지구 관측 위성
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1. 개요
지구 관측 위성은 지구의 날씨, 기후, 환경, 지형, 재해 등을 관측하는 데 사용되는 위성이다. 1928년 궤도 우주선을 이용한 지상 관측 아이디어가 제시된 이후, 냉전 시대 군사적 목적을 위해 기술이 발전했다. 기상 관측, 환경 감시, 지도 제작, 재해 감시, 자원 탐사 등 다양한 분야에 활용되며, 가시광선, 적외선, 합성개구레이더(SAR), 라이다, 마이크로파 복사계 등 다양한 센서를 탑재하여 정보를 수집한다. 국제 전기 통신 연합(ITU)은 지구 관측 위성 서비스를 정의하고 주파수를 할당하며, 대한민국을 포함한 각국은 관련 정책을 수립하여 위성 활용을 장려한다.
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| 지구 관측 위성 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 유형 | 인공위성 |
| 목적 | 지구 표면 관측 |
| 역사 | |
| 최초 위성 | 스푸트니크 1호 (최초의 인공위성, 지구 이온층 연구 목적 포함) |
| 최초 지구 관측 위성 | 뱅가드 2호 (구름 패턴 연구, 기술적 문제로 실패) |
| 최초 성공적인 지구 관측 위성 | TIROS-1 (1960년, 기상 관측) |
| 특징 | |
| 궤도 고도 | (일반적인 저궤도), (태양 동기 궤도), (극궤도) |
| 활용 분야 | 기상 관측 환경 모니터링 군사 목적 (정찰, 감시) 지도 제작 재해 감시 |
| 예시 위성 | 랜드샛 스팟 아이코노스 퀵버드 월드뷰 두바이샛 KOMPSAT |
| 추가 정보 | |
| 관련 기술 | 원격 탐사 |
| 참고 자료 | 2021년 지구 관측 위성 수 |
2. 역사
지구 관측 위성의 역사는 군사적 목적의 정찰 위성 개발에서 시작되어 민간 분야로 확대되어 다양한 목적으로 활용되고 있다. 헤르만 포토치니크는 1928년 저서 《우주 여행 문제》에서 평화적 및 군사적 목적의 지상 관측을 위한 궤도 우주선 활용을 제안했다.
2. 1. 냉전 시대
헤르만 포토치니크는 1928년 저서 《우주 여행 문제》에서 궤도 우주선을 사용하여 지상을 자세히 관측하는 아이디어를 제시했다. 그는 우주의 특별한 조건이 과학 실험에 어떻게 유용할 수 있는지 설명했다. 이 책은 정지 궤도 위성(처음 콘스탄틴 치올코프스키가 제시)에 대해 설명하고, 라디오를 사용하여 위성과 지상 간의 통신을 논의했다.[7]냉전의 시작은 적의 군사 기반 시설에 대한 정보를 얻고 핵 태세를 평가할 수 있을 만큼 충분한 지구 관측이 가능한 발사체와 카메라 기술의 발전을 촉진했다.[8] 1960년 U-2기 격추 사건은 공중 감시의 위험성을 강조하면서, 미국은 코로나와 같은 감시 위성 프로그램 개발을 가속화했다. 1960년 이후 위성은 감시를 위해 항공기 비행을 대폭 대체했다.[9]
3. 활용 분야
지구 관측 위성은 기상 관측, 환경 감시, 지도 제작 등 다양한 분야에서 활용된다.
- 기상 관측: 구름과 구름 시스템, 도시의 불빛, 화재, 오염, 극광, 모래 및 먼지 폭풍, 눈 덮개, 얼음 지도 작성, 해류의 경계, 에너지 흐름 등 다양한 환경 정보를 수집하여 날씨와 기후를 관측한다.[10] 세인트헬렌스 산의 화산재 구름이나 에트나 산과 같은 화산 활동, 미국 서부 지역의 화재로 인한 연기 등을 감시하는 데에도 활용된다.[11] 지표면 온도, 해상 풍속,[24] 강설량, 강우량, 기온, 풍속, 적설량 등의 데이터를 얻을 수 있다.
- 환경 감시: 지구의 식생 변화, 대기 미량 가스 함량, 해상 상태, 해양 색상 및 빙상 등을 감지하여 환경 변화를 관찰한다.[12] 장기적인 식생 상태를 비교하여 가뭄을 감시하거나,[12] 2002년 스페인 북서 해안의 유류 유출 사고와 같이 해수면 변화를 탐지하여 사고를 관찰할 수 있다. 또한, 인위적인 배출량은 대류권 NO2 및 SO2 데이터를 통해 평가할 수 있다.
- 지도 제작: Radarsat-1,[13] TerraSAR-X와 같은 위성을 이용하여 우주에서 지형을 지도화할 수 있다.
3. 1. 기상 관측
기상 위성은 주로 지구의 날씨와 기후를 관측하는 데 사용되는 위성의 한 종류이다.[10] 기상 위성은 구름과 구름 시스템 뿐만 아니라 도시의 불빛, 화재, 오염의 영향, 극광, 모래 및 먼지 폭풍, 눈 덮개, 얼음 지도 작성, 해류의 경계, 에너지 흐름 등 다양한 환경 정보를 수집한다.
기상 위성 이미지는 세인트헬렌스 산에서 발생한 화산재 구름과 에트나 산과 같은 다른 화산의 활동을 감시하는 데 도움이 되었다.[11] 콜로라도와 유타와 같은 미국 서부 지역의 화재로 인한 연기도 감시되었다.
기상 위성을 통해 얻을 수 있는 데이터는 다음과 같다.
3. 2. 환경 감시
환경 위성은 지구의 식생 변화, 대기 미량 가스 함량, 해상 상태, 해양 색상 및 빙상 감지를 통해 환경 감시를 지원한다. 시간이 지남에 따라 식생 변화를 모니터링함으로써 현재 식생 상태를 장기 평균과 비교하여 가뭄을 감시할 수 있다.[12] 예를 들어, 2002년 스페인 북서 해안에서 발생한 유류 유출 사고는 유럽의 엔비샛(Envisat)에 의해 면밀히 관찰되었는데, 이는 기상 위성은 아니지만 해수면의 변화를 감지할 수 있는 ASAR(Advanced Synthetic Aperture Radar) 장비를 탑재하고 있기 때문이다. 인위적인 배출량은 대류권 NO2 및 SO2 데이터를 평가하여 모니터링할 수 있다.
3. 3. 지도 제작
Radarsat-1[13], TerraSAR-X와 같은 위성을 이용하여 우주에서 지형을 지도화할 수 있다.4. 센서 종류
지구 관측 위성은 관측 목적에 따라 다양한 종류의 센서를 탑재한다.
- 가시광 센서: 태양광이 지표면에 반사된 빛을 관측하는 수동형 광학 카메라로, 토지 이용, 바다의 색, 식생 등을 조사한다.
- 적외선 센서: 지표면에서 방출되는 열 복사를 촬영하는 수동형 광학 카메라로, 지표면 온도 측정, 화산 활동, 산불 발생 등을 관측한다.
- 합성개구레이더(SAR): 위성에서 강한 전파를 발사하여 지표면에서 반사되는 강도와 시간을 측정하는 능동형 센서로, 지형 변화, 삼림 벌채 상황, 선박 존재 등을 조사한다.
- 라이다(LIDAR): 레이저 광을 사용한 거리 센서로, 지형, 산림의 수고, 빙상 두께 등을 조사한다.
- 마이크로파 복사계: 지구에서 자연적으로 방출되는 마이크로파를 관측하여 적설, 강수, 온도 등을 조사한다.[20]
4. 1. 가시광 센서
가시광 센서는 태양광이 지표면에 반사된 빛을 관측하는 광학 카메라로, 수동형 센서이다. 관측 파장은 목적과 성능에 따라 흑백(팬크로), RGB, 근적외선(NIR) 중에서 선택되며, 이러한 센서를 조합하여 관측하기도 한다. 태양광 반사 빛을 관측하므로 지구의 밤 지역은 조사가 불가능하다.[16] 저궤도 위성의 경우, 지상에 구름이나 안개가 적은 오전 10시부터 12시경 시간대를 계속 촬영할 수 있도록 태양 동기 준 회귀 궤도에 투입되는 경우가 많다. 토지 이용, 바다의 색, 식생 등을 조사할 수 있다. 가시광선 중에서도 사람의 시각과 같은 RGB 3색보다 더 세밀한 멀티 스펙트럼 센서 및 하이퍼스펙트럴 센서를 탑재함으로써 광물 자원 조사 등 자세한 조성 분포 조사가 가능하다.[16]4. 2. 적외선 센서
적외선 센서는 지표면에서 방출되는 열 복사를 촬영하는 광학 카메라로, 수동형 센서이다. 물질이 발하는 적외선의 세기를 관측하여 지표면 온도를 측정하고 열 관성으로부터 조성을 추정하거나, 화산 활동, 산불 발생을 관측할 수 있다.[11] 구름이 없는 경우 야간에도 조사가 가능하다.4. 3. 합성개구레이더(SAR)
SAR는 위성에서 강한 전파를 발사하여 지표면에서 반사되는 강도와 되돌아오는 시간을 측정하는 능동형 센서이다. 지표면을 측정하는 위성의 경우, 전파의 주파수는 지구 대기나 구름에서 감쇠하기 어려운 주파수(전파 창)가 선택되며, 일조 상황이나 날씨에 관계없이 주야를 불문하고 지표면의 상태를 관측할 수 있다. 지형을 측정하는 레이더는 지진 활동에 따른 지형 변화, 식생을 측정할 수 있는 주파수의 레이더는 삼림 벌채 상황, 해양에서는 선박의 존재를 조사할 수 있다.[17]4. 4. 라이다(LIDAR)
LIDAR는 레이저 광을 사용한 거리 센서이다. 위성에서 지표면의 특정 지점을 향해 레이저 광선을 발사하고, 반사되어 돌아오는 시간을 측정하여 거리를 정밀하게 측정할 수 있다. 지형, 산림의 수고, 빙상의 두께 등을 조사할 수 있다[18][19]。 동일한 방식의 센서는 탐사선의 착륙 시 거리 측정 센서로 자주 사용된다.4. 5. 마이크로파 복사계
지구에서 자연적으로 방출되는 마이크로파를 관측하여 적설, 강수, 온도 등을 조사할 수 있다.[20]5. 조사 대상
지구 관측 위성은 대기, 육상, 해양 등 다양한 정보를 수집하여 지구 환경 변화를 이해하고 대응하는 데 활용된다.[22] 대표적인 정보는 다음과 같다.
| 정보 |
|---|
| 에어로졸 |
| 온실 기체 |
| 식물 플랑크톤 농도 |
| 토지 이용 상황 |
5. 1. 대기
지구 관측 위성은 에어로졸, 온실 기체 농도 등 대기 정보를 수집하여 기후 변화 연구, 대기 오염 감시에 활용된다.[22] 인위적인 배출량은 대류권의 NO2 및 SO2 데이터를 평가하여 모니터링할 수 있다.5. 2. 육상
지구 관측 위성은 식생 분포, 토지 이용 현황, 산림 벌채, 지형 변화 등 육상 정보를 수집하여 환경 변화, 자원 관리, 도시 계획 등에 활용된다.[22] 이러한 정보를 통해 다음과 같은 내용을 파악할 수 있다.
| 정보 |
|---|
| 토지 이용 상황 |
| 산림 벌채 |
| 식생 분포 |
| 지형 |
5. 3. 해양
해양 관측 위성은 해수면 온도, 해류, 유빙, 식물 플랑크톤 농도 등 해양 정보를 수집하여 해양 환경 변화와 어장 관리 등에 활용된다.[22] 2002년 스페인 북서 해안에서 발생한 유류 유출 사고는 유럽의 엔비샛(Envisat)이 관측하였는데, 이 위성은 기상 위성은 아니지만 해수면 변화를 감지할 수 있는 ASAR(Advanced Synthetic Aperture Radar) 장비를 탑재하고 있다.5. 4. 재해
기상 위성은 화산 활동, 지진, 산불[23] 등 자연재해 발생을 감시하는 데 사용된다. 세인트헬렌스 산과 에트나 산의 화산재 구름[11], 미국 서부 지역의 산불[23] 등을 관측하여 피해 상황을 파악하고 신속한 대응을 지원한다.6. 국제 규정
국제 전기 통신 연합(ITU)은 지구 관측 위성 서비스를 정의하고, 주파수 할당 등 관련 규정을 마련하여 국제 협력을 증진한다.[14]
6. 1. 지구 관측 위성 서비스 정의
국제 전기 통신 연합(ITU)에 따르면, '''지구 관측 위성 서비스''' (또는: '''지구 관측 위성 무선 통신 서비스''')는 ITU 전파 규정 ''제1.51조''에 따라[14] 다음과 같이 정의된다.지구국과 하나 이상의 우주국 간의 무선 통신 서비스로, 우주국 간의 링크를 포함할 수 있으며, 다음과 같은 특징을 가진다.
- 환경 상태에 관한 데이터를 포함하여, 지구와 그 자연 현상의 특성에 관한 정보가 위성에 탑재된 수동 또는 능동 센서로부터 수집된다.
- 이와 유사한 정보가 항공기 또는 지상 기반 플랫폼에서 수집된다.
- 이러한 정보는 관련 시스템 내의 지구국으로 배포될 수 있다.
- 플랫폼 질의가 포함될 수 있다.
이 서비스는 또한 운영에 필요한 피더 링크를 포함할 수 있다.
6. 2. 주파수 할당
국제전기통신연합(ITU) 무선 규정(2012년 판) ''제5조''에 따라 지구 관측 위성을 위한 무선 주파수 할당이 제공된다.[15]이러한 주파수 할당은 스펙트럼 사용의 조화를 개선하기 위해 국가별 주파수 할당 및 활용 표에 통합되며, 각 국가 행정부의 책임하에 관리된다. 주파수 할당은 다음과 같은 방식으로 이루어진다.
- 1차 할당: 대문자로 표기
- 2차 할당: 소문자로 표기
- 독점적 또는 공유 사용: 각 국가 행정부의 책임
민간 사용이 있는 주파수 대역에서 군사적 용도로 사용하는 경우에도 ITU 무선 규정을 준수해야 한다.
; 주파수 할당의 예:
| 서비스 할당 | ||
|---|---|---|
| 지역 1 | 지역 2 | 지역 3 |
| 401-402 MHz 기상 보조 | ||
| 13.4-13.75 GHz 지구 탐사 위성 (능동) | ||
7. 기타
미국에서 상업용 지구 관측 위성의 영상 해상도는 50cm로 제한되었으나, 2014년 6월에 25cm까지 제한이 완화되었다.[25]
참조
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[3]
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Fifty Years of Earth-observation Satellites
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宇宙用ライダーで地球観測の新たな利用を拓く
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衛星搭載ライダーのキホン~事例、分かること、仕組み、種類、衛星~
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深刻化する山火事と闘うNASAのテクノロジー：機械学習で発生予測と消火を支援
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宇宙航空研究開発機構 地球観測研究センター
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뉴스
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