Beyond the Space

요즘은 네비게이션이 없는 자동차를 찾기 힘들 정도로 사람들에게 자동차 네이게이션이라는 것이 일반화되어있습니다. 이 네비게이션 장비는 내가 언제 어디에 있더라도 수 분안에 나의 위치를 정확하게 찾아서 지도에 표시해 주지요. 여기서 중요한 것이 바로 하이라이트 해둔 '언제 어디에있더라도'입니다. 자동차 네비게이션에서는 자신의 위치를 찾기 위해서 GPS를 사용하는데요. GPS는 미국에서 제공하는 인공위성기반의 위치 추적 시스템입니다. 뭐, 이것에 대해서는 알만한 분들은 다 아실테니 자세한 설명은 생략하지요. 사실 이 GPS는 단말기만 있다면 한국만이 아니라 전세계를 대상으로도 유효합니다. 심지어 남극이나 사하라 사막이나 태평양의 한 가운데, 에베레스트산 정상에서도 이론적으로는 제 기능을 할 수 있을 정도니까요. 그렇다면 대체 GPS를 제공하는 인공위성을 어떻게 만들어두었길래 그 이름에 포함되어 있는 바대로 글로벌한 기능을 제공할 수 있는 걸까요.

말할 필요도 없이 당연한 이야기이겠지만 단 하나의 인공위성으로는 전 지구를 다 커버할 수 없습니다. GPS에서는 꼭 이런 이유가 아니더라도 그 시스템의작동 원리상 최소한 3대 이상의 GPS 인공위성이 머리 위에 떠있어야 하지요. 그렇기 때문에 필연적으로 수십개의 동일한 인공위성을 지구 궤도에 띄워놓아야 하는데 이것을 컨스털레이션(Constellation)이라고 부릅니다. 아래 그림을 보는게 더 이해하기 쉬우실 겁니다. 대강 이런 식으로 인공위성을 지구 궤도에 띄워두는 것이지요.

컨스털레이션은 보통 동일한 고도, 경사각을 가지는 여러개의 궤도 평면으로 구성되고, 각 궤도 평면에 또 필요에 따라 여러개의 인공위성을 배치하여 지구궤도상에서 일종의 인공위성 네트워크를 형성하는 것이 주 목적입니다. GPS뿐만 아니라 Globalstar, Orbcomm과 같은 인공위성기반의 통신 네트워크들도 모드 이러한 컨스털레이션을 구성하고 있지요.

이러한 컨스털레이션을 설계하기 위해서는 여러가지 변수를 고려해야 합니다. 지구상의 임의의 지점을 어느 정도의 주기로 커버할 것인지를 결정하고 인공위성에 실려 올라갈 탑재체(GPS 신호 발생기나 통신장비, 혹은 첩보 위성일 경우 카메라 같은 것들)의 성능과 커버 주기에 따라 필요한 고도와 한 궤도에 들어갈 위성의 개수와 함께 또한  몇 개의 궤도 평면이 필요할 지를 결정하는 일련의 과정이 인공위성 개발, 발사 비용, 지상의 단말 개발과 같은 또 다른 변수와 어우러져 상당히 복잡한 프로세스를 거치게 됩니다. 그렇기 때문에 동일한 목적을 가진 컨스털레이션이라고 해도 모두 다른 고도, 궤도 특성, 인공위성 개수를 가지게 되지요.

대표적인 몇 개의 시스템에 대해서 컨스털레이션 형상을 분석해 보도록 하겠습니다.

가장 유명한 GPS의 경우에는 총 6개의 궤도 평면을 사용하였고 각 궤도 평면당 4기의 위성을 배치하여 총 24기의 위성을사용합니다.(예비용은 제외했습니다.) GPS의 경우 인공위성이 가지는 고도가 약 20,000km로 상당히 높은데, 이것은GPS의 특성상 전세계 어느 지점에서도 지평선 위로 최소 3개의 위성이 있어야 하기 때문입니다. 사실 낮은 고도로도 그러한 요구조건을 만족시킬 수도 있지만 그렇게 하기 위해서는 수 백개가 넘는 위성들이 필요하고 당연히 비용적인 측면에서 실현가능성이 없기 때문에 고도를 높여 위성 한 기당 커버할 수 있는 지상의 넓이를 크게 하여 다른 위성의 커버 영역이랑 충분히 겹쳐지게 하는 것으로 해결한 것이지요.

그리고 지난 2월 러시아 첩보위성과의 충돌로 화제를 몰고왔던 Iridium 시스템의경우에는 통신용으로 사용되며(아직 실용화되진 않았습니다.) GPS와 같은 6개의 궤도 평면에 궤도 평면당 11개씩 총 66개의위성을 사용하여 전 세계를 커버합니다. 고도는 775km인데요 GPS와는 달리 한 지점에서 하나 이상의 위성만 접속할 수 있으면 충분하므로 고도가 높을 필요가 애초에 없었으며, Iridium의 목적이 휴대용 위성통신이어서 단말 자체가 휴대폰 정도의크기여야 하기 때문에 고출력의 통신장비를 사용할 수 없으므로 인공위성의 고도를 낮추어 저출력으로도 통신이 가능하게 해야했습니다. 그에 따라 자연히 한 위성이 커버하는 영역이 좁아지고 그걸 메우기 위해 더 많은 위성을 사용해야 했으므로 GPS보다훨씬 많은 66개의 위성을 쓸 수 밖에 없었지요.(가장 처음 계획은 77개여서 이름도 원소 번호 77번인 이리듐으로정했답니다.) 그리고 궤도 경사각은 86.4도로 54.8도인 GPS보다 훨씬 높은데요. GPS는 경사각이 낮아도 고도가 높기때문에 극지방에서도 가능하지만 Iridium은 고도가 낮다 보니 극지방 커버를 위해선 높은 경사각을 선택해야만 했을 겁니다.