인공위성(Satellite)
인공위성이란 지구나 우주에 있는 다른 천체 주위를 계속 회전하도록 만든 물체로서 현재의 인공위성은 대부분 지구 주위를 돌고 있기 때문에 지구의 주위를 공전하는 인공천체라고 할 수 있다. 지구의 자연위성인 달과 마찬가지로 지구의 인력과 균형을 이룬 원심력을 지닌 속도로 지구 주위를 도는데, 외력의 영향을 받지 않는 한 계속 그 궤도상을 돌 수 있다. 여러 가지 목적에 적합한 장치를 갖춘 물체, 즉 인공위성을 로켓을 이용하여 지구에서 발사한다. 이 때 인공위성에 필요한 속도를 주어서 지구 주위의 원형 또는 타원형 궤도에 진입시켜 선회하도록 한다. 여기서 필요한 속도는 궤도의 높이나 모양에 따라 다른데, 높이 200㎞의 원궤도인 경우에는 7.2㎞/s, 정지궤도(geostationary orbit)라고 불리는 높이 약 3만 6000㎞인 경우에는 3.1㎞/s이다. 속도를 이것보다 빠르게 하면 인공위성은 발사지점으로부터 지구 둘레의 반을 돈 지점에서는 고도가 높아져 궤도 모양은 타원형이 된다. 인공위성은 우주를 연구하고, 일기예보 자료를 수집하며, 국제간 방송 및 전화를 중계한다. 또한 배와 비행기가 안전하게 운항하도록 돕고, 지구의 자원을 탐사하며, 지상에서 이동하는 물체를 감시하는 역할 등을 한다. 지구 외에 달, 태양, 금성, 화성 주위를 돌고 있는 인공위성도 있는데, 주로 위성이 돌고 있는 행성에 대한 자료를 수집한다. 엄밀하게 말하면 궤도비행을 하는 스페이스캡슐, 우주왕복선, 우주정거장 그리고 지구로 떨어지지 않고 궤도를 돌고 있는 다 타버린 로켓추진장치나 빈 연료탱크 따위도 인공위성이라 할 수 있다. 최초의 인공위성은 1957년에 옛 소련이 발사한 스푸트니크 1호이다. 오늘날에는 2,000개가 넘는 인공위성이 지구 주위를 돌고 있다.
[인공위성의 역사] 로켓을 이용하여 인공위성을 발사할 수 있다는 생각은 1898년 러시아의 K.E. 치올코프스키와 1919년 미국의 R.H. 고더드의 저서에서 볼 수 있는데, 이를 실현하기 위해 필요한 강력한 로켓의 개발이 당시로서는 불가능하였다. 로켓에 관한 기술은 제2차세계대전 중 독일을 중심으로 급속히 발전하였고 전후에는 미국과 소련을 중심으로 개발되어 과학관측에 이용되기에 이르렀다. 미국은 1957년의 국제지구관측의 해(International Geophysical Year;IGY)에 지구를 관측하는 수단으로 인공위성 뱅가드 발사계획을 공표하고, 로켓 및 인공위성의 개발과 이것을 지상에서 추적, 관측할 수 있도록 준비하고 있었다. 그런데 개발에 차질이 생겨 뱅가드 발사가 지연되던 중, 1957년 10월 4일 소련이 인공위성 스푸트니크 발사에 성공한 다음 전파를 발신하면서 지구주위를 비행중이라고 발표하였다. 공전주기가 약 96분인 스푸트니크는 발표했던 대로 지구의 각 도시 상공에 나타나 육안으로 관측되었는데, 이와 같이 전파를 계속 송신하면서 지구를 선회하는 최초의 인공천체의 출현은 전세계 사람들을 놀라게 하였다. 소련에 선수를 빼앗긴 미국에서는 예정하였던 뱅가드계획을 익스플로러로 변경하여 1958년 1월 31일 이를 발사하는 데 성공하였다. 이후로 개나 원숭이 등의 생물을 태운 인공위성, 달을 향해 발사하는 달로켓, 인공위성을 다시 지상으로 회수하는 기술, 유인인공위성, 랑데부 및 도킹 기술, 우주유영, 월면탐사기 및 그 밖의 새로운 기술을 개발하기 위해 미국과 소련의 치열한 우주개발 경쟁이 진행되었다. 인공위성을 발사하려던 처음 목적은 궤도상에서의 지구 관측, 인공위성이 비행하는 공간의 과학적 관측, 지구의 대기에 방해받지 않는 고공에서의 천체관측 등이었다. 그러나 그 뒤 우주개발 추세는 이와 같은 과학적 관측(과학위성·천문위성 등)의 목적 외에 사람의 탑승용 인공위성(보스토크·머큐리·스페이스셔틀), 무선통신의 중계국으로서의 역할을 하는 것(통신위성·방송위성·항행위성), 지구의 자원이용을 위해 지구를 관측하는 장치(육역관측위성·해역관측위성·기상위성), 진공·무중력 등 특수한 환경을 이용하는 공학적·생물학적 실험실 등으로서 유용하게 사용할 정도에 이르렀다. 또한 지구 주위를 도는 인공위성뿐만 아니라 유인 달탐사계획인 아폴로계획이 실시되었고, 화성이나 금성 등에 탐사기를 연착륙시켜 표면의 촬영 및 자료수집 등을 하거나 수성·목성·토성 등의 행성 가까이를 비행하며 관측하는 우주탐사기(인공행성) 부문도 매우 발전하였다.
[인공위성의 역학] 인공위성의 운동에 대한 역학적 고찰은 처음에는 질량중심이 우주공간 속에서 어떤 운동을 하는가를 해석하는 궤도역학이 주류를 이루었다. 그러나 고성능 인공위성이 출현함에 따라 탑재한 관측기계가 일정한 방향을 향하도록 하거나 특히 다른 궤도로 진입되도록 하기 위해 인공위성의 소형 로켓을 분사시켜 자세제어나 궤도제어를 할 필요가 생겼으며, 위성의 질량중심 둘레의 회전을 해석하는 자세역학도 중요한 위치를 차지하게 되었다.
지구 주위를 도는 인공위성의 공전운동은 태양주위를 도는 각 행성과 흡사한데, 여기에는 J. 케플러가 행성에 대해 경험적으로 유도해 낸 케플러의 법칙이 적용된다.
-제1법칙 인공위성은 지구의 질량중심을 하나의 초점으로 하는 타원(원을 포함한다)상을 운행한다.
-제2법칙 지구의 질량중심과 인공위성을 잇는 동경(動徑)이 단위시간에 통과하는 면적은 일정하다.
-제3법칙 인공위성의 궤도긴반지름의 3제곱을 공전주기의 제곱으로 나눈 값은 모든 인공위성에서 일정하다.
이와 같은 성질로 운행하는 인공위성의 궤도를 더욱 명확하게 알기 위해서는 6가지 물리량이 필요한데, 이를 궤도요소(orbital element)라고 부른다. 케플러의 6요소라고도 하는 궤도요소는 다음과 같은 것들이다.
-궤도긴반지름 타원에서 장축의 1/2로 정의되며 타원궤도의 크기를 나타내는 것이다.
-궤도이심률 타원궤도의 모양을 정하는 양(量)이다.
-궤도경사각 인공위성의 궤도가 만드는 평면(궤도면)이 적도면과 이루는 각도이다.
-승교점적경 인공위성의 궤도가 지구의 적도면을 남쪽에서 북쪽으로 지나가는 점을 승교점이라 하고, 지구 중심에서 춘분점 방향과 승교점 방향 사이의 각을 승교점적경이라고 한다. 궤도경사각과 승교점적경이 주어지면 우주공간에서 궤도면의 위치가 정해진다.
-근지점인수 인공위성의 궤도상에서 지구와 가장 가까워지는 점을 근지점, 가장 멀어지는 점을 원지점이라 한다. 궤도면상에서 타원의 방향을 정의하기 위해 승교점 방향과 근지점 방향 사이에 이루는 각을 이용하는데, 그 각거리를 근지점인수라고 한다.
-근지점통과 시각 임의의 시각에서 인공위성의 궤도상 위치를 계산하기 위해 인공위성이 근지점을 통과하는 시각을 정한다.
이 6가지 물리량이 주어지면 임의의 시각에 인공위성이 우주공간의 어디에 위치하며 어떤 속도를 가지고 있는지 계산할 수 있다. 이들 6가지 요소의 값은 제1근사로서는 언제나 같은 값을 유지하며 인공위성은 동일한 궤도상을 계속 운행하여야 하지만, 실제로는 지구의 적도 부분이 볼록하므로 그에 따른 인력, 달이나 태양이 미치는 인력, 지구대기에 의한 저항력 등의 영향을 받아 궤도의 상태는 시간이 흐름에 따라 변한다. 이것을 궤도의 섭동(攝動)이라고 한다. 인공위성의 자세를 그 인공위성의 목적을 달성하기 위해 필요한 방향으로 유지하는 방법으로는 위성을 팽이처럼 하나의 축 둘레로 자전시켜 자세를 안정시키는 스핀제어방식과 위성 내에 고속 회전하는 속도조절바퀴를 장착한 3축제어방식이 있다.
[인공위성의 궤도] 인공위성의 궤도를 결정하기 위한 관측방법(tracking)에는 광학적 수단에 의한 것과, 전파를 이용하는 것 2가지가 있다. 광학적인 것으로는 슈미트카메라처럼 시야가 넓고 밝은 렌즈를 갖춘 망원경으로 배경이 되는 항성과 동시에 인공위성을 촬영하여 항성의 위치를 기준으로 인공위성이 위치하는 방향을 구하는 방법과, 레이저광을 인공위성을 향해 발사하여 인공위성 표면에 장착한 역반사경에 의해 레이저광이 반사되어 돌아오는 데 걸리는 시간을 이용하여 거리를 구하는 방법이 대표적인 방법이다. 전파적인 것으로는 전파를 지상국과 인공위성 사이를 왕복시켜 그 소요시간에 의해 거리를 구하는 방법과 도플러효과에 의해 생기는 발신주파수의 변이를 측정하여 지상국과 인공위성 사이의 거리가 시간에 따라 어떻게 변하는가를 알아내는 방법, 이들 관측을 통해 전파를 주고받을 때 안테나가 향하고 있는 방향을 인코더(encorder)에 의해 구해서 위성이 위치하는 방향을 알아내는 방법, 여러 개의 안테나를 간섭계가 되게 조합하여 각 안테나에 전파가 도달하는 시각의 조그만 차이에 의해 인공위성의 방향을 구하는 방법 등이 대표적인 것이다. 일반적으로 파장이 짧은 광학적 수단에 의한 것이 측정 정밀도가 높다. 그러나 기상이나 관측 가능한 시각에 제한을 받는다는 어려움이 있다. 전파를 이용한 방법은 관측 데이터를 곧 컴퓨터에 연결하여 실시간처리가 가능하다는 장점이 있다. 인공위성의 자세를 구하기 위한 관측장치로는 인공위성의 회전축 방향과 태양 방향이 이루는 각을 구하는 선센서(sun sensor), 지구 방향과 이루는 각을 알아내는 어스센서(earth sensor), 밝은 항성과의 상대적 위치를 알아내는 스타 센서(star sensor) 등이 있다. 이들 데이터를 사용해서 인공위성의 회전축이 우주공간 속에서 어느 방향을 향하고 있는지를 계산할 수 있다.
[인공위성의 발사] 인공위성은 주어진 목적을 달성하는 데 가장 적합한 높이와 형태의 궤도를 취하고, 그 궤도에 진입시키기 위해 다단식 로켓 또는 스페이스셔틀 등을 이용하여 발사한다. 예를 들면 지구의 북극과 남극 상공을 지나 적도와 직교하도록 비행하는 극궤도상의 위성은 지구의 모든 영역에 걸쳐 선회하므로 지구관측위성·기상위성·정찰위성 등에 적합하다. 최근에 특히 그 유용성이 인정되고 있는 것으로 정지위성이 있다. 케플러의 제3법칙(조화법칙)에 의하면 원형 궤도를 도는 인공위성이 지구를 일주하는 데 걸리는 시간은 지표면으로부터의 높이가 높을수록 점점 길어진다. 지표에서 200㎞ 상공을 도는 인공위성은 지구를 일주하는 데 1시간 28분이 걸리지만, 1만㎞ 높이에서 도는 인공위성은 일주하는 데 5시간 47분이 걸린다. 만약 3만 5790㎞의 높이로 발사되면 지구를 일주하는 데 걸리는 시간은 23시간 56분이 되어 지구가 1회 자전하는 데 걸리는 시간(1항성일)과 일치한다. 만약 이 높이에서 위성이 적도 상공을 동쪽으로 비행하도록 발사했다고 하면, 지구 표면에서 이 인공위성을 볼 때는 언제나 하늘의 한 점에 정지하고 있는 듯이 보이는데 이러한 궤도에 진입시킨 인공위성을 정지위성이라고 부른다. 3개의 정지위성을 적도 위에 적당한 간격을 두고 배치하면 양극지방을 제외한 지구 대부분의 지역을 가시범위에 둘 수 있으므로 통신의 중계기지로서 통신위성·방송위성, 또는 기상을 감시하는 관측국의 역할을 하는 기상위성궤도로 가장 적합하다. 인공위성을 발사장에서 3단 로켓에 의해 발사하여 목표한 궤도에 올리기까지의 상황을 정지위성을 예로 들어 설명하면 다음과 같다. 먼저 3단식 발사로켓의 제1단이 점화되어 발사 지점에서 수직으로 상승하는데, 미리 지정한 프로그램에 따라 진행방향 및 지평면과의 기울기를 유지한다. 수분 뒤에는 연소가 끝난 제1단 로켓의 연소된 껍질부분을 떼어낸다. 이어서 제2단 로켓에 점화하며, 대기권을 벗어날 즈음에는 대기권에서 인공위성을 보호하기 위해 달려 있던 페어링(fairing)을 떼내 버린다. 제2단 로켓의 연소에 의해 인공위성을 탑재한 제3단 로켓 부분을 높이 약 200㎞의 대기궤도(待機軌道;parking orbit)에 진입시킨 뒤, 자세를 안정시키기 위해 1분간 50회 정도의 자전속도(회전)를 가한다. 따라서 제2단째 비행의 유도가 순조롭고 그 궤도 및 자세가 계획된 것과 일치하느냐의 여부가 정지궤도 진입의 성패를 좌우하는 하나의 고비가 된다. 대기궤도상을 비행하는 제3단 로켓은 적도 상공을 통과할 때 점화되어 변이궤도(transfer orbit;근지점 고도 약 200㎞, 원지점 고도 약 3만 6000㎞인 대기궤도와 정지궤도의 중개역할을 하는 궤도)에 진입하는데, 여기서 인공위성이 분리된다. 발사부터 분리까지 걸리는 시간은 약 25분이다. 로켓에서 분리된 인공위성은 회전을 계속하면서 변이궤도상을 약 10시간 30분의 주기로 비행한다. 이렇게 돌면서 인공위성의 자세를 조금씩 조정하여 인공위성에 고정되어 있는 고체로켓(apogeemotor)을 목표한 방향으로 제어한다. 그 후 적당한 원지점에 들어설 때 애퍼지모터에 점화하여 위성을 거의 정지궤도와 동일한 표류궤도(drift orbit)에 진입시킨다. 여기서 애퍼지모터는 속도 증가와 함께 궤도면을 적도면에 일치시키기 위해 제어하는 역할을 한다. 연소 후 궤도는 거의 적도면상의 고도 3만 6000㎞인 원궤도로 되는데, 일반적으로 궤도경사각이 0˚는 되지 않는다. 또 지구를 일주하는 주기도 엄밀하게 지구의 자전주기와 일치하지 않기 때문에 정확히 정지궤도라 할 수는 없고, 남북방향으로 조금 기울거나, 아니면 동서방향으로 이동해가는 것처럼 보인다. 그러므로 이 궤도를 표류궤도라고 부른다. 이 동서방향의 이동으로 인공위성을 정해진 위치로 운반하여 몇 번의 궤도제어를 통해 예정된 적도상의 경도에 정지시킨다. 이와 같이 발사부터 정지시키기까지 걸리는 기간은 보통 2주 정도이다.
[궤도에 따른 인공위성 구분] 모든 위성은 자신만의 궤도(위성이 지나는 특정한 길)가있다. 위성의 임무에 따라 궤도의 형태는 다르며, 일반적으로 고도에 따라 저궤도, 중간궤도, 지구정지궤도로 나누어진다. 또한 특정 목적을 위해 크기나 모양이 특이한 극궤도와 타원궤도도 있다.
-정지궤도(Geo-synchronous Orbit) 위성은 지구의 자전 주기와 동일한 공전주기를 가지고 지구 주위를 도는 위성으로 약 36000km 고도에서 지구 주위를 돌게 된다. 이때, 지구의 자전 주기와 정지궤도 위성의 공전주기가 같기 때문에 항상 같은 지역의 위에 떠있는 것처럼 보이게 된다. 따라서 우리가 하늘을 볼 때 정지한 것처럼 보이게 되는 것이다. 이러한 정지궤도 위성은 통신 위성, 기상 위성 등의 목적으로 사용된다.
-저궤도(Low Earth Orbit) 위성은 대기 밀도가 거의 0에 가까운, 지구 대기의 최상층부를 도는 위성이다. 이러한 저궤도 위성은 지구와 가까이 돌고 있어 지구의 아름다운 광경들을 볼 수 있는데,우주에서 찍어오는 아름다운 사진들이 거의 저궤도에서 찍어오는 사진들이다. 또한 대기 밀도가 거의 0에 가깝기 때문에 천문 관측 시에 대기에 의한 영향을 받지 않는다. 따라서 허블 우주망원경 같은 관측 장비를 궤도상에 올려서 먼 우주를 촬영하는데 사용한다. 저궤도 위성은 주 로 고도 500km이상, 1500km이하의 궤도에서 돌고 있고(500km 안쪽에서는 인공위성이 공기저항으로 1년 내에 떨어지게 되고, 1500km 이상에서는 밴앨런대의 영향으로 지자기의 영향을 받게 되기 때문에 500km~1500km의 궤도를 유지하도록 한다), 원격탐사, 기상관측, 지구관측 등의 목적으로 많이 사용된다.
-극궤도(Polar Orbit) 위성은 저궤도 위성의 특별한 형태로 북극과 남극을 잇는 궤도를 돈다. 위성이 북극과 남극을 도는 동안 지구가 자전하게 되는데 그로 인해 인공위성이 서쪽으로 조금씩 치우쳐가는 현상(인공위성의 서편현상)을 볼 수 있다. 지구의 전체표면을 관측할 수 있다는 특징이 있으며 이러한 특징을 잘 이용하여 기상위성, 관측 위성, 군사위성 등으로 사용된다.
-타원궤도(Elliptical Orbit)위성은 궤도의 찌그러짐 정도(이심율)가 커서 지구와 가까운 지역(근지점)을 지날 때 비행시간보다 반대편을 비행하는 시간이 상대적으로 매우 긴 특성을 가진 다. 즉, 극궤도 위성과는 달리 계란 모양의 타원궤도를 그리며 지구를 돈다. 모든 위성의 궤도는 원 또는 타원의 형태를 가지고 있다. 원형의 궤도는 지구와의 거리, 즉 고도가 일정하고 속도 또한 일정하게 움직이고 있다. 반면 타원형의 궤도는 지구로부터의 거리가 일정하지 않아서 고도가 높은 지점과 고도가 낮은 지점이 생기게 된다. 이때 고도가 가장 높은 지점을 원지점, 고도가 가장 낮은 지점을 근지점이라고 한다. 타원형 궤도를 도는 위성들은 근지점 근처에서는 아주 빠른 속도로 움직이고 원지점 근처에서는 아주 느리게 움직이게 된다. 다시 말해서 전체적으로 궤도상의 위치에 따라 위성의 움직이는 속도가 다르게 된다. 이러한 원리를 이용한 특수한 형태의 궤도를 몰니야(Molniya) 궤도라고 하는데 정지궤도 위성과 통신을 할 수 없는 고위도 지방에서 통신이나 방송용으로 사용하고 있다. 즉, 근지점은 남반구에, 원지점은 북반구에 오도록 궤도를 형성하면 위성은 남반구보다는 북반구에 훨씬 더 오래 머무르게 된다. 따라서 적도상의 정지궤도 위성을 사용할 수 없는 러시아 같은 고위도에 위치한 국가에서는 이러한 몰니야 궤도상의 위성을 이용해서 통신을 할 수 있게 된다.
[과학위성](scientific satellite) 대기의 조성이나 밀도, 중력장, 자기장, 우주선등 지구를 둘러싸는 환경의 관측·조사 및 대기권 밖에서의 천체의 관측 등을 목적으로 한 인공위성으로서 지구 근처 우주의 구성과 지구에 미치는 영향에 관한 자료를 수집하는 위성은 여러 궤도를 돌고, 지구 대기 변화를 기록하는 위성은 대개 극궤도를 회전하며, 행성과 항성을 비롯한 멀리있는 물체를 관측하는 위성은 대개 저고도궤도를 회전한다. 과학탐사위성은 다른 행성, 달, 태양의 궤도를 돌기도 하며, 위성들이 수집한 자료는 지구로 전송된다. 인공위성이라는 새로운 관측수단을 얻고부터 천문, 지구물리와 같은 물리학의 여러 분야는 비약적인 발전을 이루게 되었다. 지자기, 고층대기 등 지구를 둘러싸는 환경을 직접 계측할 수 있게 되었으며 태양계의 여러 행성에도 도달할 수 있게 되었다. 또 대기권 밖을 도는 위성에서의 천문관측으로 대기층에 방해를 받지 않고 정밀도가 높은 관측과 새로운 현상의 관측이 가능해졌다. 과학위성의 역사는 소련의 스푸트니크로 거슬러 올라가는데, 스푸트니크2호(1957)에는 유명한 '라이카'라는 개와 태양으로부터의 자외선·X선 및 우주선의 관측장치를 탑재하였다. 또 스푸트니크보다 4개월 늦게 발사된 미국의 익스플로러1호(l958)와 이어서 발사된 익스플로러3호에 의해 지구의 둘레에는 강한 방사선대가 있다는 것이 발견되었다. 이것이 유명한 반-알렌대(Van Allen belt)이다. 이 화려한 우주관측시대 개막 이후 현재까지 미국과 소련을 중심으로 무수한 과학위성이 발사되었다. 미국의 태양관측위성 OSO(orbiting solar observatory), 지구물리연구용의 OGO(orbiting geophysical observatory), 천체관측위성 OAO(orbiting astronomical observatory), 고에너지연구용의 HEAO(high energy astronomy observatory), 소련의 코스모스·일렉트론·프로톤·프로그노스 등이 이것이다. 또 양국의 우주스테이션인 스카이랩과 살류트 위에서의 태양관측 등 수많은 과학관측이 이루어졌다. 한편 이것들에 의한 지구주변에서의 관측에 대해 미국의 파이어니어·머리너, 소련의 마르스·베네라 등에 의한 태양계의 여러 행성의 탐사도 추진되고 있는데 최근의 바이킹·보이저계획은 특히 유명하다. 1980년대에는 미국, 네덜란드, 영국 공동의 적외선 천문위성 IRAS(1983년), 우주배경복사위성 COBE(1989년)등이 과학목적으로 발사되었다. 1990년에는 허블(Hubble) 우주망원경이 우주에 설치되었으며, 주거울의 직경이 약 2.4m인 이 허블 우주망원경은 우주탄생의 비밀이나 구조 등 우주에 관한 원초적인 해명을 목적으로 한다. 이외에도 우주로부터 오는 각종 전파나 감마선, X선 등을 관측하기 위해 많은 위성들이 발사되었다.
[통신위성](communication satellite) 마이크로파 등 파장이 짧은 전파를 이용한 장거리통신을 가능하게 하기 위해 중계국 역할을 하는 인공위성. 알루미늄박을 둘러친 기구처럼 단순하게 전파를 위성 표면에서 반사시키는 기능만을 가진 수동형 통신위성과, 중계기나 증폭기를 갖추고 지상에서 도달한 미약한 전파를 위성 내에서 증폭하여 지상으로 되돌려 보내는 능동형 통신위성으로 나눌 수 있는데, 오늘날에는 능동형 통신위성이 주류를 이루고 있다. 통신위성은 전세계에서 통신의 필수 요소로, 텔레비전 프로그램들과 전화 통화 수천개를 동시에 중계한다. 지구국은 전파 신호를 송수신하는 커다란 파라볼라안테나가 있는 지상중계국이다. 텔레비전 방송국과 통신회사, 국가기관에서 통신위성을 사용한다. 통신위성은 목적은 지구의 한 지점에서 다른 지점으로 통신에 필요한 TV신호나 음성 신호등의 각종 데이터를 전달하는 것이다. 통신위성은 거의 정지위성이며, 고정된 중계국 역할을 한다. 위성을 이용한 통신의 시도는 1960년 미국의 에코(Echo) 1호가 최초였으며 최초의 통신위성은 1964년 8월 미국이 태평양 위로 쏘아올린 신콤 3호로, 같은해 도쿄[東京(동경)]올림픽 실황중계에서 위력을 나타내었다. 같은 해 국제전기통신위성기구(INTELSAT)가 결성되었다. 대표적인 통신위성으로는 미국이 쏘아올린 대서양·태평양 위의 인텔새트·인말새트, 장타원 궤도를 도는 옛 소련의 모르니아 등이 있다. 또 국내 통신용으로 정지위성을 이용하는 나라도 늘어나고 있는데 특히 영토가 매우 넓은 나라나 섬이 많은 나라에서는 지상에 통신망을 설치하는 것보다 경제적이다. 우리나라가 1992년 8월 쏘아올린 과학위성 우리별 1호는 통신위성 임무도 겸하며, 1993년 9월에는 우리별 2호를 발사하였다. 1995년 8월에는 본격적인 통신·방송 위성인 무궁화호를 미국의 맥도널더글러스사에 발사 의뢰해 쏘아올렸다. 에코 1호가 처음으로 선을 보인지 10년 만에 통신위성은 전세계 통신에 있어 매우 중요한 부분을 차지하게 되었으며, 현재 위성방송 및 이동통신 등으로 생활에서 가장 많이 쓰이고 있다. 예를 들면, 위성을 통해 지구 반대편에서 실시되는 축구를 생중계로 볼 수 있고, 전화통화도 할 수 있으며 인터넷으로 전자우편(e-Mail)도 주고 받을 수 있게 된 것이다. 이러한 통신위성은 주로 정지위성으로 지구와 같은 속도로 회전을 하면서 항상 같은 위치에 있으므로 넓은 지역을 계속적으로 통신에 필요한 데이터를 주고 받을 수 있다. 위성 우리나라의 무궁화 1,2 호와 같은 위성들은 TV 신호나 위성 전화 등의 통신서비스에 활용된다. 현재 약 100기 이상의 통신 위성들이 정지 궤도를 돌며 활동 중에 있다. 이러한 통신 위성들은 우주 공간에서 중계국의 역할도 한다.
[기상위성](meteorological satellite) 지구상의 기상상태를 관측하기 위해 지구표면의 사진을 찍어 그 구름의 분포 등으로 기상에 관한 연구와 일기예보를 위한 데이터를 얻는 것을 목적으로 하는 인공위성으로서 지구관측위성의 일종으로 볼 수도 있고, 무인 관측소나 선박 등에서 기상 관측자료를 수집하거나 지상국에서 모은 구름사진을 멀리 떨어진 장소에 보내는 기능도 가지고 있다. 기상위성은 넓은 지역의 대기 상태를 계속해서 관찰하며 기상위성 중에는 태양의 움직임과 일치하는 극궤도를 돌면서 지구 전체의 기상을 정밀하게 관측하는 것도 있다. 위성에 실린 장비들로 구름의 분포량, 온도, 기압, 강수량, 대기와 화학구조 따위를 측정한다. 매일 같은 시간에 관측하기 때문에 태양빛이 일정한 조건에서 기상정보를 비교힐 수 있다. 극궤도에 있는 위성들은 탐사와 구조에도 사용되는데, 모든 상업용 비행기와 배, 몇몇 개인용 비행기와 배에서 보내는 조난신호를 탐지한다. 고도가 높은 정지궤도를 도는 기상위성은 한 번에 거의 지표면 절반을 관측한다. 이 위성들은 구름의 변화를 촬영하고 지표와 구름에서 나오는 열의 양을 보여주는 '적외선사진'도 촬영한다. 적외선사진을 보면 밤시간의 기상정보도 알 수 있다. 최초의 기상위성은 1960년 미국의 타이로스(Tiros) 1호이며, 1965년까지 10개를 궤도에 올렸다. 모두 고도 약 700㎞, 궤도경사각 48°의 원궤도에 올려졌는데, 그 메커니즘은 장치된 적외선주사복사계기와 2대의 텔레비전카메라로 촬영한 사진을 자기테이프에 보존하여 지상국에서의 지령을 통해 송신하는 것이었다. 1966년 지구를 촬영한 즉시 그 결과를 지상으로 송신하는 기능을 갖춘 에사(ESSA), 위성의 자세를 제어해서 관측장치를 항상 지구로 향하게 하여 지구 야간의 구름 상태를 주사하여 송신하는 아이토스(ITOS), 님버스(NIMBUS)가 출현하였다. 근래 기상위성은 정지궤도에 올려져, 항상 양쪽 극지방을 제외한 지구의 약 1/3지역을 관측하는 것이 주류가 되어 있다. 이 정지기상위성은 위성이 1분간 약100회 자전하는 것을 이용하여, 탑재되어 있는 가시적외주사복사계기로 지구를 북쪽에서 남쪽을 향해 수평으로 주사해가며, 약 30분 동안 1장의 사진을 완성시킨다. 1966∼1981년까지 미국·유럽·일본·러시아·인도·중국 등이 정지기상위성 ATS-3호, SMS-1호, GMS-1호, METOSAT-1호, FY-2호, INSAT-1A를 적도상공에 쏘아 올렸다. 그리고 2000년 9월 극궤도 기상위성 NOAA-16G호가 발사되었다. 초기의 위성들은 지구를 관측하기 위한 사진 촬영으로부터 시작되어 현재는 지구 전체를 관측한다. 위성들을 통한 기상 및 그 이동에 대한 전세계적인 관측은 모든 국가에서 중요하게 여기고 있으며, 태풍의 형성과 이동을 추적, 예보하여 많은 인명을 구할 수 있게 되었다. 기상위성은 기상예보와 보고시스템에 대한 기본을 제공해 준다. 넓은 영역을 관측하기 위해 위성이 정지궤도에 놓이든 저궤도에 놓이든 상관은 없다. 다만, 계속적인 관측, 명령 및 제어를 목적으로 위성이 운용상에 문제없이 우주에 위치하면 된다. 이러한 기상위성은 많은 장치들을 갖추고 있는데, 기상위성의 카메라에 의해 찍혀진 구름 형태로부터 앞으로의 날씨 등을 예측할 수 있으며, 온도측정, 습도, 대기중의 복사열등을 측정하기도 한다. 게다가 심지어 구조작업에 필요한 탐사 등의 역할을 하기도 한다.
[항행위성](navigation satellite) 배·항공기 등 관측자의 위치 측정을 도와 정보를 알아내는 인공위성으로서 항해위성이라고도 한다. 인공위성을 사용한 측위방식은 항행위성 시스템이라고 한다. 항행위성의 개발은 소련의 스푸트니크 1호가 발신하는 전파의 주파수가 도플러 효과에 의해 변동하는 데 착안한 미국의 존스홉킨스 대학과 미국 해군에 의해 이루어져 1960년 최초의 항행위성 트랜싯 1B위성이 발사되었다. 그 뒤 1964년 7월 미국군에 의해 해군항행위성 시스템 Navy Navigation Satellite System(NNSS)의 운용이 개시되고, 1967년 이후 NNSS의 일부가 민간용으로 공개되어 오늘날에 이른다. 항행위성은 비행기나 배에서 컴퓨터로 구성된 수신기로 받을 수 있는 전파 신호를 보내며 현재 위치를 30m 안팎의 오차로 알아낼 수 있다. 항행위성은 통신망을 여러 개 관리하기 때문에, 지구 어디에서나 통신망에서 나오는 신호를 받을 수 있다. 배나 비행기는 수신기로 통신망에서 나오는 신호를 세 개 이상 수신해서 현재 위치를 정확하게 계산한다. 위성위치관측시스템은 언제, 어디서, 어떤 기후조건에서든 현재의 정확한 지점을 알려줄 수 있는 시스템이다. 전체 24개의 GPS위성들은 지구 위에서 20,2000Km의 궤도를 그리며 돌고 있다. 그 위성들은 전 세계에 위치한 지상관측소에 의해 계속 모니터링 되고 있다. 이 위성들은 GPS수신기를 갖고 있는 사람이라면 누구라도 사용할 수 있는 형태의 신호를 전송한다. GPS수신기를 이용한다면 높은 정확도를 갖은 위치정보를 알 수 있다.
[지구관측위성](earth observation satellite) 탑재한 텔레비전카메라나 가시광선·적외선 등의 탐지기로 지구 표면을 관측한 것을 지상국에 송신하는 인공위성으로서 기상위성·정찰위성도 일종의 지구관측위성이다. 지구관측위성은 태양의 움직임과 같은 극궤도를 돌면서, 일정한 태양빛 조건에서 여러 가지 색의 가시광선과 적외선으로 사진을 촬영한다. 물체에 의해 반사하는 전자기파(빛이나 전파)의 성분이 다른 점을 이용하여 가시광선 사진이나 적외선 사진 등을 위성에서 촬영하여 그 결과를 분석하면 지표의 암석·수목·작물 종류의 다른 점을 판독할 수 있다. 지구에 있는 컴퓨터가 이 사진들을 합성해 분석해서 지도로 만든다. 과학자들은 지구관측위성이 보내는 정보로 광산과 수원지의 위치를 알아내고, 오염원을 찾아 그 영향을 연구하고, 농작물과 숲에 번지는 병충해를 찾아낸다. 지구관측위성은 지구표면과 대기의 관찰을 목적으로 하며 정확한 탐사를 위해 지구와의 거리를 최소화한 일반적으로 낮은 궤도에서 지구주위를 도는 저궤도 위성이다. 미국은 1972년 7월 지구를 촬영한 화상으로부터 지구상의 인류가 생존하는 데 필요한 천연자원 식량, 맑은 공기, 신선한 물, 효율적인 토지이용 등 지구자원에 대한 정보를 입수하기 위하여 지구자원탐사실험위성(ERTS)인 Landsat 1호를 쏘아 올렸다. 이것은 항상 지구를 향하도록 제어된 관측용 카메라가 궤도를 따라 나비 185㎞ 지역의 컬러사진을 분해능 70m로 촬영하면서 비행하여 그 정보를 지상에 전송하도록 되어 있는데, 지구 전역을 18일 동안 촬영하고 다시 최초의 궤도로 돌아간다. 이 위성은 주로 지구의 육지에 대한 데이터를 수집하도록 설계되어 있어 육지관측위성(LANDSAT)이라고도 한다. 이 후 프랑스가 스폿을 발사하였다. 이와는 달리 전파고도계·합성개구레이더·적외선탐사기 등을 탑재하고, 해양의 해류·파고·수온 등을 측정하도록 개발된 것을 해양관측위성(SEASAT)이라고 하며 현재 해양관측을 위해서도 많은 위성들이 사용되고 있다.
[군사위성](military satellite) 군사목적으로 이용되는 인공위성으로서 우주개발이 시작되면서부터 군사위성계획은 일반용에 비해 최우선적으로 다루어져 오늘에 이르고 있다. 미국은 북미항공우주방위사령부(NORAD)의 지휘하에 우주방위작전본부(SPADOC)가 콜로라도 스프링스의 암산(巖山)에서 임무를 맡고 있다. 러시아의 군사위성은 대부분 코스모스란 이름이 붙는데, 1988년 3월에 발사된 군사통신위성이 1930호이다. 군사위성은 주로 미사일 발사, 배의 이동, 지상 군사장비의 이동을 탐지하며 첩보위성은 냉전체제 중, 미국과 소련이라는 두 강대국에 의해 가장 많이 발사되었다. 상대국의 군사위치 및 행동을 정찰하고 감시하는 것을 목적으로 하는 이 위성은 미사일 발사를 감시하는 적외선 탐지기, 항공기와 전함을 추적하는 레이더, 지상 감시를 위한 초고성능 렌즈, 그리고 전파 차단기 등을 갖추고 있다. 대부분의 위성들이 자신의 임무 외에 군사적 목적으로 사용되고 있으며 비록 군사적 목적으로 개발되었지만 우주 개발부문에 있어 비약적인 발전을 앞당겼다고 할 수 있다. 하지만 위성개발 기술이 어느 정도 발전하고 지구라는 하나의 공동체를 생각하는 지금, 많은 나라들이 군사위성보다는 통신위성, 과학위성 또는 관측위성 등 실질적으로 인간의 삶에 유익한 쪽으로 위성개발을 앞당기는 추세이다. 아래는 군사위성의 종류이다.
-정찰위성(reconnaissance satellite) 적지를 하늘에서 정찰하는 임무를 띤 위성. 넓은 지역의 화상정찰과 주요 목표의 정밀사진정찰을 목적으로한 위성이다.
-스파이위성(surveillance satellite) 대기권 밖의 상공에서 다른 나라의 정치·군사·경제에 관한 각종 정보를 수집하는 인공위성. 일반적으로 정찰위성만을 가리키는 경우가 많지만 미국이 쏘아올린 인공위성 가운데 빅버드나 KH-11형 위성 등은 군사적으로 상대국을 정찰하는 역할을 한다는 점에서 스파이위성 또는 군사정찰위성이라 부른다. 스파이위성은 지구에 가까운 궤도를 비행하면서, 지상에 있는 지름 25㎝의 물체를 식별할 수 있는 능력을 지녔다. 미국·러시아·중국의 군사경쟁에서 스파이위성의 자료는 상호간 중요기밀로서 그 촬영기술도 고도화되어 가고 있다. 광범위한 지역을 언제나 감시하는 한편, 분쟁 등이 일어났을 때는 그 지점을 매우 세밀하게 찍어 송신할 수 있다. 예전에는 위성의 대부분이 수명이 짧아 궤도에 40일 정도 머물러 있었으나, 기술의 발달로 그 수명이 길어지고 있다. 미국의 정찰위성은 1960년 사모스(920A)가 처음 발사된 이래 250회 이상 계속되었고, 소련에서도 1년에 20∼30개의 정찰위성이 500회 이상 발사되어 원하는 지역의 비밀정찰을 하였다.
-조기경계위성(early warning satellite) 적의 대형 미사일 발사를 탐지한 뒤에 경보하는 기습방지위성. 적국으로부터 대륙간탄도미사일(ICBM)이나 잠수함발사탄도미사일(SLBM) 공격을 받을 때, 더 많은 대응시간을 얻기 위해 그 발사를 조기에 탐지하게 되어 있는 위성. 이 위성에는 적외선센서·텔레비전카메라·하전입자계수장치·X선탐지기 등이 실려 있으므로 미사일 발사의 첫 단계인 부스터가 분사하는 화염이 내는 적외선이나 섬광을 재빨리 탐지해서, 그 데이터를 무선으로 복수의 지상국에 보내게 되어 있다. 따라서 조기경계용 레이더망으로는 미사일이 도달할 때까지의 여유시간, 즉 대응시간이 약 15분밖에 없었으나, 이 위성을 사용함으로써 30분 정도의 여유시간을 가지게 된 것으로 알려져 있다. 1970년대에 미국에서 실용화된 것은 적도상의 정지 또는 준정지위성이며, 인도양 위에 있는 것은 중국·러시아의 발사기지를, 태평양·대서양 위에 있는 것은 잠수함에서 발사하는 SLBM을 감시하고 있다. 최근에는 단순한 미사일 발사뿐만 아니라, 부스터의 연소가 끝난 후의 미사일 추적이나 지하핵폭발의 발견 등을 비롯한 다목적화의 개량작업도 추진되고 있다.
-전자정보위성(electronic intelligence satellite) 통신방수가 목적인 위성으로 엘린트위성이라고도 한다. 미국·러시아 모두 정찰위성과 함께 다수를 실용화시켜 활용도가 매우 높다.
-해양감시위성(ocean surveillance satellite) 적과 아군의 함선 및 해양 정보를 얻을 목적으로 해면을 감시하는 위성.
-군사항행위성(military navigation satellite) 항행하는 선박·항공기·미사일·기타 사막이나 밀림 속에 있는 군대 등에 정확한 위치를 알려주는 위성. 미국·옛 소련 모두 제각기 지구를 둘러싸는 항행위성망을 형성해 놓고 있다.
-군사통신위성(military communications satellite) 전략지령 전달용과, 작전수행상 필요한 지휘통제용 등 2가지가 있는데, 어느 것이나 정지위성개발 중의 밀스타가 있다. 러시아에는 몰니야 외에 소형·중형의 코스모스통신위성이 있으며, 로켓 1개로 소형코스모스 8개가 동시에 궤도에 올려진다. 최근에는 정지위성도 있다. 영국은 스카이네트, 북대서양조약기구도 독자적인 통신위성망을 갖고 있다.
-공격위성(antisatellite) 적의 군사위성을 파괴하는 임무를 가진 위성. 위성공격병기(anti-satellite weapon, 약칭 ASAT), 또는 킬러위성이라고도 한다. 러시아는 소련시대인 1960년대부터 공격위성의 실험을 계속하여 충격형 공격위성을 개발함으로써 일부 실용화단계에 들어갔다. 미국은 1975년 이래 2종류의 공격위성을 개발하였으며, 1988년 실험성공 후 계속 개발중이다.
[방송위성](broadcasting satellite) 통신위성의 일종. 지상 방송국에서 발신된 전파를 인공위성이 중계하고 이것을 직접 각 가정의 안테나로 보내는 방송 방식이다. 방송위성을 적도 상공 3만 6000㎞의 정지궤도에 쏘아 올리면 이 위성을 지평선 위에서 볼 수 있는 지점에서는 언제나 위성에서 발신되는 방송전파를 직접 수신할 수 있게 된다. 넓은 지역에 취락이 흩어져 있는 경우 지상에 많은 중계국을 설치하는 것보다는 훨씬 경제적이다. 단, 수신하는 쪽인 각 가정이 지름 10m 정도의 대형 파라볼라안테나를 설치할 수는 없기 때문에 위성은 방송국에서 수신한 전파를 증폭시켜 강한 전력으로 발신해야 한다. 이것은 위성의 전력이 대용량이어야 하며 고출력 송신기를 탑재해야 하는 위성 개발상의 문제도 있지만 그러한 강력한 전파가 대상국의 영토 밖으로 나가게 되면 인접국가와 정치적 문제로 발전될 우려도 있다. 이와 같은 여러 문제에 대처하기 위해 방송위성의 발신용 안테나는 특별 성형되어 필요한 구역에만 최소한 세기의 전파가 도달하도록 고안되어 있다. 1974년 5월 미국이 발사한 ATS(응용기술위성) 6호 및 1976년 1월에 발사한 CTS(통신기술위성)는 모두 정지위성이 되어서 방송위성의 기술실험에 성공하였다. 2003년 아시아 지역에는 일본의 JC-세트 1∼4호 및 BS-2호와 중국의 아시아세트 1∼3호 등이 있으며, 한국에서는 1995년 무궁화 1호 위성을 발사한 이래 1999년 9월 무궁화 3호까지 발사해 현재 3개의 방송위성을 가지고 있다.
[측지위성](geodetic satellite) 정확한 지도를 제작하기 위하여 발사된 인공위성. 최초의 측지위성은 1962년 발사된 안나로, 서로 떨어진 지점에서 동시에 광학관측이 가능하도록 섬광을 발하는 장치가 탑재되어 있었다. 이 밖의 측지위성으로는 태양광을 밝게 반사하여 관측을 용이하게 한 위성(파지오스-풍선위성), 탑재된 트랜스폰더를 통해 지상으로부터 위성까지 전파의 왕복시간을 측정하여 거리를 구하는 방식의 위성(시코르·비콘 등), 위성으로부터 발사하는 전파 주파수의 도플러 효과를 지상에서 측정하여 거리의 변화율을 구하는 방식의 위성(트랜싯), 역반사기를 탑재하고 지상으로부터의 레이저광선을 반사하여 그 왕복시간으로부터 거리를 구하는 위성(지오스·디아뎀 등) 등이 있다. 최근에는 레이저 측거의 측정 정밀도가 크게 높아졌고 또한 대기저항 등 외력의 영향을 최대한으로 적게 받는 위성을 추적하는 것이 측지에 유리하다고 판명되었다. 그리하여 광동을 핵으로 하는 지름 60㎝, 중량 411㎏의 작고 무거운 레이저 측거 전용 측지위성 라디오스를 발사하였고, 1975년 우라늄을 핵으로 하는 라디오스와 동일한 목적을 가진 스탈릿을 발사하여 주요 관측자료를 얻고 있다. 특히 항해용 위성 NNSS는 6개가 1세트로 된 측지위성인데, 지구상 어디에서나 6개 가운데 어느 하나로부터 전파를 수신할 수 있어 그 위치를 정확히 구할 수 있다.
-NSS의 구성과 측위원리 현재의 NNSS는 위치 결정이 필요한 각종 정보를 수신하는 인공위성과, 인공위성을 추적하여 그 내부의 정보를 수정하는 지상국, 위성에서의 신호를 수신하여 수신 위치를 구하는 수신국(배·항공기 등)으로 구성되어 있다. 지상국에는 인공위성을 추적하는 4개의 추적국과, 추적한 정보를 사용해 인공위성의 궤도를 구하여 그 궤도 변화를 예측하는 계산센터, 이들 궤도 정보를 인공위성에 송신하여 그 내부 정보의 갱신을 행하는 궤도정보송신국이 있다. 한편 인공위성은 고도 약 1000㎞의 남북 양극을 통과하는 원궤도를 약 106분 주기로 돌고 있으며, 이에 지구의 자전이 더하여 지구표면에서의 위성위치는 시간에 따라 변한다. 따라서 동일 위성을 관측할 수 있는 회수는 적도상에서 1일 4회 정도이다. 이 이용회수의 증가 및 이용간격을 고려하여 현재 6개의 인공위성이 운용되고 있다. 이들 위성은 각기 2분마다 위성 내부의 정보(시각신호며 궤도 정보 등)를 2개의 주파수 전파(399-968㎒와 149-988㎒)를 사용하여 되풀이 송신한다. 수신국에서 이 신호를 수신한 경우는 수신국에서 본 인공위성의 접근 속도에 비례한 도플러 효과의 영향을 받으므로 수신주파수와 송신주파수가 일치하지 않는다. 송신주파수와 수신주파수의 차에서 인공위성의 접근속도를 구할 수 있고, 이 속도를 시간 적분하면 수신개시시 (t)에서 수신완료시(t)까지의 인공위성과 수신국 사이의 거리 변화량을 알 수 있다. 수신정보 중에는 그 위성의 궤도정보가 있으므로, 계산에 의해 t 및 t의 인공위성 위치가 구해진다. t·t에 있어서의 인공위성 위치로부터의 거리변화량이 일정(즉 거리차 일정)한 점의 궤적은 t·t에 있어서의 인공위성위치를 초점으로 한 쌍곡면이 되며, 수신국은 이 쌍곡면상에 있게 된다. 배와 같이 지구 표면에 수신국이 있는 경우에 수신국은 이 쌍곡면과 지구표면의 교차된 선상에 자리한다. 그러므로 관측을 여러 차례 행하면 지구표면상의 선의 교점이 수신 위치로서 구해진다. NNSS는 종래의 천체를 이용한 측위법에 비해 기후 영향을 받는 일이 적고, 자동화되어 세계 어디에서나 높은 정밀도의 위치를 구할 수 있어 많이 쓰인다. 현재 시스템의 결점은 위치결정시간간격(이용횟수 및 이용간격)이 너무 길고, 입력속도의 오차가 큰 경우 위치 정밀도가 떨어져, 이러한 결점을 보완한 GPS라 불리는 새로운 시스템 연구개발이 미국 공군을 중심으로 활발히 진행되고 있다.
[해사위성](mritime stellite) 항행위성처럼 위치 결정만 돕는 것이 아니라 배와 지상국 사이의 각종 정보 전달을 목적으로 한다. 최근의 해사위성은 1976년 미국 해군과 민간 공용으로 대서양 위로 쏘아올린 말미삿 1호이다. 현재 해사위성을 위한 국제기관 인마르샛, 또 유럽 우주기구가 해사위성 시스템 개발을 진행하고 있다. 해상을 항행하는 선박 상호간의 통신 및 육상과 선박 사이의 통신을 확보하기 위한 일종의 통신위성. 예전에는 이러한 통신에 중파대·단파대의 전파가 이용되었으나, 인공위성을 무선중계국으로 하는 마이크로파를 이용함으로써 통신용량과 품질이 향상되었다. 1976년 이래 미국이 시험적으로 실시하고 있던 마리샛(Maritime Satellite)시스템에서 1982년 세계 37개국이 공유·운용하는 국제해사위성통신기구(INMARSAT)로 이행되어 서비스가 시작되었다. 대서양·태평양·인도양 등 세 해양상에 각각 정지해사위성이 배치되어 각 해역을 항해하는 선박은 이 해사위성, 각 해역 연안에 설치된 복수국의 지상국을 거쳐 육상, 또는 다른 선박과 전화·텔렉스 등의 통신을 할 수 있게 되었다.
[생물위성](biological satellite) 무중력상태나 우주공간에서의 방사선이 생물에 미치는 영향을 조사하기 위해 캡슐에 동·식물을 넣고 미국항공우주국(NASA)이 발사한 위성. 약칭 바이오스(BIOS). 바이오스 1호는 1966년 12월 근지점 296㎞, 원지점 309㎞의 궤도에 발사되었다. 무게는 245㎏이었으며, 캡슐 안에 초파리·세균·밀·잡초 등을 실어 케이프 케네디기지에서 발사해서 예정궤도에 진입시켰으나 캡슐회수에는 실패하였다. 1967년 9월에 발사된 바이오스 2호는 무게 508㎏이었으며, 12일 후 태평양상에서 회수에 성공했다. 1969년 6월에 발사된 바이오스 3호는 근지점 356㎞, 원지점 387㎞, 무게 690㎏으로, 이것에 포니라는 이름을 가진 붉은털원숭이를 태워 1개월간 비행시킬 예정이었으나 원숭이의 용태가 악화되어 9일 만에 회수되었다. 원숭이는 회수 후 죽었으며, 사인은 장시간의 무중력상태라고 발표되었다. 이것은 아폴로 11호 비행 직전에 큰 관심을 끌었지만 아폴로 11호 비행에는 영향을 주지 못했다.
[응용기술위성](application technology satellite) 미국항공우주국(NASA)이 장래의 통신위성·기상위성·항행위성에 대한 기술과 부품을 평가하기 위해 발사한 인공위성. ATS라고도 한다. 1966년 말부터 1호에서 6호까기 차례로 발사되었다. ATS 1호와 3호는 원통형의 스핀안정위성이며, 이들에 대해서는 전기적 디스펀안테나와 기계적 디스펀안테나의 실험이 실시되었다. ATS 2호·4호·5호는 원통형 위성이며, 이들에서는 중력기울기안정형의 자세 제어가 채택되었다. ATS 6호에서는 플라이휠을 병용한 3축의 가스제트제어위성방식이 채택되었으며, 접는 형의 파라볼라안테나와 태양전지패들을 비치하게 되어 있다. ATS에는 통신기술을 실험하기 위해 텔레비전음성통신과 데이터통신을 위한 마이크로파의 중계장치가 탑재되었다. 또 ATS에서는 정지위성에 의한 기상관측실험으로서 지구 사진데이터의 전송이 실시되었으며, 항행위성기술실험으로서 VHT트랜스폰더에 의한 양방향음성통신이 실시되었다.
[천문위성](astronomical satellite) 허블우주망원경(Hubble Space Telescope;HST)위성으로 대표되는 지구 주위 궤도상의 천체망원경위성군. HST는 길이 19.5m, 지름 3.6m, 무게 1.1t으로, 반사경 지름 2.4m의 망원경이 중앙에 있다. 대기의 요란에 의한 굴절 영향이 없으므로 각도분해능 1/10초 이하의 지상 망원경에 비해 광학 영역의 천문학을 비약적으로 발전시킬 것으로 기대하고 1989년에 발사하였으나, 거울의 무중량하에서의 구면수차 보정에 설계상 잘못이 있었으므로 소기의 목적을 달성하지 못하였다. 그러나 얻어진 화상의 처리 단계에서 연구를 진행함으로써 지상의 망원경으로는 얻을 수 없었던 성과를 얻었다. 또한 우주의 배경복사를 계측하는 COBE(Cosmic Background Explorer)는 우주 창생 시기의 불규칙구조를 발견하였고, 선을 계측하는 GRO(Gamma Ray Observatory)는 선 붕괴의 계측에서 새로운 성과를 얻고 있으며 진공자외선으로 우주를 보는 EUVE(Extreme Ultraviolet Explorer)도 발사되었다.
[적외선천문위성](Infrared Astronomical Saltelite) 1983년 미국·네덜란드·영국 등 3개국이 공동으로 쏘아올린 천문관측위성. 약칭 IRAS. 관측에 이용한 파장은 12·25·60·100㎛의 4개의 파장영역이다. 전우주의 천체와 성간물질에서 복사되는 적외선은 지구를 둘러싼 대기 중의 수증기와 이산화탄소에 의하여 강하게 흡수된다. 그 때문에 지상에서는 파장 30㎛ 이하의 극히 한정된 파장영역의 적외선 밖에 관측할 수가 없으며 지구 대기 자체의 열복사가 지상에서의 적외선 관측을 방해한다. 이에 대기권밖에 적외선망원경을 설치하여 근적외선에서 원적외선까지의 여러 파장영역에서 전천체를 수색하는 IRAS가 필요하게 되었다. IRAS에는 지름 60㎝의 적외선망원경이 장착되며, 자체의 열에 의한 적외선복사를 막기 위해 액체헬륨으로 전체를 약 10K로 냉각시킨다. 이 액체헬륨이 증발하여 없어짐과 동시에 관측은 정지된다. 1983년 1월 25일부터 11월 22일까지의 약 10개월 동안 수많은 귀중한 데이터를 보내왔으며 그 중에서 6개의 새로운 혜성의 검출, 파쇄된 소행성띠, 주계열성 주위의 먼지 디스크, 원시별(물질이 내려 쌓이고 있는 천체), 적외선은하(가시광선으로서 복사하는 에너지의 100배나 되는 에너지를 적외선으로서 복사한다), 적외선시라스(은하계에 떠도는 줄모양구름)와 같은 새로운 발견이 있었다. 현재에도 IRAS가 발견한 천체의 성질을 둘러싸고 활발한 연구가 계속되고 있다.
[천체관측위성](astronomical observation satellite) 거대한 관측장치로 대기권 밖으로부터 태양이나 항성에 대한 천문관측을 하는 인공위성. 지상관측에서는 두꺼운 대기 밑에서 올려다보기 때문에 가시광선의 아주 좁은 파장역의 빛 밖에는 이용할 수 없다. 대기권 밖에서는 적외선역·자외선역·X선역까지도 이용할 수 있으므로 새로운 연구가 가능해졌다. 장치가 비교적 간단한 태양관측위성은 우주개발 초기부터 많이 발사되었으나, 천체관측위성은 목표로 삼은 별쪽으로 망원경을 움직이게 하는 장치가 어려워 그다지 발사되지 않았다. 미국이 발사한 천체관측위성에는 지름 1m가 넘는 대반사망원경이 있어 수많은 항성의 분광관측이 잇따라 이루어지고 있다. 장래에는 우주공간에서 조립되는 대규모의 관측위성도 만들어질 전망이다.
[태양관측위성](orbiting solar observatory) X선·감마선·초자외선 등의 관측장치를 갖추고 태양초점·코로나·태양풍 등 태양의 구조와 활동을 조사하기 위해 미국이 쏘아 올린 인공위성. 약칭 OSO라고 한다. 제1호는 1962년 3월 발사되었다. 미국항공우주국(NASA)은 첫 우주비행에 성공한 우주왕복선 컬럼비아호를 이용하여 1980년 2월에 발사되어 1980년 말 우주궤도에서 통제장치에 고장을 일으킨 태양관측위성 수리문제를 검토하였다.
[태양발전위성](solar power satellite) 정지위성 궤도상에서 태양열을 이용하여 전력을 발전하고, 이를 마이크로파 등으로 지상으로 보내는 인공위성. 미국 항공우주국(NASA)이 개발중이다. 발전용량은 100만∼1000만㎾이며, 인공위성이라고는 하지만 거대한 태양전지 패널(집열판)과 전력을 마이크로파로 변환하여 보내는 장치로 구성된, 규모 5∼20㎞의 큰 구조물이다. 우주공간이므로 태양에너지가 공기층을 통과하지도 않고, 기후·날씨에 영향을 받지 않아 그대로 전기에너지로 변환된다. 이 전기를 기후에 그다지 영향을 받지 않는 마이크로파 전파에너지로 변환하여 지상의 거대한 수신장치로 보내면, 이를 받아 다시 전기에너지로 환원하여 사용한다는 구상이다. 제작비용이나 효율, 환경에 미치는 영향 등이 미해결 문제로 남아 있다. 이 위성의 집열판은 나비 5㎞, 길이 18㎞인데, 지구에서 먼저 수백 ㎞의 낮은 궤도로 우주연락선 등을 이용하여 건축자재를 운반하여 필요한 부품을 만든 다음, 중량물 운반용 우주선으로 정지궤도로 날라 최종적으로 조립한다. 그런데 이와 같은 대형 구조물을 건조하려면 지구의 자원보다 달의 자원을 개발하여 이용하는 것이 운반하기 쉽고 각종 공해도 발생하지 않으므로, 앞으로 달의 자원개발에는 진공 속에서 태양에너지를 이용하여 정련하는 새로운 기술이 등장하리라 예상된다. 또 이 새 기술을 발전시키면 달 뿐 아니라 소행성을 광물원으로 이용할 수 있고, 채취한 곳에서 대량으로 자재를 가공할 수 있게 되면 우주공간에 대도시도 건설할 수 있게 될 것이다.
[정지기상위성](geostationary meteorological satellite) 지구의 자전과 똑같은 각속도로 적도 상공에서 동쪽을 향하면서 지구의 기상상태를 관측하는 기상위성. 약칭은 GMS이다. 지구상에서 보면 정지해 있는 것처럼 보이기 때문에 붙여진 이름이다. 이 위성은 가시광선·적외선자동주사복사계에 의해 구름의 분포, 해면복사온도 등을 관측한다. 태풍의 발생·위치·형상, 저기압, 전선, 한랭기단의 발생상황까지 알아낼 수 있어 일기도해석이나 일기예보의 정밀도가 대폭 향상되었다. 정지기상위성은 미국의 고즈이스트(서경 75˚)·고즈웨스트(서경 135˚), 유럽우주기관의 메테오새트(경도 0˚), 인도의 인새트(동경 74˚), 일본의 구무스(동경 140˚) 등이 발사되어 세계기상감시계획(WWW)에 따라 적도를 중심으로 전지구의 기상을 관측하고 있다.
-기상위성관측망 현재 기상위성 관측망은 아래 그림사진과 같이 구성되어 있다. 우리가 일기예보에 활용하고 있는 정지기상위성 GMS-5호는 동경 140도 적도상공의 우주에서 지구를 바라보며 동남아시아, 호주, 서태평양 영역의 구름의 분포와 대기의 흐름 등의 기상을 관측하고 있다. GMS-5호와 마찬가지로 정지궤도상에서 관측하는 기상위성으로서 미국의 GOES 위성과, 유럽기상위성기구(EUMETSAT)의 Meteosat-7, Meteosat-5가 있다. GOES는 2기가 운영되고 있는데, 서경 135도 적도 상공에서 미대륙의 서쪽에서 관측하는 GOES-W와, 서경 75도 적도 상공에서 미대륙의 동쪽에서 관측하는 GOES-E가 있다. 유럽은 1986년에 정부간 협정에 의해 유럽기상위성기구(EUMETSAT)를 설립하고 유럽우주기구(ESA)가 담당했던 Meteosat 위성의 운영과 자료 이용 등에 관련한 업무를 유럽기상위성기구로 이관하였다. 유럽기상위성기구에는 현재 유럽 17개국이 가입되어 있으며, 본부는 독일의 Darmstadt에 있다. 러시아의 GOMS와 중국의 FY-2 위성이 정상적으로 운영되지 않아, 인도양 상공은 오랫동안 위성관측 공백지역으로 남아 있었다. 이에 따라 EUMETSAT은 경도 0도에서 유럽을 관측했던 Meteosat-5호 위성을 동경 63도로 이동하여 인도양 상공을 관측하도록 하고 있다.
204-13 [기상위성 관측망]
-GMS 정지기상위성 일본은 정지기상위성(GMS: Geostationary Meteorological Satellite) GMS를 동경 140도의 적도 상공 36,000km에 쏘아올려 운용하고 있다. 위성의 공전 주기가 지구의 자전 주기와 같기 때문에 위성이 항상 지구상의 같은 장소를 관측할 수 있다. GMS는 궤도상에서 팽이와 같이 자전하며 자세를 유지하고 있다. 지구를 관측하는 센서로서 가시적외복사계(VISSR : Visible and Infrared Spin Scan Radiometer)가 탑재되어 있다. GMS에서 정규관측은 1시간마다 행해진다. GMS가 지구의 그림자에 들어가거나, 일본의 기상위성통신소에서 보아 GMS와 태양이 거의 같은 방향에 위치하는 경우에는 관측할 수가 없기 때문에 결측이 된다. 이와 같은 특별한 위성의 운용을 전자는 위성식, 후자는 태양간섭이라고 하며, 이러한 현상은 춘분과 추분을 전후로 나타난다. 각각의 운용 기간과 결측 시각은 위성식이 40일 정도로 매일 14, 15UTC(23:00, 24:00시)에 나타나고, 태양간섭은 기간은 10일 정도이며 03UTC(12:00시)에 나타난다. GMS는 VISSR에 의한 관측 외에도 해상의 부이, 항공기 등의 무인관측소에 설치된 DCP(Data Collection Platform) 장치로부터 관측자료를 수집하는 역할도 한다. 그외에도 GMS 위성은 지진·해일 정보의 전달, 선박의 조난 신호를 수신해서 관계 기관에 전달하는 기능도 하고 있다.
-NOAA 극궤도기상위성 극궤도기상위성은 오랜 역사를 가지고 있고, 1960년에 제1호기 TIROS-Ⅰ이 발사된 이래 세계에서 널리 이용되고 있다. 정지기상위성과 비교해서 궤도높이가 1/30∼1/40으로 낮기 때문에 거리분해능이 뛰어나며, 기온의 연직분포, 마이크로파복사계 등 정지궤도에서는 순간시야가 너무 넓어져서 측정이 곤란한 것을 측정할 수 있으며, 위성이 이동하고 있기 때문에 전파의 도플러 편이를 이용해서 무인관측기의 위치를 결정하는 시스템을 사용할 수 있는 등의 특징이 있다. 태양동기궤도를 이용하고 1일 2회의 관측으로 한정되기 때문에, 정지위성에서 실시하고 있는 것처럼 변화가 심한 현상의 추적, 연속관측에 의한 구름의 움직임으로부터 바람장 산출, 자료통신 등은 불가능하다. 현재 운용되고 있는 극궤도위성은 미국의 TIROS-N/NOAA 시리즈와 소련의 Meteor, 중국의 FY-1C가 있다. TIROS-N/NOAA 위성은 1978년까지 사용되어온 TIROS-M(ITOS/NOAA) 시리즈의 차세대 극궤도위성으로써 개발된 대형 기상위성이다. 1960년에 발사된 최초의 기상위성 TIROS-Ⅰ은 원통형이었으나 제2세대인 TIROS-M(ITOS)과 제3세대인 TIROS-N 시리즈는 3축 안정방식으로 자세를 제어한다. 궤도주기는 101.6분으로 이 동안 지구는 25.5°자전하기 때문에, 적도에서의 궤도 간격은 약2840km가 된다. 기상청에 NOAA 위성 수신장비가 설치되어 있고, 지상에서 위성을 올려보는 각도가 3°이상이면 수신이 가능하다. 위성의 궤도는 매일 약간씩 이동하며 하나의 위성에 대해 하루에 두 궤도의 관측으로 한정되는 경우가 많다. NOAA 위성에서 관측한 자료는 그 일부를 위성에 장착되어 있는 테이프 레코더에 기록해, 미국의 위성수신센터 상공에서 재생한다. 테이프의 용량에 제한이 있기 때문에 모든 영상자료를 기록할 수는 없다. 또한 관측 데이터는 위성으로부터 직접 방송되고 있기 때문에, 각국에서 NOAA 위성 수신소를 중심으로 수천 km 범위의 구름분포 영상과 기온을 실시간으로 수신할 수 있다. |