레이저 위성 통신 기술 개발

'우주 경쟁'은 냉전 당시 미국과 소비에트 연방의 우주 개발 경쟁을 일컫는데,  이 과정에서 인공위성을 통한 우주 공간 탐사가 본격적으로 수행되었다. 현재도 연간 최소 100개가 넘는 숫자의 인공위성이 발사되고 있으며 2020년 11월 말 현재 유엔 우주사무국(UNOOSA)에 따르면 1만 대가 넘는 인공위성이 지구를 돌고 있다고 한다. 최근 들어 각종 소형위성들이 다량 발사되고 있는 점을 생각하면 앞으로 훨씬 더 많은 인공위성들이 지구를 돌게 될 것이라고 쉽게 예측할 수 있다.

문제는 빠른속도로 증가하고 있는 인공위성 숫자로 인해서 위성이 지구로 보내는 데이터의 양도 기하급수적으로 증가하고 있다는 점이다. 또한, 위성에 탑재된 고해상도 카메라와 최신 기술로 이루어진 계측기 등은 더 많은 정보를 담게 되고 이로 인해서 수많은 데이터를 짧은 시간에 지구로 전송하기란 불가능에 가까워지고 있다.

이러한 문제는 데이터 전송에 레이저 광을 이용하여 해결할 수 있다. 레이저 위성 통신은 레이저 통신 터미널 (LCT: Laser Communication Terminal)과 대략 3~3,000THz의 적외선 대역의 레이저를 이용하여 데이터를 송수신한다. 위 기술이 상용화 된다면 엄청나게 많은 양의 디지털 데이터를 인코딩하며 한꺼번에 전송할 수 있게 된다. 과학자들은 레이저 통신을 인공 위성에 접목하기 시작하면서 먼 거리에서도 고속 통신이 가능해짐을 확인했고 이를 통해서 위성 간 통신 시대가 열리기 시작하였다.

레이저 빔을 이용한 첫 번째 유럽의 레이저 통신 위성

최근 레이저 통신을 위성에 접목하려는 시도는 주로 ESA(유럽우주국)나 NASA(미항공우주국) 등의 선진국들의 우주 연구기구에서 행해지고 있다. 특히나 최근 유럽은 최대 7.2 Gbit/s 정도의 실시간 고속통신을 구현 목표로 연구에 몰두하고 있다.

유럽 데이터 중계 시스템 (EDRS: European Data Relay System)을 이용하여 데이터를 송수신하는 Alphasat 위성(혹은 INMARSAT-4A F4나 INMARSAT-XL로도 불림)은 알려진 영국의 통신 회사 INMARSAT과 유럽 우주국이 협력 운영하는 대형 정지 궤도 위성이다. 위성은 통상적으로 탑재체(혹은 페이로더라고 부름 Payload)와 버스(Bus)로 구성되는데 위성의 버스는 Alphabus 위성 버스를 기반으로 EADS Atrium과 Thales AleniaSpace에서 제작되었다.

2013년부터 고도 약 35,000km에 위치하여 아프리카, 유럽, 그리고 중동 아시아를 비롯한 아시아 일부 지역에 이동 통신을 제공하는 데 사용되고 있는 Alphasat위성은 발사 당시 질량이 6.649kg이며 최소 작동 기간은 15년으로 예상된다. 따라서 2021년 현재도 정상적으로 작동 중이며 이는 현재 유럽에서 가장 정교한 통신 위성 중 하나로 꼽히고 있다.

Alphasat 위성에 탑재된 페이로드

본 위성은 Alphabus의 최초 우주선이며 상업적인 탑재체들을 제외하고도 여러 가지 실험적인 통신 시스템을 갖추고 있다.

Alphasat위성에 탑재된 주요 페이로드들은 구체적으로 총 4가지인데 TesatSpacecom에서 개발한 Ka 대역 페이로드를 기반으로 고속 데이터 전송(1.8Gbit/s 사용자 데이터 전송률)을 시연하기 위한 레이저 통신 터미널 TDP1, TAS-I와 Space Engineering에서 개발한 Q/V대역 통신 트랜스폰더로 미래의 상용 애플리케이션에 대한 타당성을 평가하기 위한 TDP5, Jenoptik에서 개발한 능동 픽셀 감지기인 TDP6, 그리고 Effacec에서 개발한 페이로드로서 방사선 환경이 전자 부품 및 센서 등에 미치는 영향을 모니터링하기 위한 TDP8등이 있다.

Alphasat위성의 과학적인 목표와 결과

Alphasat 위성의 가장 큰 장점이라면 초당 수조 건의 작업을 수행할 수 있기에 결과의 실시간 전송 및 이용에 상당한 유연성을 제공해준다. 참고로 2014년 Alphasat위성은 Sentinel-1A 위성으로부터 SAR (Synthetic Aperture Radar) 데이터 및 레이더 영상을 전송받아서 독일에 위치한 Ka-대역 지상국으로 실시간으로 데이터 전송하여 화제가 된 바 있다.

기본적으로 Alphasat 위성은 더욱 확장된 INMARSAT의 글로벌 모바일 네트워크를 위해서 설계된 위성이다. 유럽 우주국 사무국장인 장 자크 도르다인 박사(Dr. Jean-Jacques Dordain)는 본 위성의 개발을 위하여 유럽 우주국은 물론이며 여러 국가 기구 그리고 거대한 민간기업들이 참여한 만큼 유럽 우주국이 어떻게 유럽의 경쟁력과 성장을 촉진 시키는지 보여주는 좋은 예라고 밝힌 바 있다. 이처럼 위 미션은 유럽 우주국과 민간 파트너쉽을 강화할 좋은 기회가 되고 있으며, 이를 통하여 현재 활발하게 참여하고 있는 민간 기업의 우주 산업 참여에도 큰 동기부여가 되어 주고 있다.