‘더 빨리, 더 멀리’ 위 !!

우리는 휴대전화로 멀리 있는 친구를 만나지 않아도 대화를 나눕니다. 또 리모컨으로 채널을 돌려 좋아하는 TV 프로그램을 보기도 합니다. 라디오에서 나오는 아름다운 음악을 들을 수 있다. 모두 전파의 덕분에 가능했다 1 합니다. 목소리나 음악만 들을 수 있는 것이 아니라, 대용량의 사진이나 동영상도 주고 받을 수 있습니다. 지면뿐만이 아닙니다. 지구 밖의 궤도를 돌고 있는 인공위성, 나아가 태양계의 끝에 도달한 탐사선과도 신호와 데이터를 주고받을 수 있습니다. 어떻게 그런 일이 있다면 1이 가능할까요? 또 지구와 인공위성은 어떻게 의사소통이 되나요?

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하나 957년 하나 0월 41옛 소련의 바이코누르 우주 기지에서 인류 최초의 인공 위성 스푸트니크 하나호가 발사대입니다. 농구만 한 이 위성은 시속 만 9,000km의 속도로 96분마다 지구를 한바퀴씩 돌면서 신호를 지구로 보냈어요. 구소련은 자신들의 우수성을 입증하기 위해 위성이 발신하는 신호를 암호화하지 않았습니다. 그 덕분에 전 세계 아마추어 무선 통신사들도 스푸트니크 하나호의 '삐삐삐삐' 하는 발신음을 들을 수 있었습니다. 송신기 배터리가 다 없어질 때까지 이 신호는 2개 1동안 계속되었는데요. 아무 정보도 없다"나 여기 있다"정도를 알리는 단순 신호에 불과했지만 지구의 상공 577km에서 보낸 신호는 지구의 외국인들 위성과의 통신 시대를 여는 의미 심장 했던 메시지였습니다.​ 스푸트니크 하나 호가 지구로 신호장 리을 보내서 반드시 40년이 지난 20하나 7년 9월 하나 51, 토성 탐사선 카시니가 토성에 충돌하고 수명을 다했습니다. 카시니는 충돌 직전 지금까지 미답의 영역이었던 토성의 고리 안으로 뛰어드는 모험을 감행했습니다. 한명'그랜드 피날레'으로 명명된 이 마지막 임무를 통해서, 카시니는 토성 대기권 3,000km까지 접근하고 처음에는 토성의 생생한 얼굴의 이미지를 지구로 전송했습니다. 카시니가 토성 탐사하고 지구로 전송한 사진은 무려 45만 3,048장에 이릅니다. 수집한 데이터만 모두 635GB이다. 지구에서 토성까지 거리는 평균 한개 2억 7,700만 km. 지구 주위를 무려 3만 하나, 900번이나 돌아야 닿는 원거리에서 그동안 천 1에 가려졌던 토성의 사진과 각종 정보를 지구로 전송한 것이다.

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놀라운 사실은 우리가 휴대 전화로 friend와 통화할 때 스푸트니크 1호가 단순 신호 sound를 보낼 때, 지구에서 약 13억 km 떨어진 토성에서 데이터를 받을 때의 통신 원리가 전체 같다는 점 이프니다니다. 전파를 이용했습니다. 전파는 가시광선, 자외선, X선, 적외선 등의 전자파의 일종입니다. 1864년 맥스웰이 전자기파를 이론적으로 제시한 전부 sound, 1887년 헤르츠가 전기 불꽃 용크울에서 전자기파의 존재를 증명했습니다. 이어 1896년 마르코니가 약 3km 떨어진 곳에 보낸 무선 전신의 연구에 성공하면서 전파는 정보를 운반하는 통신 수단으로서 자리 매김했습니다. 1912년 초, 호화 유람선 타이타닉 호가 빙산을 들이받고 침몰한 바로 당시 승무원은 배가 침몰하기 직전, 무선 전신을 통해서 SOS를 했습니다. 근처에 있던 배가 이 전파 신호를 듣고 현장에 출동, 30퍼.센트의 승객을 구조할 수 있었습니다.

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요즘은 먼 거리의 무선통신과 이동통신은 물론 전원을 켜면 어디서든 보고 들을 수 있는 TV, 라디오 방송, 그리고 수백 km에서 수십억 km 떨어진 우주에서 탐사선이 자신의 인공위성과 정보를 주고받을 때도 전파(위 그림 마이크로파)를 사용하고 있습니다. 전파는 빛이 자신의 소의 sound보다 공기 중에 사라지기 어렵기 때문에 희망의 신호, 자신의 정보를 멀리까지 보낼 수 있습니다. 역시 전파는 안 태 스스로 다른 안 태 나까지 빛과 같은 초속 30만 km의 속도로 날아갑니다. 이런 특성 때문에 물의 분자를 타고 전달되는 파도도 자신의 공기를 타고 전달되는 sound파와 달리 전파는 우주공간처럼 아무런 매질도 없는 곳으로도 퍼져 자신감을 가질 수 있습니다. 지구와 인공위성이 전파를 이용해 통신이 가능한 이유다.

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물론 지역에서 사용하는 전파와 우주에서 사용하는 전파는 큰 차이가 있습니다. 주파수입니다. 우주에서는 전파 강도가 강한 높은 주파수 대역을 사용합니다. 실제 우주에서 사용한 주파수 대역은 전술한 주파수의 그림으로 보는 바와 같이 한개 GHz에서 30GHz사이의 마이크로파 띠입니다. 라디오 주파수가 700MHz의 수준인 것을 감안하면 약 하나, 000배 이상 높은 주파수를 사용하는 것입니다.​ 정말 그래서 매우 작은 큐브 위성은 전송 데이터 양과 지구와의 거리가 가까운 운용을 하기 때문에 초단파나 극초단파를 이용한 송수신을 하지만 대체로 위성에 보내는 명령이나 위성의 상태 데이터는 S밴드(2-4GHz)주파수로 통신을 합니다. 위성 영상 데이터는 X밴드(8하나 2GHz)에서 주로 받고, GPS위성 GPS신호는 L밴드(하나~2GHz)주파수 대역을 사용합니다. 어떤 정지 궤도 위성은 C(4-8GHz)밴드에서 통신을 하고 우리의 무궁화 위성은 Ku(하나 2하나 8GHz)밴드나 Ka(27-40GHz)밴드 통신을 합니다. 무궁화 위성 3호의 상향 속도는 2Mbps, 하향은 약 45Mbps입니다. 고도가 높은 정지 궤도 통신 위성인 무궁화 위성은 짧은 주파수를 사용하여 통신합니다. 전파는 나아가는 거리의 제곱에 반비례하여 밀도가 줄어드는 특성이 있습니다. 다시 한 번 예상하고, 멀리 갈수록 전파의 강도는 급격히 줄어 듭니다. 우주에서는 멀리까지 전파를 보내야 하기 때문에 강도가 강한 높은 주파수 대역을 사용합니다. 주파수가 높을수록 전파의 직진성이 강해집니다. 그래서 매질이 없는 우주 공간에서도 방향조차 제대로 맞춘다면 진실의 1직선으로 전파를 지구나 다른 원하는 곳에 전송할 수 있습니다.하지만 아무리 강함과 직진성이 강해도 한계가 있습니다. 우선 가끔씩 보내는데요. 실제, 카시니 호의 메인 주파수에 의한 데이터 수신 속도는 매초 하나 7Kb수준입니다. 2MB크기의 사진 한장 받지만 하나 6분 정도가 딱 걸려서요. 지구와 약 57억 km이상 떨어진 명왕성 근처를 지나고 있는 뉴ー호라이쥬은스 호의 경우, 이곳에서 보낸 전파가 지구에 도달하기까지는 약 5테 테러가 소요 됩니다. 이 정도 거리까지는 아니라도 약 하나 3억 km가량 떨어진 토성에서 보낸 전파도 여러 작업 sound가 석 1밖에 없네요. 이 사건을 해결하기 위해서는 더 큰 크기의 안테나가 여러 대 필요합니다. 정보를 전파로 바꾼 뒤 보내면 이 신호를 지역 안테나가 받아서 다시 정보로 전환하는 방식입니다.​ 아무래도 심우주 통신의 경우 직경 30~70m크기의 대형 안테나를 이용하고 전파를 수신한 뒤 전파에 섞인 작업 sound를 제거해야' 예쁜 '정보를 얻게 됩니다. 또 1대로는 한계가 있어 몇대의 안테나를 이용하고 있는데요. 실제로 미 항공우주국(NASA)의 심우주통신망(Deep Space Network, DSN)은 캘리포니아의 골드스톤, 스페인의 마드리드, 오스트레일리아의 캔버라 등에 설치한 거대한 위성수신 안테나를 하나의 네트워크로 연결하고 있습니다. 이들 위성 수신 안테나는 지구상에서 약 하나 20°경사에 떨어지기 때문에 우주선이 하나의 안테나에서 사라지기 전에 다른 안테나로 신호를 끌어낼 수 있습니다.

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인공위성이나 탐사선과의 통신 시단은 인류가 우주개발에서 반드시 확보해야 하는 기술입니다. 특히 달과 화성을 넘어 토성과 명왕성, 심지어 태양계의 인연과 그 밖까지 눈을 돌리는 상황에서 위성과의 통신시각을 조금이라도 단축하는 것은 위성의 정확한 임무 수행과 정확한 데이터 확보에 필수적이다. 그러나 비교적 지구에 가까운(?)편에 속하는 화성까지도 아직 가끔 통신이 거의 되지 않는다. 지구와 화성 간의 거리가 2억 5,000만 km라는 지구와 화성 간의 물리적 거리가 존재합니다. 큐리오시티와 같은 화성 탐사선이 전파를 보낼 때는 지구의 공전과 자전을 염두에 두기 때문에 전송 시에 때로 차이가 발생한다. 실제 큐리오 시티가 보낸 데이터가 지구에 도달하기까지는 약 15분 정도 걸립니다.이에 따라 NASA는 화성 탐사선의 정보를 받는 데 걸리는 간극을 조금이라도 줄이기 위한 한 비결로 인공위성 마스 오디세이(Mars Odyssey)를 활용한다. 이 2001년에 발사된 화성 궤도를 돌고 있는 마스 오디세이는 화성 탐사선의 데이터의 대부분을 화성과 지구 사이에서 중개하고 있는데요. 마스 오디세이가 큐리오시티와 통신하고 그것을 지구로 다시 전송하는 중개역을 맡았습니다. 큐리오시티가 촬영한 사진은 무수한 점으로 분해돼 전기신호로 변환된 뒤 전파에 '후어 인공위성 마스 오디세이'를 전공합니다. 인공위성은 이 신호를 받아 다시 지구로 전송하면 지구에서는 이 전파를 받아 원래의 과정을 되감는 방식으로 다시 전기 신호로 바꾸고, 이 과정에 섞여 들어온 잡음을 제거한 뒤( 탐사선이 보낸 사진을 받아볼 수 있습니다. 많이 진보했지만 여전히 복잡한 절차를 밟아야 해요.

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이런 통신 한계를 극복하기 위해 NASA와 유럽우주국(ESA) 등은 전파 대신 레이저를 이용한 우주통신 비법 개발에 속도를 내고 있습니다.레이저를 이용한 통신원리는 광케이블을 이용하는 광통신과 같습니다. 다른 점이라면, 빛이 광케이블을 가라앉히는 대신 우주 공간을 통과하는 것입니다. 우주 공간에 광케이블을 설치할 수 있으면 좋겠지만 현실적으로 불가능합니다. 그러면 비법은요? 레이저를 직접 우주 공간에 쏘아 올리는 겁니다. 이렇게 전파 대신 레이저를 이용한 우주통신 방식이 바로 '우주공간 광학통신(Freespace optical communication, FSO)'입니다.FSO 시스템은 전파가 아니고, 빛을 개입시켜 통신하는 광통신 시스템입니다. 지구에서는 대기층과 먼지, 눈, 비 등 빛의 전진을 막는 방해물이 많지만 우주공간은 빛의 전진을 막는 물질이 없어 레이저 통신에 유리합니다. NASA는 FSO기술 개발이 완료되면 GB급(약 100Gbps)의 우주 통신이 실현할 것으로 기대하고 있습니다. 지구에서 통신을 주고받는 수준까지는 아니더라도 고속 우주 무선 통신이 가능하게 되는 것입니다. FSO 시스템으로부터 한 걸음 나아가 "레이저 통신 릴레이 실증 시스템(Laser Communications Relay Demonstration, LCRD)"도 개발중입니다. LCRD는 2개의 정지 궤도 위성으로 하와이에 위치한 지상 모뎀을 연결하는 시스템입니다. 이르면 올해 국제우주정거장(ISS)에 탑재돼 테스트를 받게 됩니다. 또한 유럽 우주국은 2019년 7월에 발사된 EDRS-C을 위성으로 정지 궤도 위성으로 저궤도 위성도 하는 정지 궤도와 지상 국간의 약 4만 5,000km거리로 약 1.8Gbps속도로 광 통신을 한 춤을 수행합니다.

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ESA도 우주 공간에서의 레이저 통신 시스템을 연구하고 있습니다. AIM(Asteroid Impact Mission) 탐사선을 통해 NASA의 프로젝트보다 먼 거리의 레이저 통신을 테스트한다는 복안이다. AIM은 지구에 근접 소행성을 연구하기 위해서 발사되는 탐사선으로, 2020년 이전에 발사할 의도입니다. 소행성이 지그왈지는 위치까지의 과정에서 AIM은 지구에서 꽤 멀지만, 그 거리가 최대 7,500만 km에 이를 것으로 추정된다 슴니다. 이 정도 떨어진 거리에서 육지에 있는 기지와 레이저 통신을 시도한다는 게 ESA의 구상입니다. 아쉽게도 AIM 임무가 Hera 임무를 대신하여 광통신 임무가 취소되었습니다. 최근까지 우주에서 실시한 레이저 통신의 거리는 이 20일 3년 지구와 달 탐사선이 주고받은 38만 km가 최대 욧슴니다. 그때 NASA는 DANEE의 임무 하그와잉로 광통신 고무토울했지만, 다빈치의 그림'모 과인 리자'의 흑백 사진을 레이저에 태우고 38만 떨어진 달 탐사선에 보냈 슴니다. 달에서 지구까지 다운 링크 속도는 약 622Mbps욧슴니다. 하지만 그때 달 탐사선은 지구에서 수신한 정보를 다시 지구로 보낼 때는 레이저가 아닌 기존 전파를 사용했습니다.

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20하나 8년 2월 NASA와 세계의 우주 개발 관계자들은 흥분에 휩싸였습니다. 태양계 끝에 도달한 뉴호라이즌스가 인류의 우주탐사선 가운데 가장 먼 거리에서 찍은 천체 사진을 보내왔기 때문입니다. 20하나 7년 하나 2월 5개 촬영된 이 사진은 해왕성 밖의 '카이퍼 벨트(Kuiper Belt)'에 속한 별의 모습이었습니다. 지구로부터의 거리는 6하나 옥 2,000만킬로미터 그런데 뉴라이쥬은스 호가 촬영하고 NASA가 이 사진을 유출할 때까지 2개월이 걸렸습니다. 거리가 당싱무 멀고, 전송 속도가 매초 하나-2kb에 불과했기 때문 이프니다니다. 모뎀을 이용한 초기 인터넷 속도가 56kb정도였다면 어느 정도 과인. 느린 속도인지 알겠죠.키메가 내용의 속도가 열쇠입니다. 데이터 송수신 시간을 몇 개월에서 며칠로 몇 시간에서 몇 분으로 줄일 수 있다면 인류는 최근보다 먼 곳으로 인공위성이 과도한 탐사선을 보낼 수 있을 것입니다. 더 빨리, 더 높게, 더 멀리! 올림픽 정신을 그 다음은 슬로건입니다. 이 슬로건에는 인간의 신체적 한계를 극복하고 더 큰 목표를 달성하는 도전정신이 그 뒤에 있습니다. 지구 밖 우주공간에서 인공위성이 과도한 탐사선과 교신하는 우주통신의 목표나 구호도 이와 대동소이하지 않을까요?"더 빨리, 더 많이, 더 멀리!" 기획/제작: 항공우주 Editor 오요한자문/감수: 정지궤도 복합위성체계 그 다음 당 용기력 박사