위성통신과 전파이야기
WARC-92의 영향이 미친 위성통신 서비스
1. 위성통신의 정의
위성통신은 인공위성을 매개로 하는 통신수단으로, 우주 공간에서 지구 주위를 선회하는 인공위성에 통신 또는 방송 중계 기능을 갖게 함으로써 지구상의 여러 지점간에 통신 서비스를 제공한다. 위성통신은 지구 궤도에 배치된 인공위성을 사용하여 데이터와 통신 신호를 전송하는 기술이다. 지상의 송수신기와 위성 간의 신호를 주고받으며, 전 세계 어디서나 통신이 가능하게 한다. 이 기술은 TV 방송, 인터넷 서비스, 군사 통신, 긴급 통신 등 다양한 분야에서 활용된다.
인공위성은 첨단 복합과학 기술의 집합체로서 기술 개발에 따른 상용화 부가가치가 매우 높으며, 국민 복지와 국가 안보를 위해서도 꼭 필요한 정보 매체이다. 특히 21세기 고도 지식 정보화 사회는 지식 정보의 글로벌화에 따라 통신위성이 가지는 서비스의 광역성과 동보성(전세계에 걸쳐 동시에 정보를 제공할 수 있는 특성)의 활용도가 매우 높아지고 있다. 최근 디지털 위성통신의 발전은 초고속 데이터 통신, 양방향 이동 데이터 서비스, 초고속 인터넷, 직접 위성방송 등 다양한 고부가 서비스를 제공하고 있다.
위성, 지상국, 사용자 장비를 포함한 위성 통신 시스템 네트워크 다이어그램을 나타낸 이미지입니다.[출처: 생성형 AI 제작]2. 위성통신의 특징
□ 동보성: 적은 수의 위성을 가지고 동시에 많은 사용자에게 정보를 전송할 수 있는 능력이 있다. 위성통신은 송수신간 거리에 관계없이 보내고자 하는 정보를 빛의 속도(초속 30만km)로 지구상의 대부분 지역에 동시에 보낼 수 있기 때문에 방송용으로 가장 적합한 매체이다.
□ 광역성: 하나의 위성만으로 넓은 지역에 걸쳐 서비스를 제공할 수 있다. 전세계를 관할하는 글로벌 통신망을 구축하기 위해서는 정지궤도 위성 3기가 필요하므로 매우 경제적이고 위성통신망의 설치가 매우 쉽고 빨라서, 이를 이용하여 음성 (전화), 데이터, 팩스, 음악방송, TV 등 영상신호를 신속하고 정확하게 전달할 수 있다.
□ 지리적 무제한성: 산악이나 해상 등 지하는 제외하고 지리적 위치에 관계없이 서비스를 제공할 수 있다.
□ 회선구성의 신속성: 통신망 구성 수요가 있는 곳에 언제든지 빠르게 통신망을 구성하고 변경할 수 있다.
□ 고비용성: 위성의 제작, 발사, 운용에 높은 비용이 들어가야 하는 경제적 문제를 안고 있다. 다만 한번 발사된 위성체의 운용 중에 고장이 발생한 경우 유지보수의 한계로 재사용이 불가하다는 문제점이 있다.
□ 서비스의 무제한성: 위성을 이용한 통신방송 서비스는 가정이나 사무실을 대상으로 하는 고정 위성 서비스, 선박, 항공기, 차량 등을 대상으로 하는 이동위성 서비스, TV 방송국 또는 케이블TV 방송국을 대상으로 하는 방송위성 서비스와 일반 방송수신자를 대상으로 하는 위성방송 서비스가 있다.
3. 통신위성의 발전사
통신위성의 발전 역사는 20세기 중반, 공상 과학의 영역에서 출발해 현재는 글로벌 통신의 중심축으로 자리매김했다. 이 기술은 제2차 세계대전 동안 중요하게 여겨진 장거리 유도탄과 초고주파 기술의 발달을 바탕으로 성장했다. 구 소련이 1957년에 인류 최초의 인공위성, 스푸트니크를 우주로 보냄으로써 우주 시대의 막을 열었다. 이후 미국 항공우주국(NASA)은 1960년에 전파를 반사할 수 있는 에코(Echo) 위성을 발사하며 우주 기반 통신의 가능성을 탐색했다.
1963년에는 세계 최초의 정지궤도 위성인 신콤(Syncom)을 성공적으로 발사하여 지구상의 정해진 위치에 고정 통신 서비스를 제공하는 새로운 가능성을 제시했다. 더 나아가, 1965년에 발사된 인텔셋(INTELSAT) 1호는 상용 정지궤도위성의 시대를 열며, 위성통신이 실용화되기 시작했다는 중요한 이정표를 세웠다.
□ 초기 구상과 이론 (1945년 이전): 통신위성의 개념은 아서 C. 클라크가 1945년에 발표한 논문에서 처음으로 제안되었다. 그는 지구 정지궤도에 위치한 위성이 전 세계적인 무선 통신망을 구성할 수 있다고 이론화했다.
□ 최초의 통신위성 (1957년 - 1960년대 초): 소련의 스푸트니크 발사(1957년)로 시작된 우주 경쟁은 미국의 최초의 통신위성 '스코어(Score)' 발사(1958년)로 이어졌다. 이후 '텔스타(Telstar)'와 '싱컴(Syncom)'과 같은 초기 통신위성이 성공적으로 발사되었다.
□ 상업적 및 국제 통신위성 (1960년대 중반 - 1970년대): 이 시기에는 인텔샛(Intelsat) 같은 국제적 통신위성 조직이 설립되어 전 세계적인 TV 방송 및 전화 서비스 제공을 시작했다. 상업적 통신위성도 등장하여 글로벌 통신 네트워크의 기반이 마련되었다.
□ 1962년 텔스타(Telstar)를 통한 세계 최초의 위성통신은 TV 방송 신호 전송이었습니다. 이를 통해 미국과 유럽 간의 첫 번째 텔레비전 신호가 성공적으로 전달되었고, 이 사건은 위성통신 시대의 시작을 알렸습니다.
지상국 기술의 발전 (1970년대 - 1980년대): 위성 기술의 발전과 더불어 지상국 및 수신 장비의 기술적 발전도 이루어졌다. 소형 안테나와 저가의 수신 장비가 개발되어 더 많은 사람들이 위성 통신 서비스를 이용할 수 있게 되었다.
"1962년 7월 10일, 미국 AT&T사가 통신위성 '텔스타' 1호를 발사했다. 지름 88cm, 무게 77kg인 이 위성은 태양전력을 이용해 지구에서 발송된 TV 신호를 증폭시켜 전송하는 역할을 했다. 텔스타는 낮은 고도의 타원궤도를 돌아 하루 30분만 통신 가능한 단점이 있었다. 발사 후, 미국 메인주의 대형 안테나를 통해 첫 TV 영상이 유럽으로 전송됐고, 프랑스에서는 이브 몽탕의 인사말로 화답했다. 텔스타는 전화, 전신, 팩시밀리 등을 성공적으로 중계하다가 1963년 통신두절되었다. 텔스타 2호는 1963년 5월 더 높은 궤도로 발사되어 인류에 실질적 기여한 첫 위성으로 평가받는다."
유럽으로 전송된 최초의 미국 국기 TV 이미지, 인사말을 하는 프랑스 배우 이브 몽땅,□ 디지털 및 고화질 방송 (1990년대 - 2000년대 초): 디지털 방송 기술의 도입으로 위성 TV와 인터넷 서비스의 질이 크게 향상되었다. 고화질(HD) 방송과 더 빠른 데이터 전송이 가능해졌다.
□ 고대역폭 통신위성 (2000년대 - 현재): 최신 통신위성은 훨씬 더 높은 데이터 전송 속도를 제공하며, 이는 고화질 스트리밍, 대용량 데이터 전송, 광대역 인터넷 접속 등을 가능하게 한다. 이러한 기술적 진보는 글로벌 인터넷 접근성을 획기적으로 개선하였다.
통신위성의 발전은 지속적인 기술 혁신과 국제 협력의 결과이며, 앞으로도 더 빠르고, 더 접근성 높은 글로벌 통신망을 위한 중요한 역할을 계속해서 담당할 것으로 기대된다.
4. 위성통신 서비스의 종류와 시스템의 구성요소
□ 고정 위성 서비스(FSS): 위성을 매개체로 하여 지구상의 특정 지역에 고정된 지점에 위치한 통신망 간에 서비스를 제공하는 위성 통신. 주로 데이터 전송, TV 방송, 인터넷 서비스에 사용된다.
□ 이동 위성 서비스(MSS): 위성을 매개체로 하여 지구상에 고정된 지점에 위치한 통신망과 이동중인 통신망 또는 이동중인 통신망 간에 통신 서비스를 제공. 해상, 항공, 육상 이동 통신에 활용된다.
□ 방송 위성 서비스(BSS): 위성을 매개체로 하여 TV와 라디오 등 방송을 위한 서비스. 고화질의 TV 방송과 다양한 라디오 채널 제공에 사용된다.
위성 통신 서비스의 원리를 설명하는 이미지로, 정지 위성이 어떻게 지구상의 특정 지점에 대한 지속적인 서비스 커버리지를 가능하게 하는지를 보여줍니다.[사진: 생성형AI 제작]고정위성 서비스를 위한 인공위성이 한 지점에 머물러 있을 수 있는 원리는 지구의 자전과 위성의 공전의 원리를 이용한다. 정지궤도에 있는 인공위성이 지구의 특정 지점 위에 고정된 것처럼 보이는 원리는 지구의 자전 속도와 위성의 공전 속도가 동일하기 때문이다. 지구는 약 24시간에 한 번씩 자전하는데, 정지궤도에 있는 위성도 지구로부터 약 35,786km 떨어진 위치에서 지구와 같은 24시간 주기로 공전한다. 이 거리와 속도에서 위성의 공전 주기가 지구의 자전 주기와 정확히 일치하므로, 위성은 지구에서 볼 때 항상 같은 지점에 위치한 것처럼 보인다. 이 원리 덕분에 정지궤도 위성은 통신, 방송 등에서 넓은 지역에 대해 지속적으로 서비스를 제공할 수 있다.
위성통신 시스템은 위성, 지상국(지구국), 그리고 사용자 장비로 구성되어 있습니다. 각각의 구성 요소는 다음과 같은 역할과 기능을 가지고 있다:
□ 위성체: 우주에 위치하여 지상국에서 발송된 신호를 받아 다른 지상국 또는 사용자 장비로 중계하는 역할을 합니다. 위성은 통신 서비스를 제공하는 데 필수적인 중계기 역할을 수행합니다. 위성은 몸체, 전원 공급장치, 온도제어장치, 자세 및 궤도 제어장치, 추진장치와 관제장치를 포함하는 버스(Bus)와 송수신 안테나와 중계기를 포함하는 탑재장비로 구성된다. 관제소는 위성의 상태를 감지하고 위성의 궤도와 자세를 제어하는 기능을 수행한다.
□ 지상국(지구국): 위성과 통신을 담당하며, 데이터의 송수신을 관리합니다. 지상국은 위성에 데이터를 보내거나 위성으로부터 데이터를 받아 사용자에게 전달하는 중요한 역할을 합니다. 지상국은 안테나, 변조/복조 장치, 그리고 다른 통신 장비를 포함할 수 있습니다. 지구국은 전화, 컴퓨터 또는 TV 등의 정보 입출력 단말기와 모뎀, 주파수 변환기, 전력 증폭기와 안테나 등으로 구성된다.
□ 사용자 장비: 위성통신의 사용자 장비에는 위성 전화기, 위성 인터넷 모뎀, 휴대용 위성 터미널, 위성 방송 수신 안테나 등이 있습니다. 이 장비들은 사용자가 위성을 통해 음성, 데이터, 영상 등을 송수신할 수 있게 해 줍니다. 위치에 구애받지 않고 광범위한 커버리지를 제공하기 때문에, 원격 지역에서의 통신, 긴급 상황에서의 연결 유지, 글로벌 방송 서비스 등 다양한 용도로 활용됩니다.위성통신 서비스를 직접 이용하는 장치로, 위성 전화기, 위성 방송 수신기, 모바일 위성 통신 장비 등이 있습니다. 사용자 장비는 개인이나 기업이 실시간 데이터 통신, 음성 통화, TV 방송 수신 등의 서비스를 이용할 수 있게 해줍니다. 사용장소나 목적에 따라 선박위성통신, VSAT, 항공위성통신, 휴대위성전화, SNG 등으로 구분한다.
5. 위성의 궤도에 따른 서비스 분류
위성은 운용하고 있는 궤도의 지상으로부터의 높이에 따라 저궤도 위성, 중궤도 위성과 정지궤도 위성으로 구분된다.
□ 저궤도(LEO: Low Earth Orbit): 지구 표면에서 약 160km에서 2,000km 사이의 궤도에 위치. 데이터 전송 지연이 적고, 지구 관측이나 통신에 이용된다. 소형, 소출력의 위성과 휴대 단말기를 사용하여 음성, 데이터, 팩스 등을 보낼 수 있다. 커버리지가 작아 지구 전체를 서비스하기 위해서는 48-66개까지 많은 위성이 필요하다.
□ 중궤도(MEO: Medium Earth Orbit): 지구로부터 약 2,000km에서 35,786km 사이의 궤도에 위치. 주로 내비게이션 시스템에 사용되며, GPS 위성이 이 궤도에 있다. 지구 전체를 서비스하기 위해 12개 정도의 위성이 필요하다.
□ 정지궤도(GEO: Geostationary Earth Orbit): 지구로부터 약 35,786km의 고도에 위치한 궤도. 지구의 자전 속도와 동일하게 움직여, 지구의 특정 지점에서 항상 같은 위치에 있는 것처럼 보인다. 주로 통신, 방송 위성이 이용한다. 커버리지가 넓어 3개의 위성으로 지구 전체를 커버할 수 있다.
□ WARC-92와 저궤도 위성 서비스
1992년 2월3일부터 3월3일까지 4주간에 걸쳐 '92년 세계전파주관청회의 (WARC: World Administrutive Radio Cbnference)가 지중해에 연해있는 스페인의 소도시 ‘말라가―토레몰리노스”에서 개최되었다. 이 회의는 많은 격론을 거쳐 회의 마지막 날인 3월 3일 자정에서야 각국 대표들이 최종의정서에 서명을 함으로써 끝을 맺고 폐막되었다.
이 회의에는 국제전기통신연합(ITU:International Telecommunication Union) 의 166개 전 회원국중 124개 회원국과 31개 국제 및 지역기구로 부터 1500여명의 각국 정부대표 및 전문가들이 참가하였다. 우리나라는 이인학 체신부 전파관리국장을 수석대표로 하여 한국통신, 한국전자통신연구소와 한국이동통신주식회사 등 7개 기관으로 부터 13명이 참가하였다.
회의가 종료된 후 기념 촬영을 하는 WARC-92한국대표단(사진 오른쪽에서 두번째 필자)WARC-92는 당시 전 세계 전기통신분야를 휩쓸고 있는 기술과 경제 규제 구조 변화의 조류속에서 개최된 이었다. 이 회의 결과는 이후 이동통신을 비롯한 위성통신·방송 등 관련 산업계와 전기통신 방송사업자를 비롯한 각 분야에 커다란 영향을 미치게 되었다.
1960년대 초, 저궤도위성(LEO)이 통신용으로 고려되었지만, 지구의 1/3을 커버할 수 있는 정지위성(GEO)이 더 선호되어 LEO 사용 계획은 무산되었다. 하지만 최근 위성 발사 비용 감소와 반도체 기술 발전으로 LEO 위성의 다양한 응용이 가능해졌다. 이에 따라 미국을 중심으로 간단한 메시지 전송, 호출, 위치 파악, 비상 경보, 데이터 수집 등을 위한 LEO 위성 활용이 활발해졌다. 1996년, 모토로라는 국제컨소시움을 구성해 IRIDIUM 프로젝트를 추진했고, 로랄 콸콤은 GLOBAL STAR로 음성 및 데이터 전송을 가능하게 하는 복합 휴대통신 시스템 개발을 목표로 삼았다. 이러한 시스템은 일반적으로 BIGLEO라고 불리며, 개인 휴대통신 분야에서 새로운 가능성을 열었다.
이리듐 위성통신은 모토로라가 주도하여 개발한 글로벌 위성전화 통신망이다. WARC-92에서 이리듐 서비스의 가능성과 개시를 본격적으로 홍보를 시작하여 각국의 통신정책 관료들의 큰 관심을 끌었다. 1998년 서비스를 시작했으나, 고비용으로 인해 초기에 재정적 어려움을 겪었다. 이후 미국 국방부와 계약을 맺으며 위기를 극복했다. 이리듐은 전세계 어디서나 통신이 가능하며, 특히 양 극점에서도 사용할 수 있는 유일한 위성 통신 시스템이다. 하지만 일반 전화에서 위성전화로의 통화 요금은 매우 비싸며, 이는 이리듐뿐만 아니라 다른 위성 전화 서비스에서도 마찬가지다.
한국에서는 1995년 한국이동통신이 이리듐코리아를 설립하고 서비스를 개시했지만, 시대의 변화와 기술 발전에 따라 2000년 서비스를 중단했다. 2015년 아리온통신이 서비스를 재개하며, 특히 해운 시장과 아웃도어 레크리에이션 분야에서 어필하고 있다. 이리듐은 지구 780km 상공의 저궤도를 공전하며, 현재 Iridium-NEXT 프로젝트를 통해 새로운 세대의 위성을 배치하고 있다. 이리듐 서비스는 특히 국제 통신이 필요한 분야에서 중요한 역할을 하고 있으며, 한국에서도 다양한 분야에서 활용되고 있다.
7. 국내 통신방송 위성의 기술 현황
우리 나라는 1989년에 위성통신 서비스를 제공하기 위한 기본 계획을 마련키로 하였다. 이 사업의 성공을 위하여 동년 2월 체신부에 전파심의관실, 한국통신에 위성사업단과 ETRI에 위성통신연구개발단을 신설하였다. 기본계획은 1995년에 무궁화위성 1호를 확보한다는 목표를 세우고 위성체와 지상지구국시설 확보계획에 대한 청사진을 그리고 사업을 시작했다.
1990년 체신부 전파심의관실 발족 기념식(사진 왼쪽에서 네번째가 필자)1996년에 국가 우주 개발 중장기 기본계획을 수립하고, 우주기술의 세계 10위권 진입을 목표로 2015년까지 통신방송위성 5기, 다목적 실용위성 7기와 과학위성 7기의 개발을 계획하고 있다. 1995년과 1996년에 각각 상용 통신방송위성 무궁화 1호와 2호, 1999년에 초고속 통신방송위성 무궁화 3호와 다목적 실용위성 아리랑 1호의 성공적인 발사에 따라 본격적인 우주통신 시대를 맞이하게 되었다.
특히 무궁화 3호는 20-30GHz의 광대역 스펙트럼을 이용하여 전화, 팩스, 데이터 통신, 디지털 TV뿐만 아니라 고선명 TV(HDTV), 초고속 인터넷 등 고속 멀티미디어 서비스를 제공할 수 있게 되었으며, 지상관제소로부터 원격 조종하여 동남아 지역까지 서비스 영역을 확장할 수 있게 되었다. 또한 아리랑 1호는 국내 최초의 실용급 지구 관측 위성으로 지하 및 해양자원의 원격 탐사, 해양 및 우주 환경 관측과 지도 제작 등에 활용될 것이다.
대한민국은 위성통신 분야에서 여러 중요한 발전을 이루었다. 위성 발사 기술개발에 있어서 자체 위성 발사 기술을 개발하고, 여러 통신위성을 성공적으로 발사했다. 이를 통해 독립적인 우주 탐사와 통신 기능을 갖추게 되었다. 무궁화 위성은 대한민국의 대표적인 통신위성 시리즈로, 국내외 통신 및 방송 서비스 제공에 중요한 역할을 한다. 이 위성들은 고정된 위치에서 대한민국을 포함한 아시아 지역에 대한 통신 서비스를 제공하고 있다. 국제 협력은 부족한 기술력을 확보하기 위한 것으로 국제 우주기구 및 타 국가와의 다양한 협력을 통해 위성통신 기술을 발전시켜왔다.
[전남 고흥]나로우주센터 우주과학관 . 우리나라 기술력으로 만든 최초의 위성 발사장[사진: 나로우주센터 자료]대한민국은 상업적 목적과 국방 목적의 위성통신 서비스를 운영하고 있다. 상업적 위성통신은 기업과 일반 대중에게 서비스를 제공하는 반면, 군사용 위성통신은 국가 안보와 군사 작전의 효율성을 높이는 데 중요한 역할을 한다. 미래 기술 개발을 위해서 저지구궤도(LEO) 위성 네트워크 구축, 차세대 위성통신 기술 개발에도 관심을 가지고 있다. 이는 글로벌 통신망에서의 경쟁력을 강화하고, 더 빠르고 안정적인 통신 서비스를 제공하기 위함이다.
WARC-92를 출발하기 전에 있었던 해프닝을 잠깐 소개하고자 한다. 당시 우리나라의 무궁화위성 사업은 다양한 의견이 분분한 때였다. 이미 금산이나 보은에 있는 인텔샛 위성을 이용하는 지구국이 충분히 서비스를 하고 있는데 무궁화 위성을 확보하려고 하느냐는 지적이 있었다. 무궁화 위성을 쏘아 올리기 위해서는 정지궤도 상에 위치를 확보하여야 하는 어려움이 있었다.
KBS에서 한국 대표단의 부단장이었던 체신부 전파관리국 주파수과장에게 이 문제를 취재하였다. 강덕근 과장은 인터뷰에서 궤도 확보의 어려움이 있음을 인식하고 이 어려움을 해결하기 위해 최선을 다하겠다는 의지를 피력하였다. 문제는 인터뷰 내용을 편집하여 문제가 있어서 어렵다는 내용으로 방송을 송출하였다는 것이다. 국가 공영방송으로써 국가 정책을 지원하거나 응원하여야 함에도 불구하고 훼방을 놓았던 일이 있었다.
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