‘더 빨리, 더 멀리’ 위 봐봐요

우리는 휴대전화로 먼 곳의 친국을 만나지 않아도 대화를 본인에게 나눕니다. 또 리모컨으로 채널을 돌려 좋아하는 TV 프로그램을 보기도 합니다. 라디오에서 방송된 봉인오는 아름다운 음악을 들을 수도 있습니다... 전체 전파의 덕분에 가능했다 1들 이프니다니다. 목음본인의 음악만 들을 수 있는 것이 아니라 대용량의 사진이 본인의 동영상도 주고받을 수 있습니다... 지면뿐만이 아닙니다. 지구 밖의 궤도를 돌고 있는 인공위성, 나아가 태양계 끝에 도달한 탐사선과도 신호와 데이터를 주고받을 수 있습니다. 왜 이런 1이 가능할까요? 또 지구와 인공위성은 어떻게 의사소통이 되나요?

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1957년 10월 41옛 소련의 바이코누르 우주 기지에서 인류 최초의 인공 위성 스푸트니크 1호가 발사대입니다. 농구만 한 이 위성은 시속 만 9,000km의 속도로 96분마다 지구를 한바퀴씩 돌면서 신호를 지구로 보냈어요. 구소련은 자국의 우수성을 입증하기 위해 위성이 발신하는 신호를 암호화하지 않았습니다. 그 덕분에(?)전 세계 아마추어 무선 통신사들도 스푸트니크 1호"비~삐~삐~" 하는 발신소 리을 들을 수 있었습니다. 송신기 배터리가 다 없어질 때까지 이 신호는 211동안 계속되었는데요. 아무 정보도 없다"나의 보양이다"정도를 알리는 단순 신호에 불과했지만 지구의 상공 577km에서 보낸 신호는 지구의 외국인들 위성과의 통신 시대를 열의의 뻔뻔스러운 메시지였습니다.​ 스푸트니크 1호가 지구에 신호장 리을 보내서 반드시 40년이 지난 2017년 9월 151, 토성 탐사선 카시니가 토성에 충돌하고 수명을 다했다. 카시니는 충돌 직전 지금까지 미답의 영역이었던 토성의 고리 안으로 뛰어드는 모험을 감행했습니다. 한명'그랜드 피날레'으로 명명된 이 마지막입니다 무를 통해서, 카시니는 토성 대기권 3,000km까지 접근하고 처음에는 토성의 생생한 얼굴 다시 정박을 지구로 전송했다. 카시니가 토성 탐사하고 지구로 전송한 사진은 무려 45만 3,048장에 이릅니다. 수집한 데이터만 모두 635GB입니다. 지구에서 토성까지 거리는 평균 12억 7,700만 km. 지구 주위를 무려 3만 1,900번이나 돌아야 닿는 원거리에서 그동안 천 1에 가려졌던 토성의 사진과 각종 정보를 지구로 전송한 것입니다.

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놀라운 사실은 우리가 휴대 전화로 친구와 통화할 때 스푸트니크 하나호가 단순 신호의 소음을 보낼 때, 지구에서 약 하나 3억 km 떨어진 토성에서 데이터를 받을 때의 통신 원리가 다 똑같다는 점입니다. 바로 전파를 이용한건데요? 전파는 가시광선, 자외선, X선, 적외선 등의 전자파의 일종입니다. 하나 864년 맥스웰이 전자기파를 이론적으로 제시한 뒤 하나 887년 헤르츠가 전기 불꽃 점검을 통하고 전자기파의 존재를 증명했습니다. 또 하나 896년 마르코니가 약 3km 떨어진 곳에 보낸 무선 전신 점검에 성공하면서 전파는 정보를 실어 봉잉루은 통신 수단으로서 자리 잡앗움니다. 하나 9개 2년 초, 호화 유람선 타이타닉 호가 빙산에 충돌 침몰한 그 당시 승무원은 배가 침몰하기 직전, 무선 전신을 통해서 SOS를 했습니다. 근처에 있던 배가 이 전파 신호를 듣고 현장에 달려가고 그 봉잉마 30Percent의 승객을 구조할 수 있었습니다.

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요즘은 먼 거리의 무선통신과 이동통신은 물론 전원만 켜면 어디서든 보고 들을 수 있는 TV, 라디오 방송, 그리고 수백 km에서 수십억 km 떨어진 우주에서 탐사선이나 인공위성과 정보를 주고받을 때도 전파(위 그림 마이크로파)를 사용하고 있습니다. 전파는 빛이나 sound보다 공기중에서 사라지지 않기 때문에, 원하는 신호나 정보를 멀리까지 보낼 수 있습니다. 또 전파는 안테나에서 다른 안테나까지 빛과 같은 초속 30만 km의 속도로 날아갑니다. 이런 특성 때문에 물의 분자를 타고 전달되는 파도나 공기를 타고 전달되는 sound파와 달리 전파는 우주 공간처럼 아무런 매질도 없는 곳으로도 확산될 수 있습니다. 지구와 인공위성이 전파를 이용해 통신이 가능한 이유다.

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물론 땅에서 사용하는 전파와 우주에서 사용하는 전파는 큰 차이가 있습니다. 즉석 주파수입니다. 우주에서는 전파 강도가 강한 높은 주파수 대역을 사용합니다. 실제 우주에서 사용한 주파수 대역은 전술한 주파수의 그림으로 보는 바와 함께 1GHz에서 30GHz사이의 마이크로파 대역 이프니다니다. 라디오 주파수가 700MHz의 수준임을 고려하면 약 1,000배 이상 높은 주파수를 사용하는 것입니다.​ 참고에 아주 작은 큐브 위성은 전송 데이터 양이 나쁘지 않은 지구와의 거리가 가까운 운용을 하기 때문에 초단파 나쁘지 않는 극초단파를 이용한 송수신을 하지만 대체로 위성에 보내는 명령이 나쁘지 않아 위성의 상태 데이터는 S밴드(2-4GHz)주파수로 통신을 합니다. 위성 영상 데이터는 X밴드(8-12GHz)에서 주로 받고, GPS위성 GPS신호는 L밴드(1~2GHz)주파수 대역을 사용합니다. 어떤 정지 궤도 위성은 C(4-8GHz)밴드에서 통신을 하고 우리의 무궁화 위성은 Ku(12-18GHz)밴드 나쁘지 않는 Ka(27-40GHz)밴드 통신을 합니다. 무궁화 위성 3호의 상향 속도는 2Mbps, 하향은 약 45Mbps이프니다니다. 고도가 높은 정지 궤도 통신 위성인 무궁화 위성은 짧은 주파수를 사용하여 통신합니다. 전파는 나쁘지 않고, 좁은 거리의 제곱에 반비례하여 밀도가 줄어드는 특성이 있습니다. 다시 말하면, 멀리 갈수록 전파의 강도가 급격히 줄어들게 되는 것입니다. 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 거의 1직선으로 전파를 지구 나쁘지 않고 다른 원하는 곳에 전송할 수 있습니다.하지만 아무리 강함과 직진성이 강해도 한계가 있습니다. 먼저 전송 시간입니다. 실제, 카시니 호의 메인 주파수에 의한 데이터 수신 속도는 매초 17Kb수준 이프니다니다. 2MB크기의 사진 한장 받지만 16분 정도가 딱 걸려서요. 지구와 약 57억 km이상 떨어진 명왕성 근처부터 나쁘지 않다고 있는 뉴ー호라이쥬은스 호의 경우, 이곳에서 보낸 전파가 지구에 도달하기까지는 약 5시간 걸립니다. 이 정도 거리까지는 아니라도 약 13억 km가량 떨어진 토성에서 보낸 전파에도 각종 잡음이 석 1밖에 없네요. 이 문제를 해결하기 위해서는 더 큰 크기의 안테나에 걸맞지 않게 여러 대가 필요합니다. 정보를 전파로 전환하고 나서 보내면 이 신호를 지면의 안테나에 어울리지 않고 다시 정보로 전환하는 방식입니다.​ 아무래도 심우주 통신의 경우 직경 30~70m크기의 대형 안은 나쁘지 않아를 이용하고 전파를 수신한 뒤(뒤)전파에 섞인 잡음을 제거하지 않으면' 예쁜 '정보를 얻게 됩니다. 역시 1대는 한계가 여러대의 안테나 쁘띠 아를 이용하고 있는데요. 실제로 미국 항공 우주국(NASA)의 심우쥬 통신망(Deep Space Network, DSN)은 오메리카카리포루니아의 골드 스톤, 스페인 마드리드, 호주 캔버라 등에 설치한 거대한 위성 수신 앤은 나쁘지 않아를 1프지앙아의 네트워크로 연결하여 두었습니다. 이들 위성 수신 앤은 나쁘지 않아는 지구상에서 약 120°경사에 떨어지기 때문에 우주선이 1프지앙아의 안테나 프지앙아 아니라 되기 전에 다른 안테나 프지앙아로 신호를 끌어낼 수 있습니다.

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인공위성이 탐사선과의 통신시단축은 인류가 우주개발에서 명확히 확보해야 하는 기술입니다. 특히 달과 화성을 넘어 토성과 명왕성, 심지어 태양계의 인연과 밖까지 눈을 돌리는 상황에서 위성과의 통신시각을 조금이라도 단축하는 것은 위성의 정확한 이담 수행과 정확한 데이터 확보에 필수적이다. 하지만 비교적 지구에 가까운 편에 속하는 화성까지도 아직 가끔 통신이 정말로 거의 불가능합니다. 지구와 화성 간의 거리가 2억 5,000만 km라는 지구와 화성 간의 물리적 거리가 존재합니다. 큐리오시티 같은 화성 탐사선이 전파를 보낼 때는 지구의 공전과 자전을 염두에 두기 때문에 전송도에 차이가 생깁니다. 실제 큐리오 시티가 보낸 데이터가 지구에 도달하기까지는 약 15분 정도 걸립니다.NASA는 화성 탐사선의 정보를 전달하는데 걸리는 가끔을 조금이라도 줄이기 위한 하나의 방법으로 인공위성 '마즈 오디세이(Mars Odyssey)'를 활용합니다. 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 전기 신호로 변환된 뒤 전파에 다솔리아 인공위성 마스 오디세이를 전공합니다. 인공위성은 이 신호를 받아 다시 지구로 전송하면 지구에서는 이 전파를 받아 원래 과정을 되감는 방식으로 다시 전기신호로 바꾸고, 이 과정에 섞여 들어온 잡음을 제거한 뒤 탐사선이 보낸 사진을 받을 수 있습니다. 많이 진보했지만 여전히 복잡한 절차를 밟아야 해요.

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이런 통신의 한계를 극복하기 위해 NASA와 유럽우주국(ESA) 등은 전파 대신 레이저를 이용한 우주통신 비법 개발에 박차를 가하고 있는데요. 레이저를 이용한 통신 원리는, 광케이블을 이용하는 광통신과 같습니다. 다른 점이라면, 빛이 광케이블을 조사하는 대신 우주 공간에 합격하는 것이겠지요. 우주 공간에 광케이블을 설치할 수 있으면 좋겠지만 현실적으로 불가능합니다. 그러면 비법은요? 레이저를 직접 우주 공간에 쏘아 올리는 겁니다. 이처럼 전파 대신 레이저를 이용한 우주통신 방식이 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 한 00Gbps)의 우주 통신이 실현할 것으로 기대하고 있습니다. 지구에서 통신을 주고받는 수준까지는 아니더라도 고속 우주 무선 통신이 가능하게 되는 것입니다. FSO 시스템으로부터 일보 과인아가 "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. 역시 유럽 우주국은 20첫 9년 7월에 발사된 EDRS-C을 위성으로 정지 궤도 위성으로 저궤도 위성 예는 정지 궤도와 지상 국간의 약 4만 5,000km거리로 약 처음이다.8Gbps의 속도로 광 통신을 임무를 수행합니다.

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ESA도 우주 공간에서의 레이저 통신 시스템을 연구하고 있는데요. AIM(Asteroid Impact Mission) 탐사선을 통해 NASA의 프로젝트보다 먼 거리의 레이저 통신을 테스트한다는 복안입니다. AIM은 지구에 근접 소행성을 연구하기 위해서 발사되는 탐사선으로, 2020년 이전에 발사하는 방안입니다. 소행성이 통과하는 위치까지 과정에서 AIM은 지구에서 매우 멀어지게 되지만 그 거리가 최대 7,500만 km에 이른다고 추정되고 있습니다. 이 정도 떨어진 거리에서 택지에 있는 기지와 레이저 통신을 시도한다는 것이 ESA의 구상인데요. 유감스럽지만 AIM입니다. 무케 Hera입니다. 무로 대체되어 광통신입니다.무가 취소되었네요. 최근까지 우주에서 실시한 레이저 통신의 거리는 이 2013년 지구와 달 탐사선이 주고받은 38만 km가 최대였어요. 당시 NASA는 DANEE입니다.무의 1에서 광통신 고무토울했지만, 다빈치의 그림'모나리자'의 흑백 사진을 레이저에 태우고 38만 떨어진 달 탐사선으로 보냈습니다. 달에서 지구까지 다운 링크 속도는 약 622Mbps였습니다. 그러나 당시 달 탐사선은 지구에서 수신한 정보를 다시 지구로 보낼 때는 레이저가 아닌 기존 전파를 사용했다.

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20하나 8년 2월 NASA와 세계의 우주 개발 관계자들은 흥분에 휩싸였습니다. 태양계 끝에 도달한 뉴호라이즌스가 인류의 우주탐사선 중 가장 먼 거리에서 찍은 천체 사진을 보내왔기 때문입니다. 20하나 7년 하나 2월 5일 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 너무 멀어서, 전송 속도가 매초 하나-2kb에 불과했기 때문입니다. 모뎀을 이용한 초기 인터넷 속도가 56kb정도 였다면 그만큼 나 늦게 속도인지 알겠죠.거짓없이 결국 속도가 열쇠예요. 데이터 송수신 시간을 몇 개월에서 며칠에서 몇 시간에서 몇 분으로 줄일 수 있다면 인류는 아주 가까운 곳에 인공위성이 과도한 탐사선을 보낼 수 있을 것입니다. 더 빨리, 더 높이, 더 멀리! 올림픽 정신을 뒤집은 구호입니다. 이 슬로건에는 인간의 신체적 한계를 극복하고 더 큰 목표를 달성하는 도전 정신이 뒤떨어져 있습니다. 지구 밖 우주공간에서 인공위성이 과도한 탐사선과 교신하는 우주통신의 목표와 구호도 이와 비슷하지 않을까요."더 빨리, 더 많이, 더 멀리!" 기획/제작: 항공우주 Editor 오요한자문/감수: 정지궤도 복합위성체계 우라도 용기력 박사