Telecommunication_2017.11 특집요약 (p7~17)

IoT와 우주
인공위성을 활용한 장대한 스케일의 IoT 실현

IoT에 사용할 수 있는 수단은 지상에 있는 센서나 통신 네트워크만이 아니다. 우주를 비행하는 인공위성을 활용하면 장대한 스케일의 IoT를 실현할 수 있다. 아득히 먼 상공에서 농지나 어장 등의 변화를 “가시화”하는 ‘리모트 센싱 위성’, 장기적으로는 지상의 네트워크를 능가할 가능성도 있는 ‘위성통신 인프라 계획’, 준천정(準天頂) 위성 미치비키에 의한 ‘센티미터급 측위’. 이번 특집에서는 IoT에 도움이 되는 우주 정보를 소개하고자 한다.

Part 1. 위성 화상으로 초광역 IoT
우주에서 지상을 리모트 센싱

우주를 비행하는 인공위성. 그곳에 탑재된 카메라가 촬영하는 지구의 화상에는 지상에서는 포착할 수 없는 정보가 포함되어 있다. 농업, 어업, 도시계획 등 위성 화상의 응용 범위는 광범위하다.

세상에서 가장 비싼 IoT 디바이스는 무엇일까? 첫 번째 후보로 생각할 수 있는 것은 인공위성이다. 예를 들면, 기상 위성인 히마와리. 고도 3만 6,000km에 배치된 이 IoT 디바이스에서 보내오는 지구 위의 구름 화상은 일기예보에는 불가결한 것이다.

기존에는 국가 차원에서밖에 다룰 수 없었던 인공위성이라는 IoT 디바이스지만 지금은 이 영역에서 이노베이션이 일어나고 있다.

히마와리와 같은 관측을 목적으로 한 인공위성은 리모트 센싱 위성이라고도 하는데, 리모트 센싱 위성 비즈니스에 참여하는 민간기업이 속속 등장하고 있다. 미국에는 DigitalGlobe, Planet, Blacksky Global, Omni Earth, 러시아에는 Dauria Aerospace 등이 있다.

일본 국내에서도 복수의 기업이 이름을 올리고 있다. 우선은 캐논전자다. 올 6월, 캐논의 일안 리플렉스 카메라(SLR)를 탑재한 소형 리모트 센싱 위성의 발사에 성공하였다. 캐논전자는 이 위성으로 촬영한 화상을 판매하는 사업을 예정하고 있다.

Axelspace도 2015년 12월에 리모트 센싱 위성 비즈니스에 진출한다고 발표하였다. 동사(同社)는 세계에서 처음으로 민간 상용 소형 위성을 개발한 것으로 알려진 우주 벤처 기업이다. 지금까지 인공위성의 수탁 개발을 실시해 왔고, 다음 단계로서 리모트 센싱 위성 비즈니스를 선택하였다. 초소형 지구관측위성 ‘GRUS’를 발사, 위성에 의한 데이터 플랫폼 사업 ‘AxelGlobe’를 시작할 계획이다. “2018년 안에는 서비스를 개시하고 싶다”라고 경영관리그룹장인 오타(太田) 씨는 말한다.

액셀글로브 사업은, 우선은 3기의 GRUS를 고도 600km의 저궤도에 발사, 특정 지역을 매일 관측하는 서비스를 시작한다. 2020년에는 10기 체제, 그리고 2022년에는 인간이 경제 활동을 하는 거의 모든 영역을 커버하는 50기 체제를 완성시켜, 하루에 한 번은 촬영할 수 있도록 하는 것이 목표다.

“고객이 원하는 것은 화상이 아니라 화상을 통해 얻는 다양한 데이터다. 지구 위를 매일 촬영하여, 기계학습 등을 사용하여 해석한 일상의 변화에 관한 데이터를 플랫폼을 통해 제공하고 싶다”라고 오타 씨는 설명한다. 일례로서 농장의 화상을 해석하여 비료를 뿌리는 최적의 시기를 분석하는 등의 유스 케이스를 상정하고 있다고 한다.

-- 민생기술과 벤처 캐피털 --
이처럼 민간 사업자에 의한 우주 이용이 활발화되고 있는 배경에는 “크게 2개의 이유가 있다”라고 JAXA 신사업촉진부의 마쓰우라(松浦) 부장은 말한다. 첫 번째는 민생 기술의 발전이다. 우주 공간은 지구와는 전혀 환경이 다르다. 진공에 온도 차도 심하고 강렬한 자외선과 방사선이 내리쬔다. 이러한 혹독한 환경에 견딜 수 있도록, 인공위성이나 로켓은 지금까지 우주용의 특수한 부품을 사용하여 제조할 필요가 있었다.

그러나 최근에는 민생품 활용이 많이 진척되었다. “예를 들면, 지금은 카메라도 성능이 많이 향상되어 그대로 우주에서 사용할 수 있는 경우도 있다. 민생품 이용으로 인해 지금까지 수백억 엔을 들여 만들었던 인공위성을 그 100분의 1의 비용으로 만드는 우주 벤처 기업이 등장하고 있다. 우주도 일용품의 세계로 들어오기 시작하였다”(마쓰우라 씨). 지금 인공위성의 세계에서는 비용 혁명이 일어나고 있는 것이다.

두 번째는 벤처 캐피털에 의한 투자다. 싸졌다고는 해도 인공위성 1기의 제조∙발사에는 최저 1억 엔 이상의 비용이 든다. 이것을 벤처 캐피털의 자금이 지원하고 있다. 예를 들면 액셀스페이스는 2015년 11월에 약 19억 엔을 조달. 이 자금을 이용하여 화상 데이터 플랫폼 사업을 추진하고 있다. 또한 우주쓰레기를 제거하는 서비스를 개발 및 제공하는 Astroscale은 총 60억 엔 정도를 조달하였다.

해외로 눈을 돌리면 수천억 엔의 자금을 조달하고 있는 벤처도 적지 않다. 인공위성이나 로켓의 일용품화가 진행되는 가운데, 투자가 입장에서 우주는 차기의 유망한 프런티어다. “예전과는 상황이 완전히 달라졌다”라고 마쓰우라 씨는 말한다.

-- 리모트 센싱 위성으로 광역 촬영 --
-- 위성 화상의 활용 아이디어 --
-- 우주도 셰어 & 오픈 시대 --

Part 2. 이것이 미래의 위성 통신이다
IoT 단말부터 움직이는 비행기나 선박까지

모든 것의 연결을 위성통신이 담당하는 시대가 앞으로 10년이면 도래할 것이다. 자연 환경 센싱부터 선박∙비행기용 브로드밴드 통신까지, 기술혁신은 맹렬한 기세로 발전하고 있다. 위성통신의 주요 전쟁터는 지상의 인프라가 관심을 두지 않는 틈새 영역이다. 그리고 만일의 경우를 대비한 백업 회선이다. 그런 위성통신의 이미지는 지금부터 10년이 지나면 뒤집힐 것이다. “위성통신에 모든 통신을 수용해 간다는 발상이 있다”. 이렇게 말하는 것은 총무성 국제전략국 우주통신정책과의 위성개발추진관 나카타니(中谷) 씨다.

총무성은 2017년 8월 8일에 ‘우주xICT에 관한 간담회 보고서’를 발표하였다. 보고서에는 2030년에는 위성 브로드밴드 서비스가 완성되어, 자연환경이나 각종 인프라를 감시하는 센서 단말부터 시작하여 농업기계, 중장비, 항공기, 해양자원 탐사선, 5G의 백홀 등 모든 연결을 위성통신이 제공하는 미래상이 그려져 있다.

-- 위성 IoT로 위치∙자연을 감시 --
지상의 모든 사람∙물건∙사건을 위성통신 인프라로 연결한다. IoT화가 본격화되는 가운데 그 움직임은 이미 확산되고 있다. 예를 들면, GPS를 탑재한 IoT 트래킹 단말, ‘GPS 트래커’의 통신 수단으로서 위성통신을 사용하는 움직임이다. 일본의 경우, GPS 트래커의 대부분은 인구 커버율 99%를 넘는 3G/LTE의 셀룰러 회선을 이용하고 있다. 그러나 3G/LTE도 만능은 아니다.

“인구 커버율 99%의 셀룰러 회선이지만, 면적으로 보면 실제로 커버하고 있는 것은 일본 전체의 70%정도다. 나머지 30%는 영역 밖이다. 그러나 위성통신이라면 그 30%에도 네트워크를 제공할 수 있다”라고 Globalstar Japan의 안도(安藤) 사장은 위성통신만의 커버율을 어필한다.

위성통신은 셀룰러 회선처럼 지역별로 기지국을 둘 필요는 없다. 우주에 발사한 위성으로부터 전파 빔을 조사(照射)하는 것 만으로 그 영역의 통신 환경을 정비할 수 있다. 위성통신의 커버리지는 지구 규모다. 아프리카의 사하라사막에서 알프스 산맥, 5대륙 3대양을 커버할 수 있다.

그런 통신위성을 이용하는 동사(同社)의 GPS 트래커 ‘SPOT GEN3’에는 SOS 버튼이 있다. 긴급 시에 그 버튼을 누르면 위치정보가 포함된 구조 요청이 위성을 경유하여 세계 각지의 구조 기관으로 보내진다. “지금까지 전세계에서 약 5,300명의 인명과 관계된 구조 실적이 있다”라고 안도 사장은 말한다.

글로벌스타 재팬이 제공하는 위성통신의 통신 속도는 업로드, 다운로드 모두 256kbps다. 지상 네트워크와 비교하면 뒤처지지만 GPS의 위치정보와 SOS 메시지를 송신하기에는 충분한 스펙이다. “앞으로는 자동차, 건설중장비, 농업기계, 선박 등의 IoT 수요를 상정하고 있다”라고 안도 사장은 말한다. 대상물의 트래킹은 물론, 온도∙습도∙가속도 센서 등을 장착하면 그 센서 데이터를 위성 회선으로 회수할 수 있다.

“지금까지의 IoT는 도시 지역, 사람이 많이 왕래하는 곳을 중심으로 발전해 왔다. 그러나 위성통신은 사람이 왕래하기 어려운 곳이나 자연환경의 감시도 쉽게 가능하다”라고 총무성의 나카타니 씨는 말한다. 위성통신에 의한 IoT는 일부 영역에서는 이미 시작되었다.

-- 브로드밴드의 실용화 --
위성 브로드밴드 통신의 실현도 다가오고 있다. 그것은 위성통신의 고속 대용량화를 가능하게 하는 신기술이 등장하고 있기 때문이다. 그 중 하나가 ‘HTS(High Throughput Satellite)’가 있다. 통신 위성의 경우는 통신 지역에 대해 위성에서 빔을 조사(照射)한다. 그러나 HTS는 그 빔에 새로운 주파수대와 멀티빔을 이용한다. 지금까지 하나의 빔으로 커버하고 있었던 지역을 복수의 빔으로 커버함으로써 고속 대용량 통신을 실현한다.

나카타니 씨에 따르면, ‘HTS에 100빔, 200빔을 쌓자는 이야기가 있다”. 어느 연구개발 프로젝트에서는 1빔 당 100Mbps를 확보하려 하고 있다. 100Mbps가 100빔 있으면 10Gbps, 200빔 있으면 20Gbps가 된다는 계산이다. 통신용량이 이만큼 대용량화되면 통신요금의 저렴화도 기대할 수 있다. 위성 브로드밴드 시대가 눈 앞으로 다가왔다. 일본의 위성통신 사업자인 스카파 JSAT는 국제위성통신기구인 인텔샛과의 공동사업으로서, 2018년 하기에 HTS에 의한 통신 서비스 제공을 예정하고 있다.

-- 비행기나 선박도 고속∙대용량 --
-- 저궤도 위성으로 저지연 --

Part 3. 센티미터급 측위가 IoT를 바꾼다
준천정위성 ‘미치비키’로 진화하는 위치정보 활용

일본판 GPS라고도 불리는 ‘미치비키’ 서비스가 2018년 4월부터 개방된다. 지금까지의 ‘오차 10m의 측위’에서 ‘핀포인트 측위’의 세계로 돌입한다. IoT에 있어서 GPS의 활약 범위는 현격히 넓어진다. 자동차의 내비게이션부터 고령자의 배회 대책, 건설기계의 위치 관리, 등산자의 트래킹까지. GPS는 셀 수 없을 정도의 IoT 어플리케이션에서 활용되고 있다. 그러한 GPS의 이용 영역이 2018년 4월 비약적으로 확대∙고도화된다. 지금까지 이용 실증 등이 시행된 일본의 측위 위성 ‘미치비키’ 서비스가 드디어 개방되어 이용할 수 있기 때문이다.

-- GPS의 가용성 향상 --
미치비키가 초래하는 변화는 크게 2개로 정리할 수 있다. ‘GPS 보완’와 ‘GPS 보강’이다. GPS 보완은 GPS의 가용성을 향상시킨다. 미치비키의 커버리지에는 일본 외에도 동남아시아나 호주도 포함된다. 이들 영역에서 GPS 측위의 안정선이 높아진다.

원래 GPS라는 것은 GNSS(Global Navigation Satellite System)의 하나로, 미국 정부가 운용하는 위성 측위 시스템을 말한다. 전세계에서 이용되고 있는 미국의 GPS는 현재 총 31기의 GPS 위성으로 지구 전체를 커버하면서 지구를 향해 측위 신호를 전송하고 있다. 또한, GNSS에는 GPS외에도 일본의 미치비키는 물론 러시아의 ‘GLONASS’, 유럽의 ‘Galileo’, 중국의 ‘BeiDou’ 등이 있다.

위성 측위를 실시하기 위해서는 위성으로부터의 측위 신호를 수신하는 수신기(예: 스마트폰이나 트래킹 단말)는 적어도 4기의 위성으로부터 측위 신호를 수신하는 것이 필요하다. 안정된 측위 정밀도를 내기 위해서는 8기 이상이 바람직하다고 한다. 어느 지점에서 보이는 GPS 위성의 수는 기본적으로 6기다. 그러나 고층 빌딩이 늘어서 있는 도심, 산간 지역 등 상공의 전망이 나쁜 위치에서는 6기 전체를 시야에 넣기는 어렵고, 4기 이하가 되는 경우도 있다. 이 때문에 GPS에 의한 측위가 곤란한 지역은 실제로는 의외로 많다.

그러나 미치비키의 서비스가 개시되면 시야에 넣을 수 있는 GPS 위성의 수가 적어서 발생하는 측위 불량은 단번에 개선되게 된다. GPS 위성과 동일한 주파수, 동일 시각의 측위 신호를 전송하는 미치비키는 GPS와 일체적으로 운용 가능한 위성 측위 시스템이며, 미치비키가 GPS 위성을 보완할 수 있기 때문이다.

2017년 10월 10일, 4호기의 발사∙분리가 성공하면서 미치비키는 4기 체제가 되었다. 4기 중 1기(3호기)는 항상 적도 부근의 상공에 체재하는 정지 위성이며, 3기(1, 2, 4호기)는 ‘8자’를 그리는 준천정궤도 위성이다. 1, 2, 4호기는 준천정이라는 이름 대로, ‘일본의 바로 위 상공(앙각(仰角) 70도 이상)’을 통과한다. 3기는 교대로 앙각 70도 이상으로 약 8시간 체재하기 때문에 적어도 1기는 항상 일본의 준천정에 있다. 즉, 미치비키는 24시간 체제로, 고층 빌딩이나 산의 영향을 쉽게 받지 않는 바로 위 상공에서 측위 신호를 전송한다.

GPS의 수신기 입장에서 보면, 보이는 미치비키 수만큼 GPS 위성이 증가한 상태가 되어, GPS에 의한 측위 가용성과 정밀도가 크게 높아지게 된다. 지금까지 충분한 트래킹이 불가능했던 영역에서도 기존보다 안정적이며 높은 정밀도로 측위가 가능하게 되는 것이다. 미치비키를 운용하는 내각부는 2023년도에는 7기 체제로 늘리는 계획을 세우고 있다.

-- 보강 신호로 cm급 측위 --
-- 트랙터의 자동주행에 성공 --

  -- 끝 --