한국항공우주연구원

  기후변화와 환경문제는 전 세계적으로 관심이 높아지고 있다. 대기오염의 관측을 위해 지상에서 관측소를 설치하여 운영하고 있으나, 해양에서의 관측소 설치는 비용 등의 문제로 제한적이다. 대기오염의 특성상 타국에서 전파되어 오는 오염 물질에 대한 관측이 필요하지만 기존의 지상관측으로는 어려운 상황이며 전 지구적인 기후 변화의 측정을 위해서 인공위성을 위한 원격탐사가 요구되고 있다.
  미국, 유럽에서 저궤도위성에 초분광센서 탑재체를 이용한 관측이 이루어지고 있으며 자국 영역의 지속적 관측을 위하여 정지궤도위성을 위한 탑재체가 개발되고 있는 상황이다. 우리나라에서도 2019년에 발사될 정지궤도복합위성 2B호에 동아시아 영역의 환경 및 대기오염 감시를 위한 탑재체가 개발되고 있다.
  일반적인 지구관측센서는 한정된 전자기 스펙트럼 영역을 사용하는데 반해, 초분광 위성탑재체는 관측 스펙트럼 영역을 분광계를 통해 세분화하여 측정함으로써 관심이 되는 특정 물질을 감시할 수 있다. 현재 미국의 저궤도위성인 Aura에 탑재된 OMI가 운용주이며 관심 지역의 지속적인 감시를 위해 정지궤도위성을 위한 미국의 GEO-CAPE, 유럽의 Sentinel이 개발 중이다.

□ OMI
  OMI(Ozone Monitoring Instrument)는 미 NASA에서 개발된 초분광 위성탑재체로 Aura 위성에 실려 2004년에 발사되었으며 고도 705km의 태양동기궤도에서 운용되고 있다. OMI은 VIS/UV2(350~500nm)에서 13km x 24km, UV1(270~310nm)에서 13km x 48km의 해상도를 가진다. 또한 관측 영역은 2sec 동안 2600km x 13km이다.
  Aura는 저궤도위성으로 전 지구적 감시에 용이하나 같은 지역의 일일 시간 변화에 따른 점진적인 환경 감시가 어려운 약점이 있다. 아래 그림은 OMI의 하루 동안 측정한 자료를 컬러로 합성한 결과이다.

<그림 : 첨부파일 참고>

□ GEO-CAPE
  GEO-CAPE는 대기해양감시를 위한 정지궤도 위성으로 대기환경센서, 해양감시센서 및 CO2센서를 탑재하여 2021년에 발사될 예정이다.
  GEOMAC은 GEO-CAPE에 탑재될 대기환경감시 탑재체로서 감시 영역은 아래 그림과 같이 북미 전 대륙 5000km x 5000km를 4km 해상도로 스캔할 예정이다.
  주요 재원으로 측정 대역은 300~480nm, 분광 해상도는 0.8nm로서 오존, 이산화질소, 이산화황 및 에어로졸 탐지 임무를 수행할 예정이다.

<그림 : 첨부파일 참고>

□ Sentinel
  Sentinel 시리즈는 전 지구적 환경감시를 위한 GMES(Global Monitoring for Environment and Security) 미션을 위해 개발된 환경감시센서 시리즈이다.
  Sentinel-4는 정지궤도위성을 위한 환경감시 탑재체로 개발되고 있으며 MTG-S3 위성에 실려 2018년에 발사될 예정이다. Sentinel-4의 감시영역은 아래 그림과 같이 유럽 및 지중해이며 8km의 해상도로 감시한다.
  Sentinel-5P는 저궤도위성을 위한 초분광 탑재체로 2016년에 발사될 예정이며 이는 미국 Aura 위성의 OMI 탑재체와 향후 ESA에서 발사예정인 Sentinel-5 위성 간의 연속성확보를 위한 것이다. 수명은 7년으로 고도 824km 궤도에 위치할 예정이다.
 <그림 : 첨부파일 참고>

  Sentinel-5는 저궤도위성을 위한 초분광센서 탑재체로 2020년 이후 총 3기의 발사가 계획되어 있다. 계획 수명은 7.5년으로 고도 824km 태양동기궤도를 가지며, 300nm 이하에서 50 x 15km, 300nm 이상에서 15 x 5km의 해상도를 가진다.
  Sentinel 시리즈의 분광 영역은 다음과 같다. Sentinel-4는 305~500nm의 UV-VIS영역 에서 0.6nm, 750-775nm의 NIR 영역에서 0.12nm의 분광해상도를 가진다. Sentinel-5는 270~500nm의 UV-VIS 영역, 685~775nm의 NIR 영역 및 1590-1675nm, 2305-2385nm의 SWIR의 넓은 분광 영역을 0.25~1.0nm의 분광 해상도로 측정할 예정이다.
  분광영역의 차이로 인해Sentinel-4는 오존, 질소산화물, 황화산화물, 포름알데히드, 에어로졸 등의 감시에 이용될 예정인데 비해 Sentinel 5와 5p는 추가로 메탄, 이산화탄소 및 구름 등의 감시가 가능하다.

□ GEMS
  GEMS(Geostationary Environmental Monitoring Spectrometer)는 항공우주연구원에서 개발 중인 정지궤도복합위성 2B위성에 탑재될 초분광 탑재체이다. 2019년에 발사될 예정으로 동아시아 지역의 에어로졸, 이산화질소, 이산화황, 오존, 포름알데하이드의 농도를 실시간으로 측정할 예정이다.

<표 : 첨부파일 참고>
  위 표는 GEMS와 해외 정지궤도위성 초분광탑재체의 제원을 비교한 것이다. 관측 파장 대역은 300~500nm으로 0.6nm의 분광해상도를 가지며 GEO-CAPE, Sentinel-4와 비교하여 유사하나 미세하게 넓은 수준이다. 관측영역은 5000 x 5000km이며 관측 해상도는 서울 기준 7 x 7.64km로 위도에 따라 해상도가 달라지는 특성상 Sentinel-4와 유사한 수준을 보여준다.
  아래 그림 각국 정지궤도위성 초분광 탑재체의 관측영역을 나타낸 것으로 GEMS, GEO-CAPE, Sentinel-4, GMAP-Asia를 통해 전지구의 지속적 감시가 이루어짐을 보여주고 있다.

<그림 : 첨부파일 참고>
  환경 및 기후 문제는 전지구적인 감시와 대응이 필요하며 이를 위해 저궤도위성 초분광 탑재체로 OMI가 운영 중, Sentinel 5, 5p가 개발 중이며 정지궤도위성 초분광 탑재체로 GEOCAPE, Sentinel-4가 개발 중이다. 우리나라도 동아시아 영역 관측을 위한 GEMS를 개발 중이다. GEMS를 통해 우리나라 주변의 대기오염 감시만이 아닌 각국 협력을 통한 전 지구적 환경문제 해결에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

※ 이 글은 아래 논문을 참조하여 작성하였습니다.
박진형, 복준영, 임현수, 정대원, “초분광 위성탑재체 연구개발 동향”, 한국위성정보통신학회 국내학술발표대회, 2015