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뉴 스페이스 시대의 (초)소형 SAR 군집위성 활용방안

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이진용(충남대학교 교수)

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Ⅰ. 서 론

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 필자는 지난 9월 ‘대한민국 방위산업전(DX KOREA 2022)’에 다녀왔다. 홀수해는 서울에어쇼, 짝수해는 DA 전시회를 개최해오다가 이를 예산낭비라는 여론에 부딪혀 에어쇼로 통합하면서 한동안 짝수해에는 별도의 전시회가 없었다. 그러다가 짝수해에 킨텍스에서 민군겸용기술 전시회가 시작되었고 DX KOREA 대한민국 방위산업전으로 이름을 바꾸면서 규모를 확대하여 이제는 홀수해에 개최하는 ADEX와 비슷한 수준의 전시회가 되었다. 이번 전시회에는 슬로바키아 국방장관과 사절단 30여명, 브라질 군수사령관(대장)과 UAE 지상군사령관(대장) 등 육군총장급 17개국, 파키스탄 방산부 장관을 포함한 방위사업 청장급 9개국 등 역대 최대 규모인 40개국의 귀빈들이 참석했고, 군 관련기관과 첨단기술을 보유한 국내외 350여개 방산기업들이 참가한 것으로 알려졌다. 대한민국 방위산업은 ‘K-방산’으로 불리며 세계 곳곳에서 그 위상이 달라지고 있다. 최근에는 러시아-우크라이나 전쟁의 영향과 함께 외국에서 무기를 대량 수입하는 나라에서 이제는 해외로 명품 무기를 수출하는 국가가 되면서 ‘세계 4대 방산 수출국’ 목표를 향해 나아가는 ‘K-방산’은 이제 전세계의 더욱 많은 관심을 받고 있다. 전시회에 참가한 여러 기업들 중에서 인공위성을 포함한 우주개발 산업분야에서 뉴 스페이스라는 혁신적인 패러다임을 표방하는 초소형 SAR 군집위성 개발분야에 주목했다. 국가적으로 우주개발 사업을 정부가 주도하면서 막대한 재정부담이라는 단점을 드러낸 올드 스페이스 시대를 뒤로하고 민간 기업들이 ‘더 작게, 더 싸게, 더 빨리’ 우주개발을 추진하는 뉴 스페이스 시대를 맞이하면서 이와 관련된 시장도 폭발적으로 커지고 있다. 이러한 뉴 스페이스 시대 주역 중 하나인 초소형 위성 발전추세와 함께 해양 분야에서의 활용방향을 살펴보고자 한다.

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1. 뉴 스페이스 시대의 도래

 ‘뉴 스페이스(new space)’는 우주 분야에서 최근 몇 년 동안 가장 많이 사용되는 단어일 것이다. 이는 세계적인 추세로 떠오른 우주개발에 대한 새로운 성격을 뜻하는 말이다. 핵심은 국가가 아닌 민간기업들이 우주개발을 주도한다는 것이다. 뉴스페이스라는 용어는 초소형위성이나 재사용발사체 관련 우주기업들의 성과를 소개한 언론기사를 통해 2010년대 중반부터 국내에 소개되기 시작했다. 그런데 2019년 과학기술정책연구원(STEPI)이 뉴 스페이스라는 용어의 인지도를 파악하기 위해 우주항공 분야 종사자들을 대상으로 진행된 설문조사에서 절반이 넘는 기업인들이 용어를 처음 들어봤다는 응답을 했다고 한다. 그로부터 3년이 지난 2022년 현재 우주항공 분야에 몸 담은 사람들 중에 뉴 스페이스라는 용어를 들어보지 못한 경우는 거의 없을 것 같다. 

 스페이스엑스(SpaceX)가 재활용 로켓 시험에 잇달아 실패했을 때 NASA가 연구자금과 기술력을 제공해 자립을 도왔다는 사실은 잘 알려져 있는 일화이다. 이것은 올드 스페이스가 뉴 스페이스의 태동과 성장에 든든한 배경이었다는 것을 말해주며, 결국 뉴 스페이스와 올드 스페이스는 때론 경쟁하면서도 결국 공생하는 관계임을 뜻한다. 뉴 스페이스는 세계적인 추세이지만, 여전히 투자의 원천이 올드 스페이스에 기대고 있는 현 상황을 이해할 수 있는 이유이기도 하다.

 위성 SAR 분야에 있어서는 (초)소형 위성을 대표하는 ICEYE, Capella와 같은 스타기업들이 등장했고, 초소형 위성으로써는 가능할 것 같지 않았던 해상도를 공개하면서 본격적인 뉴 스페이스 시대 개막을 알렸다. 이와 함께 긴 개발 기간과 높은 투자 비용이 요구되는 대형 위성 개발 업체인 올드 스페이스는 의심의 눈총을 받으며 위태로운 상황에 있는 느낌이다. 그런데 기술적인 내면을 들여다보면 초소형 위성과 대형 위성 모두 자신의 상황에 맞는 최적의 성과물을 만들고 있다. 초소형 위성은 해상도와 무게, 개발비용이라는 이득을 위해 영상 품질과 타협하였으며, 군집화(constellation)를 통해 이를 만회하였다. 대형 위성은 해상도, 관측폭을 비롯한 영상 품질과 신뢰도에 중점을 두면서 비용과 무게 분야에서 타협하였으며, 이를 극복하기 위해 다양한 신기술을 접목하고 있다. 이 둘은 존재의 가치만 다를 뿐 현재까지 서로 공생해야 하며 이 관계는 앞으로도 지속될 것으로 보인다. 

2. 최근 SAR 위성 개발 동향

 우주 개발 선진국들은 자국의 안보, 국방, 재난 감시 등의 활용을 위하여 상업용, 군사용, 정부용, 복합용으로 치열한 위성 개발 경쟁을 벌이고 있다. 위성 개발 초기인 1960년대에는 기술의 한계 등으로 소형 위성 위주로 개발되었고, 이후 점진적으로 중대형 위성이 개발되었으나, 2000년대에 초소형 위성 개발이 활성화 되면서, 2013년 Planet사의 PlanetScope 위성발사를 시작으로 초소형 위성 시대로 재진입한다. 참고로, 위성은 궤도, 탑재 센서, 무게 등의 기준으로 다양하게 분류할 수 있는데, 무게를 기준으로 대형(1000kg 이상), 중형(500〜1000kg), 소형(500kg 미만), 초소형 위성(10〜100kg)으로 나눌 수 있다. 

 그간 소형위성은 탑재체의 무게 및 전력이 제한되어 임무 수명이 짧으며 고장위험이 높아 신뢰성이 낮다는 한계점이 있었다. 그런데 지난 수십 년 간 전기․전자, 광학 관련 기술이 발전함에 따라 높은 집적도, 경량화를 기반으로 신뢰도가 높아진 더욱 소형화된 위성체가 가능해졌다. 따라서, 개발기간이 상대적으로 길고 고비용인 중대형 위성 대신 실패 위험도가 낮은 저비용의 소형위성 개발에 산업계가 집중하게 되었다. 최근 위성 하드웨어 기술진보와 위성정보 활용 서비스의 발전에 따라 적은 비용으로 제작할 수 있는 소형위성이 주요 위성정보 제공 및 서비스 플랫폼으로 부상하고 있다. 

 지구관측 위성은 크게 광학 카메라를 이용한 전자광학(electro-optical: EO) 위성과 합성개구면레이다를 탑재하는 영상레이다(synthetic aperture radar: SAR) 위성으로 나뉜다. 특히 합성개구면레이다는 마이크로파 대역의 신호를 송수신하여 구름이나 강수 등 날씨나 시야가 제한되는 야간에 상관없이 영상을 획득할 수 있는 장점이 있다. 또한 운용주파수 및 편파특성에 따라 대상물의 반사특성이 다르므로, 획득정보의 분석 및 활용성이 클 뿐만 아니라 다중해상도 영상정보를 획득할 수 있으므로 광범위한 활용이 가능하다. 이러한 장점으로 인해 SAR 위성 개발에 있어서 2022년 현재 기준으로 관련 분야 종사자들이 황금기라고 부를 정도로 매우 역동적으로 개발이 진행되고 있다.

 최근 기술 동향으로 주목할 점은 미국을 비롯한 주요 항공우주 선진국들이 통신, 항법 위성의 경우 대형 개발 기조를 유지하고 있으나 지구 관측 위성 분야에서는 소형화가 더욱 활발하게 진행되고 있다는 점이다. 기존의 SAR 위성 개발 방향은 위성의 고도각 방향의 거리 분해능을 결정하는 마이크로파의 전송 대역폭을 넓혀 해상도를 개선하는 고해상도 성능에 치중하였다면, 최신 SAR위성 개발 방향은 특정 대역에서 하드웨어로 구현할 수 있는 대역폭이 한계에 도달했기 때문에 고해상도와 함께 다양한 SAR 영상의 품질과 성능을 개선하기 위한 새로운 기술들을 적용하는 방향으로 진행되고 있다. 또한 소형 SAR 위성은 저비용을 무기로 기존의 두터운 진입장벽을 뚫고 다양한 위성들을 우주로 올리고 있다. 무게를 줄이고 발사비용을 줄여 저비용 구조를 유지하면서도 여러 대를 군집형태로 운영하면서 다양하게 활용한다. 군집 운영을 토대로 재방문 주기를 줄여 원하는 시간에 영상을 신속하게 획득하는 데 주 목적을 두고 개발을 진행하고 있다. 비록 단일 영상 품질 측면이나 기능 측면에서 중대형 SAR 위성 영상에 미치지 못하지만 군집위성 운영을 통한 재방문 주기 향상, 군집위성 multilook을 통한 성능 향상 등 단점을 보완하기 위해 다양한 시도를 하고 있다.

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3. 해양에서의 (초)소형 군집위성 활용방향

 지구관측 위성은 일반적으로 군사목적의 감시/정찰, 상업용 위성사진 제공, 기상관측 등 지표면의 영상을 촬영하는 위성을 의미한다. 최초의 지구관측 위성은 1972년 발사된 Landsat-1이며, 40년이 지난 현재 약 50개국에서 지구관측 위성을 운용하고 있다. 지구관측 위성은 두 가지 방향으로 발전해 왔다. 크게는 센서의 성능을 향상시키는 방법과 다른 하나는 다수의 위성을 군집형태로 구성해서 재방문 시기를 단축시키는 방안이다. 이중에서 저궤도에서 활동하는 지구관측 위성의 특성상 재방문 주기를 단축시키거나 촬영 범위를 넓히기 위해서는 군집으로 운용하는 것이 유리하고, 특히 뉴 스페이스 시대에서는 점점 더 작고 싸게, 빨리 궤도에 올릴 수 있게 되면서 초소형 군집위성이 떠오르고 있다.

 현재 우리나라 군 정찰위성 사업(425 사업)으로 추진중인 위성 5기는(SAR 4기, EO/IR 1기) 저궤도 소형위성 급으로 개발되고 있다. 예산은 1조 원 이상으로 인공위성 사업 중에서도 역대급 규모의 사업이다. 하지만 재방문 주기를 고려하였을 때 한반도 지역을 (근)실시간으로 감시하기는 제한적이다. 재방문 주기가 길면 평시에는 위성의 영상자료를 활용할 때 치명적이지 않지만 전시에 실시간 변하는 작전환경에서 전술적 용도로 활용하기에 다소 제한된다. 따라서 가격이 저렴하고 재방문 주기가 짧은 초소형 위성군을 구성한다면 기존 감시·정찰 위성 시스템을 보완할 수 있을 것이다. 뉴 스페이스 시대의 지구관측용 초소형 위성은 가장 수요가 많은 분야 중 하나이며 매우 빠르게 발전하고 있다. 좋은 사례가, 영국 왕립공군(RAF :Royal Air Force)의 초소형 군집위성 확보이다. RAF는 2018년 1월 지구관측용 위성인 Carbonite-2를 발사하였다. 발사된 100kg짜리 초소형 위성은 사진 자료는 물론이고 비디오 영상화면 제공도 가능하다. 더욱 더 놀라운 것은 개념 설정부터 발사까지 단 8개월이 소요되었고, 예산은 약 630만 달러(한화 약 76억원)가 사용되었다는 점이다. 이것은 뉴 스페이스 시대의 생태계에서 발전된 첨단기술을 집약하였기 때문에 가능할 수 있었다. 우리 군도 Fast Follower로서 뉴 스페이스의 환경에 적응하고 민간 기업과 적극적으로 협력한다면 독자적인 군사위성 개발 목표를 더욱 더 빨리 실현시킬 수 있을 것이다.

 해양을 항해(또는 정박)하는 선박 탐지에 고해상도 광학 영상을 활용하는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 그러나 강수나 구름, 야간 등 시정이 나쁜 조건에서 광학 영상을 이용하는 것이 제한되어, 광학 영상의 한계를 극복하기 위한 대안으로 SAR영상을 이용하는 방법도 함께 추진되고 있다. SAR위성 영상은 저시정 조건과 상관없이 선박과 해양을 서로 뚜렷하게 대비시켜 구분하기 쉬우므로 선박 탐지 연구에 SAR위성 영상을 많이 사용하는 것이다. 

 우리 정부는『제2차 위성정보 활용 종합계획』 2021년도 시행계획에서 한반도 주변 해역에서 비상상황 및 재난·재해 등에 대처할 수 있도록 32기의 소형 위성과 이를 운용하기 위한 시스템을 개발한다고 밝힌 바 있다. X밴드 SAR 센서가 탑재될 32기의 위성을 군집 형태로 운용한다면 한반도 해역을 촬영한 SAR위성영상의 획득주기가 매우 짧아질 것이다. 또한, 해당 위성은 최대 공간해상도가 1m(Spot mode)로 자료 접근성이 용이한 Sentinel-1 위성 영상 대비 약 10배 이상의 해상도임을 고려할 때 선박 탐지에 매우 효과적일 것이며, 고해상도 SAR영상을 활용할 경우 어선처럼 작은 선박도 탐지할 수 있으며, 더 나아가 Cargo, Tanker 등과 같은 선박을 식별할 수 있을 것으로 기대된다.

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II. 결 론

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 뉴 스페이스를 선도하는 초소형 SAR위성은 cm급의 해상도 영상을 제공한다. 재방문주기도 짧아서 더 많은 자료를 이용 가능하고, 선박 탐지에서 주로 활용되는 AI 분석을 위한 학습 데이터 생성에도 유리하다. 이러한 특징과 더불어, 후방산란 값 이외에 추가적으로 획득 가능한 다른 정보(Incidence angle, 선박의 속도, 항적, 선박형상 등)와 융합한다면, 위성영상을 활용한 탐지와 식별의 정확도를 더욱 향상시킬 것이라 판단된다. 대표적인 초소형 SAR위성 ICEYE사는 2018년에 ICEYE-X1, X2 위성 발사를 시작으로 2022년 기준 21기를 운용하고 있다. 특히 자동선박위치발신장치(AIS)가 꺼진 선박(dark vessel)을 감지하는 기능을 탑재한 위성 또한 출시하였다. 우리나라의 관할해역은 대한민국의 주권 및 주권적 권리가 미치는 영해와 배타적경제수역(EEZ), 대륙붕 등을 포함하는데, 전체 관할해역 면적(남한)은 약 43.8만㎢이며 국토면적(10만㎢)의 약 4.4배에 이른다. 이렇게 광활한 해역을 탐지, 감시하는 해군작전에 초소형 SAR 군집위성을 함께 활용할 수 있다면, 작전의 효과성과 완전성을 향상시킬 수 있는 방안이 될 것이라고 기대한다.​