한화시스템의 "초소형 SAR 위성" 5분 리뷰

국내 기술 100%로 80kg급 초소형 SAR 위성개발

국내에는 유일한 인공위성 제작 기업인 "쎄트렉아이"가 있다. 그러나 이제는 "유일의" 수식어가 어울리지 않다.
국내 대기업 한화시스템이 뛰어들었기 때문이다. 한화시스템은 한화그룹 중 아니, 국내에서 항공우주 산업에 가장 적극적으로 투자하고 있는 기업이다. 미래 모빌리티 UAM 개발뿐 아니라 하나의 발사체로 다수의 위성 대량 발사, 위성 경량화를 특징으로 하는 New Space 패러다임 경향에 맞춰 통신위성 및 정찰 위성 개발에도 뛰어든 상황이다. 특히, 정찰 위성 같은 경우 한화시스템이 레이더 분야에서 구축한 다양한 경험 및 독자적인 개발 역량으로 80kg급 초소형 SAR 위성을 국내 기술 100%로 개발 중에 있다. 최근 한화시스템은 SCI급 저널 Aerospace에 "80kg급 X-대역 능동형 초소형 SAR 위성 설계" 논문을 게재하면서 세계적으로 초소형 위성 제조 기술력을 인정받았다. 해당 논문을 읽고 간단하게 리뷰하고자 한다.

* SAR (Synthetic Aperture Radar, 합성개구레이다): 공중에서 지상 및 해양을 관찰하는 레이다로 위성에서 레이더를 순차적으로 쏜 후 굴곡면에 반사되어 돌아오는 미세한 시간차를 처리하여 지상지형도를 만들거나 지표를 관측하는 레이더 시스템. 레이더를 사용하기 때문에 주간 및 야간, 그리고 악천후에도 사용할 수 있다는 장점을 가짐

 

초소형 위성 군집 궤도 시뮬레이션 개념도

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한화시스템 초소형 SAR 위성

◎ 초소형 SAR 위성 탄생 배경

먼저 감시정찰위성의 종류는 탑재체 센서에 따 크게 두 가지로 EO∙IR (전자광학) 위성 그리고 SAR (레이더) 위성으로 나뉜다. 그 중 한화시스템은 SAR 위성이 악천후에도 영향을 받지 않는 장점을 가진 점에 주목하여 미래도전기술개발로써 초소형 SAR 위성군 개발에 착수하게 되었다. 여기서 주목할 점은 미래도전기술개발이다. 단순 지상 관측용 목적이 아닌 군사용 위성으로써 전략적 자산 성향을 띈다는 점. 군사용 목적으로 군사시설에서의 감시 및 정찰 임무수행능력 향상을 위해 수립된 임무계획에 따라 특정 지역을 단시간 내 최대로 촬영할 수 있는 영상이 요구된다.

* EO∙IR(Electro-Optical∙Infra-Red) : 감시정찰 분야에서 '눈' 역할을 수행하는 센서로 일반 광학 카메라와 적외선 카메라가 장착 되어 야간에는 적외선 카메라로, 주간에는 광학카메라로 표적을 탐지 및 추적.
* 미래도전기술개발 : 소요가 결정되지 않거나 예정되지 않은 무기체계에 대한 적용을 목적으로 혁신 및 도전적으로 개발하는 국방기술개발

여기에 초소형 SAR 위성군을 형성하게 되면 짧은 주기로 거의 실시간 원격 감지가 가능해져 기존 중대형 SAR 위성 임무를 보완하거나 대체할 수 있다. 아래 그림을 보면 여러 소형위성이 중형위성에 속하는 KOMPSAT-5와 비교하여 비슷한 해상도로 비용 효율적이고 실용적인 SAR 영상을 제공할 수 있다. 특히, 한화시스템의 초소형 SAR 위성은 더 작고 가벼운 새로운 개념을 추구하는 도전적인 전략이다.
 

위성 질량 대비 SAR 이미지 해상도 비교

 

◎ 초소형 SAR 위성의 임무

1. 기본 임무 목표
한화시스템 초소형 SAR 위성의 기본 임무 목표는 저비용으로 개발된 80kg급 초소형 위성을 통해 고해상도 SAR 이미지를 사용하여 지구 표면을 평균 재방문 시간 30분 내 지속적으로 모니터링하는 것이다.
특정 지역에 대한 위성의 재방문 주기는 궤도 기울기에 따라 달라지기 때문에 관심 영역의 경도에 따라 궤도 입사각을 선택한 후 최적화하였다. 510 ± 10km의 고도 범위에서 4개의 궤도에 8개의 위성이 일정한 간격으로 배치되어 총 32개의 위성을 운영한다. 아래는 초소형 SAR 위성 32개의 궤도 시뮬레이션 및 위성 스펙을 나타내었다.
 

초소형 SAR 위성 군집(32) 궤도 시뮬레이션

표1. 한화시스템 초소형 SAR 위성 스펙

Specification	Value
수명	3년
무게	80.3kg
크기	1970 × 1060 × 200 mm
이미지 획득 시간	최대 60초

 

◎ 초소형 SAR 위성의 특징

1. 본체 및 탑재체 일체형 위성
한화시스템의 초소형 SAR 위성은 다른 위성과 달리 SAR 탑재체 - 본체 - 태양전지판으로 일체화된 얇은 직육면체 형태(1970 mm × 1060 mm)로 설계된 혁신적인 접근방식으로 주목할 만하다. 이로 인해 무게는 줄이고 하나의 발사체에 수납 효율을 극대화 시켜 발사 비용을 절감하고자 하는 목적이다.

* 발사 비용은 발사체에 탑재되는 위성의 무게만큼 소요돼 개발 비용에 있어 많은 부분을 차지함. NASA 우주왕복선 기준 : 7,800만원/kg

 

좌측 사진 : 기존 위성과 초소형 SAR 위성 비교, 우측 사진 :일체형으로 설계된 SAR 위성; (a) 태양 전지판 방향, (b) SAR 안테나 방향

2. 군집 운용 시스템
군집 운용을 통해 관심 지역을 빈번하게 방문할 수 있어 준 실시간 감시가 가능하다. 이에, 관심 지역을 지나칠 때만 감시 정찰이 가능했던 기존 정지궤도 위성의 한계점을 극복할 수 있다.

* 한화시스템의 초소형 SAR 위성의 재방문 주기는 30분 목표로 설계됨

 

초소형 SAR 위성의 발사체 탑재 구조

3. 고해상도(Stripmap) 및 광폭모드(ScanSAR)
초소형 SAR은 Stripmap과 ScanSAR을 포함한 여러 모드에서 작동하여 다양한 해상도를 가진 다목적 SAR 이미지를 제공할 수있다. 아래 그림과 표에는 각 이미징의 개략도와 성능을 나타내었다.
Stripmap 이미징은 SAR 기술의 가장 기본적인 기술이며 지속적으로 이미지를 제공한다는 특징이 있다.
ScanSAR 이미징은 Stripmap 이미징보다 넓은 범위에서 이미지를 제공하지만 지속적이지 않다는 점과 해상도가 다소 낮은 특징이 있다.

고해상도 및 광폭 모드 작동 개념

표2. 고해상도(Stripmap) 및 광폭모드(ScanSAR) 성능

Parameters	Stripmap mode	ScanSAR mode
접근 지역	15° ~ 35°	15° ~ 35°
정찰 범위	≥5 km	≥15 km
해상도	≤1 m at 25°	≤4 m at 25°

◎ 초소형 SAR 탑재체

SAR 탑재체는 SAR 안테나에 따라 경량화, 적재 부피 효율, 열 전도 등의 이슈를 고려하여 설계된 것으로 보인다. 깊이 있는 분석으로 어려움이 있어 간단하게 아래 사진으로만 나타내었다.
탑재체 구성품은 I-EFE, RFU, DCU 그리고 PSU 등으로 구성된다.

초소형 SAR 위성 탑재체; (a) 통합 전자 장치 (I-EFE), (b) 무선 주파수 장치 (RFU), (c) 디지털 제어 장치 (DCU), (d) 전원 공급 장치 (PSU)

 

초소형 SAR 위성 구조 내부 : 탑재체가 SAR 안테나 후면에 부착된 방식으로 설계

 

◎ 마지막 말

최근 러시아 우크라이나 전쟁으로 인해 위성의 군사적 활용이 주목받고 있는데, 미국의 정찰 위성이 정찰, 감시, 조기 경보와 같은 군사용 정보를 우크라이나에게 제공한 바 있다. 이처럼 정찰위성은 현재 감시정찰 분야에서 전략적 이점을 차지할 수 있으며, 초소형 SAR 위성은 군집 형태로 신속한 징후감시 및 조기경보 능력과 악천후에도 정찰 가능한 장점으로 감시정찰 자산으로서 매우 높은 가치를 자랑한다.

좌측 사진: 한화시스템의 초소형 SAR 위성, 우측 사진: 누리호

국내 우주개발이 활성화된 것은 뉴스페이스 시대도 큰 몫을 차지했지만 2021년 한미 미사일 지침 종료가 큰 역할을 차지했다. 이후 우주개발에 많은 관심이 쏟아졌으며 적극적이 투자가 이뤄졌다. 한화그룹은 발빠르게 스페이스 허브를 구축하며 위성과 발사체를 동시에 개발 추진하며 민간 우주사업의 주축으로 자리잡게 된다.

올해 대한민국 뉴스페이스의 핵심 사건은 두말할 필요 없이 2건이다.

• 2023년 11월 : 한화시스템 초소형 SAR 위성 발사
• 2023년 5월 : 누리호 3차 발사

두 사업 모두 성공할 경우 자력으로 개발한 초소형 위성을 우리가 개발한 발사체로 발사가 가능한 한국의 대우주 시대 본론으로 들어가게 된다.

참고자료

1. Seok Kin et al. Design and Performance of X-Band SAR Payload for 80kg Class Flat-Panel-Type Microsatellite Based on Active Phased Array Antenna, Aerospace, 2022:9(4):213.
2. 이명재 외 4명, "초소형 SAR 위성 개념 설계를 위한 예비 구조해석", 한국항공우주학회, 2020:403-405
3. 임재혁, "국내 초소형 SAR 위성 기술 개발 동향", 기계저널, 2022:62:30-57
4. 방위사업청, "뉴스페이스 시대를 선도하는 초소형위성체계 개발사업 추진동향", PDF
5. 경향신문, "한화시스템, 감시정찰용 초소형 SAR 위성 국내 기술 100%로 개발", 2021.09.30
6. 한화그룹 블로그, "한미미사일지침 종료로 제한 풀린 민간 우주산업 발전, 한국판 ‘뉴 스페이스 시대’ 열릴까?", 2021.06.30
7. 글로벌이코노믹, "우주발사 비용, 스페이스X 이후 얼마나 떨어졌나?", 2022.02.06
8. LIBERY KOREA POST, "우주시대 여는 한화시스템···초소형 SAR위성·저궤도통신위성·위성간 통신 링크", 2023.02.17
9. 한화시스템 뉴스레터, "빈틈 없는 감시정찰을 위한 ‘군집형 초소형 SAR 위성", 2022.07.13

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