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Nikkei Electronics_2021.11 특집 요약 (p32-37)

우주 비즈니스
위성 개발에 표준화의 물결
지상에서 축적한 일본 기술에 빛

지금까지 1기 단일 생산이 당연시되었던 인공위성 개발에 양산화의 물결이 밀려오고 있다. 일본에서는 향후 급증할 것으로 예상되는 컨스텔레이션(지구를 도는 궤도상의 대량의 위성을 통합해 운용하는 시스템, 또는 그것을 구성하는 위성군)에 대비해 위성 버스를 범용화하거나 기간 부품을 신규 개발해 제조 경쟁력을 확보하려는 움직임이 활발하다.

“우주의 공업화가 시작되었다”. SAR(합성 개구 레이더) 위성을 개발하는 싱스펙티브(Synspective) 위성시스템개발부의 오바타(小畑) 매니저는 최근의 위성 개발 트랜드를 이렇게 표현한다.

지금까지의 위성 개발은 1기의 위성에 긴 시간을 투자하는 것이 상식이었다. 정부의 톤(t) 급 대형 위성의 개발 기간은 약 5~10년, 비용은 수백억 엔 이상이 당연했다. 그러나 무게가 수백 kg 이하의 소형 위성, 그리고 컨스텔레이션이라는 ‘큰 파도’가 과거의 상식을 바꾸려 하고 있다.

싱스펙티브에서 위성 개발을 담당하는 엔지니어의 절반은 자동차나 가전업체 출신이다. 오바타 매니저에 따르면, 그들은 “우주 품질은 안 된다”라는 소리를 자주 한다고 한다. “1기만 만드는 것과 10기를 만드는 것은 품질에 대한 생각이 달라진다. 후자의 경우는 속인적인 지식이나 경험이 아니라 프로세스나 시행착오로 품질을 안정시켜 나갈 필요가 있다”(오바타 매니저).

21년 3월에 소형 관측위성 ‘GRUS’ 4기를 쏘아 올리면서, 6월부터는 총 5기의 컨스텔레이션으로 서비스를 시작한 악셀스페이스(Axelspace)의 나카무라(中村) CEO는 이렇게 말한다. “이번에 당사의 데이터 제공 서비스용으로 4기를 동시에 만들었다. 이는 일본의 첫 양산 위성이다. 기존의 1기 제작과는 제작 방식에 대한 생각이 완전히 다르다는 것을 깨달았다. 보다 효율화할 수 있는 구조를 제로 베이스에서 검토할 생각이다”.

-- 자사 개발 중심의 위성 개발 --
프랑스 유로컨설트(EuroConsult)의 20년 예측에 따르면, 세계에서 발사된 위성 수는 10~19년까지 연평균으로 181기였지만 20~29년에는 1,011기로 약 6배 증가한다. 30년에는 연간 발사가 5,000기를 넘을 것이라는 예측도 있다. 그 대부분은 100~200kg급이나 보다 소형의 30~50kg급 위성이다.

성장기를 맞이하는 위성 비즈니스의 경쟁축의 하나가 ‘양산 기술’이다. 소형 위성이라고는 하지만, 예를 들어 관측위성에서 주류인 100kg급이면 일반적으로 개발비가 5~10억엔 정도, 개발 기간도 몇 년은 걸린다고 한다. 경쟁이 격렬해지는 가운데 성능이나 신뢰성을 담보하면서 저비용∙단기납기를 실현하는 것이 중요하다.

그렇지만 위성의 세계에는 PC에서의 ‘인텔 아키텍처’와 같은 절대적인 표준이 존재하지 않는다. 초소형 위성 ‘CubeSat’에서는 10cm×10cm를 ‘1U’로 해서 그것을 조합하도록 외형 치수는 규격화되어 있지만 내부 인터페이스 규격은 아직 없다. 이미 위성 브로드밴드 서비스 ‘Starlink’용으로 소형 위성을 약 1,700기 쏘아 올린 미국 스페이스X 등, 위성 컨스텔레이션의 선구자도 자사 개발이라고 한다. “그들은 외부 기업을 위한 수탁 개발은 하지 않는다”(오바타 매니저).

앞으로 증가하는 것은 수십 기 레벨의 컨스텔레이션이다. “Starlink와 같은 대규모 컨스텔레이션은 세계에 몇 개는 필요하지만, 우리는 수십 기의 컨스텔레이션이 다수 있는 미래를 예상하고 있다”(악셀스페이스의 나카무라(中村) 씨). 주로 6U의 위성을 개발하는 ArkEdgeSpace의 후쿠요(福代) CEO는 “컨스텔레이션의 대부분은 50기 이하다. 앞으로는 지구관측이나 기상관측, 우주-지상간 IoT/M2M(Machine to Machine)용 통신 등에서 6U의 수요가 높아질 것이다. 이러한 미션에 유연하게 대응해 다종류∙복수 생산이 가능한 체제를 구축해 나간다”고 말한다.

-- 정부 주선으로 범용 버스 개발 --
위성의 양산 기술 강화에서 관건은 ‘범용 버스’의 개발이다. 위성시스템은 관측 기기나 통신기기 등 궤도 상에서의 임무를 담당하는 ‘미션계’와, 자세 제어, 궤도 제어, 통신, 전원 등 기반 기능을 담당하는 ‘버스계’로 구성된다. 위성 버스는 이른바 ‘바퀴’ 부분이지만 공통 규격이 없기 때문에 지금까지는 위성을 개발할 때마다 처음부터 개발하는 경우가 많았다.

경제산업성은 21년 8월, ‘초소형 위성 컨스텔레이션 기술개발 실증사업’에서의 범용 버스 개발 및 실증의 보조사업자로서 악셀스페이스/싱스펙티브의 공동팀과 ArkEdgeSpace를 선정했다. 경제산업성의 보조금으로 전자가 100kg급, 후자가 6 U의 범용 버스를 개발한다. 100kg급에서는 광학과 SAR 양쪽에 사용할 수 있는 버스 개발을 목표로 한다.

SAR은 마이크로파를 발사하므로 광학에 비해 소비전력이 높고, 배열 처리도 어렵다. ALE의 오카지마(岡島) CEO는 “공통 규격으로 함으로써 비용 저감이나 단기 납기화를 기대할 수 있다. 부품 조달에서도 이점이 있다. 우리가 개발하는 인공 유성은 특수해서 사용할 수 없지만, 대기 데이터 관측위성 등에는 사용할 수 있을지도 모른다”라고 말한다.

경제산업성이 이러한 사업을 추진하는 이유는, 일본 정부가 산업 경쟁력이나 안전 보장, 우주 활동의 자립성 확보 관점에서 소형 위성시스템의 구축 능력을 확보하는 것이 급선무라고 생각하고 있기 때문이다. 실제로 정부는 관련 예산을 대폭 증강할 방침이다. “세계에서 경쟁할 수 있는 위성 버스 사업자를 육성한다”(경제산업성 제조산업국 우주산업실).

ArkEdgeSpace에 따르면, 6U용 범용 버스의 이용 이미지는 이렇다. 버스는 명령어/데이터처리(OBC: 온보드 컴퓨팅), 전원, 통신, 자세 제어(ADCS)와 같은 각 컴포넌트마다 표준화하고 있다. 그것을 조합해, ‘저가격 모델’ ‘고성능 모델’ ‘커스터마이즈’용 버스로 한다. “버스의 범용화를 통해 양산을 할 수 있다면, (제조 비용을) 현재의 절반 이하로 줄일 수 있는 가능성이 있다”(후쿠요 CEO).

-- 부품 개발에 집중하는 일본의 기술 --
소형 위성 컨스텔레이션 제조의 국제 경쟁력 강화를 위한 또 하나의 요소 기술은 부품이다. 1기 제작의 대형 위성과 비교해 소형 위성에서는 저비용∙단기납기의 양산품이 요구되지만, 현재 그 선택지는 많지 않다. 특히 기간 부품이 대부분 해외 생산품이어서 복잡한 수입 절차로 인해 납기가 길어지거나 가격이 인상되는 것이 국내 위성개발 사업자들의 골칫거리가 되고 있다. 그래서 경제산업성은 위성의 기간 부품을 개발하는 국내 사업자를 지원하는 대응을 추진하고 있다.

그 중 한 회사가 광학시스템 기술에 강한 제네시아(Genesia)다. 제네시아는 도쿄 공업대학, 도호쿠대학과 공동으로 위성의 자세 제어의 핵심 부품인 스타 트래커(별추적기)를 개발했다.

스타 트래커는 광학카메라로 우주 공간을 촬영해, 그 시야 내의 항성 위치로 위성이 향하고 있는 방향을 추정하는 센서다. 제네시아가 개발한 제품은 방향 결정 성능에서 오류 발생률이 1,000회에 3번, ‘태양 회피각’에서 세계 최고 수준의 성능을 가진 제품이다. 태양 회피각은, 얼마나 태양광선에서 각도를 돌리면 빛에 방해를 받지 않고 계측할 수 있는가라는 지표다.

개발품은 30도보다 작다고 한다. 렌즈 후드에 새기는 주름을 고안하여 만들었다. "태양이 눈부신 탓에 위성이 자세를 바로 잡지 못할 때도 많다. 태양 회피각은 위성의 운용 시간, 즉 비용에 영향을 주는 중요한 팩터다”(제네시아 다케야마(武山) 대표). 개발한 센서는 도쿄공업대학이 개발한 50kg급 위성 ‘히바리’ ‘우미쓰바메’에 탑재되어 발사될 예정이다.
 

스타 트래커의 가격은 1,500만~2,000만 엔으로 비싸지만 제네시아는 시세보다 20~30% 싸게 제공할 수 있다고 한다. 다케야마 대표는 “국산 200kg 이하의 위성 전용에서 70%의 점유율을 차지하고 싶다”라고 말한다.

27년에는 세계에서 신규로 발사되는 소형 위성에서 점유율 10%를 목표한다. 이러한 큰 목표를 내걸고 우주 비즈니스에 참가한 것은, 모터 기술에 강한 시나노켄시다. 시나노켄시가 개발하는 것은 위성의 자세 제어에 이용하는 ‘리액션 휠’이라는 부품으로, 악셀스페이스와 공동 개발하고 있다. 리액션 휠은 주로 플라이 휠, 전동모터, 제어기판으로 구성되며, 플라이 휠의 회전 수 변동에 따른 반작용으로 위성에 토크를 줘서 자세를 제어한다. 통상 1기당 34개가 탑재된다.

시나노켄시의 목표는 모터 제어를 통해 저진동으로 안정 동작을 유지하는 제품을 제작하는 것이다. 예를 들어, 광학 관측위성은 수백 km 상공에서 촬영하기 때문에 진동이 발생하면 해상도에 악영향을 미친다. 가격은 해외의 경쟁 제품보다 20~30% 싸게, 납기는 절반을 목표하고 있다. 22년도 내에 개발을 끝내고, 23년도에 100kg급 위성에 탑재해 발사 실증을 실시할 예정이다.

-- 위성의 진화에 3개의 트렌드 --
우주에 대해서는 ‘첨단’이라는 이미지가 있지만, 타업종의 경험자들은 “지상과 비교해서 늦다”라는 지적도 한다. 그 대표적인 예가 “1번 발사하면 미션을 변경할 수 없다는 점이다”(미쓰비시 우주시스템사업부 시바타(柴田) 부장). 저궤도 위성의 수명은 2~5년, 정지궤도까지 이르면 15년 정도다. 이 사이에 지상의 일렉트로닉스 기술은 계속 진화해, 지상 시스템과 위성의 기능∙성능에 미스매치가 발생하게 된다. 소형 위성 컨스텔레이션에 의한 사업화의 물결은 위성이 안고 있는 기술 과제를 부각시켰다.

현재 차세대 위성을 위한 주목할만한 기술은 3개다. ① 위성의 디지털화, ② 궤도상에서의 온보드 컴퓨팅(OBC), ③ 광위성통신이다.

①은 발사한 위성의 미션을 소프트웨어적으로 변경할 수 있도록 한다. 이미 일부 통신위성은 이 기능을 탑재하고 있어, 무선 주파수를 바꾸거나 서비스 대상 지역을 바꾸는 기능을 갖추고 있다. 통신 이외에도 소프트로 기능을 업데이트하는 기술을 개발하고 있다.

②는 AI(인공지능) 등을 활용함으로써 미션 처리를 궤도 상에서 자율적으로 실시하는 기술이다. 예를 들면, 컨스텔레이션의 각각의 위성이 스스로의 위치나 자세에 관한 정보를 분석해 자율적으로 조정하거나 한다.

③은 관측위성 등이 안고 있는 매우 중요한 과제를 해결할 수 있는 기술이다. 관측위성에서는 촬영한 대량의 이미지를 적시에 지상에 전송할 수 없는 것이 문제가 되고 있다. 위성은 지상국과 전파로 통신하고 있지만 전송 속도가 10Mbps 정도로 느린데다 궤도를 돌고 있는 위성이 지상국과 교신할 수 있는 타이밍이 한 번에 몇 분 정도로 한정돼 있다.

또한 위성에 할당된 전파 주파수대는 혼잡해 면허 취득에 시간이 걸리고 고속화가 더 어려운 실정이다. 광통신이라면 이론상 1G~10Gbps의 고속통신이 가능하고 현재로선 면허도 필요 없다.

-- 소니가 지향하는 위성간 광통신 --
소니 Computer Science Laboratories(소니 CSL)는, 우주항공연구개발기구(JAXA)와 공동 개발한 소형 광통신 실험장치 ‘SOLISS’의 실증을 진행하고 있다. 20년 3월에는 우주와 지상간 쌍방향 광통신에 성공했다. 구체적으로는 국제우주스테이션(ISS) ‘기보(희망)’ 일본 실험동에 설치한 SOLISS와 정보통신연구기구(NICT)의 우주 광통신 지상국과의 사이에 쌍방향 광통신 링크를 확립해, 100Mbps의 이더넷을 이용한 이미지 데이터 전송에 성공했다.

광위성통신에서는 송신 측 장치가 발사하는 레이저광을 원거리에 있는 수신 측 장치에 정확히 쏘아야 한다. SOLISS로 그것을 가능하게 한 것은 소니 그룹이 개발해온 광디스크 기술이다. 1,000km에 20m 오차라는 높은 정밀도를 실현했다.

이번은 우주-지상 간이지만, 소니 CSL가 목표하고 있는 것은 위성간 광통신의 실현이다. 소형 위성에 SOLISS를 탑재한다. 지상국과 달리 위성은 움직이고 있는 데다가 거리는 최대 4,500km나 되기 때문에 보다 높은 포인팅 정밀도가 요구된다. 이것이 실현되면, 컨스텔레이션의 복수 위성이 취득한 데이터를 지상국에 가장 가까운 위성에서 보낼 수 있다. 앞으로 2~3년 내에 실증을 목표하고 있다.

쓰쿠바대학발 벤처기업인 워프스페이스(Warpspace)는, 소니 CSL와는 다른 방법으로 광위성 통신서비스를 개발하고 있다. 저궤도 위성과 광통신을 하는 중계 위성 ‘Warp Hub InterSat’을 고도 수천 km의 중궤도에 배치해, 그곳에서 전파로 지상에 데이터를 보낸다. 광통신에 사용되는 적외 레이저광은 구름이 있으면 감쇠나 차단이 일어나는 등 안정성이 부족하기 때문에 저궤도-중궤도 간은 고속 광통신, 중궤도-지상 간은 전파로 통신한다. 저궤도-중궤도 간 통신속도는 1Gbps를 예정하고 있다.

이 서비스를 실현하기 위해서는 고객인 위성개발사업자에게 워프스페이스의 광통신 장치를 탑재하도록 할 필요가 있다. 한편 Warp Hub InterSat에는 광통신장치를 여러 대 실어 멀티링크를 실현한다. 초호기에는 2대 싣는다. 초호기를 22년에 발사하고, 23년에 2기를 추가해 3기 체제로 만들어 23~24년에 서비스를 시작한다. 3기면 지구 전체를 커버할 수 있어, 거의 실시간으로 저궤도의 위성 데이터를 지상에 보낼 수 있다고 한다.

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