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위상배열레이더가 통합된 ICEYE의 SAR 정찰 위성
한국의 우주 군사력 건설에 ICEYE의 솔루션을 통합하는 방안에 대해서 살펴보기 전에 먼저 ICEYE의 합성개구레이더 위성들에 대해서 간단하게 살펴보도록 하겠다.
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 국산 위성발사체(액체연료 로켓) 누리호 발사에 성공하면서 이미 세계적인 위성체 강국인 한국이 독자적으로 우주에 접근할 수 있는 길이 열렸다.
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ICEYE의 합성개구레이더 위성에 통합되어 있는 X 밴드 SAR 시스템은 위상배열레이더이다. SAR를 X 밴드 위상배열레이더로 구현하는 것은 파라볼릭 안테나를 사용하는 레이더보다 장점이 많기 때문이다.
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2022년 10월 기준으로 추가로 10여개의 국가가 ICEYE와 계약 체결을 위한 상담 중이기 때문에 궤도에 올려져 있는 ICEYE의 위성 21기 중 아직 주인이 없는 15기의 인공위성과 내년까지 신규 발사될 예정인 14기의 레이더 인공위성 총 29개의 인공위성들도 머잖아 타국과 계약이 될 것이다.
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먼저 우주 전자전에 강하다(robust)는 것이다. 한국도 육군이 계획하고 있는 우주 무기 중에 각종 정찰위성 교란 시스템이 포함되어 있으며 이 중에는 정찰 위성의 SAR 시스템, 그리고 디지털 영상 데이터 전송 체계를 교란하는 전자 공격 체계가 포함되어 있다(2022년 10월 기준으로 ADD에서 사전 연구 중이며 2023년에 중기계획 전환 예정). 이와 같은 우주 전자전 체계는 장래에 널리 확산될 전망이다.
ICEYE의 합성개구레이더 위성에 통합된 X 밴드 위상배열레이더는 동시에 다수의 채널을 사용한다. 이는 위성 전자전 체계의 X 밴드 재밍 밴드폭(bandwidth)를 크게 만들어서 재밍 효과(NSR : Noise-to-Signal Ratio)를 크게 저하시키고 우주 전자전 환경에서도 합성개구레이더가 강인하게 작동할 수 있도록 한다. 위상배열레이더의 전자적인 스티어링(steering)이 커질수록 위상차(phase difference)가 증가하는 것 역시 X 밴드 위상배열레이더가 통합된 ICEYE의 합성개구레이더 위성이 강력한 EP(Electronic Protection) 성능을 보유하도록 하는 장점이다.
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ICEYE의 첫 합성개구레이더 위성은 2018년 1월 18일에 발사되었다. 이후 2018년 12월 18일에 두번째 위성이 발사되었으며, 2019년에는 3기, 2020년에는 2기, 2021년에는 7기가 발사되었다. 그리고 2022년에 드디어 ICEYE의 연간 위성 발사 숫자가 두 자리수에 돌입하면서 2022년 1월 22일부터 2022년 후반기까지 총 10기의 합성개구레이더 위성이 발사된다. 내년(2023년)에는 ICEYE의 합성개구레이더 위성 11기가 발사될 예정이다.
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합성개구레이더와 별도로 ICEYE의 영상 전송 데이터 링크 역시 강력한 EP 성능을 확보한 시스템이라고 한다. ICEYE의 위성이 생성한 디지털 영상 데이터를 적대적인 통신 재밍로부터 보호하는 구체적인 방법은 당연히 기밀이지만 암호화가 그 핵심이라고 한다.
추정을 하자면 밀도 높은 암호화를 통해서 영상 데이터를 적대적인 재밍과 COMINT로부터 보호하면서 동시에 영상 데이터 전송의 PRF(Pulse Repetition Frequency)를 대폭 증대함으로써 적대적인 전자전 체계의 탐지를 피하는 것이 ICEYE의 합성개구레이더 위성의 영상 전송 체계에 적용된 항재밍 기법의 요체인 것으로 짐작된다. 그리고 디지털 영상 전송 체계에 많이 사용되는 다수의 반송파(carrier)를 동시에 지향성이 큰 안테나와 함께 사용하는 것도 ICEYE의 항재밍 기법에 반영된 것으로 추정된다.
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ICEYE의 합성개구레이더 위성 중 2022년 1월에 발사된 시스템이다
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합성개구레이더를 전자적인 빔 조향을 하는 위상배열레이더를 사용하여 구현하기 때문에 분해능이 정밀하고 넓은 구역을 신속하게 스캔할 수 있다.
정밀한 영상 분해능과 전천후 스캔 두 마리 토끼를 모두 잡았다는 것 역시 ICEYE의 합성개구레이더 위성의 장점이다.
정찰 위성 중 EO/IR 영상 위성, 즉 전자광학위성의 경우에는 RF(Radio Frequency)보다 파장이 짧은 대역을 사용하기 때문에 분해능이 합성개구레이더의 그것보다 우수한 반면 전천후 운용성은 떨어진다. 반대로 합성개구레이더 위성은 전자광학 위성보다 분해능은 약간 떨어지는 반면 전천후 스캔이 가능한 시스템이다.
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성개구레이더와 별도로 ICEYE의 영상 전송 데이터 링크 역시 강력한 EP 성능을 확보한 시스템이라고 한다. ICEYE의 위성이 생성한 디지털 영상 데이터를 적대적인 통신 재밍로부터 보호하는 구체적인 방법은 당연히 기밀이지만 암호화가 그 핵심이라고 한다.
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합성개구레이더 정찰 위성을 저렴하고 신속하게 제공하는 ICEYE의 솔루션
ICEYE의 첫 합성개구레이더 위성은 2018년 1월 18일에 발사되었다. 이후 2018년 12월 18일에 두 번째 위성이 발사되었으며, 2019년에는 3기, 2020년에는 2기, 2021년에는 7기가 발사되었다. 그리고 2022년에 드디어 ICEYE의 연간 위성 발사 숫자가 두 자릿수에 돌입하면서 2022년 1월 22일부터 2022년 후반기까지 총 10기의 합성개구레이더 위성이 발사된다. 내년(2023년)에는 ICEYE의 합성개구레이더 위성 11기가 발사될 예정이다. 2018년 1월에 발사된 SAR 위성은 기술 실증 체계라는 점을 감안하면 실질적으로는 2018년 12월 18일에 발사된 위성이 ICEYE의 첫 합성개구레이더 위성이라고 할 수 있겠다.
본고가 작성되고 있는 2022년 10월 기준으로 총 21기의 ICEYE 인공위성이 궤도에 올려져 있으며 14기의 위성(올해 3분기, 4분기에 발사되는 인공위성 3기와 내년에 발사되는 인공위성 11기)이 제작 라인에 거치되어 조립되고 있다.
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ICEYE의 합성개구레이더 위성에 통합되어 있는 X 밴드 SAR 시스템은 위상배열레이더이다. SAR를 X 밴드 위상배열레이더로 구현하는 것은 파라볼릭 안테나를 사용하는 레이더보다 장점이 많기 때문이다.
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그러므로 425 사업 정찰위성 5기 중 첫 번째 위성을 발사하는 2024년 이전에 ICEYE의 솔루션을 사용하기 위한 계약을 체결하면 신속하게 35개의 위성 중 일부를 정찰 위성으로 사용할 수 있게 된다.
현재 궤도에 올려져 있는 ICEYE의 합성개구레이더 위성 21개 중 미국이 2기, 캐나다가 1기, 브라질이 2기, 그리고 우크라이나가 1기 총 6기는 이미 상기 계약국들이 사용하고 있다.
2022년 10월 기준으로 추가로 10여개의 국가가 ICEYE와 계약 체결을 위한 상담 중이기 때문에 궤도에 있는 ICEYE의 위성 21기 중 아직 주인이 없는 15기의 인공위성과 내년까지 신규 발사될 예정인 14기의 레이더 인공위성 총 29개의 인공위성들도 머잖아 타국과 계약이 될 것이다. 그러므로 한국이 425 사업 정찰위성 5기가 모두 전략화되기 전에 사용할(그리고 2029년 이전까지 425 사업 정찰위성들과 함께 사용할) 정찰 위성을 ICEYE의 합성개구레이더 위성 36기 중에서 신속하게 확보하려면 계약을 서둘러야 할 것이다.
ICEYE 솔루션의 또 다른 장점은 비용이 매우 저렴하다는 것이다. 이는 발주 수량에 맞춰서 한정된 숫자의 인공위성을 제작하여 발사하는 것이 아니라 이미 대량으로 궤도에 올려진 합성개구레이더 인공위성 중 아직 계약으로 점유되지 않은 위성을 사용하는 것이기 때문이다.
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2021년 1월에는 이 사진에서 볼 수 있는 것처럼 3기의 합성개구레이더 위성을 SpaceX에 탑재하여 발사하였다.
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서두에서 소개한 것처럼 ICEYE의 합성개구레이더 위성은 X 밴드 레이더를 사용하면서도 전자광학 위성 못지않은 정밀한 분해능(0.3m 미만)과 함께 레이더 위성의 장점인 전천후 감시 정찰 능력을 보유한 시스템이며, 전자적인 빔 조향을 하는 위상배열레이더를 사용함으로써 넓은 구역을 신속하게 스캔하면서 합성개구레이더와 영상 전송 체계를 적대적인 우주 전자전 체계로부터 보호하는 고성능 첨단 시스템이다. 이와 같은 고성능 체계를 저렴한 가격으로 계약할 수 있으며, 계약과 동시에 사용을 시작할 수 있는 서비스는 오직 ICEYE에서만 제공할 수 있다.
ICEYE의 위성 영상 솔루션은 전천후 스캔을 할 수 있는 합성개구레이더 위성을 사용하면서 동시에 서브미터급 분해능까지 확보하고 있다. ICEYE의 2세대 합성개구레이더 위성의 분해능은 0.5m, 반송파 기준 10dB 가량 에너지 격차가 있는 주파수 격차는 0.6GHz이며, 3세대 합성개구레이더 위성은 0.3m 미만의 분해능을 기록한다. 이는 전자광학 위성의 그것보다 좀 더 우수한 분해능이다.
전천후 스캔을 할 수 있는 ICEYE가 이처럼 대부분의 전자광학 위성보다 우수한 분해능까지 갖추게 된 비결은 X 밴드 위상배열레이더를 사용한다는 것, 그리고 2세대 합성개구레이더 위성보다 더욱 큰 안테나를 사용한다는 것이다.
합성개구레이더의 원리는 간단히 말하면 초대형 위상배열레이더를 사용하여 지상을 스캔하는 것과 같은 효과를 구현하는 것이라고 할 수 있다. 이는 X 밴드 레이더로 지상을 스캔을 할 때 LPRF(Low Pulse Repetition Frequency) 스캔을 하면서 RBM(Real Beam Mapping)을 할 경우 분해능이 떨어지고 영상 왜곡(예 : 멀티패스 효과, 쉐도우 효과 등)이 발생하기 때문이다. 그러므로 빔 샤프닝(beam sharpening)을 하기 위해서 가상의 초대형 위상배열레이더를 구현하는 것이다.
ICEYE의 제 3 세대 합성개구레이더 위성은 물리적으로 실제 위상배열레이더를 사용한다. X 밴드 위상배열레이더를 사용함으로써 2.6m² 면적의 X 밴드 안테나의 물리적인 개구비(aperture rate)보다 더욱 큰 개구비의 안테나를 사용하는 효과를 달성하도록 설계되었다. ICEYE의 제 2 세대 합성개구레이더도 1.3m² 면적의 X 밴드 안테나를 사용하는 시스템으로서 실제 개구비는 이런 물리적인 조건으로 산출되는 값보다 더욱 크게 설계되었는데, 제 3 세대 합성개구레이더 위성은 스티어링이 같은 소자들도 경로 차이가 발생하는 시스템을 제 2 세대 체계의 그것보다 2배 더 큰 면적의 안테나와 통합함으로써 더욱 큰 개구비를 갖도록 설계된 것이다.
이와 같은 체계를 활용하여 상술한 것과 같이 초대형 개구면을 갖는 가상의 위상배열레이더로 지상을 스캔하는 것과 같은 효과를 구현하는 기법(합성개구레이더)을 사용함으로써 적외선(IR)보다 파장이 긴 RF를 사용함에도 불구하고 ICEYE의 합성개구레이더 위성은 전자광학/적외선 영상 위상보다 더욱 분해능이 우수한 것이다.
그리고 위상배열레이더를 사용함으로써 단위 면적당 스캔 소요 시간이 대폭 단축된다는 것도 ICEYE의 합성개구레이더 위성의 장점이다. 파라볼릭 안테나를 사용하는 합성개구레이더 위성의 경우에는 빔 스티어링을 하려면 자세 변경을 해야 하기 때문에 스캔 공간이 제한되지만 위상배열레이더가 통합된 ICEYE의 합성개구레이더 위성은 자세 변화 없이 넓은 구역을 신속하게 스캔할 수 있다.
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