위성군
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1. 개요
위성군은 특정 임무 수행을 위해 여러 인공위성을 조직적으로 배치한 시스템을 의미한다. 1970년대 이전에는 위성 간 협조 동작이 미미했으나, 기술 발전에 따라 위성 협조 동작이 가능해졌다. 위성군은 위성 궤도, 배치, 위상 등을 고려하여 설계되며, 워커 델타 패턴과 같은 다양한 설계 방식이 존재한다. 위성군은 항법, 통신, 지구 관측 등 다양한 목적으로 활용되며, GPS, 스타링크, A-train 등이 대표적인 예시이다. 위성 클러스터, 위성 시리즈, 위성 함대와는 구분된다.
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- 인공위성 - 통신 위성
통신 위성은 지상국 간 통신을 중계하는 인공위성으로, 프로젝트 SCORE를 통해 최초의 통신 중계 위성이 발사된 후 텔스타, 인텔샛 등의 위성을 거쳐 다양한 궤도에서 텔레비전 방송, 인터넷, 군사 통신, 항법 등 광범위하게 활용되고 있으며, 미래에는 달 궤도 및 심우주 탐사를 위한 통신 네트워크 구축이 예상된다. - 인공위성 - 큐브위성
가로, 세로, 높이 10cm의 정육면체 형태를 기본으로 하는 초소형 인공위성인 큐브위성은 대학생 교육 및 기술 검증 목적으로 개발되었으며, 소형화된 규격을 통해 발사 비용을 절감하고 통신, 지구 관측, 심우주 탐사 등 다양한 임무를 수행할 수 있도록 설계되었다.
| 위성군 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 정의 | 일련의 작업을 수행하기 위해 협력하는 인공위성 그룹 |
| 특징 | 지속적인 지구 관측 넓은 지역 커버리지 향상된 데이터 전송 속도 |
| 구성 요소 | |
| 인공위성 | 특정 궤도에 배치되어 임무 수행 |
| 지상국 | 위성과의 통신 및 제어 담당 |
| 통신 링크 | 위성 간 또는 위성과 지상국 간 데이터 전송 |
| 작동 원리 | |
| 궤도 설계 | 위성 간 간격 및 궤도면 조정 |
| 통신 프로토콜 | 위성 간 또는 위성과 지상국 간 데이터 교환 규칙 |
| 데이터 처리 | 수집된 데이터의 분석 및 배포 |
| 활용 분야 | |
| 통신 | 광대역 인터넷 서비스 제공 원격 지역 연결 재해 복구 통신 지원 |
| 지구 관측 | 기상 모니터링 환경 감시 농업 관리 |
| 내비게이션 | 위치 기반 서비스 제공 자율 주행 시스템 지원 정밀 농업 |
| 군사 | 감시 및 정찰 통신 미사일 경보 |
| 장점 | |
| 넓은 커버리지 | 지구 전체 또는 특정 지역에 대한 지속적인 관측 가능 |
| 높은 데이터 전송 속도 | 실시간 데이터 전송 및 처리 가능 |
| 유연성 | 필요에 따라 위성 추가 또는 제거 가능 |
| 비용 효율성 | 단일 위성 시스템에 비해 저렴한 비용으로 유사한 기능 제공 가능 |
| 단점 | |
| 초기 투자 비용 | 위성 개발, 발사 및 지상국 구축에 상당한 비용 소요 |
| 기술적 복잡성 | 위성 간 통신 및 데이터 처리 시스템 구축의 어려움 |
| 궤도 혼잡 | 증가하는 위성 수로 인한 궤도 충돌 위험 증가 |
| 유지 보수 | 위성 수리 또는 교체의 어려움 |
| 예시 | |
| 스타링크 | 스페이스X에서 개발 중인 광대역 인터넷 위성군 |
| 글로벌스타 | 위성 전화 및 데이터 통신 서비스 제공 |
| 이리듐 | 전 세계 통신을 위한 위성군 |
| 관련 기술 | |
| 위성 통신 | 위성을 이용한 데이터 전송 기술 |
| 궤도 역학 | 위성의 궤도 및 운동을 연구하는 학문 |
| 데이터 처리 | 위성에서 수집된 데이터를 분석하고 활용하는 기술 |
2. 역사
1970년대 이전에는 다수의 위성을 투입하는 임무는 있었으나, 위성 간 협력은 거의 없었다. 이는 위성 간 통신 등의 기술 개발을 통해 이루어지게 되었다.
위성군은 특정 임무를 효율적으로 수행하기 위해 위성 궤도, 배치, 위상 등을 고려하여 설계된다. 원형 궤도는 위성이 일정한 고도를 유지하며 통신해야 하므로 널리 사용된다. 궤도 쉘은 특정 고도에서 원형 궤도를 도는 위성 집합을 의미하며, 충분한 경사각과 고도를 가지면 지구 전체를 덮을 수 있다.[7]
1990년대는 소련 붕괴로 냉전이 종결되면서, 항공 우주 방위 산업이 우주의 상업적 이용에 비즈니스 기회를 모색했다. 러시아, 중국, 일본도 로켓의 상업 발사에 참여하여, 경쟁을 위해 위성 발사 로켓의 대형화 및 저비용화를 추진했다. 이로 인해 위성군은 경제적으로도 현실성이 높아졌다.[1]
3. 설계
저궤도 위성을 사용하면 정지 궤도 위성에 비해 고위도 지점에서도 쉽게 통신이 가능하며, 대형 지향성 안테나가 필요 없다. 하지만 하나의 위성에서 볼 수 있는 지역이 좁아지기 때문에 다수의 위성을 위성 간 통신을 통해 협력하여 전 지구적인 통신을 가능하게 한다.
3. 1. 워커 성좌 (Walker Constellation)
갈릴레오 항법 시스템과 같이 특정 임무를 만족시킬 수 있는 다양한 위성군이 존재한다. 일반적으로 위성군은 위성이 유사한 궤도, 이심률, 경사를 갖도록 설계되어 모든 섭동이 각 위성에 거의 동일한 방식으로 영향을 미치도록 한다. 이러한 방식으로 과도한 궤도 유지 없이 기하학적 구조를 유지하여 연료 사용량을 줄이고 위성의 수명을 연장할 수 있다. 궤도면에서 각 위성의 위상 배치는 궤도면 교차점에서 충돌이나 간섭을 피하기 위해 충분한 간격을 유지해야 한다. 원형 궤도는 위성이 일정한 고도에 있어 일정한 강도의 신호로 통신해야 하기 때문에 널리 사용된다.
인기를 얻고 있는 원형 궤도 기하학의 한 종류는 워커 델타 패턴 위성군이다.[4] 이 위성군은 존 워커(John Walker)가 제안한 표기법으로 설명된다.
: '''i: t/p/f'''
여기서:
예를 들어, 갈릴레오 항법 시스템은 워커 델타 56°: 24/3/1 위성군이다. 이는 3개의 궤도면에 24개의 위성이 있으며, 56도의 경사각을 가지고 있으며, 적도 주위 360도를 포괄한다는 것을 의미한다. "1"은 궤도면 간의 위상 및 간격 배치를 정의한다. 워커 델타는 A. H. 발라드(A. H. Ballard)의 이와 유사한 이전 연구를 기리는 의미로, 발라드 로제트라고도 알려져 있다.[5][6] 발라드의 표기법은 (t, p, m)이며, 여기서 m은 궤도면 간 분수 오프셋의 배수이다.
또 다른 인기 있는 위성군 유형은 이리듐에서 사용되는 준 극궤도 워커 스타이다. 여기에서 위성은 지구의 한쪽에서는 북쪽으로, 다른 쪽에서는 남쪽으로 이동하며 약 180도에 걸쳐 준 극궤도 원형 궤도에 위치한다. 전체 이리듐 위성군에서 활성 위성은 86.4°: 66/6/2의 워커 스타를 형성하며, 즉 위상은 2개의 궤도면마다 반복된다. 워커는 스타와 델타에 유사한 표기법을 사용하여 혼란을 야기할 수 있다.
일정 고도의 이러한 원형 궤도 집합을 때때로 궤도 쉘이라고 한다.
4. 종류
저궤도 위성(LEO)이나 중궤도 위성(MEO)은 단일 위성이 커버하는 영역이 작아, 특정 지역에 지속적인 서비스를 제공하려면 여러 위성을 묶어 운용하는 위성군 방식이 필요하다. 이는 정지 궤도 위성이 높은 고도에서 넓은 지역을 영구적으로 커버하는 것과 대조적이다.[1]
MEO 및 LEO 위성군은 경로 손실이 적고 전파 지연 시간이 짧아 디지털 연결 등 일부 분야에서 정지 궤도 위성보다 유리하다.[2][3]
위성군은 목적에 따라 다양하게 나뉜다. 주요 예로는 위성 항법 시스템(GPS, 갈릴레오 위성 항법 시스템(Galileo), 글로나스(GLONASS)), 통신 위성군(이리듐 위성(Iridium), 글로벌스타(Globalstar), 오브콤(Orbcomm), 스타링크(Starlink), 원웹(OneWeb), O3b(O3b)), 지구 관측 위성군(재해 감시 위성군, 래피드아이(RapidEye)) 등이 있다.