mecㆍviewer v1.5 :: 기술13._김해동

항공우주산업기술동향 10권1호 (2012) pp. 171~178

http://library.kari.re.kr

에서 보실 수 있습니다.

산업동향(기술동향)

우주로봇 및 위성 서비스 개발 기술

김해동*, 임성민

Technologies of space robot and satellite services

Kim, Hae-Dong*, Lim, Seong-Min

ABSTRACT

The increase of the satellite launches has caused many problems such as the degradation of near Earth

orbit environment and the operational cost of satellites is increasing. Satellite services using a space robot
are actively studied by the leading countries in the space development area, which are considered as one
of solutions for the near Earth orbit environment problems and satellite operational cost problems. Active
researches on those area are also needed in Korea since many satellites will be launched and operated in
the near future. In this paper, current technologies and trends of satellite services and the space robot in
leading space development countries are introduced.

초 록

인공위성 발사 증가는 지구 주위 궤도 환경을 악화시키는 등의 우주개발에 많은 문제점을 발생시키고, 이로 인해

위성 운용비용도 증가하고 있다. 우주로봇을 이용한 위성 서비스는 지구 주위 궤도 환경문제와 위성 운용비용 문제의
해결책으로써, 우주선진국에서는 관련 연구가 활발한 추세이다. 우리나라도 향후 다수의 위성을 발사, 운영하게 될 것
이므로 이와 관련된 분야에 대한 선행 연구를 수행할 필요가 있다. 본 논문에서는 우주 선진국들의 우주로봇을 이용한
위성서비스 개발 기술 및 현황에 대해 소개하고자 한다.

Key Words : 궤도상 위성 서비스(On-Orbit Servicing),

우주기반 우주감시 시스템(Space Based Space

Surveillance System), 위성급유(Satellite Refueling), 위성수리(Satellite Repairing), 위성구조(Satellite
Rescue)

* 김해동, 한국항공우주연구원 항공우주융합기술연구소, 미래융합기술연구실, 융합기술연구팀

haedkim@kari.re.kr

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그림 2. Solar Max 수리 모습

출처 : 참고문헌[5]

그림 3. Intelsat-6 인력 도킹

출처 : 참고문헌[3]

그림 1. Solar Max Mission

출처 : 참고문헌[5]

1. 서 론

1957년 구소련의 스푸트니크 1호의 발사를 시작으

로 현재까지 미국, 러시아, 유럽 등 많은 국가에서 통
신, 방송, 기상예보, 위성항법장치, 우주관측 등 다양한
임무를 수행하는 위성들을 지구 주위 우주로 발사하고
있다. 현재까지 약 7,000기의 인공위성이 발사되었고,
현재 약 3,500여기가 지구 주위에서 선회하고 있다. 뿐
만 아니라 지름 10 cm 이상의 우주쓰레기의 수는 약
22,000여개이며, 그 이하 크기의 우주쓰레기의 양은 수
천만 개에 이르는 상황이다.

이에 따라 우주선진국들은 최근 우주쓰레기 증가로

인한 지구주위 우주환경 악화를 완화하기 위해 우주쓰
레기 증가를 막기 위한 국제 규제를 추진하고 있으며,
자국 위성들의 임무종료 후 안전한 폐기를 지향하고
있다. 또한, 직접적으로 충돌위험이 큰 우주쓰레기를
직접 제거하기 위한 우주물체 능동 제거시스템(Active
Removal System, ADR) 기술 개발을 시작하고 있다[1].

한편, 고장난 인공위성을 수리하거나 안전한 지역

으로 폐기를 유도하거나, 연료를 재주입함으로써 인공
위성 폐기기동을 도모하는 등의 방법도 우주환경 악화
를 완화시키기 위한 좋은 방법 중의 하나이다. 이러한
기술들을 ‘우주궤도상 위성 서비스 기술(On-Orbit
Servicing, OOS)’이라고 부르며, 주로 우주로봇 기술
을 활용하게 된다.

초기 우주궤도상 위성 서비스 기술은 사람의 힘으

로 이루어졌다. 미국은 지난 1984년 4월 우주왕복선 챌
린저호를 이용하여 탐사위성 솔라맥스(Solar Max)를
사람이 직접 우주환경에서 수리하였고, 2단 로켓의 분
리 실패로 불안정한 상태로 저궤도에 있던 인텔셋
-6(Intelsat-6)과 인력 도킹을 시도하여 당초 목표 궤도
인 정지궤도에 성공적으로 진입시켰다. 미국방위고등
연구계획국(Defence Advanced Research Projects
Agency, DARPA)에서는 지난 2007년 3월에서 7월까
지 인공위성 두 대를 이용한 무인 시스템을 구성하여
오비탈 익스프레스(Orbital Express, OE) 우주실험을
성공적으로 수행한 바 있다. 이외에도 미국뿐만 아니
라 다른 우주 선진국에서도 우주궤도상 서비스 기술을
발전시키고자 노력하고 있는 추세이다[2,3,4].

본 논문에서는 우주선진국들이 개발하고 있는 우주

궤도상 서비스 기술들에 대해 소개하고, 각국이 실험
한 기술 또는 현재 연구 중인 기술개발 현황들에 대해
기술하였다.

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그림 4. 제미니 6호에서 바라본 제미니 7호

출처 : Kennedy Space Center

그림 5. 제미니 8호에서 바라본 아제나

출처 : Kennedy Space Center

2. 우주궤도상 위성 서비스 핵심 기술

우주궤도상 위성 서비스는 지구와는 다른 환경에서

실시된다. 따라서 요구되는 서비스가 우주환경에서 가
능한지를 판단해야 한다. 먼저 필요한 핵심 기술들은
랑데부(Rendezvous),

도킹(Docking),

근접운용

(Proximity Operations), 위치유지(Station Keeping),
캡쳐(Capture) 등 이다[6].

2.1 랑데부(Rendezvous)와

근접운용(Proximity Operation)

랑데부(Rendezvous)는 근접운용이 가능한 상태가

되도록 위치와 속도, 각속도를 조정하는 것으로 대상
물체(Target object)와의 거리가 수백 km에서 100 m
미만인 상태를 의미한다. 대상 물체의 궤도정보를 얻
어 접근 속도를 줄이고 임무시각(Mission Time)에 맞
추어 후속 활동인 근접운용을 준비한다. 랑데부 시 항
법은 대상 위성과 상대적 측정거리와 방향, 또는 상대
적 위치를 이용한다. 실제 우주랑데부는 1965년 12월
제미니 7호와 6호(Gemini 7 & 6)에서 최초로 이루어졌
다. 근접운용은 랑데부 이후 단계로써 대상 물체와의
거리를 수~수십 미터 일정하게 유지하면서 지속적인
작업 혹은 관측을 수행하는 단계로써 성공적인 서비스
를 제공하는데 중요한 기술이다[5,7].

2.2 도킹(Docking)과 캡쳐(Capture)

근접운용 이후 진행되는 도킹과 캡쳐 기술은 서비

스 위성과 대상 물체를 결합하는데 필요하다. 도킹과
캡쳐가 가능한 상태로 접근속도를 일정하게 유지하는
것이 중요하고, 위치와 자세의 정밀도를 확보해야만
한다. 특히, 자세는 서비스 위성과 대상 물체의 위치와
방향에 따른 다양한 조합 형태를 필요로 한다. 한편, 자
동 도킹(Autonomous Docking)은 카메라나 라이다
(Light Detection and Ranging, LIDAR)등의 시각 기
반 시스템(Vision System)을 이용하여 대상 물체의 자
세에 맞추어 이동할 궤적을 결정한다. 최초의 우주 도
킹은 1966년 3월 미국 제미니 8호(Gemini 8)와 무인우
주선 아제나(Agena target vehicle)가 성공하였다[5].

최근 이러한 우주궤도상 위성 서비스 핵심 기술들

을 검증하고자 수행되었던 미국 방위고등 연구계획국
(DARPA)의 오비탈 익스프레스(Orbital Express, OE)
프로젝트는 두 대의 위성체, 즉 아스트로(ASTRO)와
넥스트셋(NEXTSat)를 이용하여 진행하였는데, 서비
스 위성인 아스트로는 대상 위성인 넥스트셋에 랑데
부하여 일정 근접운용을 한 후 도킹하였다. 이후 연료
로 사용되는 하이드라진(Hydrazine)과 ORU(Orbit
Replaceable Unit)를 교환함으로서 우주 궤도환경에
서 기초기술이 적용 가능함을 증명하였다.[4]

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그림 7. 아스트로 위성과 넥스트셋의 도킹

출처 : 참고문헌[4]

그림 8. Space Based Space Surveil ance (SBSS)

System

출처 : http://www.aero.org/

그림 6. 아스트로 위성과 넥스트셋의 랑데부

출처 : 참고문헌[4]

3. 우주궤도상 위성 서비스

우주궤도상 위성 서비스(On-Orbit Servicing)는 과

학적, 보안적, 상업적 이유로 우주비행체를 정찰, 궤도
조정, 급유, 수리, 발사 실패상태에서의 복구 활동, 추
가 보조시스템 장착 등의 서비스를 제공하는 모든 활
동을 포함한다. 즉, 이러한 서비스를 이용하여 우주궤
도상에서 운용 중인 인공위성의 성능을 향상시키거나
운용 수명을 증가, 또는 궤도 조정을 통해 추가 임무를
수행하거나, 폐기위성의 폐기기동을 수행하는 등에 활
용이 가능하다. 인공위성을 이용한 우주궤도상 위성

서비스는 감시임무(Inspection Mission), 조작임무
(Manipulation Mission), 기동임무(Maneuvering
Mission)로 구분 지을 수 있다[1].

3.1 감시임무(Inspection Mission)

감시임무는 서비스 위성이 다른 위성을 포함하는

우주비행체나 우주물체, 우주파편 등을 우주궤도상에
서 감시하는 임무다. 위성의 상태를 확인하는 방법으
로는 지상에서 원격측정신호를 이용할 수 있으나, 외
관상 정확한 상태(예, 표면상의 미세한 손상여부 혹은
파손 정도 등)를 확인하는 것은 불가능하다. 이를 보완
하기 위한 방법으로 작은 충돌이나 위성의 정확한 외
관상 상태를 확인하기 위해 궤도상에서 직접 관측한
다. 특히, 위성의 일부 기능 고장으로 인해 임무를 종료
하고 수동적인 방법으로 직접 폐기하기 위해서는 서비
스 위성이 접근하기 전에 위성의 자세, 손상여부를 정
확하게 관측하는 것이 중요하다.

이 임무는 적외선 센서를 이용하여 태양전지판의

동작 상태를 확인하거나, 우주비행체를 X선으로 관측
하여 운용 상태를 확인한다. 그 외에 운석이나 우주파
편에 의한 충격은 서비스 위성에 탑재된 카메라를 이
용하여 확인할 수 있다[1].

실제로, 미 공군에서는 지난 2010년 9월 25일부터

12월 23일까지 우주기반 우주감시 시스템(Space
Based Space Surveillance System, SBSS) 실험을 수행

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그림 9. MDA Refueling

출처 : 참고문헌[9]

한 바 있다. 이 실험은 자국(미국) 우주비행체의 우주
상의 안전성을 확보하기 위해 수행한 것으로 현재 운
용 중인 위성들의 안전 상태 확인과 위험 요인들의 감
지를 목적으로 실험이 이루어졌다. 지상에서 레이더나
광학망원경을 이용하는 것보다 우주궤도상에서 우주
물체를 감시하게 되면 기상, 대기의 영향 없어 관측위
성의 상태를 명확하게 확인할 수 있다는 장점이 있다
[8].

3.2 조작 임무(Manipulation Mission)

조작임무는 인공위성을 초기 운용 상태로 되돌려

운용수명을 증가시키거나 장착된 부품을 업그레이드
된 부품으로 바꾸어 응용된 임무를 수행하게 한다. 또,
부품의 추가 장착을 통해 인공위성의 임무를 다양화시
킬 수 있다. 이 임무는 랑데부와 도킹 기술을 이용해 서
비스 위성과 대상 위성이 같은 궤도를 선회하면서 서
비스 위성에 탑재된 로봇 팔을 이용하여 위성의 부품
을 수리하거나 교환, 추가 장착을 통해서 고장 난 위성
을 운용 가능하게 하고, 다른 임무나 추가임무를 수행
하도록 한다. 또, 로봇 팔이 아닌 급유시설을 탑재하여
급유를 하는 방법도 있다. 이 조작임무의 대표적인 사
례는 다음 두 가지로 나누어 볼 수 있다[1,5,6].

3.2.1 급유를 통한 초기 상태 회복(Restore)
지구정지궤도 (GEO) 위성은 발사 전 탑재한 연료량

에 의해 운용수명이 결정된다. 궤도를 선회하면서 위성
은 임무를 수행하기 위한 상태를 유지하기 위해서 외란
에 의한 궤도의 변화나 우주파편이나 다른 위성의 접근
으로 인해 위치유지(Station Keeping) 기동을 주기적으
로 수행한다. 이 위치유지기동은 주로 탑재된 연료를
이용하는데, 연료를 모두 소모하게 되면 더 이상 운용
이 불가능 해지므로 임무가 종료된다. 따라서 서비스
위성을 통해서 우주상에서 재급유를 하게 되면 위성의
수명은 초기 연료상태로 회복시켜주기 때문에 운용기
간을 증가시킬 수 있다.

우주급유 방식은 두 가지로 나뉜다. 서비스 위성이

랑데부 도킹 이후 자신의 연료를 위성에 주는 일대일
교환방식과 서비스 위성이 여러 위성에게 다가가 연료

를 주는 일대 다수 급유방식이 있다[1,5].

일대일 교환 방식은 서비스 위성이 보유한 연료를

모두 대상 위성에 넘겨주는 방식으로 1회용이지만 임
무를 가지고 우주로 올라가는 위성에 비해 무게가 적어
비용 측면에서 이점을 가진다.

미국과 캐나다 합작의 MacDonald Dettwiler and

Associates(MDA)社에서는 2015년경에 우주상에서
급유 서비스를 하는 위성을 쏘아 올릴 계획을 가지고
있다. MDA社는 연료소모가 많은 지구정지궤도 위성
들의 수명을 증가시킴으로써 우주쓰레기가 되거나 정
지궤도상의 유효영역이 감소되는 것을 막을 수 있을 수
있을 것으로 기대하고 있다[9].

한편, 일대 다수 급유방식은 서비스 위성이 하나의

위성에게 급유를 한 이후 다른 위성이 운용되고 있는
궤도로 궤도 수정을 통해 도킹을 하고 다시 새로운 급
유를 하는 방식이다. 보다 많은 위성을 대상으로 이용
가능한 이 방법은 랑데부, 도킹 이후 다시 궤도 수정을
해야 되는 어려움을 가지고 있고, 한정된 연료를 효율
적으로 이용해야 하는 부담이 있다. 이를 보완하기 위
해 우주 저장창고(Space Depot)를 이용하거나 지상에
서 서비스 위성의 궤도로 발사하여 연료탱크만 교환하
는 방법들이 NASA SSCO(Satellite Servicing
Capabilities Office)의 프로젝트 리포트를 통해 제시된
바 있다. 하지만, 이러한 서비스 활동을 통해 발생되는
폐 연료탱크들이 우주쓰레기가 되는 문제에 대해서는
앞으로 해결해야 될 문제로 판단된다.

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그림 11. HST First Servicing Mission:

COSTAR Instal ation

출처 : 참고문헌[5]

그림 10. Refueling Depot Assembly

출처 : 참고문헌[5]

그림 12. Dextre 로봇(우)을 이용한 Refuel System

출처 : 참고문헌[11]

3.2.2 부품 추가 탑재 및 품질 향상(Augment)
급유 이외에 고장 난 탑재체를 수리할 필요도 있다.

즉, 급유모듈이 아닌 탑재체 부품과 로봇 팔을 이용하
여 기존의 위성에 탑재되어 있는 하드웨어를 교환하거
나 추가로 장착하는 방법이다[6].

초기 발사될 당시에 탑재된 장비에 따라 위성의 임

무는 결정된다. 다목적실용위성의 경우에는 고해상도
카메라를 탑재하여 지구관측의 임무를 하는 반면에 통
신해양기상위성은 기상관측센서와 해양관측센서, 통
신 탑재체를 탑재하여 위성통신, 해양 및 기상관측 활
동을 하고 있다. 만일, 현재 운용되고 있는 위성을 이용
한 임무를 일정기간 수행한 후 별도의 위성 개발 없이
탑재체만을 교환하거나 추가함으로써 새로운 임무를
부여할 수 있다면 효과적일 것이다.

실제 NASA에서는 허블우주망원경의 서비스 활동

으로 다섯 번의 부품 교체활동이 이루어졌다. 각각의
임무들은 우주망원경에 장착된 과학기구들을 교체하
는 것으로써 1993년 2월 처음 시행된 이후 2009년 5월
까지 이루어졌다[5].

한편, 2009년에 설립된 NASA SSCO(Satellite

Servicing Capabilities Office)는 위성 서비스와 수리에
대한 연구를 목적으로 설립된 연구소로서 Robotic
Refueling

Mission(RRM)과

Robotic

Servicing

Mission(RSM)에 대한 연구를 진행 중이다. 국제우주정
거장(ISS)에서 Dextre 로봇을 이용하여 급유모듈에 급
유를 하는 재급유 시스템(Refuel System)에 대한 우주

실험을 현재 수행하고 있는데, 2011년 9월부터 2013년
3월 까지 계획되어있다[10].

3.3 기동임무(Maneuvering Mission)

기동임무(Maneuvering Mission)는 서비스 위성이

대상 위성의 위치와 속도를 우주상에서 바꾸는 것이
다. 랑데부, 근접운용을 통해 서비스 위성과 대상 위성
이 도킹을 한 이후, 서비스 위성의 추진계를 이용하여
궤도조정을 하는 것, 또는 로봇팔이나 그물 등을 이용
한 캡쳐(Capture)를 통해 궤도조정을 하는 것을 포함
한다. 과거에 발사된 위성의 경우 추진계가 없어 궤도
조정이 불가능 하거나 추진계는 있으나 임무 수행 중
발생한 위성 내부의 문제로 인해 궤도 조정이 불가능

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그림 15. Clean Space One

출처 : 참고문헌[15]

그림 13. ROGER Spacecraft by the ASTRIUM

team

출처 : 참고문헌[13]

그림 14. ROGER Spacecraft by the QinetiQ

team

출처 : 참고문헌[13]

한 경우에 사용될 수 있다. 이 방법을 응용하여 견인
(Tow-Truck), 구조 활동(Rescue) 영역에도 적용이 가
능하다. 폐기가 완료되지 않은 폐기위성이나 우주파편
등을 우주무덤으로 이동하는 방법으로도 이용될 수 있
다고 NASA SSCO(Satellite Servicing Capabilities
Office) 프로젝트 리포트에서는 제시하고 있다[5].

한편, 이 서비스를 수행하는 위성체는 사용 횟수에

따라서 De-Orbiter, Re-Orbiter로 나눈다. De-Orbiter
는 단 한번 랑데부 도킹을 하여 임무를 수행한다.
Re-Orbiter는 De-orbiter의 한 번의 활동 이후 다시 궤
도조정을 통해서 다른 위성과 랑데부 도킹 활동을 하
게 된다. 이를 통해 다수 위성들을 대상으로 궤도조정
이나 폐기기동을 수행한다[1].

유럽우주국(European Space Agency, ESA)에서는

지구정지궤도에서 선회하고 있는 불량 위성이나 크기
가 큰 우주파편으로 인해 충돌 가능성이 있는 위험들
을 완화하고자 RObotic GEostationary orbit
Restorer(ROGER)를 수행하고 있다. 이 프로젝트는 지
구정지궤도의 포화상태에 따른 위험을 분석 및 평가하
고, 이를 완화하기 위한 방법을 결정한다. 최종적으로
소요 기술들을 개발하고 이를 증명함으로써 실제 우주
상에서 실행을 목표로 하고 있다. ROGER는 쓸모 없거
나 작동되지 않는 위성에 접근 및 도킹하여 주차궤도
(Parking orbit)나 우주무덤(Graveyard orbit)으로 견
인한다. ROGER 프로젝트에서는 두 가지 도킹 개념을
제시하였는데, 먼저 그림 13과 같이 그물을 이용하여

대상위성을 캡쳐하는 방법과 그림 14와 같이 붐
(Boom) 막대와 문어발 캡쳐시스템(Octopus grasping
system)을 이용한 방법이다[12].

최근 스위스에서도 기동임무에 대한 연구를 계획하

고 있는데, 지난 2012년 2월 Swiss Federal Institute for
Technology(EPFL)에서 Clean Space One 프로젝트라
는 계획을 발표한 바 있다. 이 프로젝트는 지구 주위
궤도에 존재하는 우주쓰레기를 청소위성(Janitor
Satellite)을 이용하여 제거 할 목적으로 2015~2016년
에 2 대의 위성을 발사할 예정이다[14,15]. 특히, 이들
위성들은 3 유니트(Unit) 크기의 초소형 위성을 이용

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하는 것으로써 향후 우주파편 제거 기술들을 우주상에
서 시험하기 위해 초소형 위성들이 유용하게 사용될
전망이다.

4. 정 리

현재 각국에서는 다양한 임무들을 수행하는 인공위

성들을 운용하고 있다. 특히, 최근에 국제적으로 이슈
가 되고 있는 우주파편, 유용 궤도 포화 등 우주환경 악
화로 인한 많은 문제점들로 인해 앞으로 우주 임무 안
정성 약화 및 운용비용 증가가 예상된다. 또한, 미국,
유럽, 일본 등을 중심으로 우주물체 관리 및 위성의 안
전한 폐기 등에 대한 국제규약을 추진하고 있는 상황
이다. 따라서, 최근 우주선진국들은 우주궤도상 서비
스 연구에 관심을 갖고 본격적인 연구를 시작하는 추
세이다. 본 논문에서는 이러한 연구 분야에 대한 기술
동향과 내용들을 소개하였다. 따라서, 추후 다수의 위
성들을 발사하고 운영하게 될 우리나라도 이와 관련된
연구에 관심을 가질 필요가 있을 것으로 사료된다.

후 기

본 연구는 기초기술연구회 ‘NAP 우주물체 전자광

학 감시체계 기술개발’의 협동연구과제(우주파편 충
돌위험 종합관리시스템 개발 및 우주파편 제거시스템
연구)의 일부로 수행되었으며, 이에 기초기술연구회
와 한국항공우주연구원의 지원에 감사드립니다.

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