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Nikkei X-TECH_2022.6.10

우주 비즈니스
쓰쿠바대학발 벤처, 세계 첫 사업에 도전
광위성통신으로 데이터 중계

쓰쿠바대학발 벤처기업인 워프스페이스(Warpspace, 이바라키현)는 2022년 5월 31일, 인공위성과 지상과의 중계통신 서비스를 구성하는 초호기 위성을 24년 겨울~25년 봄에 발사해 사업을 시작할 계획임을 발표했다.

워프스페이스는 광위성통신 단말기를 탑재한 데이터 중계위성을 이용해 지구 저궤도(Low Earth Orbit, LEO)에 배치한 위성으로부터의 데이터를 지상에 전송하는 서비스를 개발한다. 서비스 명칭은 ‘WarpHub InterSat’이며, 초호기 위성을 ‘LEIHO(영봉(霊峰), Lasercom Exploreration Inter-sat Hub One)’로 명명했다.

광위성통신 단말기를 탑재한 데이터 중계위성은 우주항공연구개발기구(JAXA) 등 정부계 우주기관이 이미 고도 3만 6,000km의 정지궤도에 발사했다. 워프스페이스는 민간기업으로서 세계 최초 위성데이터 중계 사업화를 목표로 하고 있다.

구체적으로는 고도 2,000km의 지구 중궤도(Medium Earth Orbit, MEO)에 데이터 중계위성을 발사한다. 그리고 광위성통신 단말기를 탑재한 저궤도 위성으로부터Gbps(기가비트/초) 클래스의 광통신으로 데이터를 받아, 거기서 지상으로 데이터를 내려 보낸다.

관측위성 등 저궤도를 주회하는 위성은 지구 한 바퀴를 90분에 돌고 있다. 그러나 지상국에 데이터를 내려 보낼 수 있는 것은 한 바퀴당 10분, 하루에 총 30~40분 정도밖에 되지 않는다. 관측위성에서 데이터를 방대하게 취득하고 있음에도 불구하고 지상으로 내려 보내기까지 상당한 시간이 걸리는 것이 문제가 되고 있다.

그래서 기대를 받고 있는 것이 데이터 중계위성이다. 관측위성 등이 많이 배치되어 있는 고도 400~700㎞의 저궤도보다 고고도궤도에 데이터 중계위성을 배치함으로써 통신의 커버리지를 넓힌다. 워프스페이스에서는 25년내에 3기 체제를 목표로 하고 있다.

워프스페이스의 CSO(최고전략책임자)인 모리(森) 씨는 “3기 체제가 실현되면 저궤도 위성이 하루에 주회하는 90% 이상의 시간에서 지상에 데이터를 내려 보낼 수 있게 된다”라고 설명한다. 또한 재해와 같이 즉시 데이터가 필요한 경우, 현재는 취득까지 몇 시간이 걸리지만, 최저 10~15분까지 단축할 수 있다고 한다.

다만 광위성통신에는 지상국 상공에 구름이나 안개가 있어야 통신이 가능하다는 약점이 있기 때문에 처음에는 데이터 중계위성과 지상국 통신에는 전파를 사용할 예정이다.

서비스 대상은 국내외 관측위성 사업자이지만 주로 위성 기수가 적은 사업자가 대상이 될 것이다. 위성 콘스텔레이션에서는 기수에 비례해 지상국과 통신할 수 있는 빈도가 늘어나기 때문이다. 데이터 중계 서비스를 이용할지 여부는 위성 사업자에 따라 구분될 것으로 보고 있다.

워프스페이스가 서비스를 실용화하기 위해서는 광통신 단말기를 탑재한 데이터 중계위성을 발사하거나, 고객에게 중계위성과 광통신이 가능한 단말기를 제공하여 관측위성에 탑재하도록 할 필요가 있다.

데이터 중계위성이 탑재하는 단말기의 경우는, 최초 1기는 타사 제품을 조달할 방침이다. 미국 우주개발국(SDA:Space Development Agency)이 정한 ‘Transport Layer’의 독자적 표준 ‘Tranche1’에 준거한 단말기로, 레이저광의 파장은 1.55μm대, 통신 속도는 최대 2.5Gbps이다.

참고로, Transport Layer는 미국 국방부가 추진하는, 수백 기 이상의 소형 위성이 일체가 되어 다양한 기능을 담당하는 위성 콘스텔레이션에 의한 ‘NDSA(National Defense Space Architecture: 국가방위우주체계)’ 구상에서의 데이터 운반층이다. 그것을 위한 독자적 표준의 버전 1이 ‘Tranche1’이다.

한편, 고객의 위성에 싣는 단말기는 국내외 광학계 업체와 공동 개발한다. 사양은 Transe1에 준거한다. 사이즈는 2U(1U는 10cm×10cm). 포착 추적 기구를 포함하면 3.5U이다. 최소 6U 클래스의 초소형 위성에 탑재하는 것을 상정하고 있다. 24년 내에는 비행 모델의 완성과 우주 실증을 실현하고 싶다고 한다.

또한 해외 전개에 대한 발판으로서 “향후 공개될 예정인 SDA의 ‘Tranche2’(개정판)부터 들어가고 싶다. 이를 위해 미국 워싱턴D.C에 지점을 설립했다”(모리 씨).

무엇보다 서비스 실현을 위한 기술 과제는 남아 있다. JAXA에서 이사를 지냈으며, 지금은 워프스페이스에 기술 참여하고 있는 하마자키(浜崎) 씨는 “너무 높은 장벽이 가로 막고 있는 것이 아니라, 클리어 해야 할 작은 기술 과제들이 산적해 있다.

첫 번째 과제는 비용이다. 우주용 부품이 아니라 민생 부품으로 제대로 우주에서 가동하는 부품을 찾을 필요가 있다”라고 말한다. 예를 들면, 저궤도에서 중궤도까지의 거리에서 광통신을 하려면 3~5W라는 고출력의 반도체 레이저 증폭기가 필요하다. 하지만 현재로서는 방사선에 약해 성능이 열화되는 과제가 있다고 한다.

또한 워프스페이스는 장기적으로 데이터 중계위성으로부터 광통신으로 지상에 데이터를 내려 보내는 것도 시야에 넣고 있다. 물론 날씨 대책이 필요하다.

워프스페이스의 기술고문이자 도카이대학 정보통신학부의 다카야마(高山) 교수는 “구름이 있으면 통신이 안 되는 것에 대한 기술 회피책은 없기 때문에 광지상국을 분산 배치하는 것이 현실적이 해답으로 보인다.

지금까지의 연구에서는, 홋카이도에서 오키나와까지 6~7국을 분산시키면 90% 정도의 확률로 통신이 가능하다는 것을 확인했다. 최근에는 일본에서의 지상국 개설을 추진하면서, 상시 즉시대응 통신에 대한 요구에 부응하기 위해 국가를 초월해 지상국을 개설해 운용하는 것도 지금부터 검토해 나갈 것이다”라고 말한다.

-- JAXA가 관측위성 데이터의 중계 전송을 실증 --
한편, 데이터 중계위성을 사용한 우주에서의 광통신에 의한 Gbps 클래스의 실증 실험은 23년 이후에 실시할 계획이다. 예를 들어 JAXA는 22년도 이후에 발사할 예정인 관측위성 '다이치 3호(ALOS-3)'와 '다이치 4호(ALOS-4)'에 광위성통신 단말을 탑재해, 이미 20년 11월에 발사한 정지궤도(Geostationary Orbit, GEO)의 '광데이터 중계위성'과 광통신 실증을 실시할 예정이다.

광데이터 중계위성은 JAXA의 광위성간 통신시스템 ‘LUCAS’를 탑재하고 있으며, 이에 따라 저궤도-정지궤도 간을 1.8Gbps의 속도로 통신한다. 파장은 1.55μm대이다. 그리고 광데이터 중계위성과 지상국과의 통신에는 전파를 사용한다.

정지궤도에 배치한 광데이터 중계위성을 통해 데이터를 지상국으로 전송함으로써 저궤도를 주회하는 관측위성은 1바퀴 90분 중, 기존의 4배 이상에 상당하는 약 절반의 시간을 데이터 전송에 할당할 수 있다고 한다.

JAXA는 과거에 전파를 이용한 데이터 중계위성 ‘고다마’(DRTS)를 개발해 ‘다이치 2호(ALOS-2)’ 등 지구 관측위성에서 관측된 대용량 데이터를 전송한 실적을 갖고 있다. 고다마의 경우 통신 속도는 240Mbps였고, 탑재한 안테나의 구경은 3.6m로 거대했다. 한편, LUCAS에서는 속도는 7배 이상으로 높아지는 한편, 광데이터 중계위성에 탑재하는 광안테나의 구경은 15cm로 대폭 소형화되었다고 한다.

LUCAS용으로 정지위성용과 지구 관측위성용의 2종류의 단말을 개발한 것은 NEC이다. NEC는 저출력 반도체 레이저광을 진공 환경하에서 고출력으로 안정적으로 증폭하는 기술과 높은 정밀도로 데이터 전송처의 위성을 포착 추적하는 기술 등을 개발한 것으로 알려졌다.

“해저케이블이라면 100~200km마다 레이저광을 증폭하는 중계 장치를 둘 수 있지만 우주통신에서는 그것이 불가능하다. 수 mW 레벨의 반도체 레이저 출력을 증폭기로 수 W~10W 레벨까지 끌어올릴 필요가 있다. 지금까지보다 한 자릿수 큰 도전이다”(NEC 항공우주방위솔루션사업부문 미요시(三好) 씨).

JAXA는 이미 정지궤도 광데이터 중계위성과 정보통신연구기구(NICT)의 광지상국 사이에서 쌍방향 광링크를 확립하는 실험에 성공했다. 이 실험 중에서 광데이터 중계위성의 실제 통신 상대가 되는 저궤도 위성을 정확히 포착 추적하는 기술을 사용할 수 있다는 것을 확인했다.

JAXA의 관계자는 “다이치 3호와 광데이터 중계위성에 의한 실험에 성공하면, 미 항공우주국(NASA)보다 앞서서 유럽우주기관(ESA)의 ‘유럽데이터중계위성(EDRS)’과 어깨를 나란히 할 수 있다”라고 말한다.

또한 JAXA에서는 광데이터 중계위성의 미래상으로서 ‘다거점화(상용 통신위성 등에 단말을 같이 탑재해 중계 거점 증가)’ ‘고속화’ ‘멀티 액세스화(1개의 위성으로 복수 회선)’를 검토하고 있다.

예를 들면, 고속화를 위해서는 레이저광 증폭기의 고출력화가 필요하게 된다. JAXA 제1우주기술부문 JDRS프로젝트팀의 야마카와(山川) 매니저는 “현재는 3W의 증폭기를 사용하고 있지만 앞으로는 10W를 목표로 개발을 진행할 계획이다”라고 말한다.

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