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정지궤도위성(천리안 위성)

정지궤도위성

정지궤도위성 포스터 이미지:save the earth

고도 36,000km에 위치한 정지궤도는 위성이 지구 주변을 도는 공전 각속도와 지구가 자전하는 각속도가 일치해 늘 지구의 같은 곳을 바라볼 수 있어 기상 관측이나 통신 중계 등에 주로 활용된다.

한국항공우주연구원은 기상 및 우주 기상, 해양, 대기환경 관측 능력을 지닌 정지궤도위성인 천리안위성 1호, 2A호, 2B호를 개발 운용하고 있다.

2010년 발사된 천리안위성 1호 개발로 우리나라는 세계에서 7번째로 독자 개발 기상위성을 보유한 나라가 됐다. 2018년 발사된 천리안위성 2A호는 기상 관측 임무를 수행하는 정지궤도위성으로 천리안위성 1호의 임무를 승계 받아 더 향상된 성능으로 임무를 수행하고 있다. 2020년 발사된 천리안위성 2B호는 세계 최초로 정지궤도에서 대기환경 관측을 수행할 수 있는 정지궤도 위성으로, 천리안위성 1호보다 향상된 성능으로 해양관측임무도 수행하게 된다.

천리안위성 2A호, 2B호 개발과정에서 확보한 본체 개발 기술은 향후 통신방송위성이나 항법위성 개발시 기본 플랫폼으로 활용될 예정이다.

  • 01정지궤도복합위성(천리안) 2B호

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    천리안위성 2B호는 해양 및 환경 탑재체를 장착한 최첨단 정지궤도 관측위성으로 개발이 매우 어려운 고난이도의 정지궤도위성이다. 정지궤도위성은 부품이 약 10만개 이상 들어가고 부품과 부품을 연결하는 전선의 무게만 약 72kg에 달한다. 또한 정지궤도위성에 사용되는 부분품의 커넥터 및 핀수는 아리랑위성과 같은 저궤도위성에 비해 위성 당 약 2.5~3배 많으며 설계도면은 4배, 텔레메트리는 2.5배 이상 이나 많이 소요되어 위성개발의 난이도면에서 상당한 차이를 보인다.

    시스템 및 본체 독자 개발 수행 위성 시스템 및 본체는 위성임무를 수행하기 위해 초기 발사단계에서부터 임무수명 종료단계까지 위성을 외부환경으로부터 보호하고, 요구되는 궤도 및 자세제어, 열제어, 전력과 원격명령 및 데이터 링크, 관측데이터 전송 등이 지원되도록 하여 임무를 성공적으로 수행할 수 있도록 하였다. 당초 기획단계에서 해외기술자문 계약에 따른 국내 주도개발에서 보다 도전적으로 해외 기술자문 없이 국내 독자 개발에 성공했다.

    천리안위성 2A/B호 개발을 통해 확보된 정지궤도 국산화 플랫폼은 향후 조경경보, 항법, 자료중계, 통신방송위성 등 국내 정지궤도 임무위성의 기본플랫폼으로 사용될 수 있다.

    핵심 부분품 국산화 천리안위성 2A/B호는 천리안위성 1호에서 습득한 기술을 바탕으로 하여 위성구조체, 열제어부분품(히트파이프 등), 위성탑재컴퓨터 및 전력분배장치, 히터파이로펄스유닛 등과 같은 핵심 하드웨어 부품을 국산화 하였다.

    관측영상기하보정 시스템 관측영상기하보정 시스템(INR)은 위성의 실질적인 성능을 결정해주는 핵심요소로 위성이 촬영한 영상을 고품질의 영상으로 변환해주는 시스템이다.

    위성이 촬영한 영상은 2차원으로 촬영되는데 지구 표면이 곡면으로 되어 있기 때문에 위성이 촬영한 영상은 곡면을 고려해 변환해야 한다. 이렇게 지구의 곡면, 탑재체 센서의 운동, 센서 특성 등 다양한 이유로 위성 영상은 공간적 왜곡, 기하오차가 발생한다. INR은 이 오차를 자동으로 보정해주는 시스템이다. 오차 보정을 통해 위성이 촬영한 영상의 픽셀이 가리키고 있는 지구상의 위도와 경도를 결정하고 또 여러 채널로 촬영된 동일한 영역의 영상간의 픽셀의 위치가 일치되게 유지한다.

    천리안위성 2A/2B호에 탑재된 관측영상기하보정(INR) 소프트웨어는 새롭게 개발한 별 선택 알고리즘 개발을 통해 국내 독자적으로 개발하였다. 관측영상기하보정 시스템은 미국, 프랑스 등 극소 위성개발 선진국만 보유한 핵심기술로 해외 기술 도입시 95억원(TAS사 제안가) 비용이 소요되지만 적은 비용으로 한국항공우주연구연에서 독자개발에 성공했다.

    환경위성탑재체(GEMS : Geostationary Environment Monitoring Spectrometer) 환경위성탑재체(GEMS : Geostationary Environment Monitoring Spectrometer)는 세계 최초로 정지궤도에서 운영되는 대기 중 미량기체를 측정할 수 있는 초분광기이다. 초분광영상기인 환경탑재체는 지표면반사도와 같은 지표면 정보, 구름양/구름 기압/구름 복사 비율과 같은 구름 정보, 자외선 가시광 에어로졸 지수/에어로졸 광학두께/에어로졸 단일산란 알베도/에어로졸 유효 고도와 같은 에어로졸 정보, 대류권 오존 농도/성층권 오존 농도/오전 전량 등과 같은 오존 정보, 포름알데히드/글리옥살/이산화황 전층 농도 정보, 자외선 지수/식물 반응 가중 선량률/DNA 손상 가중 선량률/비타민D 합성 가중 선량률 등 자외선 정보 등 총 20종의 대기환경 산출물을 생산할 수 있어 미세먼지를 유발하는 대기오염물질의 생성 및 농도, 이동, 소멸을 관측하는 데 활용될 수 있다. 동서방향으로는 일본의 동쪽부터 인도차이나반도까지, 남북으로는 인도네시아 북부부터 몽골 남부까지 관측할 수 있어 대기오염물질의 발생지점과 발생량, 이동경로 등을 추적할 수 있다.

    천리안위성 2B호의 해양탑재체(GOCI-Ⅱ : Geostationary Ocean Color Imager 2) 천리안위성 2B호의 해양탑재체(GOCI-Ⅱ : Geostationary Ocean Color Imager 2)는 천리안위성 1호에 비해 해상도는 4배, 관측 밴드도 1.6배로 증가된 고정밀 해양관측 정보를 매일 10번(관측횟수 1.3배 향상) 지상에 전달할 수 있다. 해수 수질변화 모니터링은 물론, 적조, 녹조, 해무, 해빙 등 해양재해 재난을 저감하고 어장환경지수, 해양일차생산력 등의 정보로 스마트 어장관리뿐만 아니라 부수적으로 황사 등 환경정보, 정규식생지수, 개량식생지수 등 국민생활과 밀접한 다양한 해양 정보를 신속 정확하게 제공할 예정이어서 해양 영토의 체계적 관리 및 이용이 가능해질 전망이다.

    레이저 반사경(Laser Retro-Reflector Assembly) 더불어 천리안위성 2B호는 보다 정밀하고 최적 운용을 위한 궤도 정밀도 향상 필요성이 제기되어 레이저 반사경 탑재체를 활용한 인공위성 레이저추적 시스템을 사용하게 되었다. 인공위성 레이저추적 시스템(SLR : Satellite Laser Ranging System)은 가장 정밀한 위성추적시스템으로 지상에서 발사한 레이저를 이용하여 위성까지 레이저의 왕복시간을 측정함으로써 mm 정밀도의 거리를 산출하고, 이를 통해 인공위성의 고정밀 궤도를 결정하는 시스템이다.

    • 제원3.4ton
    • 임무해양/환경관측
    • 운용궤도36,000km
    • 해상도해양 250m, 환경 7km
    • 발사일2020년 2월 19일
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  • 02정지궤도복합위성(천리안) 2A호

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    천리안위성 2A호는 기상 및 우주기상 탑재체를 장착한 최첨단 정지궤도 관측위성으로 개발이 매우 어려운 고난이도의 정지궤도위성이다. 정지궤도위성은 부품이 약 10만개 이상 들어가고 부품과 부품을 연결하는 전선의 무게만 약 72kg에 달한다. 또한 정지궤도위성에 사용되는 부분품의 커넥터 및 핀수는 아리랑위성과 같은 저궤도위성에 비해 위성당 약 2.5~3배 많으며 설계도면은 4배, 텔레메트리는 2.5배 이상 이나 많이 소요되어 위성개발의 난이도면에서 상당한 차이를 보인다.

    통신해양기상위성 1호의 임무를 이어 받은 기상 및 우주기상 관측용 위성으로 정지궤도복합위성 2A호는 통신해양기상위성 1호에 비해 공간 해상도가 4배 향상되었으며, 관측주기 또한 전구 10분, 한반도 2분으로 대폭 감소되어 18배 빠르게 관측이 가능하다. 따라서 이전에는 쉽지 않았던 태풍과 같은 위험기상 및 국지성 집중호우도 최소 2시간 전에 탐지할 수 있게 되었다.

    채널수도 통신해양기상위성 1호는 5개(가시 1개, 적외 4개)였던 데 반해, 정지궤도복합위성 2A호는 16개(가시 4개, 근적외 2개, 적외 10개)로 대폭 증가하여 제공할 수 있는 기상정보가 16종에서 52종으로 3배 이상 증가했다. 정지궤도복합위성 2A호는 구름·강수와 관련된 산출물의 경우 구름 탐지는 물론 구름 광학두께와 구름 입자의 크기 분포, 잠재 강수량까지 산출할 수 있다. 복사·에어로졸과 관련해서는 에어로졸·황사·화산재·이산화황(SO2) 탐지와 함께 입자 크기와 광학 두께까지 산출한다. 이 밖에도 해수면 및 지표면 온도, 적설, 해빙, 해류 등의 기상 산출물을 도출할 수 있다. 또한 통신해양기상위성 1호는 흑백 영상만 촬영했었던 반면 정지궤도복합위성 2A호는 컬러영상을 촬영한다.

    시스템 및 본체 독자 개발 수행 위성 시스템 및 본체는 위성임무를 수행하기 위해 초기 발사단계에서부터 임무수명 종료단계까지 위성을 외부환경으로부터 보호하고, 요구되는 궤도 및 자세제어, 열제어, 전력과 원격명령 및 데이터 링크, 관측데이터 전송 등이 지원되도록 하여 임무를 성공적으로 수행할 수 있도록 하였다. 당초 기획단계에서 해외기술자문 계약에 따른 국내 주도개발에서 보다 도전적으로 해외 기술자문없이 국내 독자 개발에 성공했다.

    천리안위성 2A/B호호 개발을 통해 확보된 정지궤도 국산화 플랫폼은 향후 조경경보, 항법, 자료중계, 통신방송위성 등 국내 정지궤도 임무위성의 기본플랫폼으로 사용될 수 있다.

    핵심 부분품 국산화 천리안위성 2A/B호는 천리안위성 1호에서 습득한 기술을 바탕으로 하여 위성구조체, 열제어부분품(히트파이프 등), 위성탑재컴퓨터 및 전력분배장치, 히터파이로펄스유닛 등과 같은 핵심 하드웨어 부품을 국산화 하였다.

    관측영상기하보정 시스템 관측영상기하보정 시스템(INR)은 위성의 실질적인 성능을 결정해주는 핵심요소로 위성이 촬영한 영상을 고품질의 영상으로 변환해주는 시스템이다.

    위성이 촬영한 영상은 2차원으로 촬영되는데 지구 표면이 곡면으로 되어 있기 때문에 위성이 촬영한 영상은 곡면을 고려해 변환해야 한다. 이렇게 지구의 곡면, 탑재체 센서의 운동, 센서 특성 등 다양한 이유로 위성 영상은 공간적 왜곡, 기하오차가 발생한다. INR은 이 오차를 자동으로 보정해주는 시스템이다. 오차 보정을 통해 위성이 촬영한 영상의 픽셀이 가리키고 있는 지구상의 위도와 경도를 결정하고 또 여러 채널로 촬영된 동일한 영역의 영상간의 픽셀의 위치가 일치되게 유지한다.

    천리안위성 2A/B호에 탑재된 관측영상기하보정(INR) 소프트웨어는 새롭게 개발한 별 선택 알고리즘 개발을 통해 국내 독자적으로 개발하였다. 관측영상기하보정 시스템은 미국, 프랑스 등 극소 위성개발 선진국만 보유한 핵심기술로 해외 기술 도입시 95억원(TAS사 제안가) 비용이 소요되지만 적은 비용으로 한국항공우주연구원에서 독자개발에 성공했다.

    기상탑재체(AMI : Advanced Meteorological Imager) 천리안위성 2A호는 한반도 및 주변 기상과 우주 기상을 상시 관측하기 위한 정지궤도 위성으로 미국의 GOES-17 일본의 히마와리-9과 유사한 세계 최고 수준의 기상관측 탑재체를 탑재하였다.

    천리안위성 2A호 기상탑재체는 천리안위성 1호에 비해 해상도가 4배 향상된 고화질 컬러 영상을 18배 빠른 속도로 지상에 전달하여 기상분석 정확도 향상에 기여하고 있다. 또한 기본적인 강수량, 적설량은 물론 미세먼지(에어로졸), 황사, 오존, 화산재가 지상에 미치는 영향(고도별 농도 탐지) 등 국민생활과 밀접한 다양한 기상 정보를 신속하고 정확하게 제공하고 있다.

    우주기상탑재체(KSEM : Korean Space Weather Monitor) 우주기상현상은 우주공간 및 근지구 환경에서 발생하는 강력한 자기장 교란과 고에너지입자의 흐름을 의미하며, 전력, 통신, 위성운영, 비행 항로상 방사선 피폭 등 다양한 피해와 사회경제적 손실을 유발할 수 있는 현상이다. 전력망과 위성 통신은 현대사회의 기반을 이루고 있고, 극항로와 고고도항로를 빈번히 이용하는 승무원의 안전을 위해 우주기상현상에 대한 정확한 감시와 예측은 매우 중요하다.

    우주기상탑재체는 국내 최초의 정지궤도 우주기상 탑재체로 3종의 센서(입자검출기, 자력계, 대전감시기)를 통해 우주 및 위성대전 상태를 관측하고 국내외의 우주기상자료와의 통합을 통해 우주기상산출물(5종)을 생산하고 있다.

    천리안위성 2A호 활용 분야 천리안위성 2A호는 관측자료, 52종 산출물 뿐만 아니라 종관관측, 수치예보, 타 위성자료 등 가용한 모든 자료를 사용해 위험기상 감시, 기후변화 등을 관측할 수 있는 종합적 활용기술을 개발하였다.

    초단기예보 분야에서는 위성기반 객관적 구름분석(호우/대설/강풍) 기술, 대류운 일생 감시 및 분석 기술, 다중위성 센서 기반 상세 강수 합성 및 분석기술, 위성예측영상 생산 기술 개선 및 분석기술 등을 개발했으며 태풍/해양 분야에서는 한국형 위성기반 태풍(위치/강도/크기/속도) 분석기술, 위성기반 태풍 발달/약화 분석기술, 위성기반 해양환경 감시 및 분석기술, 해상풍 및 3차원 수평바람장 분석기술 등을 개발했다. 융합(수문/지면) 분야에서는 수문기상요소(토양수분, 가뭄, 홍구) 분석기술, 산불 감시 및 분석기술, 고해상도 격자화 및 합성기술(기반기술), 기상요소 표준검증기술(기반기술) 등을 개발했으며, 기후변화감시/환경기상 분야에서는 환경기상 감시 및 분석기술, 지구대기 감시 및 분석기술, 위성을 이용한 기후변화 분석 기술, 환경기상예측모델을 위한 위성장료 활용 기술을 개발했다. 수치예보 분야에서는 수치예보 활용산출물에 대한 오차특성 분석 및 모니터링 기술, 산출물 수치예보 활용 확대 가능성 검토 및 우선순위 결정 기술, 복사량 자료동화를 위한 관측연산자(복사전달모델)을 개발했다.

    • 제원약 3.5ton
    • 임무기상/우주기상관측
    • 운용궤도36,000km
    • 해상도기상 1km(가시채널 500m, 적외채널 2km)
    • 발사일2018년 12월 5일
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  • 03통신해양기상위성(천리안) 1호

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    국내 최초로 개발한 정지궤도 위성으로, 통신·해양·기상 3가지 기능을 동시에 탑재해 24시간 내내 한반도 주변의 기상과 해양을 관측하고, 위성통신 시험서비스를 제공하고 있다.
    평상시 15분 간격, 태풍과 같은 위험기상시에는 최대 8분 간격으로 관측이 가능해 국민 안전과 생명을 지키고 있다. 또한 한반도 주변 2,500㎞×2,500㎞ 해양 환경을 실시간 모니터링하고 있으며 세계 10번째 통신위성으로써 위성통신·방송·지리정보·교통정보 등의 차세대 위성정보통신체계의 기반을 마련했다.

    그동안 국내에 확보한 저궤도위성 개발 기술을 천리안위성 1호 개발을 통하여 정지궤도위성 개발 기술로 발전시킴으로써 향후 정지궤도위성을 독자적으로 개발할 수 있는 기반을 확보하였다.

    • 제원직경 5.3m, 높이 8.7m, 중량 2,500kg
    • 임무기상·해양관측/공공통신
    • 특징국내 최초 정지궤도위성
    • 운용궤도36,000km
    • 해상도기상 1km(적외채널 4km)
    • 발사일2010년 6월 27일
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