인공위성의 분류

인공위성은 매우 다양한 방식으로 분류할 수 있다. 고도나 궤도 특성에 따라 분류하기도 하고, 탑재체에 따라, 크기에 따라, 용도에 따라, 인간의 탑승 여부에 따라 분류할 수 있다.

목차

기술적으로는 지구 상공의 어느 고도에든지 인공위성을 위치시킬 수 있다. 그러나 지구를 둘러싼 고에너지 하전입자들의 밀도가 높은 밴앨런대(Van Allen Belt) 내에서는 인공위성의 운영에 오작동이 발생할 가능성이 높아서 가급적 이 지역을 피해 위성을 배치하고 있다.

그림 1. 밴앨런대(Van Allen Radiation Belt)(출처: )

그림 1를 참고해서 보면 주로 고도 1,000 km 에서 6,000 km 그리고 10,000 km 에서 60,000 km 상공에서 하전입자들의 밀도가 급격히 높아지는데 이를 각각 밴앨런대 내대와 외대라 한다. 위성은 이 두 곳의 밴앨런대를 피해서 궤도를 형성하게 된다. 이에 주로 고도 1,000 km 이하에 위치하는 위성들을 저궤도(LEO, Low Earth Orbit) 위성으로 분류하고 고도 6,000 km 에서 12,000 km 에 위치하는 위성들을 중궤도(MEO, Medium Earth Orbit) 위성으로 분류한다. 고도 25,000 km 이상의 인공위성들은 대부분 고도 35,800 km 부근의 지구동주기(GSO, Geo-Synchronous Orbit) 궤도 또는 지구정지궤도(GEO, Geo-Stationary Orbit)에 모여 있다. 그림 2는 저궤도(LEO), 중궤도(MEO), 지구동주기궤도(GSO), 그리고 몰니야(Molnya) 궤도의 대표적인 위성들의 궤도를 보여준다.

그림 2. 지구 주위의 궤도별 인공위성 분포(출처: 김방엽/이상성/한국천문학회)

극궤도(Polar Orbit) 궤도경사각이 90@@NAMATH_INLINE@@^\circ@@NAMATH_INLINE@@인 궤도를 의미한다. 궤도경사각이 90@@NAMATH_INLINE@@^\circ@@NAMATH_INLINE@@이면 지구 표면 전체를 볼 수 있는 특징이 있어서 지구 전체의 지도를 작성한다거나 전체 표면을 관측해야 하는 지구관측위성에 주로 사용된다.

역행궤도(Retrograde Orbit) 인공위성 궤도면과 적도면이 이루는 각, 즉 궤도경사각이 90@@NAMATH_INLINE@@^\circ@@NAMATH_INLINE@@ 보다 큰 궤도를 의미한다. 일반적인 인공위성들이 지구자전방향과 동일하게 동쪽으로 움직이나 궤도경사각이 90@@NAMATH_INLINE@@^\circ@@NAMATH_INLINE@@를 넘게 되면 지구자전과 반대 방향, 즉 서쪽으로 비행하게 된다. 이를 역행궤도라 한다. 역행궤도는 일반적인 순행궤도(Prograde Orbit)에 비해 궤도 유지를 위한 연료가 더 많이 소모되는 단점이 있지만 관측지점에 대한 재방문 주기(Re-visiting period)를 단축할 수 있는 장점이 있어서 일부 첩보위성에 사용되곤 한다.

태양동기궤도(Sun Synchronous Orbit) 위성의 궤도면과 태양의 방향이 이루는 각이 항상 일정한 궤도이다. 태양동기궤도는 지구 비대칭 중력장과 태양의 인력에 의해 궤도면이 회전하는 속도를 하루 중 태양방향의 변화와 같도록 위성의 궤도를 배치하여 구현한다. 인공위성에서 볼 때 지면을 향하는 태양광선의 입사각은 사진을 찍기 위한 조명의 각도와 같다. 이러한 이유로 매일 태양광선의 방향이 동일하도록 지구 영상을 촬영한다면 지표면의 변화를 분별해내기에 용이하므로 저궤도 지구관측 위성에서는 이러한 태양동기궤도를 선호한다.

지구동주기궤도(Geosynchronous Orbit) 또는 지구정지궤도(Geostationary Orbit) 위성의 공전주기가 지구 자전주기와 동일하게 24시간인 궤도를 지구동주기궤도라 하며, 지구동주기궤도 중에서 궤도경사각이 0@@NAMATH_INLINE@@^\circ@@NAMATH_INLINE@@인 궤도를 지구정지궤도라 한다. 지구정지궤도에 위치한 위성들은 지구의 일정 지점을 하루 24시간 지속적으로 관측할 수 있어서 대륙간 통신이나 구름 촬영, 기상상태 촬영, 미사일 발사탐지(조기경보) 등의 목적에 많이 이용된다.

몰니야궤도(Molniya Orbit) 지구정지궤도 상의 위성은 지상에서 볼 때 하루 24시간, 천구 상의 한 지점에 고정된 것처럼 보인다. 그래서 1년 365일, 하루 24시간 언제든지 지상과의 통신이 가능하다. 다만, 이것은 북위 약 70~80@@NAMATH_INLINE@@^\circ@@NAMATH_INLINE@@ 이하 지역과 남위 70~80@@NAMATH_INLINE@@^\circ@@NAMATH_INLINE@@ 이하 지역에서 그렇다는 뜻이다. 북위 약80@@NAMATH_INLINE@@^\circ@@NAMATH_INLINE@@ 이상 지역과 남위 약 80도 이상 지역, 즉 북극과 남극에 가까운 지역에서는 지구정지궤도위성이 지평선 아래에 있기 때문에 통신이 불가능하다. 또한 남북극 주변이 아닌 지역에서도 주변의 높은 산이나 지형 특성 때문에 정지궤도위성과의 통신이 매우 어려운 곳이 있다. 특히 영토의 대부분이 고위도 지역에 위치한 러시아 같은 나라에서는 정지궤도위성과의 통신에 어려움이 있다. 러시아에서는 이에 대한 해결책으로 몰니야 궤도 상에 통신이나 방송위성을 띄우는 방법을 사용한다. 몰니야 궤도는 이심율이 아주 큰 고타원 궤도로써, 케플러 제2법칙(면적속도 일정의 법칙)에 의해 위성이 촛점, 즉 지구 중심에서 멀리 있을 때는 공전속도가 매우 느려진다는 특징을 이용한다. 이와 같이 고타원궤도의 원지점을 북극에 가깝게 위치하게 하므로써 공전주기의 대부분의 시간을 고위도 지방 상공에 머물도록 배치하는 궤도를 지역의 이름을 따서 몰니야 궤도라 부른다.

라그랑지점(Lagrange Point) 지구와 달, 또는 지구와 태양, 태양과 목성 등 상호 중력이 작용하는 두개의 천체 사이 어딘가에는 양측의 중력이 상쇄되어 어느 쪽으로도 힘이 작용하지 않는 지점이 생긴다. 이를 수학적으로 발견한 이의 이름을 따서 라그랑지점이라 하며 우주 공간에서 실제로 그러한 지점에서 운영하는 위성의 궤도를 라그랑지 궤도라고 말하기도 한다. 수학적으로 라그랑지점은 총 5개를 구할 수 있는데, 두 개의 천체 사이에 L1, 질량이 작은 쪽의 뒷편에 L2, 큰 쪽의 뒷편에 L3, 그리고 두 천체와 정삼각형을 이루는 지점에 L4, L5가 있다. ​

인공위성은 그 운영 목적과 서비스 지역, 임무 등에 따라 여러가지로 분류되나 위성에 탑재되는 임무탑재체의 종류를 기준으로 본다면 대략 세가지 종류로 대별된다.

광학탑재체 위성(Optical Payload Satellite) 카메라를 사용한 영상 촬영이 목적인 모든 위성이 해당된다. 이때, 촬영하는 파장대역에 따라 가시광선, 적외선, 자외선, 엑스선, 감마선, 레이저 등으로 세분화된다. 대부분의 광학탑재체 위성은 정지영상(Still Image) 촬영을 하지만 일본의 달 탐사선 카구야(かぐや , Selene, 2007년 9월 발사)는 HD카메라를 사용하여 달 표면의 고해상도 동영상 촬영에 성공한 바가 있다.

전파탑재체 위성(Radio Frequency Communication Payload Satellite) 전파를 송수신하여 통신 중계를 하거나 항법용 무선신호를 발신하는 위성들이다. 모든 저궤도, 정지궤도 통신중계 및 방송서비스 위성, 항법신호를 발신하는 항법위성들 모두 전파를 수신하여 증폭시킨 다음 되쏘는 기능을 가진 통신중계기가 설치되어 있다. 사용하는 주파수 대역에 따라 VHF, UHF, EHF, L, S, C, K, Ka, Ku, X 대역 등으로 세분화된다. 전파탑재체 위성들은 신호를 증폭하여 송신하기 때문에 전력소모량이 많아 광학탑재체 위성에 비해 더 크고 넓은 태양전지판을 장착하고 있다. 위성에서 레이다 신호를 발사하여 지표면에서 반사되는 신호를 잡아 증폭하여 지형을 관측하는 용도로 사용되는 SAR(Synthetic Aperture Radar, 합성개구레이더) 위성도 전파탑재체 위성에 해당된다.

과학기술 측정기 탑재체 위성(Science and Technical Payload Satellite) 광학과 전파 탑재체 외에 각종 측정 센서를 탑재한 위성을 말한다. 여기에는 대표적으로 자기장측정기, 입자검출기, 방사선검출기 등이 있는데 이러한 과학기술 센서들은 대체로 크기가 작아서 인공위성의 주탑재체(Main Payload)보다는 보조탑재체(Sub Payload)와 각종 센서류의 일부로 장착된다.

인공위성을 크기와 중량에 따라 분류하는 기준은 공식화 되어 있지는 않으나 대략 다음과 같은 기준으로 분류한다.

​ 위의 명칭과 별도로 캔샛 또는 큐브샛이라는 명칭이 종종 사용된다. 이에 대한 설명은 다음과 같다.

캔샛(CANSAT) 음료수 캔 크기만 하다해서 붙여진 이름이다. 1998년에 미국 스탠포드대학에서 처음 개발을 시작했다고 알려져 있으며 실제 사용보다는 위성개발 실습이나 실험 목적으로 사용된다.

큐브샛(CUBESAT) 현재, 일반적인 큐브샛의 크기의 기본 단위를 1 유닛(Unit, U) 이라 하는데 가로, 세로, 높이가 모두 각각 10 cm 이고 무게는 1.3 kg 이하라고 관례적으로 지칭하고 있다. 오늘날의 큐브샛은 작게는 0.5U 크기부터 6U 크기까지 다양하다. 최초로 발사와 운영까지 성공한 큐브샛은 2003년 6월에 발사된 쿼크샛(Quakesat, 스탠포드대학교)으로 알려져 있으며 2018년 4월 현재까지 200여개의 큐브샛이 발사에 성공한 것으로 알려져 있다.

통신위성(Communication Satellite) 전파탑재체, 즉 통신중계기를 탑재하고 있어서 지상에서 올라오는 전파 신호를 수신하여 증폭한 다음, 수신을 원하는 지점을 향해 송신해 주는 위성이다. 군사적인 목적을 위해 통신중계를 하면 군통신위성, 민간통신이나 상업적 목적을 위한 것이라면 상용통신위성이라 한다. 수신자를 특별히 정하지 않고 광범위한 지역에 전파를 쏘아 적절한 수신기를 보유한 누구든지 전파를 수신할 수 있다면 이를 방송위성(Broadcasting Satellite)이라 한다. 많은 통신위성이 지구정지궤도에서 운영되지만 이리듐(Iridium) 위성처럼 저궤도에서 수십대의 위성군이 돌아다니며 서비스를 하는 위성도 있다.

기상위성(Meteorological Satellite) 광학탑재체, 즉 고해상도 카메라를 사용해서 주로 구름이나 태풍 등을 촬영하는 위성이다. 이때 카메라가 촬영하는 빛의 파장대역을 여러 가지로 달리하여(적외선, 자외선, 엑스선 등) 수증기 분포, 황사와 미세먼지 흐름 등을 관찰할 수 있다. 구름이나 태풍은 시간 흐름에 따라 시시각각 변하므로 기상예보를 위해서는 일정한 시간 간격으로 연속 촬영하는 것이 중요하다. 이를 위해 저궤도 위성을 동일 궤도에 일정한 간격으로 배치하여 동일 지역을 연속 촬영하거나 아예 정지궤도에서 하루 24시간 관측하는 방법을 사용한다. 근래에는 사운더(Sounder)라 하여 대기층의 고도분포에 따른 수증기 함량을 측정할 수 있는 장비도 탑재되고 있다.

지구관측위성(Earth Observation Satellite) 가장 일반적인 지구표면 사진을 촬영하는 위성이다. 주로 지구 저궤도에서 지구표면을 정기적 또는 비정기적으로 촬영하여 영상을 얻고 이를 정밀지도 제작이나 국내외의 지리적 정보 획득에 활용하도록 해준다. 지구 표면에서 육지 부분이 주요 촬영 범위이기는 하지만 바다 색깔의 변화를 주기적으로 촬영하여 해수면의 온도나 조류의 변화 등을 추정하는 자료로 사용되도록 할 수 있고 이로써 전지구적인 기후변화 연구자료로도 활용된다.

측지위성(Geodetic Satellite) 지구 표면이 관측 대상이라는 점에서는 지구관측위성과 동일하나, 지구관측위성은 광학탑재체로 지표면을 '촬영'하는 것이고 측지위성은 주로 전파를 사용하여 지표면의 지형, 표고차 등을 '측정'한다는 점이 다르다. 측지위성 중에서 가장 널리 알려진 토펙스/포세이돈(Topex/Poseidon) 위성의 임무는 레이다 전파를 지표면에 쏘아서 반사되어 되돌아 오는 시간을 정밀하게 측정함으로써 지형과 표고차를 정확히 측정하는 것이었다. 또한 해수면의 높이 변화를 1cm 이하의 정밀도로 지속적으로 측정함으로써 연중 바닷물의 평균온도 변화를 관찰하였고 기상이변의 대표적인 현상인 엘니뇨(El Nino)와 라니냐(La Nina) 현상을 발견하는 계기가 되었다.

지구과학위성(Earth Science Satellite) 주로 지구저궤도를 돌면서 자기장 변화, 전리층 변화, 우주로부터 날아오는 입자를 검출하거나 우주 방사선 등을 관측하는 위성이다. 장기간 축적된 이러한 자료들은 지구과학과 우주과학, 지구의 기후변화 연구에 중요한 자료로 활용된다.

천문위성(Astronomy Satellite) 또는 우주관측위성(Space Observation Satellite) 지구저궤도를 돌면서 우주와 천체를 관찰하는 위성이다. 위성 몸체의 대부분이 망원경이어서 우주망원경(Space Telescope)으로 부르기도 한다. 대표적인 천문위성으로는 우주망원경(Hubble Space Telescope)이 있다. 목표 천체의 종류에 따라 관측파장 대역을 다르게 설계하는데 가시광선, 적외선, 자외선, 감마선, 엑스선 등을 많이 사용한다.

항법위성(Navigation Satellite) 또는 GNSS(Global Navigation Satellite System) 지구 주위를 도는 수십대의 위성군에서 전파를 발산하고 이를 지상의 단말기에서 수신하여 정확한 위치를 알 수 있게 해주는 위성이다. 대표적으로 미국의 GPS(Global Positioning System), 러시아의 GLONASS, 유럽연합의 갈릴레오 위성 등이 있다. 대부분 지구중궤도(고도 19,000 ~ 24,000 km) 근처에서 위성 궤도를 형성하는데 중국의 북두(Beidou) 위성처럼 궤도경사각을 가진 지구동주기궤도위성을 병행해서 사용하기도 한다.

조기경보위성(Early Warning Satellite) 일반적으로 지구저궤도나 정지궤도에서 하루 24시간 지구를 관찰하고 미사일 발사로 추정되는 급격한 발화현상(Fire Event)이 감지되면 지상으로 즉시 신호를 보내는 기능을 한다. 대표적인 위성이 미국의 DSP(Defense Support Program) 위성인데 미국과 구소련의 냉전이 한창이었던 1970년대에 주로 정지궤도에 배치되기 시작했다. 냉전 종식 후에는 1990년와 2000년대에 걸쳐 중동의 미사일 발사 실험을 감시하는 데에 활용되었다. 현재는 더욱 감시기술이 발전하여 SBIRS(Space Based Infrared System)라는 이름으로 저궤도위성과 지상레이더,(공중)조기경보기,(해상)이지스함 등과 연계하여 종합적인 미사일 방어시스템의 일부로 활용되고 있다.

기술시험위성(Experimental Technology Satellite) 향후 위성에 사용될 새로운 위성기술을 시험하기 위한 시험용 위성이다. 대표적으로 일본의 ETS(Engineering Test Satellite) 위성 시리즈가 있다.

유인 인공위성(Manned Satellite) 지구 주위를 도는 물체에 사람이 탑승하는 경우이다. 1960년대~1970년대 미국의 머큐리, 제미니, 아폴로우주선, 소련의 보스토크, 소유즈 우주선 등이 이에 해당한다. 1980년대부터 사용되오다 2011년에 퇴역한 미국의 우주왕복선(Space Shuttle), 중국의 선조우 우주선 등이 유인 인공위성에 해당한다.

​우주정거장(Space Station) 인간이 우주에서 수개월 이상 거주할 수 있는 시설을 갖춘 대형 인공위성이다. 대표적으로 국제우주정거장(International Space Station) 이 있는데 전력을 생산하는 대형 태양전지판과 산소발생기, 각종 생명유지 장치 등을 갖추고 있으며 최대 6명의 승무원이 동시에 거주할 수 있는 규모이다. 국제우주정거장 이전의 우주정거장으로는 구소련의 샬류트, 미르, 미국의 스카이랩 등이 있다. 최근에는 중국이 2020년 완공을 목표로 텐궁(Tiangong) 프로젝트를 진행하고 있다.