태양동기궤도

태양동기궤도는 지구를 중심으로 궤도운동을 하는 인공위성 궤도의 한 종류로서, 궤도경사각이 90도인 극궤도에 가까운 궤도경사각을 가지고 있으며, 궤도면과(평균)태양이 이루는 각도가 항상 일정하게 유지되는 궤도이다. 태양동기궤도를 돌고 있는 인공위성은 지구상의 고정된 위치를 일정한 시각(지방시)에 통과하기 때문에 지구 상 물체를 매일 같은 시각에 관측을 할 수 있어서 시간에 따른 물체의 변화를 분석하는데 매우 유리하다.

태양동기궤도 위성은 고도에 따라서 대개 하루에 13번에서 15번 정도 지구주위를 공전한다. 위성에 따라, 적도면을 남쪽에서 북쪽으로 통과하면서 만나는 위치인 승교점을 기준으로 승교점 통과시각 또는 위성이 적도면을 북쪽에서 남쪽으로 통과하면서 만나는 강교점 통과시각이 다르다. 우리나라의 지구관측을 위한 다목적실용위성(KOMPSAT)인 아리랑위성 1, 2, 3, 3A, 5, 6, 7호는 모두 태양동기궤도 위성이다.

목차

지구는 완전한 구형이 아니고 남(북)극 쪽보다 적도 쪽이 불룩하게 나온 모양을 하고 있다. 이에 따라서 지구 주위를 도는 인공위성의 궤도가 처음과는 점점 달라지게 된다. 이와 같이 인공위성의 궤도를 조금씩 바뀌게 하는 힘을 섭동력이라고 한다. 지구의 모양 이외에도 태양과 달의 중력, 태양의 복사압 그리고 지구 대기의 저항 등과 같은 것들이 섭동력으로 작용한다. 저궤도 위성에 미치는 섭동력 중에서는 지구의 적도 쪽이 불룩하게 나온 모양에 의한 영향이 가장 크다. 이에 의한 섭동은 승교점 적경(right ascension of ascending node)과 근지점 인수(argument of perigee)에 영향을 주어서, 승교점과 근지점이 관성계에서 고정되어 있지 않고 회전하게 만든다. 승교점이 관성계에서 움직이는 원리를 이용하면 1년을 주기로 위성의 궤도면과 태양이 이루는 각을 일정하게 유지 시킬 수 있게 되는 데 이것이 태양동기궤도(Sun-synchronous orbit)이다. 그림 1은 태양동기궤도의 궤도면이 일년간 어떻게 변하는지 보여준다.

그림 1. 태양동기궤도의 봄, 여름, 가을, 겨울의 변화 - 위성의 궤도면과 태양방향이 이루는 각이 항상 일정함(출처: 이병선/이상성/천문학회)

태양동기궤도는 승교점 적경의 영년변화율이 평균태양 적경의 변화율과 일치하는 것으로 위성의 궤도면과 태양이 이루는 각이 일정하게 유지된다. 즉, 태양동기궤도 면은 일 년(365.24일)에 한 바퀴(360도)를 돌아야 한다. 이와같은 특성은 저궤도위성의 지구관측이나 기상관측에 많이 사용되어진다.

지구 저궤도 위성에 있어서 궤도 장반경(또는 위성의 고도)과 궤도경사각의 조합에 의해서 태양동기궤도를 만들 수있는데 태양동기궤도가 되는 위성의 고도에 따른 궤도경사각은 그림 2와 같다.

그림 2. 태양동기궤도 위성의 고도에 따른 궤도경사각 - 우리나라의 태양동기궤도 위성인 아리랑위성-1, 2, 3, 3A, 5호의 위성고도와 궤도경사각도 표시하였음(출처:이병선)

태양동기궤도는 기본적으로 저궤도이기 때문에 하루에 여러번 지구주위를 공전하게 된다. 케플러 제3법칙에 따라 위성의 고도가 낮을 수록 더 많이 돌게 되고 위성의 고도가 높아지면 덜 돌게 되는데 그림 3과 같이 고도 400km의 태양동기궤도 위성은 하루에 지구를 15.56 바퀴(궤도주기는 92.56분) 돌며 고도 1,000km의 위성은 지구를 하루에 13.7바퀴(궤도주기는 105.12분) 돌게 된다.

그림 3. 태양동기궤도위성의 고도에 따른 지구공전횟수(출처:이병선)

태양동기궤도 위성은 하루에 13번 이상 지구를 돌며 세계의 각 지역을 관측할 수 있으며 특히 위성이 지나가는 지구 상의 위도가 동일한 지방시를 갖는 장점이 있어서 관측을 위해 널리 사용된다. 그림 4는 태양동기궤도 위성인 아리랑 1호와 2호 위성이 하루에 지구를 지나가는 궤적을 세계지도에 투영한 것이다. 그림4에서 아리랑 1호(KOMPSAT 1)는 남아메리카 대륙의 끝 부분에 있으며 아리랑 2호(KOMPSAT 2)는 우리나라 근처에 있다. 아리랑 1호는 북쪽에서 남쪽으로 내려가는 중이고 아리랑 2호는 남쪽에서 북쪽으로 올라가는 중이다. 태양동기궤도 위성의 지상궤적은 시간에 따라서 동쪽에서 서쪽으로 역행한다. 즉, 오른쪽에서 왼쪽으로 움직인다. 한편, 지구는 서쪽에서 동쪽으로 돌기 때문에 궤도경사각이 90도 이상인 태양동기궤도는 역행궤도(retrograde orbit) 이다. 세계지도의 네 지점에 있는 원은 위성과 지상국이 서로 교신할 수 있는 범위를 보여주고 대서양 근처에 있는 큰 점선 원은 위성 궤도에서 지구가 태양을 가리고 있는 식(eclipse)이 일어나는 부분이다.

그림 4. 태양동기궤도 위성의 지상궤적(출처:이병선)

아래의 표는 우리나라의 태양동기궤도 위성인 다목적 실용위성(KOMPSAT, 아리랑)의 임무 및 궤도특성을 요약한 것이다.