위성통신 시스템공학

우리가 광복을 맞던 해 1945년 영국 케임브리지 대학 출신으로 SF작가이며 물리학자인 Arthur Charles Clarke는 당시 "Wireless World"잡지에 기고한 "Extra-Terrestrial Relay"제목에서 전화, 텔레비전을 자연 위성처럼 낙하하지 않는 인공위성을 하늘 9만리(九萬里) 쯤 되는 장천에 띄어 지구 반대쪽까지 생중계 할 수 있다고 주장한 논문이 지금 정확한 적도 상공 35,786km의 정지궤도(GEO) 통신위성 원리가 되었다. 마치 기러기 울어 데는 하늘 구만리 "이별의노래"처럼…

이러한 인공위성(Man Made Satellite)의 꿈은 불과 12년 후 구소련의 Sputnik-1호가 인공위성(Artificial Satellite)의 효시로 우주 발사가 현실화 되었고 정지궤도(Geostationary Earth Orbit)에 최초 진입한 시조새(Early Bird) 타이틀은 국제통신위성(Intelsat-1호)가 차지하였다.

지금 21세기 입문에서 그간 10,000여개의 각종 위성들이 우주로 발진하여 Global, Hemi, Zone, Spot 빔 커버리지 전용으로 TP, TV, GPS, LBS, GIS, SNG, DMB, VSAT, USAT, Internet, IVC, VoIP, VLBI, HDTV, DBS, Imaging, Inmarsat, GMPCS AIS 및 LEO-SCADA 등 다양한 서비스로 국적을 초월하여 지구촌에 획기적인 업적을 이룩한 이면에는 비운의 우주왕복선 챌린저호(86년), 컬럼비아호(03년)의 비행사고 등으로 많은 인명과 엄청난 재산을 앗아간 소우주 주변에는 그 잔해로서 약 350만 파편의 우주 쓰레기(Space Debris)가 우주환경의 오염 문제로 대두되고 있는 역 기능도 간과할 수 없는 현실이다. NASA의 모든 Space Shuttle은 30년간의 임무를 수행하고 2011년 상반기에 모두 퇴역을 하고 경제적이고 그린정책에 부응할 차세대를 준비 한다.

우리나라 위성통신 첫 서비스 도입은 아폴로(Apollo) 11호의 달 착륙 실황 위성 TV 중계를 지구촌이 주목하던 1969년도 정부는 금산위성 지구국 착공을 서두르고 1970년 6월 2일 태평양 상공의 인텔셋(Intelsat-3호)을 중계로 국제 위성통신 22회선이 개통되어 최초 경부간 고속도로 준공보다 한 달 앞서 당시 박정희 대통령의 테이프 커팅으로 우주시대 서막이 열렸다.

금산1국(70.6)을 필두로 금산2국(77.9), 금산3국(80.6), 보은1국(85.1), 보은2국(88.6), 보은3국(92.12), 용인 관제소 착공(93.2)의 Intelsat 및 Inmarsat 표준 지구국 개통 이후 현재 21기 이상의 국제 표준안테나가 운용 중이며 국내전용 위성확보는 상업용 Koreasat 1호(95.8), 2호(95.12), 3호(99.9), 5호(06.8), 6호[올레1호](10.12), 과학용 Kitsat1호(92.8), 2호(93.9), 3호(99.5) 및 다목적용 Kompsat(99.12) 발사가 모두 성공하였고 최근 2010년 6월 천리안1호 (COMS) 탐사 기상 해양 국내 다목적 위성이 Ariane-5ECA Dual Launch 형태로 발사 성공하였다.

그간 국내 우주발사체 연구수행은 30년이 경과하였으나 아직 러시아 발사 협력 하에 나로도 발사기지에서 발사한 1차(09.8) 2차(10.6)실행도 모두 실패한 산 교훈만 경험할 정도로 난관이 도사려, 기술력 이외 종합 전략 국가 정책이 아쉽다.

우리나라 국제행사 실적은 '86 아시안게임 위성 중계 및 '88 서울 올림픽대회 중 임차한 최초 Ku밴드 가반형지구국(transportable earth station)지원으로 사상 최다 국제 TV Up-Link 27Ch. 동시중계 성공과 '2002 World-Cup' 기간의 첨단 Digital HDTV 등을 말할 수 있다. 앞으로 평창에 유치한 동계 올림픽 산악 환경의 위성중계는 전부 Digital Host TV가 분배 공급 할 것이다.

21세기 초부터 유비쿼터스(Ubiquitous)가 IT분야에서 화두로 군림하고 있다. 無所不在라는 성서적 편재성(遍在性)에는 미흡하지만 최첨단 미시적 NT, BT로부터 時空을 초월하는 거시적 ST(space technology)와의 융합으로 이른바 Global Ubiquitous 패러다임이 도래하고 있다.

이에 시대가 요구하는 우주통신 분야의 전문 인력을 육성하는데 일조하겠다는 심정으로 필자는 '69년 금산지구국 창설 요원으로 시작하여 Intelsat(국제위성통신기구)연구원, 금산지구 국장, Koreasat 위성기술 국장, APSCC(아태위성통신협의외)사무총장, (사)KOSST(통신위성우주산업연구회) 회장 및 (주)Korea Orbcomm(저궤도 위성통신) 사장을 역임하면서 러시아, 몽골, 국내 대학 강단에서 경험한 지식을 실무적으로 손질하여 새롭게 「위성통신 시스템 공학」을 펴내게 된 것이다.

제1장 개요

1.1 위성통신 발전사

1.2 인공위성 현황

1.2.1 개 황

1.2.2 최근 위성 발사 현황

1.2.3 우주 과학 역사

1.3 통신위성시스템 구성과 서비스 분류

1.3.1 통신위성 시스템 구성

1.3.2 통신위성 서비스 분류

1.4 위성통신의 특징

1.4.1 위성통신의 특징

1.4.2 위성의 제한성

1.5 국제 위성기구

1.5.1 국제 통신위성 기구

1.5.2 지역 통신 위성 기구

1.6 국내 전용위성

1.6.1 주요국가 위성산업 현황



제2장 위성통신 기본원리

2.1 위성궤도

2.1.1 위성궤도 종류

2.1.2 궤도별 장단점

2.1.3 궤도운행

2.1.4 원형궤도 원리

2.1.5 케플러 법칙(Kepler's laws)

2.1.6 경사궤도 운용

2.1.7 Co-Location Box Station

2.2 우주환경

2.2.1 이온층

2.2.2 대기권

2.2.3 진공 상태와 극냉 환경

2.2.4 무중력 상태

2.2.5 태양 잡음 간섭

2.2.6 위성일식 원인

2.2.7 Van Allen Belt

2.3 통신위성 주파수

2.3.1 ITU 주파수 분배

2.3.2 SHF 주파수(위성-지구국)

2.3.3 UHF 주파수

2.3.4 VHF 주파수(1)

2.3.5 VHF 주파수(2)

2.3.6 위성 회선 주파수 분배



2.4 위성수명 및 신뢰도

2.5 주파수 재사용

2.5.1 이중편파 원리

2.5.2 INTELSAT-VI호 주파수 재사용 실제



제3장 위성발사 이론

3.1 발사체 종류

3.2 발사기지

3.2.1 육상 발사대

3.2.2 해상 발사대

3.2.3 나로 우주 센터

3.2.4 NASA(SPACE-X)

3.3 발사용역

3.4 궤도진입 수순

3.4.1 발사창문(launch windows)

3.5 INTELSAT 발사 현황

3.6 INTELSAT 차세대(10호)

3.7 GEO Injection Space Ballet



제4장 위성체 구조

4.1 페이로드(Payload)

4.1.1 위성 안테나

4.1.2 위성 중계기

4.2 버스(Bus)

4.2.1 버스 모델 유형

4.2.2 버스 시스템 및 시험 항목

4.3 프로펠런트(Propellant)

4.3.1 추진력의 필요

4.3.2 추진기의 구성

4.3.3 추진기의 종류

4.3.4 추진연료의 배정

4.4 디스펀 안테나(Despun Ant)

4.4.1 위성체 안테나 기본 부품 분류

4.5 자세안정(Stabilization)

4.5.1 Gyroscope 특징

4.5.2 Spinner와 Three-Axis 적용사례

4.5.3 Dual Spin과 Pitch Momentum Biased의 장단점

4.5.4 Attitude Errors Control

4.6 TTAC(Telemetry, Tracking and Command)

4.7 태양전지판(Solar Cells Panel)



제5장 위성회선 기초설계

5.1 회선설계 기초

5.1.1 SERVICE AVAILABILITY

5.1.2 DIGITAL(ISDN) LINKS

5.1.3 NETWORK ARCHITECTURE

5.1.4 SYSTEM NOISE

5.2 위성전송 특징

5.2.1 ITU 주파수 할당

5.2.2 INTELSAT과 INMARSAT 주파수 현황

5.2.3 SIGNAL 전송 BASEBAND

5.2.4 BINARY DIGITAL SIGNAL

5.2.5 DCMS

5.3 위성링크 설계

5.3.1 통신위성 망 구성

5.3.2 아날로그와 디지털 의사 표준회로

5.3.3 LINK NOISE와 잡음 목표치

5.3.4 우주국과 지상국 출력제한 목표치

5.4 지구국 양호지수

5.4.1 G/T

5.4.2 G/T－C/T－C/N－S/N 관계식

5.4.3 각종 지구국 규모와 G/T 규격

5.4.4 G/T 관련 고려 사항

5.5 다원접속 방식

5.5.1 Multiple-Access Techniques

5.5.2 FDMA/FM(주파수 분할 다원접속/주파수변조)

5.5.3 SCPC(단일 채널 단일 캐리어)

5.5.4 TDMA(시분할 다원접속)

5.5.5 CDMA(코드 분할 다원접속)

5.5.6 TRMA

5.6 캐리어 에너지 확산(EDF)

5.7 위성링크와 지상링크 병용

5.8 마이크로웨이브 링크(MWL)

5.8.1 Site Data

5.8.2 Passive Reflector



제6장 지구국 설계

6.1 지구국 위치선정

6.2 지구국 설비

6.2.1 INTELSAT 표준지구국 규격

6.2.2 지구국 기본 장치 구성

6.3 지구국 안테나(Earth Station Antenna)

6.3.1 개요

6.3.2 위성통신용 안테나 종류

6.3.3 MYLAR 및 HORN 안테나

6.3.4 이중편파 휘드혼(Dual Pol.)

6.3.5 안테나 운용 테이터 설정

6.3.6 안테나 이득(Antenna Gain)

6.3.7 추적 장치(Tracking system)

6.3.8 회전 도파관 (Rotating Joint)

6.4 저잡음 수신기(Low Noise Receiver)

6.4.1 개요

6.4.2 PARAMETRIC AMPLIFIER

6.4.3 RECEIVING SYSTEM NOISE

6.5 고전력 증폭기(High Power Amplifier)

6.5.1 개요

6.5.2 KLYSTRON(KPA)

6.5.3 TWTA(HPA/IPA)

6.5.4 SSPA

6.5.5 HPA COMBINING (Multiplexing)

6.5.6 HPA의 내부혼변조

6.6 디지털 변복조기

6.7 FDMA 대 TDMA 출력 비교



제7장 서비스 운용

7.1 VSAT

7.1.1 ONE-WAY-BUSINESS 서비스

7.1.2 TWO-WAY BUSINESS 서비스

7.1.3 TWO-WAY MOBILE 서비스

7.1.4 VSAT 이용자

7.1.5 VSAT 접속방식

7.1.6 NETWORK OPERATIONS

7.1.7 VSAT 응용부문

7.2 DBS

7.2.1 DBS 각종 지구국

7.2.2 선진 위성 사업 사례

7.2.3 국내 위성 서비스

7.3 VIDEO CONFERENCING

7.3.1 이용 분야와 IVC 구성개념

7.3.2 영상회의실 내부 구성장비

7.3.3 영상회의 서비스 응용

7.4 HDTV

7.4.1 고품위 TV

7.4.2 '88 올림픽 HDTV 중계

7.5 IBS/IDR/SCPC

7.5.1 IBS

7.5.2 IDR

7.5.3 SCPC

7.6 위성 Internet

7.6.1 Internet

7.6.2 Intelsat-Internet

7.6.3 고속 Internet(E3) 서비스 구성도

7.7 VoIP

7.8 ELT

7.8.1 ELT(긴급 조난위치 발신)

7.8.2 COSPAS-SARSAT

7.8.3 A I S

7.9 VLBI

7.10 DMB

7.10.1 기술개요

7.10.2 표준 시스템

7.11 LEO 서비스



제8장 GPS

8.1 서론

8.2 GPS 발전사

8.3 GPS 방식

8.3.1 PPS 서비스

8.3.2 SPS 서비스

8.3.3 GLONASS

8.3.4 GALILEO

8.4 연계 확장 시스템

8.5 위성 항법의 기본

8.5.1 TOA 측정을 이용한 거리 개념

8.6 좌표계

8.6.1 기준 좌표계

8.6.2 ECI 좌표계 (Earth-Centered Inertial)

8.6.3 ECEF 좌표계 (Earth-Centered- Earth-Fixed)

8.6.4 World Geodetic System (WGS-84)

8.6.5 이용자 측지좌표(위도, 경도, 고도) 결정

8.6.6 Geodetic 좌표계에서 ECEF 형태의 Cartesian 좌표계로의 전환

8.6.7 ECEF계 측지 지원 공식표

8.7 GPS 위성궤도 기본 조건

8.8 PRN code

8.8.1 PRN code 이용 위치 결정

8.8.2 위성-이용자간 거리 결정

8.9 GPS와 GLONASS 우주부문

8.9.1 GPS 위성배열

8.9.2 GLONASS 위성 배열

8.10 GPS 측정 오차

8.10.1 측정 오차 원인

8.10.2 측정 오차 대응

8.10.3 DGPS

8.10.4 RTK GPS

8.11 GPS 수신 장치



제9장 해사(이동) 위성통신

9.1 INMARSAT 운용 현황

9.2 망 구성설비

9.2.1 해안지구국(Coastal Earth Station)

9.2.2 해사위성과 선박 터미널 구성

9.3 표준 터미널 종류 및 기술제원

9.4 TTAC

9.5 GMDSS

9.6 Fleet 33/55/77

9.7 GXC (Global Xpress)

9.8 차세대 우주 응용기술 개발



제10장 국내위성(Domestic Satellites)

10.1 무궁화호(Koreasat)

10.1.1 무궁화호Ⅰ세대 위성체 규모

10.1.2 위성발사용역 및 위성체 제작 보험

10.1.3 중계기(Transponder) 주파수 할당

10.1.4 DBS/Video 회선

10.1.5 응용회선 종류

10.1.6 무궁화호 제II세대 (Koreasat-3) 8

10.1.7 Koreasat-3 특성

10.1.8 Koreasat-5 / Koreasat-6(Olleh-1)

10.1.9 국산 개발 위성 탑재체

10.1.10 TTAC (Tracking, Telemetry And Control/Commander)

10.1.11 관제소 운용기술

10.2 아리랑 호(Kompsat)

10.2.1 아리랑 1호

10.2.2 아리랑 2호

10.2.3 아리랑 3호

10.3 우리별(Kitsat)

10.3.1 Kitsat-1호

10.3.2 Kitsat-2호

10.3.3 Kitsat-3호

10.3.4 과학기술위성 1호(우리별 4호)

10.3.5 과학기술위성 2호

10.4 위성전파 감시센터

10.4.1 시스템 수행 임무

10.4.2 감시 범위와 주파수

10.4.3 Antenna 시스템

10.4.4 HISS 시스템



제11장 저궤도 위성통신(LEO SATELLITES)

11.1 저궤도 위성 개요

11.2 밴 알렌 방사능대(Van Allen Belt)

11.3 GMPCS

11.4 이리디움(IRIDIUM)

11.5 글로벌스타(GLOBALSTAR)

11.6 오브컴(ORBCOMM)

11.7 아이코(ICO), 오뎃세이(ODYSSEY)

11.8 차세대 일본 LEO 프로젝트(NeLS)

11.9 광명성 1호와 동창리 기지(북한)



제12장 영상탐사위성(Imaging Satellite)

12.1 위성탐사 특장과 응용

12.2 위성센서 분류와 영상처리

12.3 천리안 다목적 위성

12.4 기상 관측위성

12.5 ISO 적외선 관측 위성



부록

위성시스템 운용지침 용어해설(영문)

2. 유인우주선 비행 주요 기록

3. 주요 과학기술 표기 알파벳 비교표

4. INDEX(영문)

김광영 저자 김광영은

ㆍ 일본국 나고야 출생(38.11.27)

ㆍ ITU 선반 무선통신 과정수료(65)

ㆍ 체신부 초단파 전신전화 건설국 임용(66)

ㆍ 한국통신 금산 위성지구국 창설 요원 10년 근무(70)

ㆍ 일본(KDD), 네덜란드(Philips) M/W, Sat, 해외 연수(76)

ㆍ 미국, 국제통신위성기구(Intelsat) 본부 근무(84-86)

ㆍ 인텔셋 태평양 / 인도양 운용대표자 회의 서울 유치(85)

ㆍ 아시안 게임 및 서울 하계올림픽 사업단 국제 TV부장(86-88)

ㆍ 한국통신 전북지사 시설운용국장, 군산전화국장(88-89)

ㆍ 금산 위성지구국 국장(89)

ㆍ KT 위성사업단 창설(무궁화호 사업) 초대 위성기술 국장(90)

ㆍ 국제통신망 운용국장, 대구통신망 운용국장 역임(91-95)

ㆍ 한양대학교 전자통신공학과 공학박사(95)

ㆍ 영주전화국장(몽골 울란바토르 정보 대학 ADB기금 초빙교수)(95-96)

ㆍ 아태위성통신 협의회(APSOC) 사무총장(96-97)

ㆍ Orbcomm Korea(주) 창설 사장(97-99)

ㆍ (사)통신위성우주산업연구회(KOSST) 제4대 회장(98-02)

ㆍ 한양대학교 및 한국항공대학교 겸임교수 역임(05-12)

ㆍ Korea Orbcomm(주) 부회장(00~12)