저궤도 위성군 시스템의 부활

Renaissance of the LEO Satellite Constellation Systems

저자
이호진 / 방송통신미디어연구소
권호
30권 4호 (통권 154)
논문구분
일반 논문
페이지
162-173
발행일자
2015.08.01
DOI
10.22648/ETRI.2015.J.300417
초록
약 20년 전 세상의 이목을 끌었다가 무너진 꿈으로 남아있는 위성벤처 1.0, 즉 텔레데식, 이리디움 등으로 대표되던 대규모 저궤도 위성군(Big LEO) 통신시스템이 다시 추진되고 있다. 이른바 위성벤처 2.0으로 불리우는 스페이스엑스(Space Exploration Technologies: SpaceX), 원웹(OneWeb), 리오샛(Leosat) 등의 저궤도 위성군 통신시스템의 경쟁적 재등장이다. 이 배경에는 인터넷 업체인 구글(Google)과 페이스북(Facebook)이 관련되어 있다. 이미 과거의 경험이 있는 상황이기 때문에 성공가능성에 대한 기대가 상당히 크지만 회의론도 만만치 않다. 이들의 등장배경과 각 시스템의 기술적 제안, 비지니스 모델, 그리고 네트워크 구축 및 운용경비 절감을 위한 각각의 전략적 접근에 대해서 간략히 알아본다. 기존 이리디움이나 글로벌스타도 1세대 위성수명이 다하여 이제 2세대 위성군으로 업그레이드된 상태이라, 신구 시스템 간의 차별적 경쟁도 이제 피할 수 없게 되었다. 신규제안 시스템의 성공적 안착을 위한 고려사항과 이러한 흐름에 대한 우리나라의 대응도 살펴보았다.
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Ⅰ. 머리말

전 세계를 대상으로 광대역 이동통신서비스를 제공하기 위하여 많은 수의 저궤도 위성을 사용하는 위성군(constellation) 네트워크를 구축하는 위성벤쳐 2.0들이 뜨고 있다. 현재까지 3개의 서로 다른 시스템이 추진되고 있는데, 바로 스페이스엑스(Space Exploration Technologies: SpaceX), 원웹(OneWeb), 그리고 리오샛(Leosat)이다. 저궤도(LEO)위성이란 고도 500~수천 km 궤도를 주회하는 위성으로, 정지궤도 위성에 비해 전송지연이 적어 실시간성 서비스가 가능하지만, 빠른 위성 통과속도 때문에 신호를 위성 간 중계하여 연속적인 서비스를 제공하기 위해서는 많은 수의 위성이 필요하다. 현재 운용되고 있는 대표적인 대형 저궤도 위성군(Big LEO) 통신시스템으로는 이리디움(Iridium), 글로벌스타(Globalstar), 오브콤(Orbcomm) 등이 있지만, 이들을 출발시킨 위성벤처 1.0들의 깨어진 꿈과 파산이 아픈 기억으로 남아 있다.

우리는 1990년대에 마이크로소프트(Microsoft)사의 빌 게이츠가 투자했던 텔리데식(Teledesic)을 기억하고 있다. 텔리데식은 90억불이라는 거금의 투자로 840개의 저궤도 위성을 띄워 소형안테나로 상향 최대 100Mbps, 하향 최대 720Mbps를 글로벌하게 제공하는 거창한 프로젝트로 출발하였으나, 288개 위성으로 축소되었다가 결국은 꿈을 접게 되었다. 한편, 이리디움은 1998년 1월에 66개의 저궤도위성을 이용하여 글로벌 위성전화 및 데이터 서비스를 시작했지만[(그림 1) 참조], 9개월만에 파산하였고, 2001년 이리디움 통신(구, 이리디움 위성)사가 사업을 승계하여 재기하였다. 글로벌스타는 1998년에 첫 위성을 발사하였으나 2000년 2월에 이르러서야 48개 위성을 발사, 상용서비스를 시작하였고, 2002년에는 파산하였다가 2004년에 구조조정을 통해 회생하였다. 막대한 네트워크 투자에도 불구하고 크고 무거운 고가의 단말, 인터넷 서비스의 부족, 지상이동통신망의 로밍확대 등 초기 수요 불발로 서비스가 활성화되지 않았다.

(그림 1)

이리디움 위성군 개념도 및 위성전화 단말

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<출처>: https://www.iridium.com/About/IridiumGlobalNetwork/SatelliteConstellation.aspx

현재 <표 1>과 같이 이리디움은 국방, 해상 및 항공, 에너지산업, 수송이나 산림업 등의 니치(Niche)마켓을 중심으로 위성휴대단말에 의한 음성통화 및 데이터통신 서비스를, 선박이나 차량 등에 설치하는 소형안테나를 이용한 고속통신 서비스를 제공하고 있다. 한편 글로벌스타도 위성휴대단말에 의한 음성통화, 데이터통신, 그리고 Machine-to-Machine(M2M) 형태의 자산추적 서비스 등을 전개하고 있다. 저속 데이터 위성통신 서비스의 대표적인 예인 오브콤은 27개의 위성에 의해 비실시간 간이 데이터통신 서비스를 통해, M2M형의 자산추적, 위치관리 서비스, 해양 등의 환경계측 데이터 전송서비스 등을 제공하고 있다.

<표 1>

대표적인 저궤도 위성군 통신시스템[1]

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<출처>: Linaro, “EA-Scheduler,” 2015.

Ⅱ. 신규제안 저궤도 위성군 통신시스템

그러나 20년이 지난 후 다시 엘론 머스크(Elon Musk)나 리차드 브랜슨(Richard Branson), 그렉 와일러(Greg Wyler) 같은 큰 손들이 다시금 저궤도 위성군 프로젝트에 경쟁적으로 대거 투자하고 있어, 위성산업 관련 매체에서는 (그림 2)와 같이 위성전쟁으로 묘사하면서 기대와 회의 속에 성공가능성을 분석하며 진행과정을 지켜보고 있다.

(그림 2)

위성들의 전쟁으로 묘사한 저궤도 위성군 프로젝트 관련 기사[13]

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그럼 지난 20년간 무엇이 달라졌을까? 물론 기술의 발전과 이에 따른 비용의 감소이다. 위성체, 통신탑재체(payload), 전송기술 및 네트워킹 기술, 단말기, 그리고 발사체 등 전 시스템 구성요소에 걸쳐 획기적으로 발전된 기술이 성공 가능성을 높여왔다고 볼 수 있다. 즉, 저가로 대량 제작할 수 있는 마이크로샛(microsat) 등의 소형위성, 고출력 다중빔 대용량의 통신탑재체, 저가 소형화 단말 및 개선된 송수신 성능, 높은 주파수 사용으로 인한 광대역 스펙트럼 액세스, 다수 위성의 동시 발사 및 발사체의 재사용 등으로 인한 발사비용의 절약 등으로 인하여 네트워크 구축 및 운용비용이 줄어들어 지상망 대비 경쟁력이 생긴 것이다. 또한, 대규모의 소형 위성제작으로 인한 규모의 경제에 의한 위성제작 비용의 감소도 기존과는 다른 요인이 될 수 있을 것이다.

저궤도 위성군 통신네트워크는 구축하는데 막대한 비용이 들뿐만 아니라 시간도 계획보다 대개 오래 걸린다. 또한, 신기술과 엄청난 양의 엔지니어링 노력뿐만 아니라, 비즈니스 착수 및 운용에 대한 모험적 리더십, 재정적 투자, 주파수 확보 같은 정치적인 지원이 필요하다. 그럼에도 불구하고, 과거와는 달리, 새로운 프로젝트는 이미 위성군 프로젝트의 실패경험을 잘 알고있다는 점이 낙관적인 평가를 받고있는 점이기도 하다. SpaceX나 OneWeb 등은 이미 우주 또는 위성사업의 경험이 있어 사업속성과 기술을 잘 파악하고 있으며, 구글이나 퀄컴 등을 포함하여 자신들의 기존 비지니스를 확장하는 개념에서의 투자를 하고 있다는 점에서 실패 시의 리스크가 상대적으로 적어 성공가능성이 과거에 비해 높다는 것이다.

1. 배경

저궤도 위성군 계획에 다시 불을 지핀 것은 구글(Google)과 페이스북(Facebook)의 인터넷 확산 프로젝트 경쟁이다. 최근 10년에 걸친 스마트폰, 오픈 플랫폼의 혁신과 함께 검색, 모바일 메신저 등으로 폭발적으로 성장해 온 이들 글로벌 Internet Service Provider(ISP)사업자들은, 전 세계의 인터넷 플랫폼을 장악하면서. 아직 인터넷이 제공되지 않는 지역으로 서비스 커버리지를 확장하여 가입자의 증가와 이에 따른 검색, 온라인 광고 수입극대화를 위해 여러 가지 프로젝트를 추진해 왔다. 2014년 5월 ITU보고서에 따르면 연말까지 거의 30억명만이 온라인으로 연결되고, 대부분 개도국에 사는 40억명 이상이 인터넷 액세스를 못한다고 한다[2]. 구글과 페이스북은 이들이 자신들의 서비스를 이용할 수 있도록 수백만명의 개도국 국민들에게 비용을 지불해 왔지만, 이제는 보다 공격적으로 또한 심각하게 하늘에 드론같은 유동 기지국 셀을 세우는 방안을 강구하게 된 것이다[3].

구글은 공식적으로 2013년 6월부터 지상으로부터 20km 상공 성층권에 태양열 전기를 이용하는 벌룬(balloon)을 띄워 메쉬(mesh) 형태의 상호연결 및 지상안테나와의 통신에 의해 WiFi 네트워크를 구축하려는 ‘Project Loon’을 추진하고 있다. 현재 구글은 호주에서는 20개의 벌룬을 띄워 시험 중이며, 뉴질랜드, 캘리포니아, 브라질 등에서도 시험을 추진하고 있다. 현재까지 약 75개의 벌룬이 떠 있으며, 올해까지 연속된 50마일 간격의 인터넷 서비스 링을 사용하여 남반구를 커버한다는 계획을 갖고 있다. 최근의 시험결과로 벌룬 체공시간이 75일이라고 발표했지만, 100일을 초과한 기록도 있다. 보통 NASA 벌룬의 경우 60일 동안 체공하는 것으로 알려져있다. 2016년까지는 오세아니아, 남미, 남아프리카의 시골지역에서 일부 가입자를 받을 수 있을 것으로 기대하고 있다[4].

이와 더불어 구글은 자연재해지역이나 기상이변 지역을 위한 핫 스팟용으로 태양열 전원 드론을 사용하는 ‘Project Titan’도 시험하고 있다. 벌룬과 드론을 같이 엮어서 대규모의 메쉬네트워크 시험을 추진하고 있다. 2014년 4월에 인수한 Titan Aerospace에서 드론을 제작하고 있으며, 드론의 편대를 개발하기 위한 노력인 ‘Project Wing’도 수행하고 있으나 자세한 내용은 알려지지 않았다[3][5].

한편 페이스북도 2013년 3월 ‘Connectivity Lab’을 설립, 하늘로부터의 인터넷을 구현하기 위하여 드론, 위성, 레이저 등을 개발하고 있다고 발표했다. 구글처럼 태양열 충전 드론을 사용하여 인터넷연결이 제한된 교외지역을 커버한다는 계획이다.

2013년 8월, 페이스북은 전 세계 모두를 인터넷에 연결시킨다는 목표로 ‘Internet.org’라는 비영리 벤쳐를 출범시겼다. ‘Internet.org’는 인터넷이 없거나 사용이 적은 개발도상국에서 새로운 사용자를 창출해내는 미션을 가지고 있다. 페이스북은 ‘Aquila’라는 이름으로 보잉 737항공기만큼 넓은 날개에 태양전지판을 가진, 한 번에 3개월 동안 체공할 수 있는 태양열 전원 드론을 개발하고 있다. 고도 6~9만피트 상공에 약 1,000개의 드론을 띄워 레이저 빔을 사용하여 인터넷 액세스가 가능하게 하고, 드론 간의 통신을 통해 커버리지를 유지한다는 계획으로 있다. 페이스북은 올해 여름부터 시험비행을 시작해서 향후 수년에 걸쳐 시스템을 구축한다는 계획이다[3][6].

그런데 대규모의 드론을 띄워 네트워크를 구성하는 것은 그 실현가능성에 대해 아직 확신이 없다. 체공시간이나 네트워크 유지, 레이저 빔제어 등 기술적인 문제점뿐만 아니라 전 세계에 걸친 드론운용에 대한 법적 허가절차가 남아 있다. 또한, 공익적 목적보다는 자신들의 가입자확대를 위한 상업적 접근이라는 점에서 비난도 있다. 실제로, 구글은 주로 매핑이나 영상용으로 드론을, 인터넷은 위성을 사용하는 방안도 검토하고 있다. 월 스트리트 저널에 따르면 30억불을 들여 180개의 위성을 개발하는 ‘Google satellite’를 검토하고 있다고 한다. 벌룬을 드론으로 대체하고, 드론은 소규모 지역에서 대용량 서비스용으로, 위성은 광역서비스를 제공하는 계획이다[7]. 이처럼, 드론과는 별도로 저가의 소형위성을 이용하는 저궤도 위성군 네트워크가 다시 현실적 대안으로 등장하게 되었고, 대형 투자자에 의해 저궤도 위성군 시스템 프로젝트로 변화되었다.

2. SpaceX

구글의 위성기반 글로벌 인터넷 확산계획과 맞물려, SpaceX가 위성인터넷 확산 프로젝트에 뛰어들었다. 최근, 구글과 피델리티(Fidelity)사로부터 10억불 투자를 받아 5년 내에 4,000개의 저궤도 위성을 사용하여 1,100km 상공에 매우 촘촘하게 채워 글로벌 위성군 네트워크를 구축하는 프로젝트 계획을 발표하였다[8]. 2014년 11월 발표된 100kg 급의 마이크로샛 위성을 700개 발사한다던 계획을 수정하여, 위성의 수가 6배 가까이 늘어난, 지금껏 역사상 가장 거대한 글로벌 네트워크 계획을 추진하고 있다[9]. 위성의 수가 많아지게 되면 용량이 증가하여 많은 가입자에게 더 빠른 속도를 제공할 수 있으므로, 이를 통하여 고속의 개인서비스뿐만 아니라 지상망의 광케이블을 대신할 수 있는 고속의 네트워크를 구축한다는 계획이다.

SpaceX는 세계 최고 전기자동차 제조회사인 테슬라 모터스(Tesla Motors)사의 CEO인 엘론 머스크가 100억불 이상을 투자하여 우주산업계를 획기적으로 변화시키고 있는 발사체 우주벤쳐이다. SpaceX는 정지궤도위성인 SES, Eutelsat, ABS 위성 등 이미 지난 5년간 12기의 Falcon 9 로켓을 발사한 기록을 가지고 있으며, 앞으로도 2018년까지 48기 이상을 위성을 발사한다는 계획을 가지고 있다. 또한, 지난 4월 14일에는 국제우주정거장(International Space Station: ISS)에 보급할 무중력 인체실험장비와 식량, 생활용품, 에스프레소 커피머신 등 2톤의 화물을 실은 무인화물우주선 드래곤(Dragon)을 Falcon 9 로켓에 실어 보내 도킹에 성공한 바 있다.

이 글로벌 저궤도 위성군 프로젝트는 비용의 절감과 시장의 정확한 분석이 핵심적으로 중요하다는 것은 이미 과거의 경험을 통해 잘 기억하고 있다. SpaceX의 계획은, Falcon 9 로켓의 보조로켓(제1단 booster)을 재활용하여 매 발사 시 수백만 달러를 절약하고, 또한 저가의 소형위성을 발사하여 전체 위성 네트워크 구축비용을 줄인다는 것이다. 또한, 다중위성을 추적할 수 있는 위상배열 안테나를 장착한 사용자 단말은 종류에 100~300불로 개발한다는 것이다. 그리하여, 세계 어디서나 지역이나 인프라에 제한받지 않고 저가의 인터넷을 제공한다는 계획이다. 실제로 로켓의 1단을 여러 번 재사용할 수 있고 저가의 단말을 개발할 수 있게 된다면, 이 프로젝트뿐만 아니라 상업용 위성시장에서의 일대 획기적인 경제적 파급효과를 가져올 수 있어 기대를 걸고 있다.

지난 1월, SpaceX는 이미 ITU에 Ka 대역 등을 이용하는 저궤도 글로벌 위성네트워크 구축을 위한 주파수 파일링을 시작하였으며, 미국의 시애틀에 신규 위성제조 공장을 짓는다는 계획을 발표했다. 머스크는 초기에만 해도 구글의 전직 대표이며 Ku 대역 주파수를 보유하고 있던 WorldVu 위성회사 설립자인 그렉 와일러(Greg Wyler)와 같이 조인트 위성인터넷 프로젝트를 협의해왔다. 그러나 전체 시스템 구조 및 프로젝트 주관 문제로 이견이 생겨 결별하고, 이젠 서로 다른 시스템으로 경쟁하게 되었다. 와일러는 처음에는 구글과 ‘Google satellite’를 논의해 왔으나, 구글과도 결별하고 새로이 다른 시스템을 제안함에 따라, 이제는 SpaceX와 구글이 이전 경쟁관계에서 서로 협력관계가 된 것이다.

이 프로젝트에는 몇 가지 현실적인 문제를 해결해야 한다. 우선, 위성제조 시설과 조립/시험시설을 구축하는 데 비용과 시간이 매우 많이 들므로, 2020년까지 SpaceX가 4,000개에 달하는 위성들을 개발, 발사하기가 시간적으로 물리적으로 어려울 것이라는 점이다.

다음 문제로는 SpaceX가 경제성을 확보하기 위한 로켓 재활용에 대한 불확실성이다. 올해 4월, 드래곤 캡슐을 성공적으로 우주정거장에 보낸 Falcon 9 로켓의 보조로켓을 회수하려던 지상 연착륙 시도는 실패로 끝났다. 바다 위에 떠 있던 해양플랫폼(drone ship)에 착륙을 시도하다가 착륙각도와 속도문제로 인해 보조로켓이 폭발한 것이다. 올해 1월에 있었던 첫 공개 시도에서는 보조로켓이 바지선에 착륙 중 충돌로 부서졌으며, 2월에 있었던 2차 시도에서도 매우 높은 파도로 인하여 해양플랫폼에 안착하지 못했었다. SpaceX 측은 앞으로도 많은 횟수의 발사가 남아 있으므로 올해 안에는 80%의 확률로 성공할 것으로 주장하고 있다[10].

또 다른 문제는 주파수 스펙트럼 문제이다. 아직 Ka 대역 주파수를 확보하지 못했기 때문이다. 지금 세계는 5G이동통신을 위한 6GHz 이상 주파수 스펙트럼에 대한 논의가 활발하다[11]. 6GHz 이상의 높은 주파수를 사용하여 넓은 대역폭, 초고속 통신을 제공하자는 의도이다. 2020년 초반을 목표로 5G이동통신을 도입하기 위하여 6GHz 이상 대역에 대한 분배를 ITU WRC-19의제로 채택하자는 지지가 많다. 이에 따라 FCC나 Ofcom 같은 주파수당국에서는 기존의 주파수 사용과의 공존, 공유에 초점을 두고 논의 중이다. 기존에 고정위성 통신용으로 27.0~31.0GHz와 17.3~21.2GHz의 Ka 대역을 사용해 왔으며, 30/31GHz 이상의 대역도 일부 사용해 왔다. Ku 대역의 주파수 부족과 더불어 초고속인터넷, UHD방송 등의 광대역서비스 활성화로 최근 Ka 대역이 매우 각광받고 있다.

SpaceX는 ViaSat, EchoStar, Inmarsat, O3b Networks 등의 위성운용 사업자와 함께 FCC의 조사고시(Notice of Inquiry)에 대응하여 Ka 대역의 위성서비스 유지를 강하게 요구하고 있다. 즉 지금까지 위성에서 사용해 온 Ka 대역은 26.5~40GHz 주파수로, 5G이동통신에서 24GHz 이상의 주파수를 사용하는 경우, 위성서비스가 매우 제한될 수 있기 때문이다. 특히 4,000개 이상의 저궤도 위성을 사용하여 Ka 대역을 포함한 다중 대역에서 전 세계 이동 및 고정 가입자들에게 브로드밴드 서비스를 하고자 하는 SpaceX로서는, 주파수 간섭문제가 핵심적인 문제가 될 수 있기 때문이다. 현재 31GHz 이하는 위성만을 위해 사용하고 31GHz 이상은 5G이동통신과 공유하는 방안을 강구 중인데, 삼성의 경우도 이미 39GHz 이상에 5G시스템을 시험한 바 있다[12].

3. OneWeb

OneWeb은 구글의 전직 대표이며 Ob3 Networks사의 설립자인 Greg Wyler가 설립한 위성벤처로, 648개의 저궤도 마이크로샛 위성을 1,200km상공에 띄워 Ku 대역에서의 글로벌 인터넷을 제공하는 프로젝트이며, SpaceX와는 경쟁하는 저궤도 위성군 시스템이다. 이 벤처에는 퀄컴(Qualcomm)과 버진(Virgin) 그룹이 투자하고 있다. 초기 20억불의 투자로 2017년부터 위성을 발사하여 2018년까지 위성 네트워크를 완성하는 계획이다. OneWeb은 작년말에 이미 RFP를 발표했으며 올해 위성제작사를 선정하고 향후에는 위성제조 시설도 기존업체와 공유하려는 계획으로 있다.

주파수를 확보해야 하는 SpaceX와는 달리OneWeb은 이미 Ku 대역을 확보하고 있던 WorldVu를 활용할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 WorldVu/Oneweb이 가지고 있는 Ku 대역에 대한 ITU주파수 등록이 2018년부터 2020년사이에 만료되기 때문에, 기간 내 발사일정 준수가 매우 중요하다. 또한 Ku 대역은 정지궤도 위성이 위성방송 및 위성인터넷에 주로 사용하는 주파수이기 때문에, 정지궤도 위성보다 훨씬 낮은 고도에 있는 저궤도 위성들이 정지위성 빔속을 지나면서 이동위성서비스를 하는 경우, 상호 간에 주파수 간섭문제가 복잡해질 수 있기 때문에 어렵고 긴 주파수조정 절차가 문제가 될 수 있다.

OneWeb의 비즈니스 모델은, 지상이동통신사가 자신들의 서비스 커버리지를 확장하는 개념으로 소비자에게 위성전화 및 위성인터넷서비스를 저가로 직접 제공하는 도매판매 모델이다. 그 외에도 이 네트워크는 긴급통신이나 자연재해 지역에서의 초기대응 통신, 항공기 내 인터넷 제공 등을 타깃으로 하고 있다. OneWeb은 브로드밴드용 위성수신 휴대안테나도 개발하고 있는데, 인터넷 수신을 위하여 36×16cm 크기의 위상배열 안테나를 개발하고 있다.

OneWeb의 또 하나의 특징은 위성의 발사방법에 있다. SpaceX가 자신의 Falcon 9 로켓을 재사용하는 방법을 사용한다면, (그림 3)과 같이 버진(Virgin) 갤럭틱(Galactic)의 ‘WhiteKnight Two’라는 우주여행용 항공기를 이용한 2단 로켓 ‘LauncherOne’을 사용하여 고도 4만5천~5만피트 상공에서 위성을 발사하는 방법을 제안하고 있다. 이 방식을 사용하여 발사가격을 낮추고 사업의 신뢰도를 높인다는 전략이다. 이 발사체로 3~4시간마다 위성을 발사시킬 수 있어, 수명이 다한 위성을 순식간에 교체, 보충할 수 있고, 필요하면 위성을 2,400개까지 확장할 수 있다고 한다. 현재 액체 로켓엔진과 복합재료 구조체를 갖도록 개발 중인 ‘LauncherOne’은 소형위성을 225kg을 저궤도, 120kg을 고고도 태양 동기궤도에 1,000만불의 가격으로 올릴 수 있다고 한다[13].

(그림 3)

‘LauncherOne’을 운반하는 WhiteKnight Two

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<출처>>: The Telegraph, “Sir Richard Branson’s Virgin Enters Space Race for Global Web Access,” Jan. 15th, 2015.

4. Leosat

Leosat은 2015년 들어 3번째로 발표된 메가급의 소형위성의 위성군이다. 빔지향 평판안테나 제작회사인 키메타(Kymeta)의 전직 CEO였던 베른 포더링햄(Vern Fotheringham)이 위성 스타트업인 Leosat에 조인하여, 저궤도 고효율처리위성(High Throughput Satellite: HTS)을 이용하여 위성군 네트워크를 구축하는 프로젝트를 추진하고 있다. 80~120개의 소형위성을 이용하여 2019년 또는 2020년부터 발사를 시작하여 1,800km 상공에 비정지궤도 Ka 대역 브로드밴드 위성네트워크를 구축하고, 개인이 아닌 전 세계 옥외 비지니스 및 정부고객을 상대로 1.2Gbps의 인터넷 서비스를 제공한다는 것이다. 이 프로젝트에는 대략 25억불에서 30억불이 소요될 것으로 예상하고 있다[14].

Leosat은 (그림 4)에서 보는 바와 같이 지상망 밀도나 트래픽에 관계없이 보편적인 글로벌 커버리지를 갖게 될 것이며, 데이터는 암호화되어 전체구간에서 보호될 것이라고 한다. 네트워크는 전체 프로세서의 의해 구동되고 위성끼리는 궤도 내 및 궤도 간 완전 메쉬로 연결되어 넓은 대역폭을 갖는 Low Earth Orbit(LEO) 통신이 될 것이라고 한다. 저궤도위성을 사용하는 경우 전송지연이 50msec 이내이기 때문에 음성통화 같은 시간에 민감한 서비스에도 문제가 없고 지상의 LTE규격에 호환되도록 하여 4G 백홀 서비스도 가능하다. 주요시장으로는 에너지, 수송, 해상 및 기업통신이다. O3b Net-works, 구글 등 처럼 대중을 위한 브로드밴드 인터넷이 아니라 수익성이 좋은 기업, 정부를 위한 필수통신이나 인터넷 등의 하이엔드 사용자 시스템이다. 인터넷이 연결되지 않는 30억명을 대상으로 서비스하는 것이 아니라, 차라리 수입이 좋은 3,000명을 대상으로 서비스하겠다는 것이 비즈니스 개념이다.

(그림 4)

Leosat 위성군 개념도

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<출처>>: P.B. de Selding, “Why LeoSat’s Leaving Internet for the Masses to OneWeb,” Spacenews, Mar. 10, 2015.

Leosat은 2013년에 설립되어 그동안 위성군 프로젝트를 위하여 네트워크 구조, 위성 탑재체, 주파수 요구사항 등을 준비해왔다. 아직 파트너가 어떤 회사인지는 밝혀지지 않았지만 Kymeta는 주축으로 참여하는 것으로 알려져 있다. Kymeta는 메타물질(metamaterial)을 사용하여 얇고 전기적으로 위성을 추적하는 평면형 빔포밍 Ku/Ka 대역 안테나를 제작하고 있다. 저궤도 위성은 빨리 이동하여 연속적으로 추적해야 하므로 끊김없이 통신하기 위해서는 이러한 안테나가 필요하게 된다[15].

Ⅲ. 기존 저궤도 위성군 통신시스템의 업그레이드

1. Iridium

기존의 저궤도 위성군 통신사업자인 이리디움은 2015년 첫 발사를 시작으로 2017년 구축을 목표로 2세대 위성시스템인 이리디움 넥스트(Iridium NEXT)를 추진하고 있다. 66개의 새로운 위성을 사용, 네크웍의 성능향상을 기반으로 해상, 항공, 육상통신용 새로운 단말기를 통해 L 대역으로는 상향 최대 512kbps, 하향 최대 1.5Mbps를, Ka 대역을 통해서는 8Mbps를 제공한다는 계획이다. 아울러 회선교환 데이터 전송속도를 기존 2.4kbps에서 최대 64kbps로, 오픈 포트 서비스를 132kbps에서 최대 512kbps로 증대하고, 추가적으로 64kbps 방송 기능도 제공할 계획이다[16].

이 2세대 위성군의 특이한 점으로는 자체 통신탑재체 외에도 ‘외부탑재체(hosted payload)’라는 개념을 도입하여 데이터링크, 항공트래픽 관제, 카메라, 센서 등의 응용탑재체를 추가적으로 탑재한다는 것이다. 에어리온(Aerion)이라는 자사 벤쳐를 통해, 위성을 이용하여 항공관제당국이 항공기를 실시간으로 추적할 수 있는 자동감시방송(ADS-B, Automatic Dependent Surveillance- Broadcast) 탑재체를 개발하고 있다. 2017년부터는 현재의 레이더로는 커버되지 않는 지역을 포함하는 글로벌 항공트래픽감시 서비스를 제공하여, 2014년 발생한 말레이시아 항공 370기 실종사건 등을 사전에 예방한다는 것이다.

기존의 1세대 위성은 이리디움 넥스트가 완성될 때까지 운용할 예정이고 일부는 2020년까지 운용될 예정이어서 넥스트 시스템은 ‘역호환성’을 갖게 될 것이다. 이리디움은 이미 2010년에 탈레스 알레니아 스페이스와 위성체개발 계약을 체결하여 위성을 개발 중이며, 8억불을 들여 위성을 발사하고 지상국을 업그레이드할 예정이다. 위성발사는 SpaceX의 Falcon 9 로켓과 러시아 ISC Kosmotras의 Dnepr로켓을 이용할 계획이다.

2. Globalstar

글로벌스타도 10억불을 들여 지난 2010년 10월부터 2013년 2월까지 4번에 걸쳐 24개의 새로운 위성을 발사하여 2세대 위성군을 완성한 바 있다. 전체 위성의 수는 32개로, 2007년에 발사한 1세대 위성과 함께 2세대 위성군을 이루고 있으며, 주파수는 상향 L 대역, 하향 S 대역으로 동일하다. 특징적인 새로운 서비스로는 위성을 사용하여 지상용 스마트폰에서의 통화 및 앱 사용을 가능하게 하는 위성기반 WiFi 공유 솔루션인 Sat-Fi가 있는데, 약 100불 가격으로 장치가 제공되고 있다. 아울러 ADS-B링크를 보조하는 시스템인 ADS-B Link Augmentation System(ALAS)을 추가하여 우주기반의 항공트래픽 관리시스템을 준비하고 있으며, 현재 미국 Federal Aviation Administration(FAA)의 승인을 기다리고 있다.

글로벌스타가 현재 가장 공을 들이는 것은 자신의 위성 하향주파수 S 대역과 인접 대역에서의 주파수 스펙트럼 확보이다. 즉, 지상의 802.11 WiFi의 14번 채널 대역(2473~2483.5MHz, ISM 대역)과 자신의 하향주파수 대역(2483.5~2495MHz)이 인접하여 사용하고 있는데, 14번 채널의 이용도가 낮은 점에 착안하여, 이 두 개의 대역을 합친 22MHz 대역(2473~2495MHz)을 지상 저전력 서비스(Terrestrial Low Power Service: TLPS)라는 신규 WiFi 채널로 자신에게 할당해 달라는 청원을 2012년 FCC에 제출한 것이다. 이 서비스는 위성의 하향링크와 WiFi 14번 채널 일부 스펙트럼에 해당되는 주파수 대역에서 802.11 서비스를 하겠다는 것이다. 이렇게 함으로써 이미 포화된 WiFi 대역의 혼잡을 완화할 수 있으며, WiFi 용량을 33% 이상 증대시킬 수 있다고 주장하고 있다[17]. 이러한 서비스 도입으로 인해 기존의 Industry, Science and Medical(ISM) 대역의 사용이나 인접 GPS운용에도 간섭을 주지 않으며, 오히려 학교나 도서관, 병원 등 기관에 2만개의 TLPS 액세스 포인트를 설치, 인터넷을 제공하고, 재난지역으로 선포된 지역 가입자에게는 무료로 이동위성서비스를 제공할 수 있다고 주장하고 있다[18].

그러나 공중 WiFi 채널에서의 WiFi 운용하고 있는 사업자나 2400~2483.5MHz ISM 대역을 사용하는 블루투스 등은 이러한 신규 서비스가 자신들의 인접대역 서비스에 간섭을 줄 수 있다고 반대하고 있으며, 글로벌스타는 간섭을 주지 않는다고 시험 및 시범을 보여주는 등 많은 노력을 하고 있으나 논쟁이 끝나지 않아 FCC가 결정을 못 하고 있다[19].

3. Orbcomm

오브콤 2세대(Orbcomm G2 or OG2) 위성군은 2008년부터 시에라네바다사가 17개의 위성을 제작하여 2014년까지 SpaceX사의 로켓으로 발사, 고도 750km의 52도 경사궤도면에 설치되었다. 위성의 수명은 최소 5년이다. 1세대 위성 대비 OG2 위성에서는 데이터 전송속도와 데이터 패킷의 크기가 증가되었다. 최대 12배까지 통신용량이 증가된 137~153MHz 대역의 VHF 통신탑재체와 헬리컬 안테나, 선박이 해안레이더를 벗어날 경우에도 선박 위치와 정보를 수집할 수 있도록 해 주는 자동식별시스템(Automatic Identification System: AIS) 탑재체를 갖고 있다. 탑재체 데이터의 다운로드는 최대 310Mbps, 통신은 상하향 모두 최대 4Mbps까지 가능하다고 한다[20].

오브콤은 이동단말로부터 지상단말에 이르기까지 소형 데이터 패킷을 중계하면서 정부기관과 기업을 위한 광범위한 M2M 통신서비스를 제공한다. 트럭운송 네트워크, 오일 및 가스, 중장비, 원격지 자산으로부터의 상태 데이터 획득, 과학장비로부터의 데이터수집, AIS를 통한 선박 추적 등이 대표적인 서비스이다.

Ⅳ. 맺음말

다시 돌아온 저궤도 위성군 프로젝트에 대하여 기대 반 걱정 반이다. 비록 투자상황, 기술, 그리고 비즈니스 모델이 과거와는 많이 달라졌지만, 이 새로운 계획이 성공적일까 하는 것에 대해서는 여전히 의문이 많다. 우선 기술적인 측면에서 보면, 만일 모든 저궤도 위성군 프로젝트가 살아남는다면, 2020년까지 최대 5,000개의 저궤도 위성을 발사시켜야 한다. 하루에 2개 비율로 위성을 제작해야 하고 또 모든 위성을 5년 이내에 발사해야 하는데 이에 대한 구체적인 실행계획이 아직은 없어 보여 신뢰성이 떨어진다.

재정적인 측면에서 보면, 구글이나 버진, 퀄컴 등은 수십억 달러의 투자능력이 있고, 혹 투자회수가 제대로 되지 않는다 하더라도 세금감면 등으로 처리할 수도 있는 회사이다. 기존 저궤도 위성군 시스템이 음성통화나 데이터통신 등이 주 서비스인데 비해, 새로이 제안된 시스템은 초고속 인터넷 제공을 위한 브로드밴드 서비스를 목표로 한다. 이미 텔리데식이나 스카이브릿지도 브로드밴드 서비스를 추진했지만, 사업계획의 불명확, 불신에 따라 추가 투자자를 구하는 데 실패했던 점이 여전히 걱정이다. 구글이나 퀄컴 등을 제외하고는 캐쉬 플로우가 플러스로 돌아서기 전까지 재정을 끝까지 감당할 수 있는 회사가 거의 없을 것이라고 일반적으로 예상되고 있다.

사업적 측면에서 보면, 문제는 언제나 이용자 측면에서의 가격이다. 저궤도 소형위성을 매 3~5년마다 대규모로 제작, 발사하는 것이 매 15~20년마다 고가의 대형 정지위성을 몇 개 발사하는 것보다 시장에서 더 경쟁력이 있는지 아직 검증되지 않았다. 마이크로샛이 영상촬영이나 기후연구, 과학 연구용으로는 경제성이 있지만 글로벌한 전송용량과 규모가 필요한 통신용으로도 경쟁력을 가지는지는 검증되어야 한다. 저궤도 통신의 경우에는 위성 네트워크 비용이 더 높아지게 되므로, 단말에서 획기적인 가격혁신이 필요한 것으로 보인다. 지상망 브로드밴드 단말장치의 가격이 20불 수준인 데 비해 현재 250~500불 수준인 위성단말의 가격이 25~50불 수준으로 떨어지는 것이 필요하고, 가정에서의 2Mbps 지상 브로드밴드 서비스의 Average Revenue Per User(ARPU)가 월 10불 수준임을 감안하면, 현재 월 50~200불 수준인 위성 ARPU가 1/10수준으로 줄일 수 있도록 비즈니스가 설계되어야 한다[21].

한편, 기술의 혁신적 발달에 따른 사업적 성공 가능성 외에도 긍정적인 평가도 없지 않다. 그동안 가격 하락을 유도할 만큼 규모의 경제가 없었는데, 저궤도 위성군 프로젝트를 통해 위성 네트워크 비용 및 사용자 비용이 크게 하락하게 될 것이라는 예상도 있다. 만일 모든 프로젝트가 제대로 진행된다면, 위성통신 총 용량은 20~30 테라비트(terabit)로 증가하게 되어, 2023년까지의 정지/중궤도 위성들의 총 용량인 2.5 테라비트를 훨씬 웃돌게 되어, 단위비트당 이용가격이 크게 하락할 수 있게 된다[22].

또한, 신규 저궤도 위성군 프로젝트로 인하여 위성의 설계와 제작에서의 혁신이 일어날 수 있다는 점도 언급된다. 저궤도 위성은 기술적으로 정지궤도 위성과는 다르지만, 대규모 위성제작 시설투자로 인해 위성제작의 시간주기가 단축되어, 정지궤도 위성조차도 채널라이저(channelizer)나 재구성(reconfigurable) 안테나를 사용하여 개발기간을 단축시킬 수 있게 된다. 아직은 초기단계이지만 궁극적으로는 위성산업에서 혁신이 될 것으로 기대하고 있다. 예를 들어 발사체의 경우, SpaceX가 이미 발사가격을 낮추는데 기여했지만 앞으로도 경쟁으로 인하여 추가적인 가격인하가 예상되고 있다[23].

위성산업은 이미 글로벌 산업화되었지만, 저궤도 위성군 사업은 본질적으로 글로벌 산업이다. 우리나라도 새로운 위성벤처 2.0 흐름을 파악하여 한편으로는 대비하여야 하고 또 한편으로는 동참하여야 한다. 이 사업이 전개된다면 우리나라 위성이동통신 서비스들은 설 자리를 잃게 될지 모른다. 정부가 검토하고 있는 정지궤도 이동위성통신(MSS)위성뿐만 아니라 중소형 저궤도위성, 마이크로샛 또는 큐브샛(cubesat), 나노샛(nanosat)을 개발, 이를 이용한 IoT/M2M을 포함한 재난통신 및 해상통신, 각종 원격 데이터수집 및 관리, 기상관측, 환경관측, 국토관리, 수자원관리 등 여러 가지 다양한 서비스를 발굴하고 관련 단말, 부품, SW를 확보하여야 한다. 또한, 이러한 경쟁에서 보듯이 우리나라도 위성 주파수 자원을 우선적으로 확보하고 국내에서 조기 활용하여 주파수 권익을 보호하는 것이 절실하다.

그렇지만 한편으로는 우리나라 위성 및 단말 제조산업에게는 새로운 비즈니스 기회이기도 하다. 그동안의 국가 우주개발사업을 통하여 축적된 저궤도/정지궤도 위성체 기술과 탑재체 및 단말, 부품 기술, 제조/시험시설 등을 활용해 막대한 위성군 관련 제조시장에 진출할 수 있도록 모색하고 투자하는 것이 필요하다.

우주개발은 앞으로의 전 인류가 추진하는 미래의 산업분야이다. SpaceX의 엘런 머스크는 저궤도 위성군 프로젝트의 궁극적 목표는 달을 넘어 화성에 지구식민지를 건설하는 것이라고 한다. 지구를 기반으로 하는 우주통신이 우주개발에서의 중요한 통신수단이자 미래 국가 경쟁력이다. 지상통신 육성 일변도의 산업정책에서 위성통신을 포함하는 균형적인 글로벌 미래 통신산업 육성정책으로 전환하여 미래 우주시대에 대비하는 정책적 혜안이 필요한 때다.

용어해설

HTS 주파수 효율적 재사용 및 다중 스팟빔 기술을 사용하여, 동일 궤도/주파수 할당 대역폭 기준으로 기존 통신위성보다 처리용량이 20배 이상이 되는 고효율 통신위성을 말하며, 대용량을 제공하여 비트당 비용이 매우 싸다. 정지궤도 위성에서 주로 사용하는 기술이나 최근에는 저궤도위성도 이 기술을 채택하는 추세임.

ADS-B 국제민간항공기구(ICAO)가 표준으로 정한 차세대 항공감시시스템의 하나로, 항공기에서 자신의 3차원 위치, 속도 및 기타 정보를 데이터링크를 통해 주기적으로 방송하는 기능이다. 낮은 고도 항공기탐지에 유리하며 탐지시간을 1초 내로 줄일 수 있는 장점이 있음.

마이크로샛(Microsat) 보통 연료를 포함한 총 발사무게가 10~ 100kg인 위성을 칭하는데, 공식적인 구분은 아니다. 마이크로샛은 대부분 서로 연동하거나 편대를 이루어 동작한다. 일반적으로, 소형위성(smallsat)은 무게가 100~500kg인 위성(또는 통칭적으로 500kg이하의 위성), 나노샛(nanosat)은 무게가 1~10kg인 위성, 피코샛(picosat)은 무게가 1kg이하인 위성을 통칭함.

약어 정리

ADS-B

Automatic Dependent Surveillance-Broadcasting

AIS

Automatic Identification System

ALAS

ADS-B Link Augmentation System

ARPU

Average Revenue Per User

FAA

Federal Aviation Administration

HTS

High Throughput Satellite

ISM

Industry, Science and Medical

ISP

Internet Service Provider

ISS

International Space Station

LEO

Low Earth Orbit

M2M

Machine-to-Machine

SpaceX

Space Exploration Technologies

TLPS

Terrestrial Low Power Service

[1] 

日本 總務省, “情報通信審議會 情報通信技術分科會 衛星通信システム委員會 報告,” Jan. 18th, 2014.

[2] 

Computer World, “Why Google and Facebook need Balloons, Drones and Rockets,” Dec. 6th, 2014.

[3] 

Global News, “Facebook, Google Compete to Connect the Entire World,” Mar. 3rd, 2015.

[4] 

Fierce WirelessTech, “High-Flying 2.0 Satellite Ventures not Likely to Fail Like 1.0 Satellite Firms,” Feb. 2nd, 2015.

[5] 

Global News, “Google to Start Testing Solar-Powered Internet Drones,” Mar. 2nd, 2015.

[6] 

Tech Crunch, “Facebook’s Aquila Drone Will Beam Down Internet Access with Lasers,” Mar. 26th, 2015.

[7] 

Pocket-lint, “The Internet Space Race is on: Google Loon vs Facebook Drones vs SpaceX Satellites,” Mar. 27th, 2015.

[8] 

IEEE Spectrum Technology, “SpaceX Raises $1 Billion from Google and Fidelity for Satellite Internet Project,” Jan. 27th, 2015.

[9] 

Fierce WirelessTech, “Tesla CEO confirms SpaceX Venture with Advanced Microsatellites,” Nov. 11th, 2014.

[10] 

UPI, “Video Shows SpaceX Rocket Booster Crash Land on Floating Target,” Apr. 16th, 2015.

[11] 

J. Wheeler, “Spectrum above 6GHz: The Next Big Issue,” Via Satellite Magazine, Mar. 23th, 2015, http: //interactive.satellitetoday.com/via/new-issue/spectrum-above-6ghz-the-next-big-issue/

[12] 

Fierce WirelessTech, “In 5G Proceeding, SpaceX Urges FCC to Protect Future Satellite Ventures,” Feb. 22nd, 2015.

[13] 

C. Forrester, “Branson Advances His Satellite Initiative,” SatMagazine,, Feb. 2015, pp. 26-29.

[14] 

Satellite Today News, “Vern Fotheringham Speaks about New LEO Broadband Project,” Mar. 4th, 2015.

[15] 

Tech zone 360, “The New Satellite Broadband Rush,” Mar. 10th, 2015.

[16] 

Iridium web site, https://www.iridium.com/About/Iridi umNEXT.aspx

[17] 

Satellite Today News, “Globalstar Sees Revenue Growth, Awaiting FCC and FAA Approval for New Opportunities,” May 9th, 2014.

[18] 

Globalstar, http://www.globalstar.com/en/ir/docs/FCC %20Presentation%20(June%202013)%20FINAL.pdf

[19] 

Fierce WirelessTech, “Globalstar: Tests at FCC Facility Show Successful TLPS Implementation,” Mar. 11th, 2015.

[20] 

Spaceflight101, “Orbcomm Second Generation-Satellite Overview,” http://www.spaceflight101.com/orbcomm -g2-satellite-overview.html

[21] 

M. Holmes, “LEO Constellation Announcements: The Industry Reacts,” Via Satellite, Mar. 23rd, 2015.

[22] 

A. Boyle, “SpaceX, Google and Virgin Revive Buzz Over Satellite Internet,” Jan. 21st, 2015, http://www.nbcnews.com/science/space/spacex-google -virgin-revive-buzz-over-satellite-internet-n289721

[23] 

C. Forrester, “Constellations A GoGo,” SatMagazine, May 2015, p. 12.

(그림 1)

이리디움 위성군 개념도 및 위성전화 단말

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<출처>: https://www.iridium.com/About/IridiumGlobalNetwork/SatelliteConstellation.aspx

(그림 2)

위성들의 전쟁으로 묘사한 저궤도 위성군 프로젝트 관련 기사[13]

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(그림 3)

‘LauncherOne’을 운반하는 WhiteKnight Two

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<출처>>: The Telegraph, “Sir Richard Branson’s Virgin Enters Space Race for Global Web Access,” Jan. 15th, 2015.

(그림 4)

Leosat 위성군 개념도

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<출처>>: P.B. de Selding, “Why LeoSat’s Leaving Internet for the Masses to OneWeb,” Spacenews, Mar. 10, 2015.

<표 1>

대표적인 저궤도 위성군 통신시스템[1]

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<출처>: Linaro, “EA-Scheduler,” 2015.

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