항공우주산업기술동향 16권 1호 (2018) pp. 101~110
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기술동향
아프리카의 초소형위성 개발 현황
조동현*
1)
, 주광혁*, 김해동*, 최준민**
Current Status of Cubesat Development in Africa
Cho, Dong-Hyun*, Ju, Gwanghyeok*, Kim, Hae-Dong*, Choi, Joon-Min**
ABSTRACT
In the meantime, the development of space technology was the exclusive of economic and
technological advanced countries. However, with the brilliant advancement of electronic technology,
low cost and miniaturization tendency have been introduced in space technology, and space
technology development using nano-satellite represented cubesat has been activated. Recently, the
development and launch of nano-satellites have alos started in Africa, which is recognized as an
economic poverty. In this paper, the current state of the development of nano-satellite in Africa
will be introduced, and we also want to consider the role of the Republic of Korea as a
technologically and economically advanced country in this field.
초 록
그동안 우주기술의 개발은 경제적, 기술적 선진국들에 의한 전유물이었다. 하지만 최근 전자
부품 기술의 고도화에 따라 저비용, 소형화 추세가 우주기술 분야에도 도입되고 있는 가운데, 큐
브위성으로 대표되는 초소형위성을 활용한 우주기술 개발이 활성화되었다. 이에 최근에는 경제
빈국으로 인식되고 있는 아프리카 지역에서도 초소형위성의 개발 및 발사를 시작하고 있다. 이
에 본 논문에서는 최근 활발해지고 있는 아프리카 지역의 초소형위성 개발 현황을 살펴보고자
하며, 이를 통해 기술적 경제적 선진국에 있는 대한민국의 역할에 대해 살펴 볼 수 있는 기회로
삼고자 한다.
Key Words : Africa(아프리카), Cubesat(큐브위성), ZACUBE(ZACUBE), BIRDS-1(BIRDS-1),
JGMNB(JGMNB), 1KUNS-PF(1KUNS-PF)
* 조동현, 주광혁, 김해동, 한국항공우주연구원, 기술연구본부 융합연구부
dhcho99@kari.re.kr, ghju@kari.re.kr, haedkim@kari.re.kr
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조동현 외 / 항공우주산업기술동향 16/1 (2018) pp. 101~110
1. 서 론
많은 기술적 발전으로 인간의 인지영역은 점
점 확대되어 왔으며, 이러한 인간의 호기심은
지구 밖의 우주공간에까지 그 영역을 넓히고
있다. 이러한 우주활동을 위해서는 상대적으로
막대한 비용과 높은 기술적 성숙도를 요구하기
때문에 주로 경제적 강국들의 주도로 이루어져
왔다.
하지만 최근 기술적인 확산을 통한 전자부품
기술의 급격한 발전과 함께 우주탐사를 위한
위성의 소형화를 통한 저비용/고효율화가 요구
됨에 따라 초소형위성 분야의 급격한 성장이
이루어졌다.
초소형위성 프로젝트는 1999년부터 시작된
미국의 칼폴리(Cal Poly) 대학과 스탠포드
(Stanford) 대학의 공동연구로부터 시작되었으
며, 이 프로젝트를 통해 1U(Unit) 당 10x10x10
cm3의 크기 및 1.3kg 이하의 무게로 정의한 큐
브위성의 규격이 발표되었다.[1] 이러한 규격을
바탕으로 다양한 발사환경이 제공됨에 따라
2010년대에는 큐브위성의 급격한 성장이 이루
어졌으며, 2018년 현재 약 900여기의 초소형위
성이 우주공간에 발사되었다.[2] 이러한 추세는
<그림 1>과 같이 앞으로 더욱 가속화될 전망이
며, 이에 우주개발 진입을 목표로 초소형위성
을 개발하고자 하는 움직임들이 더욱 활발해지
고 있다.
경제 강국인 미국, 일본, 유럽 등을 중심으로
활발히 이루어지고 있던 초소형위성 시장에 최
근 경제적 개발도상국인 아프리카의 도전이 이
루어지고 있다. 아프리카 주요국의 국내총생산
(GDP, Gross Domestic Product)은 <그림 2>와
같이 아프리카의 주요 경제국 중 하나인 남아
프리카 공화국이 2018년 295억 달러 수준으로
한국의 약 20% 수준이며, 케냐 및 에디오피아
의 경우 70억 달러 수준으로 한국의 5% 수준
이다.[3] 이와 같이 상대적으로 낮은 경제력의
아프리카 국가에서도 최근 초소형위성을 이용
한 우주탐사에 도전을 하고 있다.
이에 본 논문에서는 최근 초소형위성을 개발
하고 있는 아프리카의 각 국가별 개발현황을
살펴보고자 한다.
2. 아프리카의 초소형위성 개발현황
2.1 남아프리카 공화국
남아프리카 공화국은 백인자본을 바탕으로
상대적으로 경제 활성화가 이루어진 국가이다.
이를 바탕으로 1947년 로켓(Rocket) 개발을 시
작으로 우주개발을 진행해왔으며, 1995년 남아
프리카 우주업무의회(SACSA, Space Affairs
Council of South Africa)를 설립하여 남아프리
카 공화국의 첫 우주 정책을 수립하게 되었다.
이후 2010년에 현 남아프리카공화국우주청
(SANSA, South African National Space Agency)
을 설립하여 우주개발에 박차를 가하고 있다.[4]
이에 2013년 11월 21일 러시아의 드네프르
(Dnepr) 발사체를 통해 남아프리카공화국 최초
그림 1. 연도별 초소형위성 발사현황[2]
그림 2. 아프리카 국가의 GDP 현황[3]
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의 초소형위성인 ZACUBE-1(TshepisoSat)을 궤
도에 진입시켰다.[5] 해당 위성은 케이프 페닌슐
라 기술대학(CPUT, Cape Peninsula University
of Technology)의
F’SATI(French South Africa
Institute of Technology)와 남아프리카공화국우
주청, 스텔렌보스 대학(Stellenbosch University)
이 공동 개발한 1U 큐브위성으로 인력양성과
함께 이온층 전파연구를 통한 우주기상환경 관
측을 목적으로 개발되었다. <그림 3>과 같은
형상의
1U급
큐브위성인
ZACUBE-1은
Pumpkin사의 OBC와 구조체를 사용하였으며,
Clyde Space사의 전력계 및 ISIS사의 UHF/VHF
통신모듈을 적용하고 있으며, 자기토커를 이용
한 자세제어계 모듈은 스텔렌보스 대학에서 자
체 제작하였다.
주된 탑재체로는 <그림 4>의 상단에 있는
HF(High Frequency) 비콘 송신기와 저해상도
VGA 카메라가 탑재되었다. HF 비콘 송신기는
<그림 5>와 같은 형태로 구성이 되어 있으며,
궤도 진입 후 해당 안테나를 펼칠 수 있는 구
조를 가지고 있다. ZACUBE-1은 해당 모듈을
통해 지상에 있는 SuperDARN(Super Dual
Auroral Radar Network)로 14MHz의 비콘을 송
신하게 되고, 이를 통해 지구의 이온층의 전하
에 대한 위치, 속도를 측정함으로써 근지구 환
경에 대한 연구를 수행하였다.[7]
또한, ZACUBE-1은 저해상도 VGA 카메라를
통해 지구 영상을 획득 지상으로 송신하였으
며, 발사 후 2년 3개월이 지난 2016년 2월 22
일에도 <그림 6>과 같이 성공적으로 지구 영상
을 송신하였다.[8]
케이프 페닌슐라 기술대학의
F’SATI을 중심
그림 3. ZACUBE-1[5]
그림 4. ZACUBE-1 구성도[6]
그림 6. ZACUBE-1의 지구 영상 (2016년 2월 22일)[8]
그림 5. HF Deployable beacon Antenna of
ZACUBE-1[6]
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조동현 외 / 항공우주산업기술동향 16/1 (2018) pp. 101~110
으로 한 남아프리카공화국에서는 ZACUBE-1
프로젝트의 성공을 바탕으로 ZACUBE-2 프로
젝트를 현재 진행하고 있다.[9-11] ZACUBE-2는
<그림 7>과 같이 3U의 큐브위성으로 2018년
발사를 준비 중에 있다.
ZACUBE-2는 남아프리카공화국의 국제 해상
통신을 지원하기 위한 초소형위성 군집비행 프
로젝트인
MDASAT-1(Marine
Domain
Awareness
Satellite)의
AIS/VDE(Automated
Information
Service/VHF
Data
Exchange
Service) 기술의 궤도상 시험을 목적으로
SDR(Software Defined Radio) 모듈의 VHF 수신
기를 탑재하고 있다.
또한, ZACUBE-1에 이어 ZACUBE-2에서는
중급 해상도의 VGA 카메라를 탑재하고 있으
며, 영상데이터의 지상 송신을 위해 2Mbit/s의
S밴드 안테나를 탑재하고 있다. 이를 통해 획
득된 데이터를 바탕으로 화재(fire) 감시를 위
한 네트워크인 FireSat 프로젝트 및 해당 데이
터를 통한 화재정보 제공시스템인 AFIS(the
Advanced Fire Information System)과 협력하여
전 세계의 화재감시를 위한 국제협력에 참여하
고자 한다.
또한, 자세제어 시스템에서도 3축 자세제어
를 채택하고 있다.
이외에도 남아프리카공화국에서는 QB50 프
로젝트를 통해 2개의 2U급 큐브위성을 발사하
였다. QB50은 국제적 센서 네트워크를 통한 지
구 저궤도의 우주환경 관측을 목적으로 유럽의
본 카르만 연구소(The von Karman Institute)를
중심으로 23개국에서 참여한 국제 프로젝트이
그림 7. ZACUBE-2 형상도[9]
그림 8. ZA-AeroSat 형상도[13]
그림 10. nSight-1 구성도[16]
그림 9. ZA-AeroSat 구성도[14]
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다. 2017년에 36개의 큐브위성이 발사되었으며,
이 중 2개의 큐브위성을 남아프리카공화국에서
개발하였다.
이 중에서 ZA-AeroSat는 스텔렌보스 대학과
케이프 페닌슐라 기술대학이 협력하여 제작한
2U 큐브위성으로 <그림 8>과 같이 4개의 긴 안
테나를 장착하고 있다. 주된 탑재체로는 QB50
에서 제공하고 있는 FIPEX(Flux-φ Probe
EXperiment)와 큐브위성용 별센서가 있다.
FIPEX는 근지구 대기권의 산소와 원자의 선속
밀도(Flux Density)를 측정하는 장치이다. 별센
서는 남아프리카공화국의 큐브위성 관련 기업
체인 CubeSpace에서 제작한 CubeStar라는 별
센서로 50x35x55mm의 CMOS 기반 별센서로
1Hz의 업데이트 주기에 0.01°(Cross axis)의 해
상도를 갖는다.[15] ZA-AeroSat의 구성도는 <그
림 9>와 같으며, 2017년 5월 18일 국제우주정
거장으로부터 궤도상에 발사되었다.
다른 큐브위성으로는 남아프리카공화국의
SCS Aerospace Group(SCSAG)사에서 개발한
nSight-1 큐브위성이 있다. 일반적으로 QB50
프로젝트는 약 3년 정도의 개발기간이 소요되
었으나, nSight-1의 경우 SCSAG사가 2016년 4
월에 QB50 프로젝트에 참여하면서 시작해서
2016년 10월에 발사를 위한 조립이 완료되었
다. 따라서 총 6개월의 개발기간이 소요되었다.
해당 위성의 구성도는 <그림 10>과 같으며,
ZA-AeroSat과 동일하게 QB50의 주최측으로부
터 FIPEX 탑재체를 제공받아 탑재하였으며, 지
구 영상 촬영을 위해 <그림 11>과 같이 자사에
서 개발한 Gecko Imager 카메라를 장착하고
있다. 해당 위성2017년 5월 25일 국제우주정거
장으로부터 발사되어 정상적으로 궤도에 진입
하였으며, 이후 위성임무를 성공적으로 수행하
였다. <그림 12>와 같이 2017년 6월 22일
Gecko Imager로부터 첫 지구 영상을 획득한
이후 꾸준히 영상을 획득하였다.
남아프리카공화국에서는 타 큐브위성 프로젝
트에 공동 참여하여 자세제어계 및 센서계 모
듈을 공동으로 제작하기도 하였다. 대표적으로
스텔렌보스 대학에서는 유럽연합(European Uni
on) 산하의 유럽위원회(European Commission)
의 FP7프로그램에서 지원을 받은 DeOrbitSail
프로젝트에 공동 참여하였다.[17] 해당 프로젝트
그림 11. nSight-1의 Gecko Imager[16]
그림 12. 2017년 6월 22일의 nSight-1의
첫 촬영 영상
그림 13. DeOrbitSail의 돛 전개형상[19]
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조동현 외 / 항공우주산업기술동향 16/1 (2018) pp. 101~110
는 우주파편에 대한 경감을 목적으로 <그림 1
3>과 같이 돛을 이용한 우주파편 제거기술 시
연을 위한 3U 큐브위성 개발 프로젝트이다. 이
를 위해 써리 우주센터(SSC, Surrey Space Cen
ter)를 주축으로 NASA JPL, 독일의 DLR, 영국
의 SSTL, 네덜란드의 ISIS 등 10개의 기관에서
프로젝트에 참여하였으며, 스텔렌보스 대학에
서는 <그림 14>와 같이 자세결정 및 제어 시스
템 개발을 담당하였다.[18] 해당 자세결정 및 제
어 시스템에 대한 사양은 <표 1>과 같다. 해당
프로젝트는 2015년 7월 10일에 발사되어 성공
적으로 궤도 진입하였으나, 돛의 전개에 실패
하였다.
또한, 스텔렌보스 대학에서 개발한 자세제어
시스템은 동일국가의 CubeSpace사와 함께 상
용화를 진행하였으며, 해당 모듈들은 QB50의
자세제어 시스템으로 제공되기도 하였다.
2.2 가나 & 나이지리아
아프리카 중부에 위치하고 있는 가나와 나
이지리아에서는 지난 2017년 7월 7일에 국제우
주정거장(ISS, International Space Station)에 있
는 일본 우주항공연구개발기구(JAXA, Japan
Aerospace eXploration Agency)의 Kibo모듈로부
터 1U의 큐브위성을 성공적으로 발사하였다.[20]
나이지리아는 남아프리카공화국과 더불어 국
내총생산이 아프리카에서 상위권에 속하며
2001년 국가우주연구개발국(NASRDA, National
Space Research and Development Agency)을
설립하여 국가 우주개발을 진행하고 있으며,
2003년 첫 인공위성을 발사한 이후 4기의 인공
위성을 발사하였다.
반면, 가나의 경우 2012년 가나 우주과학기
술센터(Ghana Space Science and Technology
Centre)를 2012년 설립하여 우주개발을 시작하
고 있는 상황이다.
우주인력 양성을 목표로 가나와 나이지리아
그림 15. BIRDS-1 프로젝트의 초소형위성[21]
그림 16. BIRD-1 프로젝트의 초소형위성 구성도[21]
그림 14. DeOrbitSail의 ADCS 모듈[18]
Sensors and
actuators
Type
Range/FOV
Accuracy
(rms)
Magnetometer
3-axis MagR
± 60 µT
< 40 nT
Sun sensor
2-axis CMOS
Hemisphere
< 2º peak
Nadir sensor
2-axis CMOS
± 45º
< 2º peak
Coarse sun
10
Photodiodes
Full sphere
< 10º
Rate sensor
MEMS
± 80º/s
< 0.05º/s
Y-momentum
pitch wheel
BDC motor
± 40 mNms
< 0.05 mNms
Magnetorquers
Ferro-magnetic
rods &air coil
± 0.2 Am2
< 0.002 Am2
Y/Z
translation
stage for sail
2-axis stepper
motors with
64:1 gearbox
± 35 mm
< 0.01 mm
per step
표 1. DeOrbitSail의 ADCS 사양[18]
조동현 외 / 항공우주산업기술동향 16/1 (2018) pp. 101~110
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에서는 일본의 큐슈공업대학(Kyushu Institute
of Technology)에서 진행한 BIRDS 프로젝트를
통해 <그림 15>와 같이 1U 큐브위성을 공동으
로 개발, 발사에 성공하였다. BIRDS 프로젝트
시리즈의 의 첫 번째 프로젝트인 BIRDS의 공
식 명칭은 JGMNB(Joint Global Multi-Nation
Birds Project)로 위성개발에 참여한 5개국의 영
문 이니셜로 구성하였다.
BIRDS 프로젝트는 위성 개발 경험이 부족한
국가에 대한 위성 임무 설계, 하드웨어 설계,
제작, 발사 및 운영의 모든 과정을 경험함으로
써 우주개발 기술 습득을 목표로 2015년부터
일본의 규슈대(Kyushu Institute of Technology)
에서 시작한 다국적 프로젝트로 첫 프로젝트인
BIRDS-1에서는 일본, 가나, 몽골, 나이지리아,
방글라데시의 5개국의 15명의 대학원생이 참여
하여 5개의 1U 큐브위성을 개발하였으며, 태국
과 대만이 추가로 지상국분야에 참여하여 총 7
개의 지상국을 통한 다중운영기술을 적용하고
있다.
해당 큐브위성은 <그림 16>과 같이 구성되어
있으며, 1장의 PCB에 OBC, 전력계 및 통신계
를 통합하여 구성하고 있다. 또한, 자국의 영상
획득을 목적으로 SCAMP 와 OV5642 소형 카메
라를 장착하였으며, HAM 아마추어 통신그룹과
의 데이터 송수신을 위한 통신모듈들을 갖추고
있다. 이외에 GPS를 이용하지 않고 다중 지상
국을 활용하여 정밀한 궤도결정을 수행하고자
하고 있으며, 후속 BIRDS 프로젝트와 연계한
다중 위성 관제를 위한 지상국 네트워크 기술
을 시연하고자 한다.
5기의 큐브위성에 대한 운영결과에 대한 보
고는 아직 발표되지 않았으나, 발사 후 아마추
어 무선통신그룹을 통한 <그림 17>과 같이
CW(Continuous Wave) 비컨 신호의 수신에 성
공한 것으로 보고되고 있으며,[22] 위성의 상태
데이터 역시 <그림 18>과 같이 정상적으로 수
신하고 있다.[23]
또한, 가나 정부는 본 프로젝트를 위해
$500,000를 지원했다고 밝히고 있다.[24]
현재 BIRDS-2 프로젝트가 일본, 부탄, 말레
이시아, 필리핀의 참여로 진행되어 2018년에
발사예정이며, BIRDS-3 프로젝트는 일본, 스리
랑카, 부탄, 네팔의 참여로 진행 중에 있다.
2.3 케냐
아프리카 중동부에 위치한 케냐에서는 1962
년부터 자국의 나이로비 대학(University of Nai
robi)과 이탈리아의 로마대학(University of Rom
e(“La Sapienza”)) 사이의 공동협력을 진행해
오고 있었다. 이후 2002년에 두 대학 사이의
교육협력 등을 위한 MOU를 체결한 이후 본격
적으로 위성개발에 대한 교류가 활성화 되었으
며, 2015년 7월에 케냐의 우주기술 개발능력
향상을 위해 두 대학의 교육협력 관계에 이탈
리아 우주국(ASI, Italian Space Agency)이 새로
파트너로 참여하였다. 이에 2015년부터 케냐의
나이로비 대학과 이탈리아의 로마대학 사이의
그림 18. Flight Data of BIRDS-1 satellite
그림 17. BIRDS-1 CW beacon signals visually
displayed by DK3WN[22]
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기술교류 및 협력을 좀 더 활성화하기 위해서
“Space Mission Design and Management” 과
목을 공동 개설하였으며, 해당 과목을 통해 6U
급 큐브위성의 공동 개발 프로젝트인 IKUNS(Ita
ly-Kenya University Nano-Satellite) 프로그램을
2015년 9월부터 시작하였다.[25] 해당 프로젝트
는 학생들에 의해 개발된 큐브위성을 발사를
목표로 3년의 개발기간을 목표로 하고 있다.
IKUNS 프로젝트의 개발과정에서 2016년 8월
에 유엔우주사무국(UNOOSA, UN Office of Out
er Space Affairs)과 일본 우주항공연구개발기
구(JAXA)의 지원 하에 국제우주정거장의 KiboC
ube 발사 프로그램에 지원하여 1U의 1KUNS-P
F(First Kenya University NanoSatellite-Precurso
r Flight) 모델의 발사가 채택되게 된다. 이에
<그림 19>와 같이 2기의 ArduCAM 카메라를 +
Z축과 –Z축에 장착하여 지구영상촬영의 임무를
수행할 예정이며, 이를 바탕으로 <그림 20>과
같이 1KUNS-PF의 제작이 완료되었다.
이후 2018년 4월 2일 SpaceX사를 통해 국제
우주정거장으로 이송 후 2018년 5월 11일에 국
제우주정거장으로부터 <그림 21>과 같이 우주
공간으로 발사되었다.[26]
1KUNS-PF의 제작비용은 약 120만 달러 이
하이며, 대부분의 제작비용을 일본우주항공연
구개발기구(JAXA)가 지원해준 것으로 알려지고
있다.[27]
3. 정리
과학기술의 발전으로 우주기술의 저변화가 이
루어지고 있다. 이러한 우주기술의 발전을 위해
비교적 저비용의 초소형위성을 활용한 기술개발
의 시도가 이루어지고 있는 가운데, 경제빈국으
로 인식되고 있는 아프리카에서도 최근 우주개
발 경쟁이 시작되고 있는 상황이다.
이와 같이 전 세계적으로 이루어지고 있는 초
소형위성의 개발을 통한 우주개발이 점점 더 활
성화 될 것으로 예상되는 가운데, 개발도상국들
의 경제적, 기술적 한계로 인해 기술선진국들의
많은 도움이 필요할 것으로 사료된다. 이에 앞
으로 우리나라에서도 이들의 성장 동반자로써의
다양한 지원이 요구되는 시점이다. 따라서 경제
적, 기술적 선진국의 입장에서 후발주자들의 동
반성장을 위해 앞으로 우리가 취해야할 입장을
고려해보아야 하겠다.
그림 19. 1KUNS-PF 위성의 주요 탑재체[25]
그림 21. 1KUNS-PF의 발사장면[26]
그림 20. 1KUNS-PF Cubesat
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