우주상황인식이란?

우주상황인식(Space Situational Awareness, SSA)은 지구 주변의 우주에서 물체의 미래 위치를 특성화하고 추적하며 예측하는 작업입니다. 정부, 기업 및 기관은 지구의 궤도 및 달과 지구 모두의 중력에 의해 영향을 받는 우주공간인 시스루나(Cislunar, 지구-달 간 우주 공간) 공간에서 점점 더 많은 우주 자산을 이해하기 위해 SSA에 관여하고 있습니다.

우주상황인식을 확립하는 첫 번째 단계는 지상 기반 관측을 활용하여 지구 근처의 물체를 식별하고 추적하는 것입니다. 그런 다음 이 우주 감시 데이터를 사용하여 각 우주 물체의 디지털 표현을 생성합니다. 마지막으로, 궤도 역학과 기타 물리학을 적용하여 중력과 다른 힘이 시간에 따라 각 물체의 궤도를 어떻게 결정하는지 예측합니다. 

우주상황인식을 얻는 주요 목표는 우주선과 우주 잔해 간의 충돌을 방지하는 것입니다. 보조적 목표에는 퇴역했거나 없어진 우주선의 재진입을 계획하고 충돌, 궤도 상에서의 폭발 또는 적대적 행위로 인해 생성된 파편을 분석하는 것이 포함됩니다.

우주상황인식은 우주 교통 관리 시스템의 기본 데이터이자 툴 세트이기도 합니다. 원치 않는 상호작용을 방지할 뿐만 아니라 제어 가능한 물체의 궤도를 사전에 관리하는 데 도움이 됩니다.

우주 기관, 군대 및 위성 운영자는 SSA 기능을 개발하여 우주 기반 하드웨어를 보호하고, 가능한 한 오랫동안 기능을 유지하며, 재진입 중에 지상의 다른 우주 차량과 사람 및 기반 시설에 피해를 입히지 않도록 합니다. 이들은 중요한 투자를 보호할 뿐만 아니라 일상적인 상업 및 국가 안보에 중요한 자산이 제공하는 과학, 통신 및 지구 관측 기능을 유지하기를 원합니다.

1957년 러시아가 스푸트니크를 발사한 이래, 유럽우주국(ESA)은 정부와 기업들이 지구 궤도에 21,600개 이상의 위성을 발사했으며 2025년에는 14,200개 이상의 위성이 여전히 작동한다고 계산했습니다. 발사체 하드웨어와 650회 이상의 충돌에서 발생한 잔해가 수백만 개의 작은 파편과 함께 궤도에 있는 10cm 이상의 물체 54,000개에 더해지고 있습니다. 

크기별로 배열한 지구 저궤도(LEO)에 있는 잔해 조각의 수

지구 근처 공간은 광대하지만 충돌 가능성은 통계적으로 유의미한데, 궤도에 있는 물체들이 서로 다른 궤도에서 매우 빠른 속도로 움직이고 있고 많은 위성들이 지구 표면의 동일한 위치를 차지하거나 통과해야 하기 때문입니다. 우주 작전, 경제 및 정치에서 SSA의 중요성이 커진 원인에는 추적 가능한 물체의 기하급수적에 가까운 증가, 우주 기반 통신 및 관찰에 대한 의존도 증가, 국가 안보에서의 전략적 역할, 비동맹국 정부의 우주에 대한 접근성 증가가 있습니다. 

SSA의 기반은 전산 궤도 역학으로, 고전적 물리학과 상대론적 물리학을 모두 활용하여 궤도에 미치는 중력의 영향을 예측합니다. 태양, 지구 및 달의 중력은 이러한 계산에서 가장 중요한 역할을 합니다.

우주 물체를 정확하게 추적하고 예측하려면 SSA 시스템이 계산에 세 가지 구성 요소를 포함해야 합니다.

1. 우주 물체의 특성화

SSA의 첫 번째 구성 요소는 궤도에 있는 물체를 특성화하는 것입니다. SSA 시스템은 지상 기반 레이더 및 광학 망원경(통칭하여 우주 감시 및 추적)을 사용하여 이러한 데이터를 수집합니다. 추적기는 물체의 위치와 속도를 사용하여 질량을 결정합니다. 또한 내부 및 외부 소스를 사용하여 개체를 식별하고 가능한 모든 기하학적 또는 작동적 특성을 카탈로그화합니다.

우주 물체를 추적하는 것은 일회성 작업이 아닙니다. 많은 물체가 궤적을 바꿀 수 있으며, 우주 날씨의 항력과 압력 같은 작은 힘이 궤도를 예측불허로 변화시킬 수 있습니다. SSA 시스템은 인공 물체 외에 지구 근처 소행성도 추적합니다.

2. 우주 잔해 추적 또는 예측

우주 잔해를 이해하는 것이 SSA의 두 번째 구성 요소입니다. 폭발, 우주선의 기계적 고장, 물체 간의 충돌로 인해 잔해가 발생할 수 있습니다. 이러한 이벤트에서 발생한 파편화로 인해 여러 방향으로 이동하는 작은 입자가 생성되기 때문에 고급 SSA 시스템은 우주 잔해의 특성을 포착하고 실제 또는 잠재적 충돌에서 잔해 필드가 어떻게 보이는지 예측합니다. 

3. 우주 날씨의 영향

우주상황인식의 세 번째 구성 요소는 우주 날씨를 고려하는 것입니다. 태양 폭풍은 교란을 일으키고 위성 궤적에 간섭할 수 있는 복사를 생성합니다. 이러한 이벤트 중, 하전 입자는 위성에 항력을 생성하는 방식으로 지구 상부 대기의 밀도에 영향을 미쳐 궤도에 영향을 줄 수 있습니다. SSA를 구현하려면 계산에서 태양 복사를 지속적으로 고려하고 우주 날씨의 영향을 예측해야 합니다.

우주상황인식에 영향을 미치는 기타 요인

SSA 추적 및 예측에 영향을 미치는 또 다른 요인은 지구 근처 우주, 특히 지구 저궤도(LEO)에서 우주선에 닿는 지구 대기(궤도 수준에서는 매우 얇지만)에서 생기는 항력입니다. 항력은 재입력 계산에서도 중요한 요소입니다.

태양 복사에 의해 전달되는 힘과 마찬가지로 반사된 열과 지구의 가시광선(알베도, albedo)도 우주선의 움직임에 섭동을 일으키며, 태양과 지구를 기준으로 물체의 위치가 변함에 따라 달라집니다.

또 다른 고려 사항은 일반적으로 자이로스코프 세트가 포함되어 있는 위성 방향 시스템의 고장입니다. 태양과 지구를 기준으로 한 우주선의 방향은 물체가 경험하는 복사압과 항력의 양에 영향을 줄 수 있기 때문에 중요합니다. 

우주상황인식 시스템을 구축하고 유지하는 것은 중요한 과제입니다. 과거에는 정부 기관에서 대부분의 SSA 시스템을 구현했습니다. 미국은 상업적 노력으로 미국 국방부, 미국 우주군, 미국 공군, 미국 해양대기청(NOAA)을 통해 우주 감시 네트워크(SSN)를 기본 시스템으로 사용하여 여러 SSA 시스템을 유지 관리합니다.

유럽우주국(ESA)은 유럽 우주 안전 프로그램의 주요 관리자입니다. 다른 국가는 우주 활동을 지원하는 유사한 시스템을 보유하고 있거나 더 큰 시스템 중 하나와 파트너십을 맺고 있습니다. 상용 우주 비행이 성장함에 따라 현재는 사용할 수 있거나 개발 중인 여러 상용 SSA 솔루션이 있습니다.

다음은 이러한 팀이 우주상황인식을 유지하기 위해 직면하는 몇 가지 일반적인 과제입니다.

점점 더 많아지고 작아지는 우주선

소형 위성(SmallSat) 혁명은 발사 비용 감소와 결합하여 우주선의 엄청난 증가를 이끌었습니다. 이러한 작은 물체는 크기와 많은 개수 때문에 추적하기가 더 어렵습니다.

최적 지역 경쟁

위성은 지구 주위에 균등하게 분포하지 않습니다. 지구 표면에 대해 고정된 상태를 유지하려면 지구 정지궤도(GEO)의 위성은 동일한 고도를 공유해야 합니다. 또한 많은 운영자가 우주선을 동일한 영역에 배치하기를 원합니다. 이 때문에 GEO는 점점 더 혼잡한 곳이 되어 가고 있습니다. 지구 저궤도에 있는 위성들도 같은 문제를 가지고 있는데, 많은 미션이 같은 위치에서 신호를 관찰하거나 수신하려고 하기 때문입니다.

비용 효율적이고 정확한 관측

우주 감시 네트워크는 구축 및 유지 관리에 비용이 많이 들고 최신 광학 및 레이더 감지 기술이 필요합니다. 궤도 상황의 복잡성이 증가함에 따라 이러한 시스템의 비용도 증가합니다.

데이터 관리 및 스토리지

우주의 각 개체에 대해 수집된 데이터의 양은 매우 중요합니다. 이는 우주선과 잔해 수준이 증가하고 있을 뿐 아니라 SSA 데이터가 수년 동안 관측되기 때문입니다.

시각화

SSA 데이터를 유익하고 실행 가능한 방식으로 제공하는 것이 점점 더 어려워지고 있습니다. SSA 팀이 모니터링하는 공간의 규모는 3차원에 존재하며 점점 더 많은 물체가 담기고 있습니다.

예측

SSA 시스템은 미래의 궤도를 예측하고, 잠재적인 위협을 식별하고, 충돌 이벤트가 발생할 때 우주 잔해를 모델링해야 합니다. 또한 엔지니어들은 SSA 시스템을 사용하여 지구 대기로 재진입을 계획하거나 고장난 우주선을 안정적인 궤도로 이동시켜 폐기하기도 합니다. 

SSA에 관여하는 조직이 직면한 과제를 해결할 수 있는 몇 가지 툴이 있습니다.

정책 및 전략

SSA를 위한 인적 솔루션은 정책과 전략을 중심으로 합니다. 다수의 국제 표준이 존재하며, 대부분의 우주 기술 보유 국가는 원칙적으로 이에 동의합니다. 여기에는 1967년 우주조약, 1972년 책임협약, 1976년 등록협약이 포함됩니다.

최근에는 여러 협의체들이 회원국들에게 협력하고 책임감 있게 행동하도록 요청하는 지침과 전략을 추진하고 있습니다. 이러한 합의사항은 다음을 장려합니다:

• 잔해 제한
• 궤도상 분해 최소화
• 미션 종료 시 우주선 궤도 해제
• 충돌 회피 기술 구현
• 우주에서 물체의 의도적인 파괴 방지

소프트웨어 및 하드웨어

기술 솔루션은 정보를 수집하고, 우주교통관리(STM) 툴을 구현하고, 우주영역인식(SDA) 솔루션을 사용하여 국가 보안 문제를 지원하는 강력한 소프트웨어 및 하드웨어 시스템으로 구성됩니다.

하드웨어 솔루션은 고속 메모리, GPU, 클라우드 컴퓨팅을 포함한 고급 컴퓨팅 성능을 활용하여 필요한 방대한 양의 데이터와 계산을 처리합니다. 하드웨어는 추적 시스템에 사용되는 센서도 지원합니다. 궤도 및 지상 기반 광학 센서와 레이더 시스템의 발전으로 더 정확하고 시기 적절한 정보를 제공하는 데 진전이 이루어지고 있습니다. 엔지니어들은 보다 효과적인 안테나를 설계하기 위해 Ansys HFSS 소프트웨어와 같은 툴을 사용하고, 카메라 성능을 향상시키기 위해 Ansys Zemax OpticStudio 소프트웨어를 활용하고 있습니다.

툴 세트의 소프트웨어 측면에서 SSA 문제를 해결하는 핵심은 SSA 시스템 소프트웨어를 구축할 수 있는 강력하고 유연한 플랫폼을 갖추는 것입니다. Ansys Systems Tool Kit(STK) 소프트웨어와 같은 솔루션은 우주에서 물체와 잔해의 동작을 정확하게 모델링하고 효율적으로 예측할 수 있는 물리적 기반을 제공합니다. 또는 Ansys Orbit Determination Tool Kit(ODTK) 소프트웨어와 같은 플랫폼을 사용하면 데이터 추적을 통해 미래의 우주선 동작을 예측할 수 있습니다. 각 SSA 팀은 유연하고 강력한 플랫폼을 기반으로 특정 요구사항에 맞는 소프트웨어 솔루션을 개발할 수 있습니다. 

발사와 잔해로부터 생겨나 지구 궤도에 있는 물체의 수는 인간이 지구를 넘어 시스루나 우주 공간과 그 너머로 세계를 확장함에 따라 계속 증가할 것입니다. 수십 년 간의 우주상황인식 구축은 항공우주 산업에 미래의 우주 환경을 더 안전하게 만들기 위한 교훈과 모범 사례를 제공했습니다.

1. 규칙 준수

SSA의 첫 번째 단계는 우주선 설계자와 운영자가 궤도에서의 공존을 위해 확립된 정책과 지침을 따르는 것입니다.

2. 추적 기술 투자 및 데이터 공유

고품질 출력은 고품질 입력에 달려 있으므로 SSA를 유지하는 것은 추적 데이터의 충실도와 적시성에 따라 크게 달라집니다. 데이터 공유는 SSA 시스템의 기능도 향상시킵니다.

3. 향상된 컴퓨팅 기능 활용

우주 감시에 의해 생성된 상당한 양의 데이터를 관리하려면 컴퓨터 하드웨어에서 더 빠른 속도와 기능과 알고리즘 개선이 필요합니다. 양자 컴퓨팅의 통계 기능은 SSA를 혁신할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

4. 데이터 및 예측 분석의 발전 구현

궁극적으로 SSA는 물리 기반 모델링을 기반으로 하는 예측 및 데이터 분석에 중점을 둡니다. 운영자는 표준 데이터 분석뿐만 아니라 머신러닝(ML) 및 인공지능(AI)의 발전을 통해 SSA를 향상시킬 수 있습니다.

5. 고충실도 물리 기반 디지털 표현 구축

잠재적 위협을 예측하고 방지하는 SSA의 진정한 힘은 지구 주변 환경의 고충실도 디지털 표현을 기반으로 하는 디지털 미션 엔지니어링(DME)을 사용하는 것입니다. 여기에는 우주선의 주요 구성 요소, 잔해 및 우주 날씨와 시간이 지남에 따라 궤도에서 물체의 위치에 영향을 미치는 다른 모든 요인이 포함됩니다. 

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