우주에서 위성 간 촬영을 통한 위성형상 확보 체계 연구 계획서

1. 연구 필요성

가. 연구 필요성

1) 우주 안보 환경의 패러다임 변화: '회색 지대(Grey Zone)' 전장의 부상과 감시의 사각지대
 
21세기 안보 환경에서 우주는 더 이상 평화로운 과학 탐구의 영역에 머무르지 않고, 국가 간의 국력이 투사되는 '전쟁 수행 영역(Warfighting Domain)'으로 급격히 변모하였다. 특히 최근의 우주 안보 위협은 물리적인 파괴를 동반하는 직접적인 위성 요격(ASAT: Anti-Satellite)뿐만 아니라, 평시와 전시의 구분이 모호한 '회색 지대(Grey Zone)' 도발로 진화하고 있다.1 적대국들은 '우주 쓰레기 제거' 또는 '과학 실험'이라는 명분하에 킬러 위성(Killer Satellite)이나 검사 위성(Inspector Satellite)을 발사하여 아군 위성에 은밀히 접근(RPO: Rendezvous and Proximity Operations)하고, 근거리에서 영상 정보를 획득하거나, 통신을 감청하고, 심지어 로봇팔을 이용한 물리적 간섭을 시도할 수 있는 능력을 확보해 나가고 있다.3
 
이러한 상황에서 현재 대한민국이 보유하거나 의존하고 있는 지상 기반 우주 감시 체계(Ground-based Space Surveillance)는 명확한 한계를 노출하고 있다. 지상에 설치된 광학 망원경(예: OWL-Net)이나 레이더 시스템은 대기 효과(Atmospheric Turbulence)와 주야간의 제약, 그리고 기상 조건에 따라 가동률이 현저히 떨어진다.5 더욱 심각한 기술적 난제는 '회절 한계(Diffraction Limit)'이다. 고도 36,000km에 위치한 정지궤도(GEO) 위성을 지상에서 관측할 경우, 물리적인 회절 한계로 인해 수 미터(m) 급의 해상도만을 확보할 수 있다. 이는 해당 위성의 존재 여부와 대략적인 궤도만을 파악할 수 있을 뿐, 그 위성이 안테나를 전개했는지, 탑재체가 무엇인지, 또는 아군 위성에 어떤 물리적 손상을 가했는지를 판별하는 '형상 식별(Characterization)'은 불가능하다는 것을 의미한다.7
 

 
따라서 우주 궤도상에서 직접 위성 간 촬영(Satellite-to-Satellite Imaging)을 수행하는 것은 선택이 아닌 필수적인 안보 역량이 되었다. 대기의 간섭이 없는 우주 공간에서 표적 위성에 수 km 이내로 접근하여 cm급 초고해상도 영상을 확보하는 기술은, 적대적 위성의 의도를 사전에 파악하고 아군 자산의 안전을 보장하는 유일하고도 확실한 수단이다. 본 연구는 이러한 우주 기반 감시 정찰(Space-based ISR) 능력을 독자적으로 확보하기 위한 첫 단계로서, 위성 간 촬영 체계의 개념 설계와 핵심 기술 타당성을 검증하는 데 그 목적이 있다.
 
2) 한국형 3축 체계의 완성도 제고와 우주 기반 킬체인(Kill Chain) 지원
 
북한의 핵·미사일 위협에 대응하기 위한 한국형 3축 체계(Kill Chain, KAMD, KMPR)는 지상 및 공중 전력 위주로 구축되어 왔으나, 최근 북한의 정찰위성 발사 시도와 우주 발사체 기술 고도화는 3축 체계의 범위를 우주로 확장할 것을 요구하고 있다.9 킬체인(Kill Chain)의 핵심인 '선제 타격'을 위해서는 적의 공격 징후를 사전에 탐지하는 감시 정찰 능력이 선행되어야 한다. 우주 영역에서의 킬체인은 적 위성이 아군 위성을 공격하거나 지상을 정찰하려는 징후를 사전에 포착하고 무력화하는 것을 포함한다.11
 
본 연구를 통해 기획되는 위성 형상 확보 체계는 적성국 위성의 구체적인 형상(광학 카메라 구경, SAR 안테나 크기, 통신 안테나 방향 등)을 촬영하여 해당 위성의 임무와 성능을 정확히 평가하는 데 기여할 것이다. 이는 단순히 위성을 '추적(Tracking)'하는 단계를 넘어 위성의 '기능(Function)'과 '의도(Intent)'를 파악하는 우주영역인식(SDA: Space Domain Awareness)의 최상위 단계로의 진입을 의미한다. 또한, 유사시 아군 위성에 접근하는 미식별 물체의 정체를 규명함으로써 우주 자산 방호 전략 수립에 결정적인 정보를 제공할 것이다.12
 
3) 뉴스페이스 시대의 고부가가치 기술 선점 및 궤도상 서비스(OOS) 기반 마련
 
산업적 측면에서, 위성 간 근접 촬영 기술은 향후 폭발적인 성장이 예상되는 궤도상 서비스(OOS: On-Orbit Servicing) 시장의 핵심 관문 기술(Enabling Technology)이다. 우주 쓰레기 제거(ADR), 위성 수명 연장을 위한 연료 재급유, 궤도상 조립 및 수리 임무를 수행하기 위해서는 표적 위성의 상태를 정밀하게 진단하고, 회전 특성(Tumbling)을 파악하며, 도킹 부위의 손상 여부를 확인하는 시각 정보(Visual Inspection)가 필수적이다.13
 
이미 해외에서는 HEO Robotics, Astroscale 등 민간 기업들이 위성 검사 및 근접 촬영을 상용 서비스화하고 있다. 국내 우주 산업이 발사체와 위성 제작 중심의 제조업에서 고부가가치 서비스업으로 확장하기 위해서는, 자율 랑데부/근접 기동(RPO) 기술과 비협조 표적에 대한 영상 처리 기술이 확보되어야 한다. 본 연구는 7개월간의 집중적인 기획을 통해 이러한 기술적 격차를 해소하고, 국내 위성 기업들이 틈새시장인 우주 검사 시장에 진입할 수 있는 기술적 로드맵을 제시할 것이다.15
 

나. 예상되는 연구 결과의 경제적ㆍ산업적ㆍ안보적 필요성

본 연구를 통해 도출될 "위성 형상 확보 체계"의 기획안과 타당성 분석 결과는 다음과 같은 다층적인 파급 효과를 가져올 것으로 예상된다.
 
1) 국가 안보적 측면: 정보 자주권 확보 및 대미 협상력 강화
 
현재 한국은 우주 물체에 대한 정밀 정보를 미 우주군(USSF)이 제공하는 연합 우주 작전 센터(CSpOC) 데이터나 상용 우주 감시 기업(ExoAnalytic Solutions 등)의 서비스에 의존하고 있다.17 이는 유사시 정보 제공의 시의성을 담보할 수 없으며, 민감한 안보 정보의 경우 접근이 제한될 수 있다는 구조적 취약점을 안고 있다.
 

• 독자적 감시 자산 확보: 본 연구를 통해 한국이 독자적으로 운용 가능한 검사 위성 체계를 확보하게 되면, 한반도 상공을 통과하는 주변국의 정찰 위성이나 킬러 위성 의심 물체에 대해 즉각적인 검증이 가능해진다.
• 동맹 내 역할 확대: 미국과의 우주 상황 정보 공유 약정(SSA Sharing Agreement) 하에서, 한국이 단순히 정보를 수혜받는 입장이 아니라 고해상도 영상 정보(Imagery Intelligence)를 제공하는 공급자(Provider)로서의 지위를 확보하게 된다. 이는 한미 동맹 내에서 한국의 전략적 가치를 제고하고, 우주 분야에서의 협상력을 강화하는 기제로 작용할 것이다.11

 
2) 산업적 측면: 우주 검사 및 랑데부 기술의 스핀오프(Spin-off)
 
위성 간 촬영을 위해 개발되는 핵심 기술들은 다양한 우주 산업 분야로 파생될 잠재력을 가지고 있다.
 

• 초소형 위성 플랫폼 고도화: 본 연구에서 제안할 6U~12U 큐브위성 또는 50kg급 마이크로 위성 플랫폼은 고기동성(High Delta-V)과 정밀 자세 제어 능력을 요구한다. 이는 국내 위성 제조사(쎄트렉아이, 한화시스템, KAI 등)의 소형 위성 버스 기술 수준을 한 단계 끌어올리는 계기가 될 것이다.19
• 우주 로보틱스 및 자율 주행: 비협조적 표적에 대한 상대 항법(Relative Navigation) 및 자율 경로 계획 알고리즘은 우주 로봇팔 제어, 달 탐사 로버의 자율 주행, 그리고 국방 분야의 자율 비행 드론 기술과 밀접하게 연관되어 있어 기술적 시너지가 크다.21

 
3) 경제적 측면: 위성 운용 효율성 증대 및 예산 절감

• 위성 고장 진단 비용 절감: 현재 운용 중인 국가 위성에 이상이 발생했을 때, 그 원인이 내부 부품 고장인지 외부 충격(데브리 충돌 등)인지를 파악하는 것은 매우 어렵다. 위성 간 촬영을 통해 이를 시각적으로 확인함으로써, 불필요한 복구 시도를 줄이거나 차기 위성 설계에 피드백을 주어 전체 위성 프로그램의 생애주기 비용(Life Cycle Cost)을 절감할 수 있다.
• 해외 서비스 수입 대체: 고가의 해외 상용 SSA 데이터 구매 비용을 절감하고, 장기적으로는 국내 기술로 확보된 우주 물체 영상 데이터를 해외에 판매하는 새로운 수익 모델 창출도 가능하다.18

 

다. 주제에 대한 국내외 연구현황 및 실태

위성 간 근접 촬영 및 검사(Inspection) 기술은 우주 선진국의 핵심 비대칭 전력으로 분류되어 기술 보호 장벽이 매우 높다. 최근에는 민간 섹터의 진입으로 기술 개발 경쟁이 가속화되고 있다.
 
1) 세계적 수준 (Global Status)
 
미국, 중국, 러시아 등 우주 강국들은 이미 실전형 검사 위성을 운용 중이며, 민간 기업들은 이를 서비스화하는 단계에 진입하였다.

 

구분	주요 국가/기업	핵심 운용 자산 및 기술 특징	비고
미국	미 우주군 (USSF)	- GSSAP (Geosynchronous Space Situational Awareness Program): 정지궤도 근처를 표류하며 타 위성에 근접하여 상세 형상을 촬영하고 RPO를 수행. 현재 6기 이상 운용 중으로 추정됨.24 - ANGELS/XSS 시리즈: 저궤도(LEO)에서의 근접 기동 및 자율 검사 기술 실증 위성 프로그램.27	- 세계 최고 수준의 RPO 기술 및 운영 노하우 보유. - 상용 센서(Commercial SSA)를 적극 활용하는 추세.
중국	CNSA / PLA	- Shijian-21 (SJ-21): 우주 쓰레기 완화 기술 검증 위성으로 위장하였으나, 실제로는 고장 난 위성을 포획하여 묘지 궤도로 견인하는 고난도 RPO 수행(2022년). 로봇팔 및 근접 센서 탑재.3 - TJS 시리즈: 정지궤도에서 타국 위성 도청 및 근접 정찰 의혹.	- "우주 쓰레기 제거" 명분으로 공격적 RPO 역량 강화. - 민군 융합(Civil-Military Integration) 전략 추진.
러시아	Roscosmos / VKS	- Cosmos 2542/2543: 2019-2020년, 미국의 KH-11 첩보위성(USA-245) 궤도에 동조화(Synchronization)하여 수백 km 거리에서 장기간 추적 및 촬영 수행. 자선(Sub-satellite) 사출 실험을 통해 요격 능력 과시.4	- "검사 위성(Inspector Satellite)"이라는 공식 명칭 사용. - 회색 지대 전술의 대표적 사례.
민간	HEO Robotics (호주) Scout Space (미국)	- HEO Robotics: 자체 위성을 띄우지 않고, 지구 관측 위성이 '지구'가 아닌 '우주'를 보게 하여 타 위성을 촬영하는 'NEI(Non-Earth Imaging)' 서비스 제공. 30cm급 해상도 달성.15 - Scout Space: 위성에 탑재하는 소형 SSA 센서(Vision) 개발, 궤도상 자율 충돌 회피 및 표적 검사 솔루션 제공.33	- 하드웨어 중심에서 소프트웨어/서비스 중심으로 전환. - 저비용 큐브위성 활용 트렌드 확산.

 
2) 국내 수준 (Domestic Status)
 
한국은 세계적인 수준의 지구 관측 위성 기술을 보유하고 있으나, 우주 물체 감시 및 위성 간 근접 촬영 분야는 아직 태동기에 있다.
 

• 위성 본체 및 탑재체 기술:

• 한국항공우주연구원(KARI)과 쎄트렉아이(SI)는 세계 시장에서 경쟁력 있는 중소형 지구 관측 위성(KOMPSAT, SpaceEye 시리즈) 개발 능력을 보유하고 있다.35
• KAIST 인공위성연구소(SaTReC)는 우리별, 과학기술위성(STSAT), 차세대소형위성(NEXTSat) 개발을 통해 소형 위성 버스 기술과 편대 비행(Formation Flying) 기초 연구를 수행하였다.38
• 최근 '초소형 군집위성(NEONSAT)' 프로젝트를 통해 양산형 위성 체계 개발에 착수하였으나, 이는 주로 지상 관측 및 재난 감시 목적에 국한되어 있다.40

• 우주 감시 및 RPO 기술 격차:

• 한국천문연구원(KASI)이 지상 광학 감시망(OWL-Net)을 운용 중이며, 우주물체 전자광학 감시 시스템 기술 개발 사업을 통해 기초 역량을 확보하고 있다.
• 그러나 궤도상 근접 기동(On-orbit RPO) 경험은 전무하며, 상대 항법 센서(Lidar, Vision Based Navigation) 및 궤도상 영상 처리(In-orbit Processing) 기술 수준은 선진국 대비 낮은 단계(TRL 3~4)로 평가된다. 특히, 고속으로 이동하는 표적 위성을 추적하며 흔들림 없는 영상을 획득하는 정밀 자세 제어 및 모션 블러 보정 기술 확보가 시급하다.

• 정책 및 인프라:

• '제4차 우주개발진흥기본계획' 및 '우주위험대비 기본계획' 등에서 우주 감시 역량 강화를 명시하고 있으나, 구체적인 검사 위성(Inspector Satellite) 개발 프로그램은 아직 가시화되지 않았다.6
• 2024년 개청한 우주항공청(KASA)을 중심으로 민간 주도의 뉴스페이스 생태계 육성과 안보 우주 역량 강화가 주요 정책 기조로 설정됨에 따라, 본 연구와 같은 도전적인 기획 연구의 필요성이 더욱 증대되고 있다.42

 

2. 연구 목표 및 내용

가. 연구의 구체적인 목표

본 연구는 제한된 예산(5,000만 원)과 기간(7개월) 내에 실제 위성을 제작하는 것이 아니라, "우주 궤도상에서 비협조적(Non-cooperative) 표적 위성에 접근하여 고해상도 형상 정보를 획득할 수 있는 초소형 검사 위성 체계의 개념 설계(Conceptual Design) 및 타당성 분석(Feasibility Study)"을 수행하는 Phase A 단계의 기획 연구를 목표로 한다.
 
[핵심 연구 목표]

1. 임무 시나리오 및 운용 개념(CONOPS) 정립:

• LEO/GEO 궤도 특성에 따른 최적의 접근(Rendezvous), 근접 호버링(Hovering), 촬영(Inspection), 이탈(Departure) 시나리오 설계.
• 충돌 위험을 원천적으로 배제하는 '수동 안전(Passive Safety)' 궤도 설계 이론 정립.43

1. 광학 탑재체 및 위성 시스템 최적 제원(Baseline) 도출:

• 거리별(100m, 1km, 10km) 목표 해상도(GSD 5cm~50cm)를 달성하기 위한 광학계 파라미터(구경, 초점거리, 센서 픽셀 피치) 결정.44
• 임무 수행에 적합한 플랫폼(6U/12U CubeSat vs 50kg Microsat) 비교 분석 및 선정.

1. 영상 품질 향상 및 초해상(Super-Resolution) 기술 검증:

• 회절 한계와 센서 해상도의 물리적 제약을 극복하기 위한 딥러닝 기반 단일/다중 프레임 초해상 알고리즘(SISR/MISR)의 적용 가능성 시뮬레이션.46

1. 체계 개발 로드맵 및 비용 분석:

• NASA WBS(Work Breakdown Structure) 기반의 체계적인 비용 추정 모델(Parametric Costing)을 적용하여 신뢰성 있는 총 개발 비용 및 일정 산출.48

 

나. 연구의 범위 및 항목 (연구보고서 목차 포함)

본 연구는 문헌 조사, 이론 해석, 모델링 및 시뮬레이션(M&S)을 중심으로 수행되며, 최종 산출물은 향후 본 사업 추진을 위한 RFP 작성의 기초 자료로 활용될 상세 기획보고서이다.
 
[연구보고서 목차 (안)]

1. 서론

• 1.1 연구 배경 및 필요성 (안보적/기술적/산업적 측면)
• 1.2 연구 목표 및 범위

1. 국내외 기술 개발 동향 및 사례 분석

• 2.1 미국/중국/러시아의 궤도상 검사 및 킬러 위성 운용 사례 심층 분석 (GSSAP, SJ-21, Cosmos 시리즈)
• 2.2 상용 우주 상황 인식(SSA) 및 비지구 영상(NEI) 서비스 기술 분석 (HEO Robotics 등)
• 2.3 국내 위성 버스 및 광학 탑재체 기술 성숙도(TRL) 평가

1. 위성 간 촬영 임무 해석 및 궤도 설계

• 3.1 상대 궤도 요소(ROE) 기반 근접 기동(RPO) 역학 및 제어 이론
• 3.2 수동 안전(Passive Safety) 궤도 설계 및 충돌 회피 전략
• 3.3 STK/GMAT을 이용한 임무 시나리오 시뮬레이션 및 가시성/조명 조건 분석

1. 위성 형상 확보를 위한 핵심 기술 연구

• 4.1 고해상도 광학 탑재체 시스템 설계 (MTF, SNR, 회절 한계 분석)
• 4.2 딥러닝 기반 초해상(Super-Resolution) 및 영상 복원 알고리즘
• 4.3 위성 3D 형상 재구성(3D Reconstruction) 기법 연구

1. 제안 위성 시스템 제원 및 규격

• 5.1 위성 버스(Bus) 플랫폼 선정 및 하위 시스템(전력, 자세제어, 통신, 추진) 규격
• 5.2 탑재체(Payload) 인터페이스 및 데이터 처리 요구사항

1. 체계 개발 계획 및 타당성 분석

• 6.1 핵심 기술 확보 전략 및 국내외 협력 방안
• 6.2 총 수명주기 비용(LCC) 추정 및 연차별 예산 소요 계획
• 6.3 개발 일정(Master Schedule) 및 리스크 관리 계획

1. 결론 및 정책적 제언

• 7.1 연구 요약 및 기대 효과
• 7.2 후속 연구 및 정책 제언 (법/제도적 고려사항 포함)

 

다. 연구 항목별 구체적인 세부 내용 (추진일정 포함)

짧은 연구 기간을 효율적으로 활용하기 위해 병렬적인 연구 수행과 전문가 그룹의 집중적인 자문을 활용한다.
 
1) 위성에서 위성을 촬영하여 고해상도 위성사진 확보 방안 연구 (M1~M4)

• 광학계 파라미터 최적화 연구:

• 회절 한계(Diffraction Limit) 극복: 레일리 기준(Rayleigh Criterion) $\theta = 1.22 \lambda / D$에 따라, 예를 들어 1km 거리에서 5cm 해상도를 얻기 위한 이론적 구경(D)과 파장($\lambda$) 관계를 도출한다. 가시광 대역(500nm)에서 10~20cm 구경의 광학계가 필요함을 시뮬레이션으로 검증한다.7
• 센서 및 노출 제어: 상대 속도가 높은 궤도상 촬영 환경에서 모션 블러(Motion Blur)를 최소화하기 위한 셔터 스피드와 이에 따른 신호 대 잡음비(SNR) 최적화 방안을 연구한다.

• 초해상(Super-Resolution) 및 영상 처리 기술:

• 물리적 구경의 한계를 소프트웨어적으로 보완하기 위해, 저해상도 연속 영상(Sequence Images)을 활용한 다중 프레임 초해상(MISR) 기술과 GAN(Generative Adversarial Network) 기반의 단일 영상 초해상(SISR) 기술을 비교 분석한다.46
• 3D 형상 복원: 단일 시점의 2D 이미지가 아닌, 대상 위성 주위를 비행(Fly-around)하며 획득한 다각도 영상을 활용하여 위성의 3차원 모델을 복원하는 Photogrammetry 및 NeRF(Neural Radiance Fields) 기법의 우주 환경 적용성을 분석한다.21

• 센서 융합(Sensor Fusion) 검토: 광학 카메라의 한계(조명 조건, 역광)를 보완하기 위해 LiDAR 또는 적외선(IR) 센서를 보조적으로 활용하는 방안을 검토한다.50

 
2) 해외 개발 사례 연구 (M1~M2)

• 심층 사례 분석(Case Study): 단순 제원 나열이 아닌, 실제 운용 전술(Tactics)을 분석한다.

• 미국 GSSAP: 정지궤도 표류(Drift) 방식을 통한 연료 절감 기동과 접근 절차를 TLE 데이터 기반으로 역추적한다.24
• 중국 SJ-21: 고장 위성 포획 시연에서 보여준 로봇팔 운용과 근접 센서(Lidar/Optical) 융합 기술을 분석한다.3
• 러시아 Cosmos 2542: 궤도면 일치(Co-planar) 기동을 통한 장기간 잠복 감시 전술을 분석하여 대응 시나리오 개발에 참고한다.4

• 상용 기술 벤치마킹: HEO Robotics의 'Fly-by' 촬영 기법이 주는 시사점(전용 위성 없이 기존 위성 활용)을 분석하여, 저비용 초기 모델로서의 가능성을 타진한다.23

 
3) 임무 수행에 필요한 위성(탑재체 포함) 제원 및 궤도 제안 (M3~M5)

• 위성 플랫폼 제안: 임무 요구사항(해상도, 기동성)과 비용 제약(저비용)을 절충하는 최적안을 도출한다.

• Option A: 12U~16U CubeSat: 저비용, 단기 개발 가능. 광학계 구경 제한(10cm 내외) 존재. 군집 운용에 유리.52
• Option B: 50~100kg Microsat: 고성능 광학계(15cm+) 탑재 가능. 높은 전력 및 자세 제어 안정성. 비용 상승.19
• 비교 분석을 통해 한국형 모델(K-Inspector)의 최적 규격 제시.

• 궤도 및 RPO 설계:

• 수동 안전(Passive Safety): 통신 두절 등 비상 상황에서도 물리적으로 충돌하지 않도록 '상대 편심/경사 벡터 분리(Relative Eccentricity/Inclination Vector Separation)' 기법을 적용한 궤도를 설계한다.43
• STK/GMAT 시뮬레이션: 태양 위상각(Sun Phase Angle)을 고려한 최적 촬영 시간을 산출하고, 이를 위한 연료 소모량(Delta-V budget)을 계산한다.54

 
4) 체계 개발에 필요한 예상 기간 및 비용 산출 (M5~M7)

• 비용 모델링(Cost Estimation): NASA SSCM(Small Satellite Cost Model) 및 국내 소형 위성 개발 실적(차세대소형위성 등)을 기반으로, 하드웨어(HW), 소프트웨어(SW), 발사(Launch), 운용(Ops) 비용을 세분화하여 산출한다.28
• 일정 계획(Schedule): 페이즈 A(기획)부터 페이즈 E(운용)까지의 전체 개발 로드맵을 작성하고, 핵심 부품(Long Lead Item) 조달 기간을 고려한 크리티컬 패스(Critical Path)를 식별한다.56

 
[상세 추진 일정표 (Gantt Chart)]
 

구분	1개월	2개월	3개월	4개월	5개월	6개월	7개월	비고
자료조사 및 사례분석	■	■						OSINT/문헌조사
임무 시나리오/궤도 해석		■	■	■				STK/GMAT 활용
광학/버스 시스템 제원 도출			■	■
영상처리/초해상 기술 검토				■	■			알고리즘 성능 예측
비용/일정 산출 및 로드맵					■	■		NASA 모델 적용
자문회의 및 워크숍		●		●		●		전문가 자문
최종 보고서 작성						■	■

 

3. 추진전략 및 방법

본 연구는 제한된 자원으로 최적의 기획안을 도출해야 하므로, 문헌 조사의 깊이를 더하고 국내 최고 전문가 그룹과의 협업을 통해 결과의 신뢰성을 확보하는 전략을 취한다.
 

가. 관련 정보 수집 방안 (Intelligence Gathering)

1. OSINT(Open Source Intelligence) 기반 역공학(Reverse Engineering):

• 해외 검사 위성의 공개된 사진, 발사체 페어링 공간, 궤도 요소(TLE) 등을 종합하여 해당 위성의 크기, 질량, 광학계 구경을 역추산한다.
• 특히 아마추어 위성 추적가들이 공개한 광도 곡선(Light Curve) 데이터를 분석하여 해당 위성의 자세 제어 방식과 태양 전지판 구조를 유추한다.4

1. 시뮬레이션 기반 데이터 생성 (Digital Twin):

• 실제 위성을 띄울 수 없는 기획 단계의 한계를 극복하기 위해 STK(Systems Tool Kit) Astrogator 및 NASA GMAT 툴을 활용한다.54
• 가상의 표적 위성과 추적 위성을 모델링하고, 다양한 근접 기동 시나리오(V-bar/R-bar 접근, Fly-around)를 모의실험하여 획득 가능한 영상의 해상도, 조명 조건, 연료 소모량을 정량적인 데이터로 확보한다.

 

나. 전문가 네트워크 활용 및 협력 (Expertise & Collaboration)

1. 산·학·연 전문가 자문 위원회 구성:

• 위성 시스템: KAIST 인공위성연구소(SaTReC) 및 쎄트렉아이(SI) 등 소형 위성 개발 경험이 풍부한 전문가를 초빙하여, 제안된 위성 규격(SWaP)의 실현 가능성을 검증받는다.19
• 광학/영상처리: 한국항공우주연구원(KARI) 위성탑재체연구부 및 대학의 컴퓨터 비전 연구실(서울대, KAIST 등)과 협력하여 우주용 광학계 설계의 제약 사항과 최신 AI 초해상 기술 동향을 자문받는다.
• 궤도 역학: 한국천문연구원(KASI) 우주위험감시센터 연구진과 협력하여 우주 물체 감시 및 정밀 궤도 결정 기술에 대한 자문을 구한다.59

1. 세미나 및 워크숍 개최:

• 형식: 예산 효율성을 위해 대규모 공개 세미나보다는 실무 중심의 비공개 워크숍(Closed Workshop)을 3회(착수, 중간, 종료) 개최한다.
• 주제: "뉴스페이스 시대의 궤도상 검사 기술(In-orbit Inspection) 발전 방향 및 안보적 시사점"
• 목적: 연구 진행 상황을 공유하고, 각계 전문가(국방, 산업체, 연구소)의 피드백을 즉각 반영하여 기획보고서의 완성도를 높인다.

1. 국내외 타 기관 협조 방안:

• 국내: 국방과학연구소(ADD)의 관련 선행 연구 결과를 가능한 범위 내에서 참조하여 중복 투자를 방지하고, 민군 겸용 기술(Dual-use)로서의 활용성을 높이기 위한 요구사항을 식별한다.
• 국외: 기회가 된다면 국제 학회(IAC, AAS/AIAA Space Flight Mechanics Meeting)에 참가하여 HEO Robotics, Astroscale 등 선도 기업의 엔지니어와 네트워킹을 통해 최신 기술 트렌드(특히 상용 버스 활용 사례)를 파악한다.23

 

4. 기대효과 및 활용방안

가. 본 과제의 기여도, 구체적인 활용 분야 및 방안

1. 본 과제의 기여도:

• 본 연구는 국내 최초로 시도되는 '위성 간 근접 촬영 체계'에 대한 종합적인 타당성 분석 연구로서, 향후 진행될 수천억 원 규모의 '초소형 위성 기반 우주 감시 체계 개발 사업'의 예비타당성 조사(Pre-Feasibility Study)를 위한 핵심 근거 자료로 활용된다.60
• 막연한 개념 단계에 머물러 있던 검사 위성의 제원, 궤도, 비용을 구체적인 수치로 제시함으로써 정책 입안자의 의사결정을 지원하고 기술적 불확실성을 해소하는 데 기여한다.

1. 구체적인 활용 분야 및 방안:

• 우주 작전: 미식별 우주 물체에 대한 근접 식별(ID) 및 적성 여부 판단(Friend or Foe).
• 위성 관리: 아군 위성의 안테나/태양전지판 전개 이상 시각적 확인 및 고장 원인 규명.
• 우주 교통 관리(STM): 우주 쓰레기 제거(ADR) 임무 시 제거 대상 물체의 회전 상태 및 도킹 포트 형상 사전 파악.6

 

나. 연구가 미치는 효과

1) 국가 안보적 측면 효과

• 우주 억제력(Space Deterrence) 확보: 한반도 상공의 위성 활동을 우리가 독자적으로 감시하고 있다는 능력을 과시함으로써, 적성국의 아군 위성에 대한 도발 의지를 사전에 억제하는 심리적·전략적 효과를 거둘 수 있다.
• 정보 역량의 획기적 강화: 킬체인(Kill Chain) 및 한국형 미사일 방어 체계(KAMD)의 감시 범위를 지상/공중에서 우주로 확장하여, 입체적인 안보 태세를 확립한다. 또한 한미 연합 작전 시 독자적인 영상 정보 자산을 제공함으로써 상호운용성 및 동맹 기여도를 높인다.11

 
2) 기타 효과 (우주분야 인력양성, 경제적ㆍ산업적 측면 등)

• 신기술 인력 양성: 궤도 역학(Orbital Mechanics), 컴퓨터 비전(Computer Vision), 자율 제어(Autonomous Control)가 융합된 고난도 우주 기술 연구를 통해, 단순 위성 제작 인력을 넘어선 시스템 엔지니어링 및 알고리즘 전문 인력을 양성한다.
• 우주 산업 생태계 확장: 위성 간 촬영 기술은 '랑데부/도킹', '근접 항법', '우주 로보틱스' 등 미래 궤도상 서비스(OOS) 시장의 핵심 기술이다. 본 연구를 통해 확보된 기술적 토대는 국내 스타트업과 중소기업이 전 세계적으로 태동기인 우주 서비스 시장에 진출할 수 있는 마중물 역할을 할 것이다.16

 

[별첨] 체계 개발에 필요한 예상 기간 및 비용 산출 (초안)

 
본 항목은 제안요청서(RFP)의 요구사항 '라'를 충족하기 위해, 본 기획 연구 수행 후 도출될 결과물의 예시(Preliminary Estimate)를 NASA SSCM 및 국내 유사 사업 사례를 바탕으로 추정한 것임.
 

1. 예상 개발 기간: 총 36개월 (3년)

기존 중대형 위성 개발(5~7년) 대비, 상용 부품(COTS) 활용과 신속 개발 방법론(Agile Space)을 적용하여 단축 추진한다.

• 1차년도 (Phase A/B - 기본설계): 시스템 요구사항 확정(SRR), 시스템/서브시스템 기본설계(PDR), 핵심 장비(광학계, 추진계) 사양 확정 및 발주.
• 2차년도 (Phase C - 상세설계/제작): 상세설계(CDR), 엔지니어링 모델(EM) 제작 및 검증(HILS), 비행 모델(FM) 조립 및 통합 착수.
• 3차년도 (Phase D/E - 시험/발사/운용): FM 우주환경시험, 발사체 통합, 발사 및 초기 운용(LEOP), 궤도상 성능 검증 및 기술 실증.

 

2. 예상 소요 비용: 약 150억 원 ~ 200억 원 (1기 기준, 발사비 포함)

 

항목	추정 비용 (억 원)	산출 근거 및 비고
위성 본체 (Bus)	40 ~ 50	- 12U CubeSat 또는 50kg Microsat 플랫폼 - 국내 기업(SI, 나라스페이스 등) 상용 버스 커스터마이징52
광학 탑재체 (Payload)	30 ~ 40	- 150mm급 고해상도 광학계 및 고속 구동 메커니즘 개발 - 센서 및 광학계 정밀 조립/정렬 비용 포함35
지상국 및 SW	20 ~ 30	- RPO 임무 관제 시스템, 영상 처리/초해상 SW 개발 - 기존 KARI/KASI 안테나 인프라 활용 가정
발사비 (Launch)	10 ~ 30	- SpaceX Rideshare ($6,500/kg) 또는 국내 발사체 활용 - 50kg 기준 약 4억 원이나, 분리 장치 및 인건비 포함 시 상승63
인건비/예비비	50	- 전문 연구 인력 인건비 및 기술적 리스크 대응 예비비
총계	150 ~ 200	양산형으로 전환 시 단가는 대폭 하락 가능

 

3. 임무 수행에 필요한 위성 제원 및 궤도 제안 (Baseline)

 

구분	제안 사양 (Target Specification)	기술적 근거 및 특징
플랫폼	12U CubeSat (24kg) 또는 50kg Microsat	- 기동성(High Delta-V) 및 광학계 수납 공간 확보를 위해 6U 이상 필수. - 20 참조.
궤도	LEO (500~700km, SSO/Mid-Inclination)	- 표적 위성과 궤도면(Plane)을 일치시키는 것이 핵심. - 다양한 궤도의 표적 대응을 위해 다수의 궤도면에 군집 배치 권장.
주 탑재체	망원 카메라 (Telephoto Camera)	- 구경(Aperture): 120mm ~ 150mm (Catadioptric 방식 권장) - 분해능(GSD): 5cm @ 1km (회절 한계 고려) - 15 HEO Holmes (120mm) 사양 벤치마킹.
보조 탑재체	상대 항법 센서	- LiDAR 또는 Stereo Camera: 근거리(100m 이내) 거리 측정 및 3D 형상 인식용. - 66 RPO용 센서 기술 참조.
추진계	전기 추진 (Hall/Ion) + 화학 추진 (Cold Gas/Green)	- 궤도 천이 및 위상 조절용: 고효율 전기 추진. - 정밀 근접 기동(RPO) 및 호버링용: 고응답성 화학 추진 하이브리드 구성.
자세제어	3축 안정화 (3-Axis Stabilized)	- 지향 정밀도(Pointing Accuracy): < 0.01 deg (Star Tracker 필수) - 고속 트래킹을 위한 고토크 리액션 휠 적용.

(주: 위 제원은 본 기획 연구를 통해 최적화 및 확정될 예정임)

 

참고 자료

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