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우리의 기술로 개발한 최초의 정지궤도위성, '천리안위성'이 곧 발사될 예정입니다. 천리안위성은 통신해양기상위성으로, 통신 위성과 해양 관측 위성, 기상 위성의 역할을 모두 하는 위성입니다. 천리안위성이 가진 기능 중 아무래도 기상 부분이 가장 친숙할 것으로 생각됩니다. 그러면 기상 위성에 대한 일반적 지식과 함께 천리안 위성에 대해서 알아볼까요? |
시험 중인 천리안위성. 국내 기술로 개발한 최초의 정지궤도위성이다.
| 일기예보에 나오는 위성 사진은 기상 위성이 찍은 것
사람이 살아가면서 가장 자주 관심을 두는 정보 중 하나가 바로 날씨입니다. 비단 맹추위와 폭설이 반복되지 않더라도 TV나 라디오에서 나오는 일기예보에는 가던 길을 멈추고 귀를 기울이게 됩니다. 특히 TV에서 나오는 일기예보를 보면, 항상 보게 되는 사진이 있습니다. 바로 위성에서 찍은 구름 사진입니다.
아래의 사진은 우리나라 기상청에서 배포하는 구름 사진입니다. 한반도 위에 대각선으로 늘어져 있는 구름대가 보입니다. 이런 사진을 주로 찍는 위성을 기상위성이라고 합니다. 기상위성은 어떻게 생겼고 어떤 원리로 구름 사진을 찍으며 또 어떤 과정을 거쳐 텔레비전이나 신문의 일기 예보에 등장하는 것일까요? 지금부터 이런 구름 사진을 만들어 내는 기상위성에 대해서 알아보도록 하겠습니다. 기상위성에는 저궤도 위성도 있고 정지궤도 위성도 있지만, 여기서는 정지궤도 기상위성을 주로 다루겠습니다. | |
일본의 기상위성 MTSAT-1R에서 찍은 한반도의 영상, 지금까지 우리나라는 정지궤도 기상위성이 없어,
미국과 일본 위성에서 찍은 영상 자료를 받아 사용해왔다. <출처: 기상청>
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정지궤도 기상위성의 역사
기상 및 해양관측을 지속적으로 수행하는 정지궤도 기상위성은 1966년부터 미국 NASA에 의해 실험위성 ATS 및 SMS 시리즈가 개발∙운영되다가, 1970년대 중반에 GOES(Geostationary Operational Environmental Satellite) 시리즈로 발전하게 됩니다. 이후에 GOES 4호부터 7호까지의 상용화 1세대와 GOES 8호부터 12호까지의 상용화 2세대를 거쳐, 현재는 GOES N∙O∙P∙Q 시리즈의 개발이 완료되었습니다. 미국의 GOES 위성 시리즈의 개발 과정으로부터 파생되어 몇몇 기술 선진국에서 정지궤도 기상위성을 자력으로 개발하여 운용하기에 이르렀습니다. 현재까지 세계 정지궤도 기상위성의 발전 흐름은 아래 그림에서 보는 바와 같습니다. 미국의 GOES 1~3호의 개발에 힘입어 일본의 GMS, 유럽의 METEOSAT, 인도의 INSAT의 개발이 시작되었고, 각 나라는 기상위성의 확보와 개발의 필요성을 인지하고 여러 번의 시행착오를 거쳐 독자적 정지궤도 기상위성 기술을 습득하기에 이른 것입니다. | |
세계 각국의 정지궤도 기상위성 발전사. 일본과 유럽은 미국의 GOES위성 기술을 토대로 발전하였고,
중국과 인도의 위성은 독자적인 설계로 발전하였다.
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정지궤도 기상위성은 지구와 함께 돌면서, 지구 표면의 구름 사진을 촬영한다
정지궤도 기상위성은 그 공전 주기가 지구의 자전 주기와 같습니다. 그래서 지구 표면의 특정 지역을 하루 24시간 동안 언제든지 관측할 수 있습니다. 기상 관측 위성이라고는 하지만 사실 지상의 구름 사진을 찍는 것이 임무이고 위성에 탑재된 장비도 카메라이므로, 엄밀히 말하면 ‘촬영’이 더 올바른 용어가 아닐까 싶습니다. 그림은 GOES 위성 8~12호 위성에 탑재되었던 기상 관측용 카메라입니다. | |
GOES 위성의 기상 관측용 카메라 (왼쪽), 우리나라의 기상위성인 천리안위성 (오른쪽)에도 비슷한 모델이 탑재될 예정이다.
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기상위성에서 사용하는 카메라의 기본 원리는 흔히 보는 디지털 카메라와 크게 다르지 않다
이 카메라는 어떤 원리로 지상의 사진을 찍게 될까요? 그리고 촬영된 영상 자료는 어떻게 지상으로 보내지는 것일까요? 그림의 위성 카메라는 일반적인 위성의 카메라 구조를 나타낸 것입니다. | |
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위성 카메라는 일반적으로 스캔 미러∙렌즈∙필터 또는 분광기∙CCD 등으로 구성되어 있습니다. 그리고 렌즈는 보통 하나가 아니고 경통이라는 특수한 통 안에 십여 장 안팎의 렌즈가 세트로 구성되어 있습니다.
기상 위성에서 사용하는 카메라는 주위에서 흔히 볼 수 있는 디지털 카메라와 기본적인 원리는 같습니다. 우선 지구의 영상은 기상 관측용 카메라의 렌즈를 통해 입사됩니다. 이때 빛은 스캔 미러라는 거울에 한번 반사된 다음에 렌즈에 들어오게 됩니다. 위성에서는 사진을 찍을 때, 전체를 한꺼번에 찍는 것이 아니고 스캔 미러를 움직여서 전체 화면을 비로 쓸 듯이 나누어서 촬영합니다. 그 이유는 사진의 해상도를 좋게 하기 위해서인데 전체 사진을 한순간에 찍는 것이 아니고 위에서 아래로 한 줄씩 카메라의 스캔 미러를 움직이면서 사진을 찍게 됩니다. 단, 이렇게 하면 사진의 해상도는 좋아지지만 사진의 처음 부분과 끝 부분 사이에는 약 20분 정도의 시간 차이가 생깁니다. | |
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일반적인 기상위성에서 사용하는 카메라의 내부 구조. | |
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기상위성의 카메라는 빛을 파장에 따라 분광하여 관찰한다
스캔 미러를 거쳐서 렌즈에 들어온 빛은 분광기 또는 필터를 거치면서 파장에 따라 여러 색깔의 빛으로 분해됩니다. 과학 시간에 ‘프리즘’과 ‘스펙트럼’에 대해서 배우셨을 것입니다. 태양빛은 스펙트럼이라는 여러 가지 색깔의 빛이 혼합된 것이고 그것을 분해해서 보려면 프리즘이 필요하다고 배웠을 것입니다. 하늘의 무지개를 보면 일곱 가지 색깔로 태양빛이 분해되는 것을 볼 수 있습니다. 기상 관측 카메라의 분광기 또는 필터가 하는 작용이 바로 태양빛을 분해해서 보고 싶은 파장 대역의 빛만을 걸러내는 것입니다. 필터를 통과한 각각의 빛 하나하나를 ‘채널’이라고 합니다. 위성의 기상 관측 카메라가 다섯 개의 ‘채널’을 관측하고 있다고 하면, 이 말은 태양빛을 분해해서 그중에 다섯 종류의 파장 영역을 촬영한다는 의미입니다.
그런데 태양빛에는 빨주노초파남보 일곱 가지 색깔만 있는 것은 아닙니다. 우리 눈에 보이는 이 일곱 가지 색깔 외에도 적외선∙자외선∙전파 등이 혼합되어 있습니다. 일곱 가지 색의 빛은 우리 눈에 보이기 때문에 가시광선이라고 하고, 붉은색보다 파장이 긴 빛을 붉은색 밖이라는 의미에서 적외선, 보라색보다 파장이 짧은 빛을 보라색 밖이라는 의미에서 자외선이라고 합니다. 보통, 저궤도이건 정지궤도이건 관측 위성의 카메라에서는 분광기나 필터를 이용해서 원하는 파장 대역만을 관측하게 됩니다. 기상 위성에서도 필요한 파장 영역만을 관측하는데, GOES 위성에서는 한 개의 가시광선 영역과 네 개의 적외선 영역을 관측하고 있습니다. 이것을 좀 어렵게 표현해, 한 개의 VI (Visual) 채널과 네 개의 IR(Infrared) 채널을 가지고 있다고 말하는 것입니다.
가시 채널은 우리가 눈으로 보는 영상을, 적외 채널은 각 목적에 맞는 영상을 만들어준다
그러면 VI 채널과 IR 채널로 지구 사진을 찍으면 어떻게 다르고 각각 무엇을 알 수 있는 것일까요? 그림은 GOES 위성과 같은 정지궤도 기상위성인 일본의 GMS 위성에서 찍은 사진입니다. 가장 왼쪽이 가시광선 영역의 사진이고 나머지는 적외선 채널 사진입니다. 같은 지역을 찍은 사진이라도 관측하는 채널에 따라 이렇게 조금씩 다른 모습의 사진이 나오게 됩니다. | |
일본의 GMS 위성에서 찍은 가시광선과 적외선 채널 사진.
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우선 가시광선 채널로 사진을 찍게 되면 사람의 눈으로 보는 구름의 형상이나 움직임과 동일한 영상이 찍히게 됩니다. 그러면 지상에 있는 사용자들은 이 사진을 보고 구름의 생성과 소멸 이동 상황을 알 수 있습니다.
기상위성이 가진 네 개의 적외선 영역 채널 중에서 촬영하는 빛의 파장 대역이 3.7~4.0μm인 채널은 주로 야간의 하층운이나 안개∙화재 탐지∙해수면과 지표면의 온도 추정에 사용됩니다. 또 파장 대역이 6.5~7.0μm인 채널은 대기 상층의 수증기량 측정, 대류권 상층의 흐름과 바람 방향 측정에 사용됩니다. 그리고 파장 대역이 각각 10.2~11.2μm, 11.5~12.5μm인 두 개의 채널은 황사나 화산 구름의 이동 같은 기타 특정한 용도에 사용됩니다.
위성에서 일자형 CCD를 사용하는 건 안정성 때문
이처럼 몇 가지 파장 대역을 걸러내는 필터를 통과한 빛은 필름 대신에 CCD(Charged Coupled Device)라는 전자 부품에 닿아서 영상을 맺게 됩니다. 이 CCD라는 부품은 빛 신호를 전기 신호로 바꾸어 주는 기능을 하는데, 우리가 사용하는 디지털 카메라에서도 필름 대신에 CCD가 영상을 전자 파일로 바꾸어 줍니다. | |
선형(일자형) CCD 소자(왼쪽)와 2차원(평면형) CCD 소자.
위성에서는 고장의 우려 때문에 보통 복잡한 2차원 형태의 CCD보다 1차원 선형 CCD를 좀 더 선호한다.
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CCD 소자는 사진에 보는 것처럼 일자형과 평면형이 있는데, 일자형이 구형이기는 하지만 아직 인공위성에서는 일자형이 많이 사용되고 있습니다. 왜냐하면 인공위성에서는 부품이 고장 나도 수리를 할 수가 없어서 첨단 부품보다는 고장이 잘 나지 않는 단순한 부품을 많이 사용합니다. 물론 기술이 발전하면서 평면형 CCD의 사용도 점점 늘어가고 있습니다. 또 한 가지 이유. 기상 관측 카메라에서는 영상을 스캔하면서 찍기 때문에 일자형 CCD를 장착하는 것이 데이터 처리할 때에 더 편리한 점도 있습니다.
관측 데이터는 지상에서 처리하여, 각 사용자에서 다시 배포된다
이렇게 CCD에서 영상이 전기 신호로 바뀌면 위성의 원격 송신기가 이 신호를 지상으로 송신합니다. 그런데 이때 지상으로 내려오는 영상 신호는 지상 관제소만이 알 수 있는 특별한 형태로 되어 있어서 일반 사용자들은 신호를 수신해도 어떤 내용인지 알 수가 없습니다. 그래서 일반 사용자들도 그 내용을 알 수 있도록 처리 과정을 거치게 되는데 이를 가리켜 ‘관측 데이터 처리(Observed Data Proce ssing)'라고 합니다. | |
통신해양기상위성의 운용 체계도.
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이 과정을 거치고 나온 영상 신호는 위성으로 다시 송신되어 각 사용자에게 중계됩니다. 이를 ‘데이터를 배포한다’고 합니다. 각 사용자(방송사∙신문사∙학교∙연구소 등등)들은 인터넷에 공개된 신호 해석 방법을 숙지하고 있다가 지구 영상 사진을 만들어내게 됩니다. 이 과정을 ‘영상을 복원한다’고 합니다. 결국 이 단계에 이르러서야 우리가 방송에서 보는 구름 사진이 완성되는 것입니다.
과학 선진국에서는 정지궤도 기상위성을 보유하고 있으며 이웃국가에 정보를 공유하고 있다
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발사 준비를 위해 페어링에 장착 중인 천리안위성 | |
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세계 기상위성 선진국들이 보유한 주요 기상위성을 보면, 대표적인 위성인 미국의 GOES 위성 시리즈를 비롯하여 유럽 연합의 MSG와 Meteosat, 일본의 GMS와 MTSAT-1R, 중국의 FY, 인도의 INSAT 등이 있습니다. 러시아도 자체 기상위성을 보유하고 있습니다. 이러한 기상위성의 운용에 있어서는 상업위성과는 달리 경제적인 이익보다는 공공성을 우선합니다.
즉, 기상위성 관측 자료는 주변 국가들에게 무료로 배포하고 데이터 형식도 공개하여 국가나 소속에 관계없이 누구나 사용할 수 있도록 하는 것이 관례입니다. 즉, 기상위성 자료는 자국의 이익도 위함이지만 이웃 나라에 대한 봉사의 의미도 포함하고 있습니다.
2010년 6월이면 우리나라도 드디어 독자적인 정지궤도 기상위성을 보유하게 됩니다. 기상관측용 탑재체가 실린 국내에서 제작한 최초의 정지궤도위성인 천리안 위성이 한국시간 2010년 6월 24일, 남미 프랑스령 기아나에서 발사될 예정입니다. | |
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천리안위성은 해양관측과 통신중계 임무도 가지고 있다
천리안위성은 통신해양기상위성(COMS, Communication Ocean & Meteorological Satellite)입니다. 기상 탑재체 외에도 해양관측 탑재체와 통신중계기를 탑재하고 있어서 다양한 임무를 수행할 수 있는 특징을 가지고 있습니다. 위성에서 관측한 영상 데이터를 지상에서 수신함으로써 대기 온도나 수증기량, 해수면의 온도 변화를 실시간으로 감시할 수 있게 되고 지상에서 관측된 기상 레이더 정보에 비해 훨씬 우수한 품질의 기상 정보를 만들어낼 수 있게 됩니다. 또한 해수의 온도 변화를 감시할 목적의 전용 센서를 탑재한 위성으로서도 세계 최초라고 할 수 있습니다. | |
여러 탑재체를 가진 통신해양기상위성은 우주에서 다양한 임무를 수행하게 된다.
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기상 및 해양관측 탑재체를 통해 획득된 관측 자료는 지상국에서 1차 수신을 하고 영상처리 과정을 거쳐 실제 사용할 수 있는 자료로 가공됩니다. 이 가공된 자료는 필요에 따라 지상 네트워크를 통해 기상 및 해양관측 자료를 원하는 수요자들에게 전달되기도 하고 위성으로 재전송하여 광범위한 지역에 산재한 사용자에게 배포할 수도 있습니다. 통신중계기는 이러한 관측 자료 및 메시지의 중계뿐만 아니라 재난 시 비상통신 등 공익용 서비스와 차량이동통신 서비스를 수행할 수 있게 됩니다. | |
