항공우주산업기술동향 12권2호 (2014) pp. 166~170	http://library.kari.re.kr 에서 보실 수 있습니다.
	기술동향

나노와 피코위성 주파수 규제 현황

김인규*, 문상만*, 한상혁**

Frequency Regulatory aspect for nano satellite and pico satellite.

Kim, In-Kyu*, Moon,Sang-Man*, Han, Sang-Hyuck**

ABSTRACT

Nano and pico satellites are widely used in companies and universities that production costs are cheaper and have shorter production time performing research and implement new technologies needed for satellite subsystem technology education compared to traditional commercial satellite. Recently, nano and pico satellites are being launched in a few years the numbers have increased rapidly in space. The increased use of satellite generates a variety of issues in nano and pico satellite operation. In this paper, we showed recently a nano and pico satellite related frequency spectrum regulations provided by performing the shared research by the International Telecommunication Union (ITU) that manages the international radio frequency.

초 록

나노와 피코위성은 기존 상업용 위성에 비해 위성 개발에 필요한 제작비가 저렴하고, 제작기간이 짧아 새로운 기술구현 연구와 위성 서브시스템 기술 교육을 수행하는 기업체와 대학에서 많이 사용하고 있다. 최근 몇 년간에 우주광간으로 발사하는 나노와 피코 위성 수가 급격하게 증가하고 있다. 이러한 나노와 피코 위성 사용 증가로 인해 다양한 문제점이 발생한다. 본 논문에서는 국제 무선 주파수 관리하는 국제 전기통신연합(ITU)에서 나노와 피코위성에서 사용하는 주파수 스펙트럼 규정 마련에 대한 동향을 보여주고 있다.

Key Words : nano and pico satellite(나노와 피코위성), cube satellite (큐브위성), small satellite frequency spectrum ( 소형위성 주파수 스펙트럼)

1. 서 론

인공위성의 발달로 위성이 기능별로 세분화되면서 상업용 위성 개발에 앞서서 새로운 기술 개발과 미션을 수행하기 위한 과학 실험용 위성이 많은 관심을 받는 추세이다.

1965년 고든무어가 “ 반도체 집적회의 성능이 18개월 마다 2배로 증가함” 무어의 법칙을 발표하게 되어 전자부품 집적화가 가능하여 전자부품 사이즈 감소가 발생하였다. 따라서, 인공위성에 탑재되는 전자장비 소형화가 가능하다.

소형위성은 대형 위성에 비해 비용 대 효용성이 절대적으로 우위를 가지고 있기에 미국 DARPA (Defense Advanced Research Project Agency) 를 중심으로 각종 소형위성 프로그램이 활발히 추진 되고 있다. [1]

최근의 극초소형 위성 개발은 전자분야 MEMS와 같은 나노기술이 우주분야 응용기술로 확대라고 할 수 있다.

극초소형위성은 크기가 작아 새로운 기술을 적용할 수 있는 파급효과와 일반 위성이 수행할 수 없는 다양한 위험한 임무를 수행할 수 있는 효용성이 부각된다. [1]

현재 나노 및 피고 위성과 같은 초소형 위성은 저렴한 개발비용, 짧은 위성제작 기간, 국제기구의 우주물체 및 무선 주파수 등록용이, 상용화 보드의 쉬운 구입으로 많은 대학에서 새로운 위성기술 검증과 미션을 수행하는 도구로 사용한다.

그림 1은 2014년에 국제전기통신연합(ITU) 사무국에 제출 되었던 나노와 피코위성 등록 대수를 보여 주고 있다.[2]

2011년부터 초소형 위성의 숫자가 급속하게 증가함을 알 수 있다

나노와 피코위성 통신장비에 사용되는 주파수는 국제적으로 배정된 주파수 대역이 없어 아마추어 (위성) 주파수 대역을 사용한다.

점점 증가하는 나노 및 피코 위성 수는 기존 아마추워 주파수 대역 사용빈도가 증가하여, 기존 사용자와 간섭발생이 빈번하게 발생한다,

또한, 주파수 사용에 대한 규정이 마련되지 않아 위성 사용자간의 전파간섭 문제가 야기되어 국제사회에서는 나노 및 피코 위성의 안정성 확보 차원으로 관련 규정 마련에 논의가 진행하고 있다.

자료 : ITU, 2014 그림 1. ITU API 등록된 소형위성 대수

본고에서는 전 세계의 주파수 자원을 관장하는 국제전기통신연합(ITU)에서 나노 및 피코 위성에 사용 주파수 스펙트럼 규정 마련에 대한 내용을 설명한다.

2. 본 론

2.1 나노와 피코 위성 정의

위성은 무게를 기준으로 대형, 소형, 초소형, 극초소형으로 분류한다. 무게 500kg 이상을 중/대형위성, 무게 500kg ~ 100kg 사이를 소형위성, 무게 100kg ~ 10kg 초소형위성, 무게 10kg 이하를 극초소형 위성 으로 구분한다. 나노/피코 위성은 무게가 10kg 이하로 극초소형 위성으로 분류한다.[3]

표 1. 소형위성분류

분류	무게(Kg)	운용고도 (km)	수명	총비용 (M$)	단위질량대 비용 (k$/kg)
Mini Satellite	100-500	1000-5000	4-7 yrs	10-150	200
Mircro Satellite	10-100	500- 2000	2-5 yrs	1-30	400
Nano Satellite	1-10	300- 800	2-3 yrs	0.1-10	800
Pico Satellite	0.1-1	200- 400	1-2 yrs	0.005-2	1600
Femto Satellite	<0.1	200- 400	1 yrs	<0.05	3200

나노와 피코 위성과 큐브 위성의 통신장비에 하는 주파수 대역은 그림 2와 같이 국제 주파수 분배표 에서 아마추어 위성서비스 대역을 사용한다. [3].

자료 : ITU-R PDNR SA, 2013 그림 2. 아마추어 위성 주파수 밴드

큐브위성은 1999년 미국 캘리포니아 과학기술 주립대 (CalPoly) 와 스탠포드 대학에서 위성개발 방법으로 큐브위성을 소개 하였고, 2011년까지 총 47개가 발사되었다.[4]

큐브위성은 10cm x 10cm x 10cm 크기 정육면체 형태의 총 중량이 1.33kg 이내의 위성이고, 1U가 10x10x10cm 로 최대 3U까지 장착이 가능하다.[4]

자료 : 자료출처, 년도 그림 3. 큐브위성 모습

피코와 큐브위성은 그림 4와 같이 통신, 원격감지, 과학임무, 생물학적 시험, 기술입증, 군사임무, 교육훈련 등 다양한 임무에 따라 제작되고 있는 모습을 보여주고 있다.[4]

자료 : SpaceWorks, 2011 그림 4. 피코/큐브 위성 모습

2.2 나노와 피코 위성 직면 상황

나노와 피코위성은 저렴한 제작비용과 낮은 발사 비용으로 대학이나 회사에서 쉽게 접근할 수 있는 장점을 가지고 있다.

하지만, 나노와 피코위성은 발사이후에 궤도 결정과 추적이 상당히 어렵고, 사용자가 쉽게 위성을 제어할 수 없고, 아마추어 위성 서비스 사용자와 간섭이 발생하고, 수명이 다하여 지구 대기로 진입하여 소멸되지 않으면 우주파편 위험성을 내포하고 있다.

그림 5은 1955년부터 2010년까지 발사된 나노위성 연도별 숫자를 보여주고 있다. 1972년부터 1989년까지는 나노위성 발사가 없었고, 2010년 이후에 나노위성 발사가 급격하게 많아진다. [5]

자료 : Jason Siegfreld “ 25 years of small satellite" The Aerospace Corporation, 2011년 그림 5. 연도별 나노위성(1-10kg) 발사 숫자

UN 산하의 UN Office for Outer Space Affaris (UN-COSA)에서는 세계 각국이 나노와 피코위성을 우주환경에서 평화롭게 사용할 수 잇도록 지원하고 있다. [5]

Inter-Agency Debris Coordination Committee (IADC)는 지구 주위 우주환경에 증가되는 우주 파편을 경감하는 방안을 논의하며 특히 나노와 피코 위성과 같은 소형 위성에 대한 규제도입을 계획하고 있다.

그림 6는 1958년부터 2012년까지 각국의 우주물체에 대한 등록현황을 보여주고 있다. 2000년 이후에 우주물체 등록이 엄청나게 증가하는 것을 알 수 있다.[5]

자료 : 2014 ITU Seminar "International Regulations for Nano/Pico Satellite“ 그림 6. 연도별 우주파편 증가추세

국제전기통신연합(ITU)은 2012년 국제전파회의(WRC-12) working part 7B 의장 보고서에서 나노와 피코위성 규정마련을 위한 결의안 757 채택 하였다.[6]

다가오는 2018년 국제전파회의 (WRC-18)에서는 나노와 피코위성의 운용과 위성 네트워크 배치 가능성에 대한 규제절차에 대하여 논의할 예정 이다. [6]

또한, ITU-R Question 254/7을 통해 나노와 피코위성의 주파수 대역, 전송시간, 대역폭, 데이터 전송률과 같이 위성시스템 특성과 주파수 스펙트럼 요구사항을 정리할 예정이다.[6]

주파수 규정관련 동향은 다음에 자세히 설명하고 있다.

2.3 나노와 피코 위성 주파수 규정 진행현황

큐브위성 통신장비가 사용하는 주파수 대역은 주로 아마추어와 아마추어 위성 주파수 대역, 실험용 주파수 대역, 지구관측 위성 서비스 대역, 정부가 승인한 S-band 주파수 대역에서 허가가 이루어 진다.

ITU-R 전파규칙 No. 25.11에 따르면 아마추어 위성 주파수 사용자는 하나의 TT&C 장비가 지상에 구축 되어야 하고, 위성으로부터 송신하는 신호는 다른 사용자에게 심각한 간섭문제를 발생하지 않아야 한다. 아마추어 위성 주파수용 TT&C 지상장비는 아마추어 자격증을 획득한 사용자가 반드시 운용한다. (전파규칙 ART 19) [6]

아마추어 위성 사용자는 위성 궤도에 따라 지상관제소를 두어 서로 간 네트워크망으로 연결하면 위성 접속시간 증가로 위성 가용성과 대용량 원격 측정 신호 수신과 위성 궤도 추적이 가능한 장점을 가지고 있다.

해당지역 관리청에서 여러 개 위성으로부터 원격측정 신호와 임무 과학 데이터를 수신할 수 있고, 인터넷으로 다른 지상관제소에서 위성으로 명령신호를 송신할 수 있다.

하지만, 이러한 지상 관제소를 네트워크 망으로 연결하면 허가지역 관리청 서비스 지역이외에서 동일한 주파수 대역 사용자에게 전파간섭을 유발한다.

지금까지 ITU-R에서 나노와 피코위성관련 보고서가 2건이 만들어졌다.

첫 번째 ITU-R SA.[NANO/PICOSAT CHARACTERITICS] 보고서에서는 나노와 피코위성의 정의, 큐브위성 특성, 개발기간, 발사내용, 기존 상업 위성과 나노와 피코위성 기술적 차이점, 무선통신 서비스 대역 내용을 설명한다.[6]

두 번째 ITU-R SA.[NANO/PICOSAT CURRENT PRACTICE] 보고에서는 나노와 피코 위성이 적용하는 위성 네트워크 망 운영내용을 설명한다.[6]

위 보고서에서는 2012년 12월 기준으로 ITU-R SRS 데이터망에 총 545개의 비정지궤도 네트워크 망을 이용한 나노와 피코 위성들이 등록되었고, 전파규칙 No. 5.282에 따라서 아무추어 위성 서비스 용도로 사용한다.[6]

그림 7에서는 ITU-R 에 등록된 나노와 피코 위성들이 등록된 사항을 보여주고 있다.[6]

자료 : ITU-R PDNR SA, 2013 그림 7. ITU-R 제출된 나노와 피코 위성 리스트 (2012년 12월)

나노와 피코위성 임무장비로 탑재되는 카메라/고정밀도 센서로 인해 데이터양이 증가하여 기존의 VHF/UHF 대역에서 S-band 대역으로 이동되는 추세이고, 추가적으로 지구관측 위성 서비스와 지상이동 서비스 대역에서도 사용 가능성도 검토 된다.

그림 8은 2013년에 국제전기통신연합(ITU)에 등록된 나노와 피코위성 TT&C 지상국 주파수 대역과 송신 파라미터 특성을 보여준다.[6]

자료 : ITU-R PDNR SA, 2013 그림 8. 나노와 피코 위성 TT&C 지상국 송신 파라미터

3. 결 론

앞으로 위성관련 국제기구에서도 나노와 피코위성 사용자들에게 안전하고, 효율적인 사용 확대를 위한 관련 규정 제정이 시작되었다.

국내에서도 2012년부터 큐브위성 경연대회가 수행되고 있어 작은 위성 개발에 관심이 높아지고 있는 추세이다.

나노와 피코 위성 연구업무에 관심을 갖고 있는 연구소와 학계에 국제사회의 규정 동향 정보를 제공함으로써 국제사회 추세에 대응하는 우주개발 연구과제 수립이 요구된다.

또한 우주 강국 진입에 필요한 핵심기술 개발을 추진하는 연구개발 계획에 큰 밑거름이 될 것으로 사료된다.

참고문헌

방효충, 박훈철, “ 극 초소형 위성 개발 현황 및 전망”, 한국항공우주학회지, 2000.

김인규,“통신시스템”, 2012 큐브위성 경연대회 2차 교육 워크샵, 2012.

Mr. Domini De Pasquale, Mr. A.C. Charani, " Nano/Mircrosatellite Launch Demand Asssssment 2011", SpaceWorks Commercial, 2011.

Yvon HERI," ITU RADIO REGULATION S and SAMLL SATELLITES", ECSL/IISL Symposium, 2014.

Andrew Clagg, “Cubesats : Litte objects, Big spectrum challenges”, National Spectrum Mangement Association, 2013.

Attila Matas,"ITU Radio Regulations related to small satellites" ITU-R, 2014.