시장은 향후 2년 내에 일어날 변화를 '과소평가'하고 향후 10년 동안 일어날 변화를 '과소평가'한다. 빌 게이츠는 1~2년 뒤 미래는 호들갑을 떨듯 과대평가하면서도, 더 먼 미래는 신경 쓰지 않는 사람들의 경향에 대해 이같이 말함. 이번 포스팅에서는 앞으로의 10년간 있을 우주 산업의 발전 그중에서도 소형 위성에 대해 알아보자.
소형 위성 분류
- 100~500kg = 미니 위성
- 10~100kg = 마이크로 위성
- 1~10kg 나노 위성 (CubeSat)
- 0.1~1kg 피코 위성
- 0.1kg 펨토 위성
아직까지 피코, 펨토 위성은 지상 컨트롤러와 통신하려면 추가로 더 큰 '모위성'이 필요하다. 즉 나노 위성 수준이 현재 소형 위성 기준이 됨. 큐브샛의 박스 디자인이 중력과 가속도, 저항 등의 부하를 견디는데, 적합하고 튼튼한 구조라서 엔지니어들은 이 사이즈에 맞게 카메라, 센서, 배터리 등을 박스에 넣어 우주에 날리기만 하면 된다.
편리함과 단순성으로 큐브샛은 소형위성의 표준이 됨. 큐브샛은 값이 싸고, 지구 저궤도에서 여러 대를 띄워 그 효율을 높일 수 있다.
궤도 별 위성의 분류
저궤도 (LEO)
중궤도 (MEO)
정지궤도 (GEO)
저궤도 상에는 위성뿐 아니라 국제 우주정거장 ISS도 있다. 이 고도는 340.5km~432.7km 사이로 저궤도 중에서도 낮은 편이라 지상에서 육안으로 볼 수도 있다. ISS에서 찍은 사진들을 보면 지구와 상당히 가까운 걸 체감할 수 있음. LEO 위성들은 이와 비슷한 고도이다. 스타링크 고도는 550km 정도임.
기존 위성들이 고도가 대부분 1,000km 넘은 걸 감안하면, 저궤도 위성들이 얼마나 지구에 가깝게 위치한 것인지 알 수 있음. 지구에 가까운 만큼 통신 지연 시간도 낮고, 관측 해상도도 높다. 심지어 위성의 수를 늘리면 실시간에 가까운 관측도 가능함.
중궤도 위성의 경우 고도는 2,000~36,000km이다. 위치정보위성 GPS 같은 항법 위성이 중궤도에 자리 잡고 있음. 정지궤도 위성은 고도가 35,786km로 지구 자전 주기와 같은 궤도 주기를 갖도록 한 지구 동기궤도(GSO) 위성 중에서도 아주 특별한 케이스로 지구 상에 오직 하나의 궤도만 존재함.
까다로운 조건을 만족시킨 GEO 위성은 북위 81도부터 남위 81도까지 극지방을 제외한 모든 지역에 서비스가 가능하다. 하늘에 정지되어 있어 기지국이나 이동국에 고가 위성 추적 장치를 달 필요가 없다는 장점이 있다. 현재 약 600여 개의 인공위성이 이 정지궤도에서 통신 및 기상 예보에 활용되고 있음.
다만 저궤도보다 90배 이상 거리가 멀어 전파에 수백 ms 이상의 딜레이가 생긴다. 거리가 먼 만큼 해상도도 낮아지며, 그 궤도가 정해져 있는 만큼 우주쓰레기에 취약한 단점도 있다.
소형 위성 장점
이를 알기 전에 공간정보에 대해 알아보자. 인간 생활에 필요한 지리 정보를 컴퓨터 데이터로 변환해 효율적으로 활용하기 위한 정보 시스템을 GIS라 하는데, 최근 GIS 공간적 분석에 대한 비중이 더 커지면서 Geo Spatial Information System, 공간 정보라고 부른다.
AR/VR, 드론, 자율주행차량 모두 이 공간정보를 기초로 하는 기술들임. 새 인프라를 구축하거나 기존 자원 활용할 때 디지털 트윈으로 시뮬레이션해 도시와 국가 투자수익률을 극대화해야 하는데, 이러한 의사결정을 뒷받침하기 위해서 신뢰도 높은 데이터가 바로 공간정보이다.
예를 들어 공간정보는 특정 도시 시민들의 생활패턴, 교통량 등을 분석해 스마트 시티를 구축하는데 쓰인다. 정밀한 공간 정보와 메타버스 소프트웨어의 조합은 AR/VR 시대를 정교하게 만들어줌. 즉 공간정보와 메타버스는 너무나도 궁합이 잘 맞는 기술이다.
공간정보 산업 강화시켜주는 딥러닝과 클라우드
수집할 수 있는 공간정보의 양이 크게 늘고 있고, 비용도 갈수록 절감되고 있다. 이미지 분류, 대상 감지, 지역 특징 추출 등의 프로세스를 딥러닝이 대신하면서 위성들이 만들어내는 대량의 공간정보가 비로소 그 의미를 갖기 시작한 거임. 기존에는 대부분 공간정보가 전부 분석되지 못하고 버려지는 것이 대다수였다면,
이제 AI는 공간정보로 빅데이터를 만들어 데이터 정리, 분석 뿐만 아니라 예측하기에 이를 거라고 본다. 딥러닝은 공간정보 산업에서 '파괴적인 힘'으로 자리할 거임.
늘어난 데이터를 처리하는 것만이 중요한게 아니다. 효율적으로 저장할 수단도 필요한데, 이 역할을 클라우드가 해준다. 이를 통해 각 사업은 하드웨어의 불필요한 투자를 줄일 수 있으며, 공간정보는 더 많은 플랫폼과 도구를 활용하게 된다.
공간정보 산업 강화 4가지 요인 :
1. 디지털 트윈
2. AR/VR
3. 딥러닝
4. 클라우드
저궤도 위성의 진가
4차 산업 혁명의 또 하나의 근간이 되는 공간정보를 주로 저궤도 위성이 해주는 거다. 값이 싸기 때문에 예산이 부족한 개발도상국 등이 공간정보를 확보할 수 있게 진입 장벽을 낮춰줌. 아직까지 많은 국가들은 정부가 모니터링하기에 턱 없이 낮은 해상도의 데이터 소스 (공간정보)를 제공받기 때문에 이것은 큰 의미이다.
위성의 센서 역시 발전이 가속화되고 있는데, 전자기파를 이용한 능동형 센서 SAR로부터 얻어지는 파장의 형태를 3차원 공간정보 DEM을 얻어내는 InSAR기술이 정교해짐에 따라 밤낮 기후에 무관하게 4m 미만의 높은 정확도를 얻어낼 수 있게 됐다.
위성이 주는 sar 데이터, 고해상도 이미지의 결합으로 과거에는 분간하기 어려웠던 해수, 강물 흐름, 물 수위, 특정 지역 토양에 어느 정도 양의 물이 숨어있는지를 파악할 수 있어 항공사진의 대안으로 주목받고 있다. 게다가 광대역 인터넷망 구축 외에도 인간의 개입 없이 기계끼리 데이터를 주고받고 공유토록 하는 M2M, Iot에도 필수적 요소임.
NASA에서 최고정보책임자 2년 6개월 CTO(최고 기술 책임자) 1년의 경력을 쌓았던 Chris Kemp는 스페이스 x의 공동 창립자 중 한 명인 Chris Thompson을 수석 엔지니어로 데려와 로켓 기업 Astra를 세웠는데, 고객을 위한 위성을 제조하거나 관리하는 서비스도 한다고 함.
Chris Kemp CEO는 위성기술이 클라우드 컴퓨팅처럼 빠르게 발전해 앞으로 10년 동안 인류는 수십만 개의 위성을 쏘아 올릴 것이라고 언급함. 그리고 거의 모든 기업들이 자기 사업만을 위한 소형 위성을 임대하거나 구입할 수 있게 될 것이라고 예상했다.
스타링크 위험 요소
위에서 언급한대로 위성을 기업의 수나 개인이 원하는 만큼 늘리는 것이 가능한가에 의문이 들 수밖에 없다. 궤도 공간은 한정적이며, 이로 인해 스페이스 데브리 (우주 쓰레기)에 위성이 파괴될 수 있기 때문이다. 유럽우주국 ESA는 이미 1mm 이상의 데브리가 1억 3천만 개, 1cm 이상은 90만 개, 10cm 이상은 34,000개이며, 1m 이상의 데브리(Debris)는 5,400개나 된다고 밝혔다.
그리고 이들의 70%가 저궤도 LEO에 있음. 1mm 정도의 데브리도 총알 7배나 되는 속도로 궤도를 돌고 있기 때문에 이는 심각한 리스크가 됨. 게다가 한 인공위성이 데브리에 파괴되면, 지속적인 연쇄반응이 일어난다는거다. 1978년 도널드 케슬러 박사는 이 연쇄반응으로 결국 궤도 전체가 데브리고 꽉 차 인공위성은 커녕 인류의 우주 진출도 막힐 거라 말했음.
하지만 이건 다소 과장된 표현으로 우주쓰레기가 해결 불가능한 일은 아니다. 전직 우주 비행사 마이크 멀레인은 이 모든 데브리들을 동일한 고도의 궤도에 두어도 텍사스 주 전체에 차량 5대가 있는 정도라고 말함. 즉 우주는 생각보다 훨씬 넓다는 의미이며, 위성과 데브리가 순식간에 연쇄반응을 일으켜 쓰레기가 넘치도록 만들기는 어렵다는 말이다.
하지만 NASA는 지금부터 새롭게 로켓을 쏘아올리지 않는다 하더라도 2055년 이후부터는 연쇄반응이 일어나 쓰레기가 증식할 것이라고 말해 많은 과학자들이 인류 스스로 지구에 갇히는 일까지 나타날 수 있다면서 심각하게 받아들이고 있다. 2025년 유럽우주국은 데브리들을 수거하는 로봇을 발사할 계획임.
그러나 이 문제들을 LEO 위성 산업을 더욱 발전시켜줄 수 있다. 고도 600km 미만의 소형위성만 쏠 수 있도록 국제 사회가 제한을 걸게 된다면 말이다. 저궤도 위성들은 수명이 다해 대기 가열 및 팽창, 태양풍 등으로 위성 궤도가 붕괴되면, 자연스럽게 고도가 낮아지면서 대기 중에 타버리기 때문에 폐기하기 쉬움.
앞으로 국제협약이 인류 공동자산인 궤도가 사용료 지불 방식으로 흘러가게 된다면, LEO를 비롯한 위성 산업은 큰 타격을 받을 수 밖에 없음. 4차 산업 혁명의 근간이 되는 공간정보 생성과 IoT, M2M, 광대역 인터넷을 구축하는 저궤도 위성은 앞으로 더 필요해질 거다.
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