광명성 3호는 어떤 인공위성인가

일부 언론의 주장대로라면 한국이 자랑하는 인공위성 아리랑 1호는 시험위성이며 우리별 3호는 미사일이라는 황당한 궤변에 이른다. 정치를 배제하고 과학의 눈으로 바라볼 때 있는 그대로의 ＜광명성 3호＞에 접근할 수 있다. (아래 사진은 한국의 천리안 인공위성) 

광명성 3호는 어떤 인공위성인가

동북아의 문
http://namoon.tistory.com

북한이 예고한 인공위성 ＜광명성 3호＞ 발사 시기가 다가오고 있다. ＜광명성 3호＞는 어떤 인공위성일까?

지난 3월 28일 북한의 조선우주공간기술위원회 우주개발국 부국장은 조선중앙통신사 기자와 회견에서 ≪광명성 3호는 지구관측위성으로서 우리나라의 산림자원분포 정형과 자연재해 정도, 알곡예정 수확고 등을 판정하고 기상예보와 자원탐사 등에 필요한 자료들을 수집하게 된다≫고 밝혔다. 또한 ≪광명성 3호에는 촬영기가 설치되어있으며 사진을 비롯한 관측 자료들을 위성관제종합지휘소에 보내오게 된다≫면서 ≪위성의 질량은 100kg이고 고도 500km인 태양동기원궤도를 따라 돌며 수명은 2년≫이라고 하였다.

▲광명성 2호 발사장면

정리하자면 인공위성 ＜광명성 3호＞의 목적은 기상예보, 자원탐사로 북한 관측 사진을 보내는 기능이 있으며 질량은 100kg, 고도는 500km, 궤도는 극궤도이자 태양동기원궤도, 수명은 2년이다. 각각이 무슨 내용인지 자세히 살펴보자.

광명성 3호는 다목적 실용위성

우선 북한의 발표에 따르면 인공위성 ＜광명성 3호＞는 기상위성, 지구관측위성으로 분류할 수 있으며 다목적 실용위성이라고 하겠다.

인공위성이란 지구 주위를 돌도록 만든 비행체다. 태양과 같이 스스로 빛을 내는 천체를 별 혹은 항성(恒星)이라고 하며 항성 주위를 도는 천체를 행성(行星)이라고 한다. 그리고 행성 주위를 도는 천체를 위성(衛星)이라고 한다. 인공위성은 사람이 만든 위성이란 뜻이다. 인공위성에는 크게 과학위성, 통신위성, 군사위성, 기상위성, 항법위성, 지구관측위성 등이 있다.

과학위성은 과학실험을 위해 만든 인공위성이다. 한국은 우리별 1, 2, 3호, 과학기술위성 1호(우리별 4호) 등 4개의 과학위성을 가지고 있다. 과학기술위성 2호는 A, B 두 개로 개발되어 나로호에 실려 발사될 계획이었으나 나로호 발사가 두 차례 실패하면서 모두 파괴되고 말았다.

▲우리별 2호

통신위성(COMSAT)은 통신을 주목적으로 하는 인공위성이다. 통신위성은 마이크로파 무선 중계 기능이 있어 TV와 라디오의 방송 통신은 물론 선박, 비행기, 자동차, 휴대용 단말기 등의 이동 통신에도 사용한다. 한국은 무궁화 1, 2, 3, 5, 6호(무궁화 6호는 KT가 개발한 위성으로 ＜올레1호＞라고도 부른다) 등 5개의 통신위성을 가지고 있다. 4호가 없는 이유는 4가 죽음(死)을 연상시키기 때문이라고 한다. 첨단 과학기술의 집결체인 인공위성의 이름에도 미신이 개입하는 셈이다.

군사위성은 주로 정찰용 위성으로 미국, 러시아, 중국 등의 나라들이 보유하고 있다. 낮은 궤도를 돌면서 원하는 지역을 정밀 관측한다. 필요한 때에는 낮은 궤도로 내려와 촬영을 하고 다시 올라가는 경우도 있다.

기상위성은 구름 상태 등 여러 기상 요소들을 관측하는 인공위성이다. 한국은 천리안 위성을 가지고 있다. 천리안 위성은 해양 관측, 기상 관측, 통신 서비스 임무를 수행하는 정지궤도 복합위성이다.

항법위성은 전파를 발사해 선박이나 비행기가 자신의 위치를 정확히 알 수 있도록 도와주는 인공위성이다. 흔히 말하는 GPS(Global Positioning System)는 미국 국방성이 개발한 위성항법시스템을 뜻한다.

지구관측위성(Earth observation satellites)은 주로 바다의 표면 온도와 조류의 방향, 바다 수면의 높이 등을 관찰하거나 지하자원의 탐사, 화산활동, 농작물 상태, 수확량 예측, 산림 분포, 하천과 바다의 오염상태 등을 관찰하는 인공위성이다. 지구관측위성에 싣는 관측 장비로는 가시광역 센서, 적외선 센서, 수직온도 분포 관측 센서, 전파 센서, 레이더 등이 있다. 한국은 아리랑 1, 2호를 가지고 있다. 아리랑 위성은 한반도 부근 지도 제작과 해양, 우주 관측을 하는 다목적 실용위성이다.

▲아리랑 1호

인공위성 ＜광명성 3호＞는 이 가운데 산림자원분포, 자연재해 정도, 곡물재배 상황을 관측하고 기상예보와 자원탐사까지 하는 기상위성, 지구관측위성이라고 할 수 있다. 이런 기능을 위해서는 당연히 지구를 촬영할 수 있는 촬영기와 정보를 전송하는 전파 송신기가 있어야 한다. 기상위성이나 지구관측위성의 핵심은 가시광선, 적외선 촬영기이며 촬영기의 성능이 인공위성의 성능을 좌우한다고 할 수 있다. 북한은 촬영기를 장착했다고만 하고 구체적 정보를 공개하지는 않았다.

참고로 한국의 천리안 위성은 해양탑재 시스템과 기상탑재 시스템을 갖추고 있으며 해양탑재 시스템의 공간해상도는 500m, 기상탑재 시스템의 공간해상도는 가시광선 1km, 적외선 4km 수준이다. 해상도 1km는 가로 세로 각각 1km인 정사각형을 하나의 점으로 인식한다는 의미다. 해양관측이나 기상관측은 넓은 범위를 관측하기에 보통 해상도가 낮다. 천리안 위성은 한국항공우주연구원과 프랑스의 EADS 아스트리움이 공동 개발했다.

아리랑 1호의 전자광학 사진기의 해상도(흑백)는 6.6m, 해양관측 사진기의 해상도는 1km다. 아리랑 1호 개발에는 한국항공우주연구원 주관 아래 한국전자통신연구원, KAIST 인공위성연구센터와 여러 대기업들, 그리고 미국의 TRW(Thompson, Ramo and Wooldridge)사, OSC(Oriental Science Corporation)사가 참여했다. 아리랑 2호는 이스라엘 ELOP사와 공동 개발한 MSC(Multi Spectral Camera) 렌즈를 장착했는데 직경 60cm인 이 렌즈의 해상도는 흑백 1m, 천연색 4m다.

▲아리랑 2호가 보내온 인공위성 사진

북한은 인공위성을 100% 국산화하였다고 발표했다. 성능을 확인할 수 없기에 단순 비교는 할 수 없지만 주요 기능을 외국 기업과 공동개발한 한국의 인공위성과 개발 과정에서 차이가 있음을 확인할 수 있다.

우리별 3호가 미사일?

다음으로 각종 제원을 살펴보자. 북한은 인공위성 ＜광명성 3호＞의 제원을 질량 100kg에 수명 2년, 고도는 500km, 궤도는 극궤도이자 태양동기원궤도라고 밝혔다.

일부 언론에서는 무게(질량이 정확한 표현이지만 편의상 무게라고 표현한다)와 수명을 두고 실용위성이 아닌 시험위성이라고 평가절하하고 있다. 즉, 아리랑 1호의 무게 470kg, 수명 8년에 비해 한참 못 미치며 우리별 3호 수준이라는 것이다. 그러면서 실용위성이라면 무게와 수명이 각각 최소 500kg과 5년은 돼야 하기 때문에 ＜광명성 3호＞는 위성이라기보다는 미사일로 봐야 한다고 주장한다. 하지만 이 주장을 그대로 받아들인다면 아리랑 1호도 무게가 500kg에 못 미치는 시험위성이며 우리별 3호도 미사일이라는 황당한 궤변이 되고 만다.

일단 무게를 살펴보면 과학위성인 우리별의 경우 1, 2, 3호가 각각 48.5kg, 47.5kg, 110kg이며 과학기술위성 1호는 106kg이다. 지구관측위성인 아리랑은 1, 2호가 각각 460kg, 800kg이다. 따라서 무게만 따져보면 지구관측위성보다는 과학위성에 가깝다고 할 수 있다. 하지만 원래 인공위성의 기능상 종류를 분류하는데 무게를 기준으로 삼는 경우는 없으며 참고사항에 불과하다.

무게를 기준으로 인공위성을 분류하면 중대형(500kg 이상), 소형(500~100kg), 초소형(100~10kg), 극초소형(10kg 이하) 등으로 구분할 수 있다. 인공위성의 무게가 가벼울수록 발사 비용이 줄어들기 때문에 최근 각국은 소형위성 개발에 힘을 쏟고 있다.

미국은 국방성, 공군, 항공우주국의 적극적 지원 아래 소형위성을 핵심 우주기술 분야 중의 하나로 선정하여 중점적으로 연구하고 있으며, 영국은 써리 대학교와 SSTL(Surrey Satellite Technology LTD)을 중심으로 소형위성 개발 및 상용화에 힘쓰고 있다. 프랑스 역시 국립 우주센터와 Astrium사를 중심으로 소형위성 개발 프로젝트를 수행하고 있다. 일본은 우주항공연구개발기구(JAXA) 주도로, 대만은 대만우주국 주도로, 이스라엘도 국가 차원에서 소형위성 개발을 추진하고 있다.

실제로 과학위성을 제외한 실용위성 가운데 소형, 초소형 인공위성을 살펴보면 독일의 Bird1(92kg), 나이지리아의 NigeriaSat1(80kg), 영국의 BNSCSat1(100kg), 이란의 Navid(50kg) 등 다수의 인공위성이 존재한다. 만약 ＜광명성 3호＞가 다른 지구관측위성과 비슷한 성능을 갖고 있으면서도 무게가 가벼운 소형위성이라면 이는 북한의 인공위성 제작 기술 수준이 그만큼 높다는 것을 의미한다. 하지만 아직 ＜광명성 3호＞의 구체적인 제원이나 성능이 공개되지 않았으므로 판단하기에는 이르다.

▲이란의 나비드 인공위성

수명 역시 실용, 시험위성의 기준이 될 수는 없다. 언론은 아리랑 1호의 수명이 8년이라고 보도했지만 사실 설계수명은 3년이었다. 운이 좋아 8년이나 작동했을 뿐이다. 원래 인공위성의 수명은 대기권으로 재돌입하여 파괴될 때가지를 기준으로 하기도 하고, 주어진 기능이 정지할 때까지를 기준으로 하기도 한다. 보통 설계수명은 기능이 정지할 때까지를 기준으로 한다.

기능이 정지하는 원인에는 전원을 다 쓰는 경우, 고장이 나는 경우, 운석과 충돌하는 경우 등이 있다. 하지만 주된 원인은 정해진 궤도에서 이탈할 경우 궤도를 수정해야 하는데 수정하지 못하는 경우다. 인공위성 주변에는 희박하지만 그래도 대기가 있기 때문에 공기저항 때문에 점차 궤도가 틀어진다. 또 태양풍(햇빛의 압력)도 궤도를 바꾸는 요인이다. 이때 이온엔진 등 소형로켓을 이용해 궤도를 수정해야 하는데 이것도 연료를 다 쓰고 나면 궤도 수정이 불가능해 인공위성이 제 기능을 하지 못하게 된다.

일반적으로 인공위성을 만들 때는 예상되는 정상 작동 기간을 기준으로 설계수명을 정한다. 하지만 운이 나쁘면 설계수명보다 빨리 기능이 정지하기도 하며 반대의 경우도 있다. 아리랑 1호의 경우 운이 좋은 경우라고 하겠다. 아리랑 2호 역시 설계수명은 3년이었으나 6년이 지난 지금도 작동하고 있다.

따라서 인공위성 ＜광명성 3호＞ 역시 설계수명은 2년이지만 얼마나 작동할지 예상할 수는 없으며 이를 두고 실용위성이다, 시험위성이다 따질 수는 없다.

실용위성에 적합한 궤도

인공위성 ＜광명성 3호＞의 고도는 500km로 저궤도에 해당한다.

저궤도(Low Earth Oribit, LEO)는 고도 500~1,500km 사이를 말한다. 저궤도 인공위성은 90~100분 정도면 지구 한 바퀴를 돌 수 있다. 저궤도 위성은 다른 위성들보다 지구와 가까운 곳에 있기 때문에 주로 지구자원탐사용, 해양 및 기상 관측용, 군사 목적의 첩보수집용으로 사용된다. 과학위성도 대부분 저궤도에 자리 잡고 있으며 국제우주정거장(ISS)도 고도 350~400km에 있다. 아리랑 위성도 저궤도를 돌면서 지구를 관측하고 있다.

중궤도(Midium Earth Orbit, MEO)는 고도 1,500~20,000km 정도로 주로 통신위성이 자리를 잡는다. 대표적인 중궤도 위성이 GPS 위성군이다.

정지궤도(Geostationary Earth Orbit, GEO)는 지구의 적도 상공 고도 약 35,786km에 있는 원형궤도다. 이곳의 인공위성은 지구의 자전주기와 동일한 방향, 동일한 속도로 움직이기 때문에 지구에서 보면 정지한 것처럼 보이기 때문에 정지위성이라 부른다. 정지위성은 적도의 한 지점에서 머물면서 지구의 넓은 영역을 비출 수 있어서 통신위성, 방송위성, 기상위성의 궤도로 많이 이용되고 있다. 그러나 위성이 항상 적도 평면에 머물러 있기 때문에 고위도 지역의 이미지가 왜곡되고, 정지궤도에 놓일 수 있는 위성의 수가 제한적이라는 단점이 있다.

한편 ＜광명성 3호＞의 궤도는 극궤도, 태양동기원궤도라고 한다.

극궤도(polar orbit)는 저궤도의 특별한 형태로 남북으로 지구를 돌면서 남극과 북극의 상공을 통과하는 궤도다. 극궤도위성은 대부분 600~800km 고도에서 약 98~102분의 주기로 지구를 한 바퀴 돈다. 극궤도위성이 남북으로 지구를 도는 동안 지구는 서쪽에서 동쪽으로 자전하기 때문에 지구표면 전체를 관측할 수 있다. 따라서 주로 지구관측위성, 기상위성, 해양관측위성 등이 극궤도를 이용한다.

태양동기원궤도는 원궤도이면서 동시에 태양동기궤도라는 의미다. 보통 인공위성은 고도를 일정하게 유지하기 위해 원궤도를 선택하지만 경우에 따라서는 타원궤도를 도는 경우도 있다.

태양동기궤도는 지구가 태양 주위를 공전하는 주기와 같은 주기를 가지고 궤도 평면이 움직이는 궤도를 말한다. 즉, 1년에 한 바퀴씩 인공위성의 궤도면이 지구를 돌기 때문에 인공위성 입장에서는 지구와 태양의 위치가 항상 똑같게 된다. 태양동기궤도가 좋은 점은 인공위성이 받는 태양빛이 일정하므로 환경 변화가 적어 설계가 편하다는 점과 함께, 어떤 지역 상공을 항상 같은 시간에 지난다는 점을 들 수 있다. 즉, 태양동기궤도 인공위성은 1년 내내 한반도 상공을 지나는 시각이 동일하다.

▲왼쪽은 일반궤도, 오른쪽은 태양동기궤도를 붉은 선으로 표시했다

이런 장점 때문에 극궤도위성은 대부분 태양동기궤도를 선택한다. 우리별 시리즈나 아리랑 시리즈도 모두 태양동기궤도였다. ＜광명성 3호＞의 경우 북한 전역을 촬영할 목적으로 만들었으므로 북한 상공을 대낮에, 그 중에서도 통계적으로 가장 청명한 시각에 통과하도록 설정할 것으로 보인다.

지금까지 북한이 공개한 자료를 토대로 인공위성 ＜광명성 3호＞의 실체를 분석해보았다. 보수언론에서 주장하는 것과 달리 ＜광명성 3호＞가 실용위성이 아니라고 할 근거는 없다. ＜광명성 3호＞의 무게, 고도, 궤도 등을 살펴볼 때 기상위성, 지구관측위성으로서 특별한 하자를 발견할 수 없다. 정부나 언론은 스스로 권위를 떨어뜨리는 왜곡되고 편향된 주장을 중단하고 ＜광명성 3호＞의 실체를 확인하기 위한 참관단 파견을 적극 검토하는 것이 좋겠다. (2012.4.3.)

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* 팟캐스트 ＜불철주야＞ 서버 이전 중입니다. 4월 중으로 방송을 재개하겠습니다. 양해바랍니다.