일본산업뉴스요약

Nikkei X-TECH_2022.6.6

뒤처지면 안 되는 우주 비즈니스
연간 수 만 대가 필요한 광 위성통신 단말기의 양산 불가피
일본 기술에 기회 있어

“얼마만큼 ‘우주 환경에 적합한 품질’을 지향하지 않고 시스템을 구축해 저렴하고 작게 만들 수 있을 지가 열쇠이다”

2021년 11월에 개발이 시작된 정보통신 연구기구(NICT)의 위탁연구 ‘Beyond 5G 차세대 소형 위성 컨스테레이션용 전파·광하이브리드 통신기술 연구개발’을 이끄는 위성 개발 벤처기업 악셀스페이스(도쿄) 엔지니어링본부 우주기계설계그룹의 이노우에(井上)유닛리더는 이번 개발 포인트에 대해 이렇게 말한다.

이번 개발에서 목표로 하고 있는 것은 향후 광 위성통신 단말기에 대한 큰 수요에 대응하기 위한 양산성 확립이다. 최근 지구 저궤도에 투입된 다수의 소형위성들이 일체가 되어 다양한 기능을 담당하는 위성 컨스텔레이션이 급속히 확대되고 있는 가운데 통신에 사용되는 전파 주파수 자원의 고갈이 심각해지고 있다. 향후 지금까지와는 차원이 다른 규모의 위성이 발사되는 시기에는 상황이 더욱 악화될 것이 확실하다.

그러한 상황에서 구세주가 될 수 있는 것이 광 위성통신이다. 간섭을 막기 위한 주파수 조정이나 무선국 면허가 광통신의 경우 현재는 필요 없기 때문이다. 광 위성통신은 “기초 기술은 이미 완성되었고 지금부터 응용 연구가 본격화될 것”(NEC 항공우주·방위솔루션사업부문의 미요시(三好) 에반젤리스트)이라고 하며, 2020년대 중반부터 본격적인 실용화가 시작될 전망이다.

위성의 발사 수가 2030년에 연간 5,000대를 넘어설 것이라는 예측도 있다. 컨스텔레이션에서는 등간격(等間隔)으로 배치된 위성 간에 네트워크를 구성한다. 만일 앞뒤 위성을 광접속하기 위해 위성 1기에 광 위성통신 단말기를 2대 탑재하는 것만으로도 연간 1만대 이상의 수요가 발생, 전후 좌우의 경우 그 배가 된다. 이렇게 된다면 지금과 같이 개발에 수 년이 걸려 신뢰성은 높지만 코스트가 매우 높은 ‘우주 환경에 적합한 품질’로는 수요에 대응할 수 없게 된다. 즉, ‘단일품’에서 ‘양산품’으로의 전환이 필요한 것이다.

위성의 수뿐만이 아니다. 컨스텔레이션용 위성은 대부분 우주기관이 개발하는 톤(t)급 대형 위성에 비해 크기와 개발 비용이 월등히 낮다. 이 때문에 광 위성통신 단말기에는 소형경량화와 저소비 전력화, 저비용화가 강하게 요구되고 있다.

최근에는 소형 위성으로의 탑재를 목표로 한 광 위성통신 단말기 개발이 세계적으로 활발해지고 있다. 그러나 현재는 수 백 kg급 위성을 염두에 둔 고출력인 것이 많다.

예를 들면, 미 우주개발국(SDA: Space Development Agency)이 올해 발주한 ‘NDSA(National Defense Space Architecture: 국가방위우주체계)’ 구상 실현을 위한 광통신 대응 위성의 크기는 200~300kg급이라고 한다. 초소형 위성인 '큐브샛(CubeSat)'용은 대학 등 연구기관에서 개발 사례가 나오고 있지만, 상용적으로 가장 많이 쓰이는 100kg급 위성을 위한 양산 개발 프로젝트는 아직 별로 없다.

이번에 개발하는 단말기 크기에 대해 NICT는 “100kg급 위성에 4~5대 탑재할 수 있는 사이즈로 하고 싶다”(네트워크연구소 무선네트워크연구의 도요시마(豊島) 센터장)라고 한다. 이미 NICT는 자체 프로젝트로 100kg급 위성과 ‘큐브샛’으로의 탑재를 위한 소형 광 위성통신 단말기의 프로토타입 개발을 완료한 상태로, 그 개발 성과를 활용해나간다고 한다.

-- 목표는 속도 5Gbps 이상, 무게 15kg 이하 --
이번 위탁연구에는 악셀스페이스 외에 도쿄대학, 도쿄공업대학, 기요하라광학(清原光学, 도쿄)이 참여해 공동으로 개발하고 있다.

주요 역할 분담은 다음과 같다. 악셀스페이스가 지금까지 9기의 100kg급 위성을 개발해 운용해온 경험을 활용해 사업 전체를 이끌고, 도쿄대학은 제어와 시뮬레이션 기술을, 도쿄공업대학은 위성탑재용 전파·광하이브리드 무선통신 기술, 그리고 기요하라광학이 광통신기의 광학계 개발을 담당한다.

기요하라광학은 광학 분야에서 약 70년의 역사를 가진 기업으로, 주로 국립연구소나 대학, 기업의 광학시스템 개발 연구를 지원해온 실적을 가지고 있다. 출발점은 아마추어용 천체망원경이지만, 도쿄대학 등이 개발해 2014년 발사한 초소형 위성 '호도요시(ほどよし)4호'에 탑재된 우주망원경 등을 개발한 실적이 있다.

이번 개발에서는 광 위성통신 단말기의 목표 수치가 설정되어 있다. 구체적으로, 크기는 1변이 25cm 이하, 무게 15kg 이하(광통신기기가 6kg 이하, 포착 추적계가 9kg 이하). 통신 속도는 5Gbps(기가비트/초) 이상, 가능하면 10Gbps를 목표로 하고 있다. 레이저광 파장은 지상의 광통신에서 일반적으로 사용되고 있는 1.55㎛대이다.

개발이 종료되는 시기는 2024년이며, 연구개발 예산은 연간 총액으로 9억5,000만엔이다. 단, 이번 위탁 연구에 우주 실증은 포함되지 않았다. “아직 구체적인 계획을 내놓지 않았지만, 이 연구와는 다른 틀에서 정부와 제휴해 개발품에 대한 우주 실증을 해나갈 방침이다”(NICT의 도요시마 센터장)라고 한다.

소형경량화 및 양산성 확보 외에 큰 특징이라 할 수 있는 것이 전파와의 하이브리드 통신을 가능하도록 한다는 점이다. 광 위성통신의 가장 큰 약점은 광 지상국 상공에 구름이나 안개가 있으면 지상과 통신을 할 수 없다는 점이다.

이 문제에 대한 대책으로는 몇 가지 방법이 있지만 날씨에 좌우되지 않는 전파, 구체적으로는 Ka대를 이용한 100Mbps급 통신과의 하이브리드 실현을 목표로 하고 있다. 지상국 상공의 날씨에 문제가 없으면 고속 광통신을 사용하고, 문제가 있을 경우 전파로 전환한다. “하이브리드로 이용하는 부분이 개발 포인트 중 하나이다. 전파와 광을 전환하는 알고리즘을 포함해 시스템 검토를 진행하고 있다”(악셀스페이스의 이노우에 유닛리더)라고 한다.

-- 광 안테나 전체를 알루미늄으로 --
그렇다면 구체적으로 어떻게 소형경량화 및 저비용화를 실현해나갈 것인가? 광학계 개발을 담당하는 기요하라광학은 몇 가지 새로운 도전을 추진하고 있다.

우선은 레이저광을 송수신할 때 ‘창’ 역할을 하는 광 안테나(망원경)의 구경을 전체 사이즈는 바꾸지 않은 채 크게 하는 것이다. 구체적으로는, “해외에서 시행되고 있는 소형 위성용 단말기의 연구개발에서는 구경은 통상적으로 80mm이지만, 광 안테나 자체 크기는 그대로 유지한 채 주경(主鏡)의 구경을 88mm로 할 수 없는지 모색하고 있다”(기요하라 씨).

일반적으로 고속화와 소형경량화〮저소비 전력화는 트레이드 오프의 관계에 있다. 예를 들면, 고속화를 하기 위해서는 광 안테나의 구경 확대와 레이저 광 증폭기의 고출력화가 특히 유효하지만, 이 경우 사이즈 및 소비전력이 늘어난다. 기요하라광학은 강점인 가공기술을 활용해 광 안테나 전체 사이즈를 유지한 채 구경을 늘리는데 주력하고 있다.

또한 거울을 포함해 전체를 알루미늄합금으로 만들어 양산성을 높이는 것에도 도전하고 있다. 통상적으로 광 안테나의 주경은 저팽창 유리로 만들고 알루미늄합금의 프레임으로 마운트하는 경우가 많지만, 소재를 알루미늄합금으로 일원화함으로써 부품 수를 줄일 수 있다.

광학 가공의 정밀도는 저팽창 유리가 높아지지만, 최저 마이너스 150도, 최고 플러스 120도로 온도가 극단적으로 변화하는 우주환경에서는 유리와 알루미늄합금의 열팽창계수 차이로 거울에 응력이 가해져 성능에 악영향을 줄 수 있기 때문에 조정 공정이 필요하다.

전체를 알루미늄합금으로 만들면 응력 문제는 해결된다. 물론 저팽창 유리에 비하면 신축성은 크지만 전체가 균일하게 변화하기 때문에 설계를 통해 이를 흡수할 수 있을 것으로 보고 있다.

또한 빛의 포착〮추적 기술에도 저비용화 장치가 더해졌다. 레이저광은 전파에 비해 빔의 발산각이 크게 작기 때문에 일반적으로 광 위성통신에서는 4자리 높은 레벨의 지향제어 정밀도가 요구된다.

이때 중요한 것이 통신 상대로부터 레이저광을 수신하고 그 방향으로 레이저광을 되돌려 보내 링크를 확립하는 광 포착〮추적 기술이다. 이 기술의 정밀도를 높이면 빔을 보다 좁힐 수 있기 때문에 고속화 및 낮은 소비전력화가 실현된다.

광 위성통신 단말기의 내부 광학계에는 ‘정밀 포착〮추적기구’가 탑재되어 있다. 기요하라광학은 이번에 여기서 사용되는 정밀 추적용 미러를 일반적인 보이스코일로 움직이는 것이 아니라, MEMS(미세전자기계시스템)를 사용해 움직일 수 있는지 여부를 검토. 이를 통해 소형에 잘 고장 나지 않는 시스템 개발을 목표로 하고 있다.

또한 이번 위탁 연구에서는 저궤도 위성을 자동으로 포착〮추적 가능한 가반형(可搬型)의 광 지상국도 개발한다. 구체적으로는 지상국을 차에 싣고 날씨에 문제가 없는 곳으로 이동해 위성과 통신하는 것을 목표로 한다. 기요하라광학이 개발을 담당한다.

“현재 광 지상국은 대형밖에 없다. 개발하는 것은 이른바 반사형 천체망원경과 같은 이미지이다. 광안테나의 구경은 40~60mm로, 전체적으로 세탁기 정도의 사이즈가 될 것이다”(기요하라광학)라고 한다.

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