme missions (8) GIOVE-A 그리고 GIOVE-B

범 지구 위성 항법 시스템이란?

인공위성을 이용하여 위치를 확인하고 항법등을 이용하는 시스템을 통틀어서 범 지구 위성 항법 시스템(Global Navigation Satellite System)이라고 부른다. 우리에게 가장 친숙한 위성 항법 시스템은 GPS(Global Positioning System)를 들 수 있는데 이는 기본적으로 미국 국방성에서 개발된 군용 목적의 시스템이었다.

지구를 돌고 있는 GPS-III 상상도 ⓒ Lockheed Martin

현재는 항공기나 무기의 유도등의 군용 목적을 포함하여 다양한 측량 및 지도 제작 등의 민간용 목적으로도 이용되고 있다. GPS는 최소 3~4개의 위성을 이용하여 정확한 3차원 위치, 고도 그리고 시간 등의 정보를 제공해준다. 또한, 전 세계 어디서나 24시간 내내 동시에 이용할 수 있다는 장점이 있으며 어떠한 기상 조건에서도 방해받지 않고 이용할 수 있다.

전 세계에 또 다른 이름의 GPS들이 있다?

대표적으로 러시아는 구소련 시절부터 글로나스(ГЛОНАСС)라는 러시아 우주국에서 관리하는 위성 항법 시스템을 운영하고 있다. 총 30대의 위성이 존재하며 처음에는 군사적인 목적으로 이용되었으며 현재는 민간에도 광범위하게 이용되고 있다. 2021년 기준으로 전 세계를 커버하는 항법 시스템이 되었다. 중국 역시 베이더우(北斗)라는 독자적인 위성 항법 체계를 구축했으며 2018년부터 전 세계 대상 서비스를 시작했다.

전 세계의 글로벌 항법 위성 시스템들 ⓒ ESA

일본과 인도는 각각 QZSS(Quasi-Zenith Satellite System)와 IRNSS(Indian Regional Navigation Satellite System)라는 이름의 독자적인 국지적인 위성 항법 시스템(RNSS: Regional Navigation Satellite System)을 운영하고 있으며 우리나라도 한국형 위치 정보시스템 (KPS)이라고 불리는 독자적인 위성 항법 시스템이 계획 중에 있으며 이를 통하여 항법 시스템 자주 국가로의 도약을 꿈꾸고 있다.

유럽의 독자적 위성 항법 시스템 갈릴레오(Galileo)

유럽 역시 유럽 연합과 유럽 우주국을 중심으로 전 세계 대상의 위성 항법 시스템 서비스를 시작했다. 유럽의 독자적인 항법 시스템 개발은 기본적으로 1990년대 GPS 시스템이 유료로 변경될 수 있다는 우려와 함께 미군이 의도적으로 선택적 가용성 (SA: Universal Selective Availability 혹은 Selective Availability)을 적용하면 GPS의 위치 정보가 크게 부정확해질 수 있다는 사실에 근거하여 시작되었다.

1999년 독일, 프랑스, 그리고 이탈리아가 중심이 되어 프로젝트의 기틀을 세운 후 2003년에 공식적으로 유럽 연합과 유럽 우주국의 승인을 받았다. 갈릴레오라고 명명된 유럽의 독자적 위성 항법 시스템은 GPS나 글로나스와 달리 처음부터 민간 목적으로 시작되었으며, 더욱더 신뢰하며 더욱더 자주 확인할 수 있는 항법 시스템을 목표로 운영되고 있다.

지구를 돌고 있는 Galileo 위성 상상도 ⓒ Galileo/ESA

현재는 GPS와의 상호 보완성도 훌륭하게 유지되고 있지만, 시작부터 녹록지는 않았다. 2000년 빌 클린턴 미국 대통령에 따라서 선택적 가용성이 비활성화되었으며 2001년 후반에는 선택적 가용성의 활성화 의도가 없음을 확인하게 되었다. 이를 바탕으로 2004년 마침내 유럽 연합은 미국과의 협정을 통하여 GPS와 Galileo의 미래를 위한 공존과 결합 사용을 모두 허용했으며 동맹국과 미국의 국가 안보 그리고 관련된 상호 우려를 모두 해결하기로 합의했다. 2007년 미 국방성 역시 새로운 GPS 위성들은 선택적 가용성의 구현이 불가능함을 발표했으며 위 기술은 더이상 선택사항이 아님을 밝혔다. 최근에는  GPS-III에 Galileo 시스템이 상호 운용되도록 하는 기능을 포함했으며 대부분 수신기들은 GPS와 Galileo를 함께 활용하여 훨씬 더 정확한 위성 항법 시스템을 구축하도록 설계되고 있다.

최첨단 기술의 집약체인 갈릴레오 위성 항법 기술

이젠 우리에게 매우 친근한 위성 항법 기술은 사실 첨단 기술의 집약체라고 불린다. 작동 원리는 간단하지만 더 낮은 오차가 보장되어야 하기 때문이다. 기본적으로 갈릴레오 위성들에는 시간을 매우 정확하게 측정하는 수동 수소 메이저 원자시계(passive hydrogen maser atomic clocks)와 보조로 이용되는 루비듐 원자시계(rubidium atomic clocks)들이 장착되어 있으며 위성에서 신호가 방출되는 순간 정확한 시간을 나타내는 개인화된 신호를 방출하게 된다.

수동 수소 메이저 원자시계의 모습 ⓒ SkywalkerPL

예를 들면 대부분의 휴대 전화에는 지상 수신기를 탑재하고 있는데 이를 통하여 특정 신호를 인식하게 되고 신호가 도착하는 데 걸리는 시간을 통하여 위성으로부터의 거리를 매우 정확히 계산해 낸다. 지상의 수신기가 최소 4개의 위성에서 동시에 신호를 수신하게 되면 정확한 위치도 계산해 낼 수 있다. 참고로 갈릴레오 위성들에 탑재된 원자시계들은 시간당 편차가 10억 분의 1초 미만으로 현재까지 우주에 쏘아 올린 어떤 시계보다 정확하다고 알려졌다.

지구를 돌고 있는 Galileo 위성들 궤도 상상도 ⓒ Galileo/ESA

이처럼 수많은 위성과 지상국 그리고 개별 수신기들을 통하여 이동 중이거나 정지된 물체들의 위치를 매우 정확한 정도로 파악할 수 있게 된다. 쓰임새도 상당히 광범위하다. 주로 차량 위치, 경로 검색, 속도 제어, 안내 시스템 등의 교통 시스템이나 사용자의 위치에 관한 정보를 제공하는 사회 서비스 같은 분야에 폭넓게 이용되고 있다. 그뿐만 아니라 국경 통제나 용의자의 위치 파악, 수색 및 구조와 같은 사법 시스템에도 이용되고 있으며 공공사업 등의 지리 정보 시스템에도 이용되고 있다.

지구를 돌고 있는 여러 Galileo 위성들 상상도 ⓒ Galileo/ESA

독일의 오버파펜호펜과 이탈리아의 푸시노에 있는 지상관제 센터에서 갈릴레오 위성들의 임무 관제를 담당하고 있으며 스웨덴의 키루나 등의 센터에서는 원격 측정, 추적 및 제어를 담당하고 있다.

갈릴레오 시스템의 시험 위성들 GIOVE-A 그리고 GIOVE-B

갈릴레오 시스템이 작동하기에 앞서 유럽 우주국은 시스템의 성공적인 안착을 위하여 두 개의 시험 위성을 쏘아 올리기로 했는데 이들은 각각 GIOVE(Galileo In-Orbit Validation Element)-A 그리고 GIOVEB라고 불린다GIOVE는 이탈리아어로 “목성”을 뜻하는데 이는 목성과 그의 대표적인 4개 위성 연구 및 발견에 크게 이바지를 한 갈릴레오에 경의를 표하기 위하여 명명되었다고 한다.

위 위성들은 본래 궤도 결정 및 시간 동기화를 위한 알고리즘들을 검증했던 GSTB(Galileo System Testbed)의 업그레이드 버전으로  알려져 있으며 주로 위성들의 성공적인 위치 확인을 위한 검증을 중심으로 갈릴레오 시스템이 채택한 신기술들의 활용 가능성에 관해서 다루었다.

첫 시험 위성인 GIOVE-A는 영국의 서레이 위성 기술 (SSTL: Surrey Satellite Technology Ltd)에서 제작했으며 갈릴레오 위성들에 할당된 주파수를 확인하기 위하여 시작되었다. GIOVE-A는 정지 궤도용으로 설계되었으며 서레이 위성 기술에서 새로이 개발한 GMP (Geostationary Minisatellite Platform) 위성 플랫폼을 기반으로 설계된 최초의 우주선이다. GIOVE-A는 또한 중간 지구 궤도(medium Earth orbit)에서 작동하는 서레이 위성 기술의 첫 번째 위성으로 알려졌다.

위성은 2005년 12월 러시아 소유즈 로켓에 실려 카자흐스탄 바이코누르 우주센터에서 발사되었으며 2012년 운용 위성으로의 변경을 통하여 고도를 높인 후 퇴역했다. 현재도 여전히 서레이 위성 기술에 의하여 작동할 수 있다.

GIOVE-A의 상상도 ⓒ GIOVE-A/ESA

두 번째 시험 위성인 GIOVE-B는 GIOVE-A와 유사한 임무로 시작했지만, 신호 생성 등 주요 하드웨어의 큰 개선이 있었다. 유럽 위성 항법 산업(European Satellite Navigation Industries)에 의해서 개발되었으며 다양한 기술적 문제로 발사가 연기되었지만 2008년 4월 예상 궤도에 성공적으로 도달하여 태양 전지판을 배치하기 시작했다. 역시 2012년 운영이 중지되었다. 참고로 GIOVE-B의 기술적 지연 때문에 유럽 우주국은 서레이 위성 기술과 GIOVE-A2의 계약을 체결하여 시험에 차질이 없도록 진행하였으며 GIOVE-A2는 GIOVE-B의 성공적인 발사 때문에 작동이 종료되었다.

GIOVE-B의 상상도 ⓒ GIOVE-B/ESA

두 번의 시험 위성은 성공적이었으며 이를 통하여 갈릴레오 위성들이 보여줄 여러 신기술의 상용화가 가능해지게 되었다. 2020년 현재 총 궤도 내 우주선은 30개에 달하여 (24개 작동 중/6개 예비 대기 중) 위성들의 수명은 대략 12년 이상으로 알려졌기에 앞으로도 계속해서 유럽 우주국은 갈릴레오 위성들을 쏘아 올려야 한다.

이제는 우리 삶의 필수 인프라 중 하나로 자리 잡은 위성 항법 시스템은 4차 산업혁명과도 연결되어 미래의 신산업 경쟁력을 높여줄 주요 필수 산업 중 하나이다. 이것이 바로 여러 나라가 독자적인 위성 항법 시스템을 개발하려는 이유이기도 하다.

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