인공위성의 급증으로 저궤도가 점점 혼잡해지고 있으며, 이로 인해 충돌 위험이 높아지고 무선 주파수 대역이 과부하되어 데이터 전송 인프라에 부담이 가중되고 있습니다. 이러한 상황에서 레이저 통신 기술은 차세대 우주 탐사를 위한 새로운 연결 방향으로 주목받고 있습니다.
과부하 궤적
최근 몇 년 동안 지구 궤도를 도는 인공위성의 수가 매우 빠른 속도로 증가했습니다. 2019년 스타링크 시스템 발사로 SpaceX는 현재 10,200개 이상의 위성을 궤도에 올려놓고 운영하고 있습니다. 유럽우주국(ESA)은 향후 10년 안에 약 10만 개의 위성이 지구 궤도에서 동시에 작동할 수 있을 것으로 예측합니다. 현재 대부분의 위성은 전파를 이용하여 지상으로 데이터를 전송합니다. 이는 휴대전화, 와이파이, 블루투스, 텔레비전 등에도 사용되는 기술입니다.
하지만 전파는 전자기 스펙트럼(자연에 존재하는 모든 파동과 복사선의 범위)에서 극히 일부분만을 차지합니다. 통신에 활용 가능한 무선 주파수 대역은 제한되어 있으므로 국제전기통신연합(ITU)에서 관리하고 할당해야 합니다.
영국 서리 대학교의 위성 통신학 교수인 배리 에반스는 점점 더 많은 위성 시스템이 동일한 주파수 대역에서 작동할 때 주파수 과부하가 발생하기 시작한다고 말했습니다.
예를 들어, 스타링크와 유텔샛 원웹은 모두 Ku 대역(약 11~14GHz)을 사용하여 지상으로 데이터를 전송하므로 간섭 및 신호 중첩 위험이 높아집니다. 현재 기업들은 주파수 대역 공유를 조율하거나 신호 전송 시간을 조정해야 하지만, 전문가들은 이는 임시방편일 뿐이라고 보고 있습니다.
서로 다른 고도에서 운용되는 위성들은 신호 간섭을 일으킬 수 있습니다. 예를 들어, 지상국이 약 1,200km 고도에서 OneWeb 신호를 수신할 때, 약 500km 고도에서 더 낮게 비행하는 Starlink 위성이 서비스 영역을 통과하면 일시적인 간섭이 발생할 수 있습니다. 이러한 현상을 인라인 이벤트(In-Line Events)라고 합니다. 우주에서 전송되는 데이터가 급증하는 상황에서, 전파는 고해상도 비디오 전송, 센서 데이터, 그리고 글로벌 위성 인터넷에 대한 장기적인 수요를 충족시키기에 충분하지 않을 것으로 예상됩니다.
기술적 과제
이러한 압력에 직면하여 우주 산업계는 데이터 전송에 레이저를 활용하는 방향으로 전환하고 있습니다. 우주 공간에서 넓게 전파되는 전파와 달리 레이저는 매우 좁은 빔으로 이동하기 때문에 다른 시스템의 간섭에 거의 영향을 받지 않아 데이터 전송 속도를 높이고 보안을 강화할 수 있습니다.
리투아니아의 아스트로라이트(Astrolight) 공동 창립자 겸 CTO인 달리우스 페트롤리오니스(Dalius Petrolionis)는 차세대 위성들이 레이저 링크를 통합하는 경우가 많다고 밝혔습니다. 스타링크(Starlink) 네트워크에서는 이미 일부 위성 간 연결에서 레이저를 통해 데이터가 전송되고 있습니다. 그러나 위성에서 지상으로의 레이저 통신은 대기 조건에 매우 민감하기 때문에 여전히 주요 기술적 과제로 남아 있습니다. 구름, 안개, 수증기 또는 대기 온도 변화 모두 신호를 왜곡할 수 있습니다.
이러한 한계를 극복하기 위해 기업들은 레이저 빔이 대기 변동에 실시간으로 적응할 수 있도록 하는 광학 간섭(AO) 보상 시스템을 개발하고 있습니다. 이러한 시스템은 일반적으로 신호 왜곡을 측정하는 파면 센서, 레이저 빔을 보정하는 왜곡 거울, 그리고 고속 제어 컴퓨터를 포함합니다.
NASA에 따르면 일부 시스템은 두 종류의 변형 거울을 병렬로 사용하는데, 하나는 크고 느린 변형을 처리하고 다른 하나는 작고 빠른 진동을 처리합니다. 제어기는 초당 약 100~1,000번의 조정을 해야 합니다.
5Gbps 레이저 데이터 전송 테스트에서 137개의 제어 요소로 구성된 AO 시스템은 데이터 오류율을 10⁻⁶ 미만으로 줄였으며, 이는 백만 비트 데이터당 1개 미만의 오류에 해당하여 중대한 불일치를 사실상 제거한 것입니다.
신호 왜곡 외에도 레이저 전송 시스템은 대기 난류로 인한 빛의 강도 변동에도 대처해야 합니다. 일부 레이저 전송 네트워크는 인공 레이저 별을 사용하여 기준점을 생성함으로써 대기 난류 수준을 정확하게 측정합니다. 광학 하드웨어 외에도 기업들은 비용을 절감하고 신호 처리 속도를 높이기 위해 인공지능(AI)과 머신러닝 알고리즘을 적용하고 있습니다.
최근 NASA는 아르테미스 II 프로그램의 일환인 오리온 우주선에 탑재된 레이저 통신 시스템을 성공적으로 시험 가동하여 달 근처에서 지구로 100GB가 넘는 데이터를 전송했습니다. 한편, 리투아니아의 우주 기술 기업인 아스트로라이트는 ESA의 지원을 받아 그린란드에 첫 번째 광학 지상국을 건설하고 있으며, 세 개의 실험용 레이저 송신기를 궤도에 진입시켰습니다.
광통신(레이저 통신이라고도 함)은 기존의 전파 대신 적외선을 사용하여 위성 간 또는 위성에서 지상으로 데이터를 전송합니다. 이 기술은 더 빠른 데이터 전송 속도, 낮은 전력 소비, 그리고 사실상 신호 간섭이 없는 것이 특징입니다.
출처: https://www.sggp.org.vn/cuoc-dua-truyen-du-lieu-bang-tia-laser-post854231.html
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