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항공우주산업기술동향 15권2호 (2017) pp. 152~159

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기술동향

저궤도 편대비행 및 군집비행 위성 시스템 개발동향

임정흠*, 이지만**, 김성훈***1)

Low earth orbit Formation Flying and Constellation

Satellite System Development Trend

Im, Jeong-Heum*, Lee, Ji Marn**, Kim, Sung Hoon***

ABSTRACT

초 록

항공우주연구원은 공공분야의 위성영상 수요에 효과적으로 대응하고 국내 위성산업의 저변확대를 위해

차세대중형위성 호를 개발하고 있다 차세대중형위성 호는 호와 동일한 설계 규격으로 개발되어 호와

군집위성 개념으로 운용될 예정이다 이러한 군집위성 설계 및 운용은 미국 프랑스 이탈리아 독일 등 위성

선진국에 의해 기 운용되고 있다 본 논문에서는 해외 군집위성 운용사례를 조사하였으며 군집위성 개념을

고려한 차세대중형위성 호기 궤도 설계 및 해석을 수행하였다

편대 비행

군집위성

차

세대 중형위성

임정흠 한국항공우주연구원 위성연구본부 차세대중형위성체계팀

이지만 한국항공우주산업 주 우주사업실 위성체계팀

김성훈 한국항공우주연구원 위성연구본부 차세대중형위성사업단

임정흠 외 / 항공우주산업기술동향 15/2 (2017) pp. 152~159

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1. 서 론

한국항공우주연구원은 공공분야의 위성영상 수요

에 효과적으로 대응하고 국내 위성산업 저변 확대 및

산업체 육성 위성의 해외 수출 촉진을 위한 차세대중

형위성 호를 개발하고 있다 특히 공공 민간 분야의

위성수요 충족을 위해서 개발 비용과 기간을 단축시키

기 위한 방안으로 중형위성 표준 플랫폼 개발이 제안

되었다

차세대중형위성 호에서 개발될 표준 플랫폼은 국

산화를 계획하고 있는 탑재체 광학카메라 마이크로

파 탐측기 초분광기 등 를 탑재할 예정이다 한국항

공우주연구원은 차세대중형위성 개발을 통해 축적한

위성개발 경험과 시스템 본체 탑재체 개발 기술 등

을 체계적으로 국내 산업체에 이전함으로써 산업체

육성 및 위성산업 저변 확대를 위해 힘쓰고 있다

표 은 국내 지구 저궤도 위성 운용 현황을 나타내

고 있다 다목적실용위성 호

호 호는 정상궤도에

서 운용중이다 다목적실용위성 호는 해상도

급

고해상도 지구관측 목적으로 개발되었으며 서브미터

급 관측능력을 갖는 국내 최초의 위성이다 다목적실

용위성 호는 국내 최초로 전천후 영상레이더가 탑재

된 지구관측위성으로 하루 네 번 한반도 관측이 가능

하다 관측된 영상 정보는 공공안전 재난 재해 예측

국토 자원 관리 환경감시 등에 활용되고 있다 이러한

다목적실용위성은 지구정밀 관측을 위해 개발되었지

만 위성 각각은 독립된 임무를 만족하기 위하여 설계

되었다

차세대중형위성은

년 현재 상세설계를 수행

중으로 호는

년 호는

년 발사예정 군집

위성

개념을 적용한 국내 첫 설계 사

례이다 표준 플랫폼을 적용할 경우 중대형 급 실용위

성에 비해 상대적으로 짧은 기간과 저렴한 비용으로

동시 운용이 가능하여 증가하는 지구관측 수요를 충

족시킬 수 있을 뿐 만 아니라 관측 주기도 단축시킬 수

있을 것으로 보인다

본 논문에서는 군집위성에 대한 위성 선진국 미국

프랑스 영국 이탈리아 독일 중국 등 에 대한 설계

및 운용 사례를 조사하였으며 이를 바탕으로 군집위

성 호 궤도설계와 관련한 예제를 수행하였다

구분

다목적 호

다목적

호

차세대중형위성

호

차세대중형위성

호

발사일자

년 예정

탑재체

광학

영상레이더

광학

군집위성운용

적용

고도

약

중량

내외

궤도주기

분

회전수

궤도속도

지상속도

임무특징

지구정밀관측

전천후 지구관측

지구정밀관측

해상도

표 국내 지구저궤도 위성 운용 현황

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임정흠 외 / 항공우주산업기술동향 15/2 (2017) pp. 152~159

2. 본론

군집위성 궤도 설계는 주로 위성통신 서비스를 수

행하기 위한 궤도설계 또는 항법위성의 궤도설계 목

적이었다 군집 궤도는 현재까지 세계 각국에서 감시

정찰 단순관측 통신 및 기상 등 연속적인 지구 관측

이 필요한 임무 수행에 응용되어 왔으며 설계 방식으

로는 존 워커가 제안한 워커 델타 설계 방식이 전통적

으로 이용되어 왔다

국내의 군집위성 관련 연구는

지상국 자원의 효율적인 운용에 관한 연구를 중심으

로 선행된 바 있다

본 논문에서는 국외 군집위성 설계 사례 살펴보고

군집위성 호에 대한 궤도 설계에 적용해보았다 전

지구 관측을 목적으로 하는 위성의 군집위성 운용은

대부분 태양동기궤도이며 커버리지 확보를 위해 동

일궤도 평면에 위치하는 경우가 대부분이다

2.1 군집위성 설계 해외 사례

프랑스

에서 개발한

위성은 대의 위성으

로 구성된 군집위성이다 두 위성은

임무고도

의 위치한 태양동기궤도로 운용중이다 동일 궤도면

에 위치한 두 위성은

도의 위성차를 가지고 있으

며

급 고해상도 영상을 확보할 수 있는 능력을

보유하고 있다 영상획득 수량을 향상시키기 위하여

를 이용하여 자

세제어를 수행하고 있으며 기동을 위한 토크는

로 알려져 있다

위성은

위성

과 짝을 이루어 동일 궤도에 총 대의 위성을 운영하

며 모두 동일 평면에 위치하여 전 지구에 대한 빠른

커버리지를 확보할 수 있다

그림

및

호

영국

영국에서 운영중인

는 재해재난 감시를 목

적으로 설계된 위성으로 동일 궤도면에서 대의 위성

을

도 위상차를 갖도록 설계하였다

의 고

도에 태양동기궤도로 운용중인

위성은

에서 개발한

플랫폼을 이용하

고 있으며

급 영상 획득이 가능하다

그림

운용궤도 동궤도면

도

위상차

적용

이탈리아

이탈리아에서 운영중인

는 영상

레이더

를 이용하여

이하의 해상도 영상을 획

득할 수 있으며 총 대의 위성을 동일 궤도 평면에

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도 간격으로 배치하고 있다

고도에 위치하여

스팟모드

영상 스트립모드

영

상 획득이 가능하다 태양동기궤도로 운용되며 전 지

구에 대한 커버리지 확보가 가능하다 전력공급을 원

활히 하기 위하여 지방시

으로 운용중이다

영상을 획득하기 위하여 궤도를 변경하여 간섭

모드로 운용할 수 있다 이때 개의 위성이 동일지상

궤적

을 갖게 되며 두 위성

사이의 위상차는 지방시 변경차이에 따라 결정된

다

그림 정상 운용모드

그림 간섭 운용모드

독일

독일에서

운영중인

그리고

역시 영상레이더를 이용하여 영상을 획

득한다 총 대의 위성이 편대비행을 수행하며 스팟

모드와 스트립모드를 운용한다 스팟모드는

의

영상획득이 가능하며 스트립모드의 경우

이하의

영상획득이 가능하다

의 태양동기궤도를 갖

고 있으며 서로간의 거리는

내에서 궤

도가 유지된다 센서의 특성을 고려하여

모

드로 운용되는데 이는 신호 발생과 수신이 서로 다르

게 운용되는 것을 의미한다

그림 나선형 편대비행 운용

중국

대의 위성을 이용한 군집위성 궤도를 운용하고 있

으며 각 위성은 동일 궤도평면에

도 위상차를 갖

는다

고도에 위치한 태양동기궤도로 운용되

며 관측폭

에

급 고해상도 영상획득 및

동영상 촬영이 가능하다

년 동일궤도면 대가 추가 예정되어 각 위성

간 간격은 도가 될 예정이다 중국은

년까지

대 이상 위성 발사 계획하고 있으며 이중 대는

급 고해상도 영상획득이 가능하며 대는

급 대는 영상레이더 촬영이 가능한 위성이다

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개발 국가

탑재체

위성수

발사

궤도

임무 특징

프랑스

광학

도 위상차

동일궤도면

태양동기궤도

제어모멘트

자이로를 이용한

자세제어 및

고해상도
영상촬영

영국

광학

위상차

동일궤도면

태양동기궤도

재해 재난 감시

이탈리아

영상레이더

도 위상차

동일궤도면

태양동기궤도

군정찰 및

재해 재난 감시

독일

영상레이더

편대비행

태양동기궤도

디지털 표고모델

제작

미국 일본

과학

태양동기궤도

지구대기관측

중국

광학

도 위상차

동일궤도면

태양동기궤도

고해상도
영상촬영

표 군집위성 해외 사례

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그림

군집위성

적용

미국 일본

군집 위성은

미국과 일본의 위성들로 구성된 지구대기 관측 목적

의 대표적인 군집위성이다

고도의 태양동기

궤도로 운용되며 각각의 독립적 임무 수행을 목적으

로 개발되었다 총 대의 위성들로 구성되어 있으며

준동일 궤도평면에 위치하여 분 내 동일 지역 촬영

이 가능하다 지방시는

이며 대기과학 분야

발전에 크게 기여하고 있다

그림

군집위성 운용

2.2 군집위성 설계 국내 사례 및 설계 예시

차세대중형위성은 표준형 플랫폼 개발이 진행 중이

며

년 고유모델 확보가 가능할 것으로 예측된다

현재 민간분야 위성 수요뿐만 아니라 국토관리 공간

정보 활용 환경감시 재해재난 대응 농업 해양 산림

자원 관리 등 공공분야의 위성수요 또한 증가하고 있

다 따라서 표준형 플랫폼을 적용하면 개발 비용과 기

간이 줄어들어 효과적으로 공공부분에 대한 위성수요

에 대한 충족이 가능할 것으로 예측하고 있다

차세대중형위성은 표준플랫폼 확보 측면에서 뿐

만 아니라 궤도 임무 관점에서 설계 단계부터 군집

위성 운용에 대한 개념 설계가 반영된 첫 설계 사례이

다 위성의 궤도 운동은 발사체로부터 획득되는 위치

와 속도에 따라 향후 운동에 큰 영향을 미친다 임무

설계를 통해 계획된 목표지점 대비 오차가 클수록 연

료 사용을 통해 목표 지점으로 궤도조정을 수행해야

하며 이는 위성의 수명 단축을 의미한다 결국 군집위

성의 설계는 기준위성의 궤도 대비 첫 목표 지점을 어

디에 잡느냐에 따라 최적 궤도 설계에 영향을 미치며

재방문 주기 또는 교신시간 등의 성능지수

에 따라 군집위성의 궤도 배치는 다르게 분석

된다

위성명

임무

지구환경상태 및 지구의 기후

시스템을 모니터링

오존측정기 탑재 대기의

오염물질을 검출

구름 및 화산재 등의 입자 등

분석

구름의 두께 높이 수분 및

얼음 함유량 등 분석

해수 표면온도 측정 및 토양의

수분 등 측정

대기 중의 이산화탄소를 측정

표

위성 임무 특징

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2.2.1 군집위성 설계

군집위성 설계에 필요한 궤도 및 특징에 대하여 표

와 같이 설정하였다 궤도면 위성들의 위상차 배치

등 고려해야 할 사항들이 많지만 본 예제에서는 동일

평면이라는 가정을 바탕으로 재방문 주기를 성능지수

로 설정하여 최적의 궤도를 설계하였다

재방문 주기는 위성의 고도 경사각 궤도 주기에

따라 매우 다른 값을 갖는다 특히 동일한 궤도라도

위성 기동에 따라 그 값은 다르다 본 예제에서는 롤

기동각을

이라 가정하였으며 호를 기준위성으

로 설정하여 호의 궤도를 설계하였다

호에 대한 관심지역에 대한 재방문 주기는

일

이다 호의 궤도가 동일평면에 위치한다고 가정하면

호와의 위상차에 따라 아래 그림 과 같이 재방문 주

기에 변화를 보인다 재방문 주기는 관심 지역에 대한

위성의 촬영가능 시간 간격을 의미하며 짧을수록 더

자주 촬영이 가능함을 의미한다

그림 군집위성 설계 예시 재방문 주기

성능지수에 따라 다양하게 군집위성 설계가 가능하

지만 재방문 주기를 통해 살펴본 군집궤도 호의 최적

궤도는 위상차

도일 때 일이며 재방문 주기가 가

장 짧은 것을 확인할 수 있다 이러한 재방문 주기는 위

상차에 대한 편차와 평균정보에 대한 분석이 필요하

다 또한 관심지역에 대한 지역별 편차에 대한 분석

역시 요구된다

표 에서 보는 바와 같이 지역별

시간

일 의 최대 편차가 발생하며 이는 임무 기동각

을 반영한 결과이다 한반도의 동쪽과 서쪽이 시간

일 재방문주기의 차이가 발생하며 남쪽과 북쪽

의 재방문주기 편차는 최대 편차에 근접한 값을 갖는

다 이는 한반도의 지형적 특성을 반영하기 때문이다

시간

재방문 주기

초

일

표 재방문 주기 지역별 차

3. 결 론

본 논문에서는 군집위성 설계 및 운용에 대한 국내

외 사례를 정리하였으며 군집위성 설계 예시를 통해

재방문 주기가 최소화되는 동일궤도 평면에 위치한

군집위성 호의 궤도를 설계하였다

군집궤도 운용 사례를 통해 살펴보는 봐와 같이 대

부분의 중형위성 군집위성은 태양동기궤도로 운용된

다 이는 전 지구에 걸친 커버리지 확보가 가능하기

때문이며 이러한 특성을 극대화하기 위하여 동일궤도

평면에 도

도

도 위상차를 갖는 군집궤도

를 설계하고 위성활용의 효용성을 높이고 있다

국내에서도 차세대중형위성 개발을 통해 군집위성

개념설계를 수행하였으며 표준플랫폼 개발을 통해

비용과 시간을 단축시키기 위한 노력을 기울이고 있

다

구분

군집위성 호

고도

약

궤도특징

태양동기궤도

군집위성

태양동기궤도

군집위성

기준위성

기동각

표 군집위성 호 호 궤도

임정흠 외 / 항공우주산업기술동향 15/2 (2017) pp. 152~159

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참고문헌

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위성군집궤도 최적설계에 관한 연구”,

박사학위 논문, pp. 9-33

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2015, pp 141 –148

3. https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite

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4. https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite

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