2편. 위성 간 레이저 통신 OISL, 군집위성의 성능을 바꾸는 핵심 기술

저궤도 군집위성은 여러 위성이 동시에 운용되기 때문에 개별 위성의 성능만으로 전체 서비스 품질을 결정하기 어렵다.

위성끼리 직접 데이터를 주고받지 못하면 각 위성이 지상국 상공을 지나갈 때까지 데이터를 보관해야 한다. 지상국이 없는 해상이나 극지방을 지나는 동안에는 데이터 전달이 지연될 수 있다.

이를 해결하는 기술이 위성 간 레이저 통신 OISL이다.

OISL은 Optical Inter-Satellite Link의 약자로, 위성과 위성 사이에서 레이저를 이용해 데이터를 전송하는 기술이다. 6G 비지상네트워크와 실시간 지구관측 수요가 확대되면서 온보드 AI, 엣지 컴퓨팅, 고해상도 탑재체 경량화와 함께 핵심 기술로 부상하고 있다.

위성끼리 연결되면 지상국 의존도가 낮아진다

위성 간 통신이 없는 구조에서는 관측 위성이 수집한 데이터를 지상국으로 직접 내려보내야 한다.

반면 OISL을 적용하면 관측 위성이 다른 위성으로 데이터를 전달하고, 그 위성이 지상국과 연결되는 시점에 데이터를 내려보낼 수 있다.

여러 위성이 하나의 우주 네트워크처럼 움직이면서 다음과 같은 운용이 가능해진다.

• 지상국이 보이지 않는 구간에서도 데이터 전달
• 재난·안보 영상의 전송 지연 단축
• 위성 인터넷 서비스의 경로 다변화
• 지상국 수요와 데이터 병목 완화
• 군집위성 간 임무와 관측정보 공유

결국 위성 한 기의 통신범위보다 위성군 전체의 네트워크 구조가 중요해지는 것이다.

레이저 통신의 난제는 정확한 방향 정렬이다

레이저는 전파보다 빔의 폭이 매우 좁기 때문에 높은 데이터 전송효율을 기대할 수 있다. 반대로 송신기와 수신기의 방향이 조금만 어긋나도 통신이 끊길 수 있다.

저궤도 위성은 빠르게 이동하고 위성 간 거리와 상대 위치도 계속 변한다. 레이저 통신장치는 상대 위성을 찾고, 빔을 정확히 조준한 뒤, 이동 중에도 연결을 유지해야 한다.

이 과정은 일반적으로 탐색, 포착, 추적 단계로 나눠 볼 수 있다.

먼저 상대 위성의 예상 위치로 광학장치를 움직인다. 신호를 발견하면 정밀하게 포착하고, 이후 미세구동장치로 빔 방향을 계속 보정한다.

따라서 OISL 개발은 광원과 수신기만의 문제가 아니다. 정밀구동, 광학계, 자세제어, 열설계, 진동보상, 위치예측 알고리즘이 통합되어야 한다.

제가 시스템 과제를 검토할 때도 통신속도 수치만 제시한 계획은 충분하다고 보지 않는다. 위성의 자세오차와 구조진동이 발생하는 조건에서 링크를 어떻게 유지할지까지 설명해야 실제 개발계획이 된다.

온도 변화가 광학 정렬을 흔든다

우주에서는 태양을 보는 면과 그늘에 있는 면의 온도 차이가 크게 발생한다.

광학장치와 구조물의 온도가 변하면 미세한 변형이 생기고, 이 변형이 레이저 방향오차로 이어질 수 있다. 지상에서 정렬을 정확하게 맞췄더라도 궤도상 열환경에서는 다른 결과가 나타날 수 있다.

따라서 OISL 장비는 다음 시험을 함께 고려해야 한다.

• 열진공 조건에서의 광축 변화 측정
• 진동 전후 정렬상태 비교
• 구동장치의 반복 위치정확도 시험
• 위성 자세오차를 반영한 링크 유지시험
• 통신 단절 후 재탐색 및 재연결 시험

정상 연결 상태의 최고 전송속도보다 연결이 흔들릴 때 얼마나 빨리 복구되는지가 실제 서비스 품질을 결정할 수 있다.

온보드 AI와 결합하면 전송해야 할 데이터가 줄어든다

고해상도 SAR·EO 위성은 많은 데이터를 생성한다. 모든 원시 데이터를 지상으로 보내면 통신용량과 저장공간에 부담이 생긴다.

온보드 AI를 활용하면 위성에서 구름이 많은 영상이나 의미 없는 데이터를 먼저 걸러낼 수 있다. 산불, 선박, 차량, 재난지역처럼 필요한 객체를 우선 탐지해 중요한 정보만 전송하는 방식도 가능하다.

OISL과 온보드 처리가 결합되면 단순히 위성끼리 데이터를 전달하는 것을 넘어, 위성군이 역할을 나눠 데이터를 처리하는 분산형 구조로 발전할 수 있다.

다만 AI 결과를 신뢰하려면 학습 데이터뿐 아니라 우주용 프로세서의 연산성능, 방사선 오류, 소프트웨어 업데이트와 복구방안까지 고려해야 한다.

중소기업은 전체 통신장치보다 정밀 요소기술을 노려야 한다

OISL 단말 전체를 개발하려면 광학, 통신, 기구, 제어 역량이 동시에 필요하다.

중소기업은 정밀구동기, 광학 코팅, 열안정 구조물, 레이저 전원부, 위치추적 알고리즘, 지상 시험장비와 같은 요소기술로 접근할 수 있다.

중요한 것은 부품 사양만 제시하는 것이 아니다. 링크 획득시간, 추적오차, 열변형, 진동 후 정렬 정확도처럼 시스템 운용에 직접 연결되는 데이터가 있어야 한다.

위성 간 레이저 통신의 경쟁력은 빠른 레이저 하나에서 나오지 않는다. 움직이는 두 위성이 극한 환경에서도 서로를 찾아 연결을 유지하는 통합 정밀제어 능력에서 나온다.