인공위성 시스템

인공위성 시스템은 크게 임무탑재체(Mission Payload)와 버스시스템(Bus System)의 두 부분으로 구성된다. 인공위성이 그 역할을 수행하는 곳은 우주공간이다. 우주공간에서는 지상과는 환경 측면에서 여러 다른 조건이 요구되며 그러한 환경적인 요구 사항을 수용하여 위성은 설계, 제작된다. 현대적인 과학기술이 적용된 대부분의 정밀 장치가 그러하듯 인공위성에서도 소프트웨어의 중요성과 기능이 점점 복잡해지고 더욱 다양한 임무 요구사항을 처리하도록 개발되고 있다.

목차

임무탑재체는 인공위성이 부여 받은 임무, 즉 그 위성의 존재 목적을 실현하기 위한 부분에 해당한다. 그 위성의 목적이 ‘통신중계’라면 임무탑재체는 통신중계기일 것이고 지구 표면의 사진을 찍기 위한 것이라면 카메라가 임무탑재체가 되어야 할 것이다. 다른 행성이나 우주 공간의 별을 관측하는 것이 목적이라면 고성능 망원경이 임무탑재체가 될 것이다. 두 종류 이상의 목적을 가진 위성으로서 복수의 임무탑재체를 가진 위성이라면 다목적, 또는 다임무(Multi-mission) 인공위성이라 부를 수 있을 것이다. 이것은 마치 주로 사람을 실어 나르는 항공기는 여객기, 화물을 실어 나르는 항공기는 화물기라고 부르는 것에 비유할 수 있다.

인공위성이 항공기와 다른 점은 항공기는 필요에 따라 여객기 또는 화물기로 개조할 수 있는데 비해 인공위성은 한 번 우주로 발사되면 회수하여 개조하거나 재사용 할 수 없다는 것이다. 최근 들어 우주에 이미 배치된 인공위성을 수거하여 성능을 향상시키고 재사용할 수 있는 기술을 연구하기 시작하였으나 아직까지는 처음에 부여된 임무 목적을 바꿀 정도의 개조는 고려하고 있지 않다. 그 이유는 운영 중인 인공위성을 수거하여 재사용하는데 소요되는 비용이 새로운 위성을 개발하여 발사하는 비용을 훨씬 초과하기 때문일 것이다.

버스시스템은 인공위성을 구성하는 중심 부분이다. 임무탑재체가 부여된 기능을 수행하는 데에 맞게 최적의 상태로 설계, 제작된다. 여기서 최적의 상태라 함은 탑재체의 작동 범위와 운영 기간, 작동 온도, 지상관제소와의 통신량과 횟수, 소모 전력, 임무특성에 따른 특별한 요구 조건 등이 최적의 상태를 유지하도록 설계, 제작되어야 함을 의미한다. 인공위성의 용도와 임무가 다양해지고 더욱 정밀한 운용을 요구함에 따라 버스시스템 개발 기술도 나날이 발전하고 있는데, 위성의 경량화, 대용량 데이터 처리, 초고속 통신과 우주 방사선으로 부터 각종 전자부품을 보호하기 위한 내구성 강화 등을 지향하고 있다. 버스시스템은 다음과 같이 세분화 해볼 수 있다.

인공위성의 뼈대 역할을 하는 구조물과 안테나, 태양전지판의 지지대, 발사체 로켓과의 연결부 등의 프레임과 각종 전장 장치들이 설치되는 벽체(패널), 그리고 펼침 기능(deployment)이 필요한 부분의 모터나 스프링, 태양전지판 패널의 회전용 모터 등을 포함한다.

인공위성의 작동에 필요한 전력을 안정적으로 생산하고 각 수요 장치에 분배, 공급하는 기능을 담당한다. 태양전지판의 셀(cell)과 배터리, 전력공급선, 전압 안정장치와 분배기, 과전류 차단장치, 초과 생산된 전력을 방전시키는 장치 등이 포함된다. 행성 탐사와 같이 태양으로 부터 먼거리를 이동해야 하는 특별한 경우에는 태양전지 대신 원자력을 이용한 전원공급 장치가 사용되기도 한다.

인공위성의 현재 자세를 감지하는 센서와 위성을 원하는 방향으로 회전시키기 위한 구동장치로 구성된다. 인공위성의 실시간 자세 정보는 항공기와 마찬가지로 주로 자이로스코프(Gyroscope)로 부터 추출하는데 시간이 흐름에 따라 누적되는 자이로스코프의 오차를 보정하기 위해 주기적으로 태양센서(Sun sensor), 지구센서(Earth sensor), 별추적기(Star tracker) 등의 감지 센서 정보를 사용한다. 위성의 방향을 회전시키기 위한 구동 장치로는 모멘텀휠(Momentum Wheel), 리액션횔(Reaction Wheel), 소형추력기(Thruster) 등을 사용한다. 5,60년대 인공위성 개발 초기에는 자세 유지를 위해 저렴한 가격과 고장이 없는 단순한 구조로써 지구자기장을 이용하는 자장토커(Magnetic torquer)를 사용했으나 낮은 지향 정밀도와 한 방향(지구자기장 방향)으로만 고정된다는 점 때문에 현재는 일부 소형 위성 외에는 거의 사용되지 않는다.

우주 공간에서는 대류 현상이 발생하지 않으므로 인공위성에서 태양광선을 쬐는 쪽과 그렇지 않은 쪽 사이에는 보통 섭씨 150도 이상의 극심한 온도 차가 발생한다. 또한 대부분의 장치가 극저온 환경을 피해야 하지만 적외선 카메라처럼 극저온이 꼭 필요한 경우도 있다. 열제어계는 우주공간의 극심한 온도 변화 환경에서 내부 장치들이 각기 필요한 온도 범위에서 정상적으로 작동할 수 있도록 온도 범위를 유지하는 기능을 담당한다. 열적으로 인공위성을 외부 공간과 차단시키기 위해 꼭 필요한 부분을 제외하고 다겹의 열절연체(Thermal multi-layer Insulator)로 위성 전체를 감싼다. 그리고 고온부에서 발생한 열이 저온부로 원활히 이동하여 열평형을 이룰 수 있도록 위성 벽체(판넬) 속에 열파이프(Heat pipe)를 설치한다. 열파이프 내에는 주로 암모니아 같은 유체가 들어 있어서 고온부의 열을 저온부로 이동시켜 발산하는 기능을 한다. 그외 위성의 각 부위의 온도를 측정하는 센서와 강제로 온도를 올려주기 위한 히터 등이 열제어계의 부품에 속한다.

위성의 궤도를 바꾸거나 신속한 자세 전환 시에 필요한 추력기와 연료탱크, 그 사이를 잇는 연료파이프와 각종 밸브, 가압제와 가압제 탱크 등으로 구성된다. 우주 공간에서는 작용-반작용 법칙에 의해 연료를 분출함으로써만 가속 또는 감속이 가능하다. 추력기는 연료만 사용하는 단일추력기(mono-propellant thruster system)와 산화제를 같이 사용해서 효율을 좋게 하는 이원추력기(bi-propellant thruster system)로 크게 나뉜다. 또한 전기로 연료를 가열하거나(전기추력기), 전자기장을 만들어 연료를 플라스마 상태로 만들어 배출하는 방식(이온추력기)도 종종 사용된다. 우주공간에서는 중력이 한 방향으로만 작용하지 않으므로 연료를 밸브 쪽으로 강제로 밀어주기 위해 헬륨 가스 등을 가압제로 사용하며 이를 위해 연료 탱크와는 별도로 가압제 탱크를 장착하여야 한다.

인공위성의 운영을 위해서는 지상에 위치한 지상관제센터 또는 지구국과 상시 교신할 수 있는 송수신 시스템을 갖추고 있어야 한다. 이를 위해 위성에는 지상과의 교신을 위해 전파송신기, 수신기, 신호 증폭기, 변조장치, 신호 해석장치, 암어해독기 등의 장치들을 갖추고 있다. 이 장치들은 위성의 각 부분의 작동 상태를 텔레메트리(Telemetry) 신호로 변환하여 전파(Radio frequency)로 지상으로 송신한다. 마찬가지로 지상에서 보낸 전파를 수신하여 각 장치들이 인식할 수 있는 신호로 변환하여 분배하는 기능을 담당한다.

탑재컴퓨터와 거기에 내장된 비행소프트웨어는 지상에서 보내오는 원격명령을 해석하여 절차에 따라 각 장치들을 작동시키고 상태 정보를 지상의 관제원들이 이해할 수 있는 형태로 변환하는 기능을 담당한다. 이때 위성의 최 말단부품 단위에서의 동작들은 지상에서의 명령이 없어도 이미 설치된 자동 소프트웨어에 의해 대부분 동작된다. 예를 들어 어떠한 이유로든 지상에서의 원격명령이 일정 기간 수신되지 않거나 위성의 어느 부분에 이상이 생기면 비행소프트웨어에 의해 위성은 안전모드(Safety mode)로 자동 전환되어 태양전지판을 태양 쪽으로 자동으로 돌리고 안테나는 지구를 향하는 자세에서 지상의 명령을 기다리게 된다.