제3부 전파·통신

3.5 전파 전파 IV: 대기·강우 감쇠·전리층·위성 경로

3.5.1 이 장에서 배우는 것 / 선수 지식 / 특히 중요한 독자

이 장은 전파가 빈 공간이 아니라 공기와 물방울과 이온화된 층을 지나간다는 사실을 손실의 숫자로 바꾼다. 자유공간 손실(3.2)이 거리와 주파수만으로 정해지는 기본 손실이라면, 이 장의 항은 그 위에 날씨와 대기 상태가 더하는 추가 손실이다. 소형 UAS의 2.4 GHz·5.8 GHz 링크와 Ku·Ka 대역 위성 링크가 같은 날씨에 얼마나 다르게 노출되는지를 한 표로 보인다.

배우는 것:

• 다섯 가지 대기 효과 — 가스 흡수·구름과 안개·강우·신틸레이션·전리층. 각각의 크기와 주파수 의존.
• 대기 가스 — 산소 60 GHz 띠와 수증기 22 GHz 선이 만드는 봉우리와 그 사이의 "창", 해면 표준대기의 비감쇠 값.
• 강우 감쇠 — $\gamma=kR^{\alpha}$ 형식, 계수의 주파수 의존, 지상 경로의 거리 계수와 위성 경사 경로의 절차.
• 전리층 — 총전자수(TEC)가 만드는 지연·패러데이 회전·신틸레이션, 그리고 단파(HF)를 되돌려 보내는 성질.
• 위성 경로의 여유 — 앙각·강우 높이·가용도가 요구하는 여유, 그리고 강우가 신호를 줄이면서 잡음도 키운다는 사실.
• 결론의 수치화 — 5 km 지상 링크에서 대기 손실은 2.4 GHz·5.8 GHz에서 1 dB 아래, 같은 날씨에서 Ku·Ka 위성 링크는 수 dB에서 수십 dB.

선수 지식: 데시벨과 열잡음은 3.1, 자유공간 손실·전파 수평선·대기 굴절은 3.2이다. 링크 버짓의 틀은 2.13.6.3(Remote ID 방송 링크)에서 한 번 사용했다. 수식은 지수와 로그면 충분하고, 식을 건너뛰어도 각 절의 첫 문장과 표만 읽으면 흐름이 이어진다.

특히 중요한 독자: 링크를 설계하는 엔지니어는 모든 절을 본다. 비가시권 위성 서비스의 가용도 약속을 짜는 사업·인증 담당자는 3.5.7의 가용도 표를 본다. 주파수 선택의 배경을 알아야 하는 정책·법무 담당자는 3.5.2와 3.5.9만 읽어도 된다.

기준 시점과 정직성. 이 장은 2026년 10월을 기준으로 작성한 원리 장이며, 지식 한계는 2026년 중반까지다. 강우·가스·구름·전리층의 식과 계수는 ITU-R 권고의 원문(P.838-3·P.676-13·P.840-9·P.618-14·P.530-19·P.531-16·P.835-7·P.839-4)를 읽고 옮겼다. 모든 수치는 이 식으로 파이썬 math만 사용해서 계산했고, P.838-3은 계수표(Table 5)와 6개 주파수에서 유효숫자 4자리로 대조했다. 날씨 입력(강우율 40 mm/h, 강우 높이 4.0 km 등)은 지점 값이 아니라 가정이며 지점 값은 권고의 지도 자료로 구한다. 기체·제품의 제원은 작성하지 않으며, 경험 범위로 인용한 값은 (경험 범위), 확인하지 못한 것은 (확인 필요)로 표시했다.

3.5.2 개념·직관 — 대기는 경로 손실에 가산되는 추가 항이다

결론부터: 대기가 만드는 손실은 주파수의 가파른 함수다. 2.4 GHz 링크는 5 km를 날아도 대기에서 0.1 dB를 잃지 않지만, 같은 하늘을 지나는 30 GHz 위성 신호는 연 53분 정도의 호우에서 약 40 dB를 잃는다. 그래서 같은 "무선 링크"라도 주파수에 따라 날씨를 설계에서 무시해도 되기도 하고 설계를 지배하기도 한다.

링크 버짓(3.1의 공통 기호)에서 경로 손실 $L_p$는 자유공간 손실에 대기 항을 더한 값으로 사용한다.

$$L_p=L_{fs}+A_{\mathrm{atm}},\qquad A_{\mathrm{atm}}=A_{\mathrm{gas}}+A_{\mathrm{cloud}}+A_{\mathrm{rain}}+A_{\mathrm{scint}}\ [\mathrm{dB}]$$

위성·GNSS 경로에는 전리층 효과가 더해진다. 다섯 원천의 성격은 다음과 같다.

세 축에서 노출이 다르다. 민간 UAS의 C2·영상 링크는 대부분 수 km 이내이고 지표에서 수백 m 안을 지나는 2.4 GHz·5.8 GHz 링크다. AAM의 도심 링크도 경로가 짧은 경우가 많다. 이 링크에서 이 장의 항은 여유의 한 귀퉁이만 차지하고, 링크를 지배하는 것은 차폐와 다중경로(3.3)다. 군용 드론은 위성통신(X·Ku·Ka 등)과 밀리미터파 데이터링크, 단파 통신을 사용하는 기체에서 이 장이 설계를 정한다. 비가시권 운용(14.15)에서 위성이나 셀룰러로 넘어가는 민간 UAS도 같은 경로에 들어온다. 전파 환경의 표준 모델 계보는 3.4이 맡는다.

3.5.3 대기 가스 — 산소와 수증기

3.5.3.1 흡수선과 창

공기 중 산소와 수증기 분자는 특정 주파수의 전파를 흡수한다. ITU-R P.676-13은 이를 흡수선 하나하나를 더하는 줄별(line-by-line) 계산으로 정한다. 비감쇠(1 km당 dB)는 산소와 수증기 두 항의 합이다.

$$\gamma=\gamma_o+\gamma_w=0.1820\,f\left(N''_{\mathrm{Oxygen}}(f)+N''_{\mathrm{Water}}(f)\right)\ [\mathrm{dB/km}],\qquad N''=\sum_i S_iF_i+N''_D$$

$f$는 주파수 [GHz], $S_i$는 선 세기(기압·기온·수증기압에 따라 정해진다), $F_i$는 선 모양, $N''_D$는 건조 연속 성분이다. 선 모양은 선 중심 $f_i$ 둘레의 뾰족한 봉우리다.

$$F_i=\frac{f}{f_i}\left[\frac{\Delta f-\delta(f_i-f)}{(f_i-f)^2+\Delta f^2}+\frac{\Delta f-\delta(f_i+f)}{(f_i+f)^2+\Delta f^2}\right]$$

$\Delta f$는 선의 폭이다. 폭은 기압에 비례하므로 해면 근처에서는 선이 넓어져 서로 중첩된다. 그래서 50~70 GHz의 산소선은 하나의 넓은 띠로 합쳐져 60 GHz 부근에서 가장 높다. $\delta$는 선 사이의 간섭 보정이다. 원문의 표는 산소 44개 선(50~70 GHz에 37개와 118.75 GHz 등)과 수증기 선 34개에 1,780 GHz의 가상 선 하나를 더해 사용한다.

봉우리는 수증기의 22.235 GHz·183.31 GHz 선과 산소의 50~70 GHz 띠·118.75 GHz 선이다. 선 사이의 낮은 곳이 창(window)이다. 94 GHz는 창에 해당하고, 2.4 GHz·5.8 GHz·12 GHz도 선에서 먼 낮은 자리다. 아래 표가 값을 준다.

3.5.3.2 값 — 표준대기의 비감쇠와 천정 감쇠

비감쇠는 해면 표준대기(15 °C, 1,013.25 hPa, 수증기 7.5 g/m³)에서 위 식으로 계산했다. 천정 감쇠($A_z$)는 위로 곧게 올라가는 경로의 총 감쇠로, 대기 기준 모델(ITU-R P.835-7 Annex 1 — 미국 표준대기 1976에 수증기 $\rho=7.5e^{-h/2}$ g/m³)을 얇은 층으로 쌓아 비감쇠를 높이로 적분한 값이다. 경사 경로의 가스 감쇠는 $A_z/\sin\theta$로 어림한다.

수증기 선과 창은 습도에 민감하고 산소 띠는 둔감하다. 수증기 밀도를 0·2.5·7.5 g/m³로 바꾸면 22.235 GHz는 0.013·0.074·0.193 dB/km, 94 GHz는 0.034·0.143·0.404 dB/km로 변하지만 60 GHz는 14.65·14.65·14.66 dB/km로 거의 그대로다. 기온 30 °C·수증기 20 g/m³의 무더운 날에는 22.235 GHz가 0.476 dB/km, 94 GHz가 1.06 dB/km까지 오른다.

지상 링크에 대한 결론. 기준 C2 링크(2.4 GHz, 5 km)의 가스 손실은 $0.0071\times5=0.035$ dB, 5.8 GHz 영상 링크(5 km)는 0.046 dB다. 자유공간 손실 114.0 dB와 121.7 dB의 0.03 %와 0.04 %다. 소형 UAS의 지상 링크에서 가스 흡수는 계산할 가치조차 작다. 반대로 60 GHz 링크는 1 km에서 14.7 dB를 잃는다. 이 띠는 장거리에는 사용할 수 없고 짧은 거리에서만 사용한다.

3.5.4 강우 감쇠

3.5.4.1 비감쇠 $\gamma_R=kR^{\alpha}$와 주파수 의존

결론부터: 비는 주파수가 높을수록, 강우율이 클수록 전파를 더 막는다. 2.4 GHz는 50 mm/h의 폭우에서도 1 km에 0.008 dB밖에 잃지 않지만, 같은 비에서 5.8 GHz는 0.25 dB, 20 GHz는 5.1 dB, 60 GHz는 16.6 dB를 잃는다.

ITU-R P.838-3은 강우율 $R$ [mm/h]에서 비감쇠를 거듭제곱 식으로 나타낸다.

$$\gamma_R=kR^{\alpha}\ [\mathrm{dB/km}]$$

$k$와 $\alpha$는 주파수의 함수로, 가우스 함수의 합으로 맞춘 곡선식 $\log_{10}k=\sum_{j=1}^{4}a_j\exp\!\left[-\left(\frac{\log_{10}f-b_j}{c_j}\right)^2\right]+m_k\log_{10}f+c_k$로 정해진다. $\alpha$도 같은 꼴이지만 $\log_{10}$ 없이 5항을 합한다. 계수 $a_j,b_j,c_j,m,c$는 원문의 표 1~4에 있고 적용 범위는 1~1,000 GHz다. 편파와 앙각은 수평 편파 값 $k_H,\alpha_H$와 수직 편파 값 $k_V,\alpha_V$를 섞어 사용한다.

$$k=\frac{k_H+k_V+(k_H-k_V)\cos^2\theta\cos2\tau}{2},\qquad \alpha=\frac{k_H\alpha_H+k_V\alpha_V+(k_H\alpha_H-k_V\alpha_V)\cos^2\theta\cos2\tau}{2k}$$

$\theta$는 경로의 앙각, $\tau$는 편파 기울기 각이다. 원형 편파는 $\tau=45^{\circ}$라서 $\cos2\tau=0$이고, $k$와 $\alpha$는 수평·수직 값의 평균이 되어 앙각과 무관하다. 아래 값은 원형 편파로 계산했다.

표의 오른쪽 네 칸은 비감쇠 $\gamma_R$ [dB/km]이다. 읽는 법이 두 가지다. 첫째, 주파수가 2.4 GHz에서 5.8 GHz로 2.4배 오르면 같은 비의 감쇠는 32배가 된다(50 mm/h에서 0.0079 → 0.253). 둘째, 지수 $\alpha$가 5~6 GHz에서 1.6 안팎까지 솟았다가 높은 주파수에서는 1 아래로 내려간다. 원문 Table 5는 5 GHz에서 수평 편파 $\alpha_H=1.70$이다. 이 거동은 빗방울의 크기가 파장에 가까워지는 영역의 산란 효과로 해석되지만, 이 장은 계수를 인용할 뿐 유도하지 않는다.

3.5.4.2 지상 경로 — 비는 경로 전체에 내리지 않는다

비감쇠에 경로 길이를 곱하면 균일한 비의 감쇠가 나온다. 그러나 강한 비는 좁은 구역에 몰려 있으므로 긴 경로의 일부만 그 비를 맞는다. ITU-R P.530-19(2.4.1)는 실제 경로 $d$ [km]에 거리 계수 $r$을 곱한 유효 경로 $d_{\mathrm{eff}}=dr$로 0.01 % 시간에 초과되는 감쇠를 사용한다.

$$A_{0.01}=\gamma_R\,d\,r,\qquad r=\frac{1}{0.477\,d^{0.633}R_{0.01}^{\,0.073\alpha}f^{0.123}-10.579\left(1-e^{-0.024d}\right)}$$

$R_{0.01}$은 평균적인 한 해의 0.01 %(연 약 53분) 동안 초과되는 강우율이고 적분 시간은 1분이다. 원문은 식 안의 $f$를 6 GHz 이상, $d$를 30 km 이하, $R_{0.01}$을 3 mm/h 이상으로 제한하라고 한다. 이 장은 짧은 경로에서 식이 1보다 큰 $r$을 줄 수 있어(원문이 이를 제한하지는 않는다 (확인 필요)) 보수적으로 $r\le1$로 잘랐다. 다른 시간 비율 $p$의 감쇠는 $A_p/A_{0.01}=C_1p^{-(C_2+C_3\log_{10}p)}$로 환산한다.

$R_{0.01}=40$ mm/h를 가정한 계산이다(지점 값이 아니다).

5.8 GHz 영상 링크는 5 km에서 0.01 % 시간에도 0.7 dB 아래, 2.4 GHz C2 링크는 0.03 dB다. 거리가 짧은 28 GHz 링크가 오히려 6.6 dB로 크다.

3.5.4.3 경사 경로 — 강우 높이와 앙각

위성 경로는 지표에서 강우 높이 $h_R$까지의 경사 길이를 비 속에서 지난다. 그 위는 얼음 입자 영역이라 모형이 강우 감쇠를 세지 않는다. 강우 높이는 연평균 0 °C 등온선 높이 $h_0$에서 $h_R=h_0+0.36$ km로 구한다(ITU-R P.839-4, $h_0$는 권고의 지도 자료). ITU-R P.618-14(2.2.1.1)는 55 GHz 이하에 열 단계 절차를 준다. 핵심만 작성한다.

$$L_s=\frac{h_R-h_s}{\sin\theta},\quad L_G=L_s\cos\theta,\quad r_{0.01}=\frac{1}{1+0.78\sqrt{L_G\gamma_R/f}-0.38\left(1-e^{-2L_G}\right)},\quad A_{0.01}=\gamma_R\,L_R\,\nu_{0.01}$$

$h_s$는 지상국 고도, $L_R$은 비가 내리는 경사 길이를 수평 거리 계수로 줄인 값($L_R=L_Gr_{0.01}/\cos\theta$, 단 $\arctan\!\big((h_R-h_s)/(L_Gr_{0.01})\big)\le\theta$이면 $L_s$ 그대로)이고, $\nu_{0.01}$은 강우가 높이에 따라 변하는 효과를 보정하는 수직 조정 계수(원문 Step 7, 위도와 앙각의 함수)다. 다른 시간 비율은 $A_p=A_{0.01}(p/0.01)^{-(0.655+0.033\ln p-0.045\ln A_{0.01}-\beta(1-p)\sin\theta)}$로 환산하며, $p\ge1\%$이거나 위도 36° 이상이면 $\beta=0$이다. 아래 그림이 거리 요소를 보인다.

앙각 40°, 위도 37°, $R_{0.01}=40$ mm/h, $h_R=4.0$ km(모두 가정)에서 12 GHz와 20 GHz의 계산 과정이다.

20 GHz에서 $\nu_{0.01}$이 1을 넘는 것은 식의 괄호 안($31(\cdots)\sqrt{L_R\gamma_R}/f^2-0.45$)이 음수가 되기 때문이다. 식이 주는 값이며 물리적 해석은 원문을 확인한다 (확인 필요).

3.5.5 구름·안개와 신틸레이션

3.5.5.1 구름과 안개

구름과 안개는 지름 0.1 mm 아래의 작은 물방울이라서 흡수가 지배하고, 비감쇠는 액체수 밀도 $\rho_l$ [g/m³]에 비례한다(ITU-R P.840-9).

$$\gamma_c=K_l(f,T)\,\rho_l\ [\mathrm{dB/km}]$$

$K_l$은 물의 유전율(이중 Debye 모형)에서 계산하는 계수다. 안개의 액체수 밀도는 보통 안개(시정 약 300 m)에서 0.05 g/m³, 짙은 안개(시정 약 50 m)에서 0.5 g/m³ 정도다. 10 °C의 물방울에 대한 값은 다음과 같다.

2.4 GHz·5.8 GHz에서는 짙은 안개 5 km도 0.01~0.06 dB다. 위성 경사 경로의 구름은 구름 속 액체수의 연직 합 $L$ [kg/m²]로 $A_c=K_L(f)L/\sin\theta$를 사용한다. $K_L$은 구름 온도 273.75 K에서 정한 질량 흡수 계수로 12·20·30 GHz에서 0.123·0.331·0.708 dB/(kg/m²)다. 중간 정도의 구름 $L=0.5$ kg/m²(가정, 지점 값은 권고의 지도 자료)이면 앙각 40°에서 0.096·0.258·0.551 dB다. 눈은 마른 눈이면 강우보다 감쇠가 훨씬 작고 젖은 눈(녹는 층)은 크다고 알려져 있다 (문헌 정성). ITU-R P.530-19의 2.4.2는 강우와 젖은 눈을 합친 방법을 주며 이 장은 그 상세를 다루지 않는다 (확인 필요).

3.5.5.2 대류권 신틸레이션

대기의 굴절률이 작게 요동치면 신호 세기가 빠르게 변동한다. 진폭은 주파수와 경로 길이에 따라 커지고 안테나가 클수록 평균 효과로 작아진다(ITU-R P.618-14, 2.4.1). 신호 표준편차는 다음과 같다.

$$\sigma=\sigma_{\mathrm{ref}}\,f^{7/12}\,\frac{g(x)}{(\sin\theta)^{1.2}}\ [\mathrm{dB}],\qquad \sigma_{\mathrm{ref}}=3.6\times10^{-3}+10^{-4}N_{\mathrm{wet}}$$

$N_{\mathrm{wet}}$은 지표 굴절률의 습한 항(ITU-R P.453-14)이고 $g(x)$는 안테나 평균 계수다. 시간 비율 $p$의 감쇠 깊이는 $A(p)=a(p)\sigma$이며 $p=1\%$에서 $a=3.0$이다. 12 GHz, 앙각 40°, 지름 0.6 m 접시(효율 0.5), $N_{\mathrm{wet}}=60$(가정)이면 1 %에서 0.21 dB, 0.1 %에서 0.33 dB다. 앙각 10°에서는 1.0 dB와 1.6 dB로 커진다. 요점은 앙각 10° 이상에서 대류권 신틸레이션은 1 dB 안팎이고, 강우 여유가 설계를 지배한다는 것이다.

3.5.6 전리층

3.5.6.1 총전자수와 $1/f^{2}$ 법칙

전리층은 지상 수십~수백 km 위에서 태양 복사가 만든 자유전자의 층이다. 전파가 이 층을 지나는 길을 따라 전자 밀도를 합한 값이 총전자수(TEC, $N_T$)다. 단위는 el/m²이고 $10^{16}$ el/m²를 1 TECU라 한다. 연직 기둥의 TEC는 대략 $10^{16}$~$10^{18}$ el/m²(1~100 TECU)에서 변하고 낮 시간에 가장 크다(ITU-R P.531-16). 효과의 크기는 모두 TEC에 비례하고 주파수 제곱에 반비례한다. 전파가 느려지는 군지연 $\Delta t$와 직선편파의 회전(패러데이 회전) $\Omega$는 다음과 같다.

$$\Delta t=1.345\times10^{-7}\,\frac{N_T}{f^{2}}\ [\mathrm{s}],\qquad \Delta R=c\,\Delta t=\frac{40.3\,N_T}{f^{2}}\ [\mathrm{m}],\qquad \Omega=2.36\times10^{-14}\,\frac{B_{av}N_T}{f^{2}}\ [\mathrm{rad}]$$

$f$는 군지연 식에서 Hz, 회전 식에서 GHz이고, $B_{av}$는 지구 자기장의 평균(약 50 μT)이다. 교차편파 분리도는 $\mathrm{XPD}=-20\log_{10}\tan\Omega$로 나빠진다. GNSS 신호의 거리 오차 $\Delta R$은 같은 TEC에서 주파수가 낮을수록 크다.

이 오차는 두 주파수 측정을 $\rho_{IF}=\left(f_1^2\rho_1-f_2^2\rho_2\right)/\left(f_1^2-f_2^2\right)$로 합치면 1차 항이 사라진다. 대가는 측정 잡음의 증폭으로, 같은 잡음을 가정하면 L1·L2에서 약 3.0배, L1·L5에서 약 2.6배다. 단일 주파수 수신기의 보정과 정밀 측위는 4.2, 이 오차의 재밍·교란 취약성은 4.5이 이어서 다룬다. 패러데이 회전은 50 TECU에서 1.5 GHz 15°(XPD 11.4 dB), 2.4 GHz 5.9°(19.8 dB), 5.8 GHz 1.0°(35.1 dB)다. 선형 편파의 위성 링크에서는 편파 불일치 손실(3.1)을 이 회전으로 따져야 하고 원형 편파는 영향이 없다.

소형 UAS의 지상 링크는 전리층을 지나지 않는다. 위 표의 2.4 GHz 칸은 위성 경로에서만 뜻이 있다. 지표에서 수백 m 위의 5 km 링크에는 TEC가 없다.

3.5.6.2 전리층 신틸레이션

전리층에는 전자 밀도가 덩어리진 불규칙 구조가 생기고, 이 구조를 지나는 신호는 세기와 위상이 변동한다. 흔들림의 정도는 S4 지수(세기의 정규화된 표준편차)로 말한다. S4 0.3 미만이 약한, 0.3~0.6이 중간, 0.6 초과가 강한 신틸레이션이다. 약한 영역과 중간 영역에서 S4는 $f^{-\nu}$($\nu\approx1.5$)로 줄고, 강한 영역에서는 포화해서 이 법칙이 깨진다(ITU-R P.531-16). 적도 부근의 해 진 직후, 춘추분, 태양 활동이 높은 때에 가장 세다. 원문(P.618-14 Table 1)의 최악 조건 값은 1 GHz에서 첨두 대 첨두 20 dB 초과, 3 GHz에서 약 10 dB, 10 GHz에서 약 4 dB다.

P.618-14는 10 GHz 위의 전리층 효과를 무시할 만하다고 서술한다. L 대역 GNSS 수신기에서는 신틸레이션이 신호 추적을 끊을 수 있다. 영향과 대책은 4.5·4.6가 맡고 이 장은 신틸레이션이 주파수 의존 현상이라는 점만 다룬다.

3.5.6.3 단파는 왜 되돌아오나

전자 밀도 $N_e$ [m⁻³]의 플라스마는 플라스마 주파수 $f_p=\frac{1}{2\pi}\sqrt{N_ee^2/(\varepsilon_0m_e)}\approx8.98\sqrt{N_e}$ Hz를 갖고, 굴절률은 $n=\sqrt{1-f_p^2/f^2}$다. $f<f_p$이면 $n$이 허수가 되어 전파가 들어가지 못하고 반사된다. 전자 밀도 최대값이 $10^{11}$·$10^{12}$ m⁻³이면 (경험 범위) $f_p$는 2.84·8.98 MHz이고, 이 최대 플라스마 주파수가 연직 입사의 임계 주파수(foF2)다. 비스듬히 입사하면 입사각 $i$에서 반사 조건 $f_p=f\cos i$로부터 최고 사용 주파수(MUF)는 $f_{\mathrm{MUF}}=f_c\sec i$다(평면 근사). $f_c=8.98$ MHz, $i=70^{\circ}$이면 26.3 MHz이고, 곡률 때문에 실제 값은 이보다 낮다. foF2와 보정 계수의 표준값은 ITU-R P.1239-4에 있다. 단파 통신은 3~30 MHz의 이 반사를 이용해 수평선 너머로 도달한다. 군 단파 통신은 3.16에서 다룬다. 전리층 상태가 시간·계절·태양 활동에 따라 바뀌므로 단파 링크는 시각에 따라 주파수를 바꿔야 한다.

3.5.7 위성 경로 — 앙각·합산·가용도·잡음

결론부터: 위성 링크의 날씨 여유는 원하는 가용도에서 필요한 강우 감쇠로 정한다. 가용도를 한 자리 올릴 때마다 강우 여유가 수 dB에서 수십 dB씩 늘어난다.

여러 원천은 동시에 발생하므로 P.618-14(2.5)는 시간 비율 $p$에서의 총 감쇠를 이렇게 합친다($0.001\%\le p\le5\%$).

$$A_T(p)=A_G+\sqrt{\left(A_R(p)+A_C\right)^2+A_S(p)^2}$$

$p<5\%$이면 가스 $A_G$와 구름 $A_C$는 5 % 값에 고정하고(원문 식 67·68), 비 $A_R$과 신틸레이션 $A_S$만 $p$의 함수다. 앙각이 낮을수록 모든 경로가 길어진다. 강우 높이 4.0 km, $R_{0.01}=40$ mm/h, 위도 37°(가정), 12 GHz에서의 변화는 다음과 같다. 고도 550 km는 저궤도 거리의 예로 든 가정이다.

정지궤도 지연의 90° 값 238.7 ms는 2.11.6의 한 방향 최소 전파 지연과 같다. 앙각이 낮아질수록 같은 비에서 더 많이 잃고 지연도 는다. 저궤도 군집의 단말은 위성이 지나가는 동안 앙각이 변하므로 이 여유가 시간에 따라 바뀐다(3.13가 이어서 다룬다).

앙각 40°에서 시간 비율별 강우 감쇠는 아래 그림이다. $R_{0.01}=40$ mm/h, 위도 37°, $h_R=4.0$ km는 가정이다.

곡선을 거꾸로 풀면 필요 여유와 그 여유로 얻는 가용도가 나온다(강우 항만, 가용도 $=100-p$).

3.13.4.2의 Ku 하향 링크 예는 앙각 30°에서 대기와 강우를 합쳐 3.0 dB로 가정했다. 이 장의 가정 날씨에서 같은 조건의 총 감쇠 $A_T$는 0.1 % 시간에 3.04 dB이므로, 그 3.0 dB는 약 99.9 % 가용도에 해당한다.

강우는 신호를 줄이는 동시에 잡음을 키운다. 대기가 손실 $A$ [dB]를 가지면 하늘 잡음 온도는 $T_{\mathrm{sky}}=T_{mr}\left(1-10^{-A/10}\right)+2.7\cdot10^{-A/10}$ K다($T_{mr}$은 평균 복사 온도, 자료가 없으면 275 K를 사용한다, P.618-14 3절). 12 GHz에서 맑은 날 손실이 0.19 dB이면 $T_{\mathrm{sky}}\approx14$ K이고, 0.01 % 강우에서 손실이 7.5 dB이면 227 K다. 수신기 잡음 온도 100 K(가정)이면 총 잡음이 4.6 dB 늘어난다. 신호 7.4 dB 감소에 잡음 증가 4.6 dB가 합산되어 실효 열화가 약 12 dB다. 이 합산과 $G/T$의 영향은 3.13에서 위성 링크 전체 버짓으로 이어진다.

3.5.8 워크스루 — 같은 날씨, 다른 주파수

앞의 식으로 일곱 경로를 같은 날씨(0.01 % 강우율 $R_{0.01}=40$ mm/h, 짙은 안개 $\rho_l=0.5$ g/m³ 10 °C, 구름 $L=0.5$ kg/m²)에 놓는다. 위성 경로는 앙각 40°, 위도 37°, $h_R=4.0$ km, 정지궤도다(모두 가정). 자유공간 손실 $L_{fs}=32.44+20\log_{10}d_{\mathrm{km}}+20\log_{10}f_{\mathrm{MHz}}$는 2.13.6.3의 식과 같다. 합계는 가스·구름(안개)·강우를 단순히 더한 보수적 값이다(비와 짙은 안개는 보통 동시에 오지 않는다).

위성 줄의 합계는 신틸레이션을 포함한 식 $A_T$(P.618-14, 2.5)로 구했다. 읽는 법이 세 가지다. 첫째, 2.4 GHz·5.8 GHz의 대기 합계는 1 dB 아래다. 기준 C2 링크의 수신 전력은 $20+2+8-2-114.0=-86.0$ dBm이고 잡음 바닥이 $-108$ dBm이므로 SNR은 22.0 dB다. 대기 0.077 dB는 이 SNR을 21.9 dB로 깎는다. 레일리 페이딩에서 중단 확률 1 %에 필요한 약 20 dB 여유(3.3)에 비하면 여유의 0.4 %다. 둘째, 5.8 GHz는 폭우에서도 수 dB 안이고 100 mm/h에서도 약 2.4 dB라서(비감쇠 0.768 dB/km에 거리 계수 0.615) 설계의 주 항목이 아니다. 셋째, 28 GHz 이상과 위성 Ku·Ka는 같은 비에서 대기 항이 링크 설계를 지배한다. 경사 경로의 값은 가정한 날씨에 대한 예시이며 한국의 어느 지점 값도 아니다.

수신 전력의 정확한 밸런스(안테나 이득·편파·페이딩·간섭 여유)는 3.8가 이 장의 대기 항을 받아 완성한다.

3.5.9 설계 트레이드오프 — 날씨 여유를 어디서 사나

위성·밀리미터파 링크는 날씨 여유를 다음 세 방식 중에서 고른다.

① 고정 여유. 목표 가용도에서 필요한 강우 감쇠를 링크 버짓에 항상 넣는다(3.5.7의 표). 단순하고 맑은 날에도 여유가 남아 신뢰가 높다. 대가는 송신 전력·안테나 크기·단가이고, 99.9 %에서 99.99 %로 올릴 때 위 표의 여유가 약 2.6~3배로 커진다.

② 적응. 비가 올 때만 변조·부호율을 낮추거나(3.9 AMC), 상향 링크 송신 전력을 올리거나, 데이터율을 줄여 여유를 만든다. 두 지상국을 사용하는 사이트 다이버시티는 두 곳에 동시에 강한 비가 올 확률이 작다는 점을 사용한다(P.618-14 2.2.4). 맑은 날 처리량이 높고 평균 효율이 좋다. 대가는 전송량이 날씨에 따라 변하는 것과 적응 알고리즘의 복잡성이다.

③ 낮은 주파수. L·S·C 대역을 사용해서 날씨 항을 없앤다. 대가는 대역폭이 좁아 데이터율이 낮고, 같은 이득을 얻으려면 안테나가 커지는 것이다(3.6·3.7). 낮은 데이터율로 충분한 C2 채널에 맞는 선택이다.

견해: 소형 UAS의 C2·영상 링크(2.4·5.8 GHz)는 날씨를 계산하되 설계 시간을 사용하지 않는 편이 낫다고 본다. 근거는 앞 표다. 5 km에서 대기 합계가 1 dB 아래이고 이 값은 다중경로와 차폐(3.3)의 불확도 수 dB보다 한 자리 작다. 설계 시간은 안테나 위치와 차폐(3.6)에 사용하는 것이 낫다. 반대로 Ku·Ka 위성 링크는 ②를 기본으로 하되 ①로 최소 서비스(C2 같은 낮은 속도 채널)를 유지하는 설계를 권한다. 강우 항이 가용도의 자릿수를 정하기 때문이다. 이 판단은 가정한 날씨에 근거하며 지점 값으로 다시 계산해야 한다.

3.5.10 세 축 비교

3.5.11 관련 규격·프로토콜

이 장의 식을 정한 권고다. 판은 ITU 권고 안내 페이지에서 집필 시점(2026년 10월)에 확인한 현행 판이며, 본문은 공개 PDF에서 읽었다.

ITU-R 권고는 전파규칙과 달리 대부분 기술 지침이다. 규격을 읽는 법은 9.1, 국제 주파수 제도는 17.19다.

3.5.12 관련 규제·인증 요구와의 연결

이 장의 기술은 규제와 두 곳에서 만난다. 하나는 링크 성능 요구가 날씨 여유로 번역되는 곳, 다른 하나는 주파수를 정하는 곳이다.

• C2 링크 요구 성능과 가용도. 대형 UAS의 지연·가용도·연속성 요구(3.11)와 C2 성능 표준(9.13), 인증 범주 운용의 ATM 통합(17.4)이 정한 목표를 설계로 옮길 때 이 장의 강우·가스 항이 여유 항목이 된다. 가용도 목표가 한 자리 오르면 위성 링크의 여유는 수 dB에서 수십 dB 늘어난다.
• 주파수 선택. 국제 주파수 제도(17.19)와 국내 전파 규제(18.16)가 사용할 수 있는 대역을 정하고, 이 장의 손실이 그 대역에서의 현실적 통달거리를 정한다. 2.4 GHz·5.8 GHz는 비면허 대역이라는 제도(3.1)로 사용되고, 이 장은 그 대역이 대기 감쇠 면에서도 부담이 작다는 사실만 보탠다.
• 운용 한계. 강수 중 운용 한계는 기체의 방수와 시정에서 먼저 정해지고(1.32.7·1.32.9), 링크 감쇠가 한계를 정하는 경우는 위성·밀리미터파 링크를 사용하는 체계에 한정된다.
• 시험. 전파 환경은 장소와 계절에 따라 달라서 링크 시험(3.20)은 시험 당시의 날씨를 기록해 이 장의 계산과 비교한다.

3.5.13 함정과 한계

이 장의 한계도 밝혀 둔다.

• 천정 가스 감쇠는 평면 층 근사다. 원문은 굴절과 지구 곡률을 반영한 층별 광선 추적을 사용한다. 앙각 10° 이상에서만 사용할 것이며, 원문 그림 4와는 눈으로 규모를 비교했을 뿐 수치 일치를 검증하지 않았다. 원문 Annex 2의 근사법은 데이터 파일이 필요해 사용하지 못했다.
• 거리 계수의 단거리 제한은 저자의 선택이다. 원문이 제한하지 않는 부분을 $r\le1$로 잘랐다 (확인 필요).
• 평균 모형이다. ITU-R 방법은 장기 통계의 평균을 예측한다. 연도별 편차가 크고, 시험에서 실측과 비교할 때는 이를 감안해야 한다(P.618-14 2.2.1.1).
• 이 장은 가시선 통계만 다룬다. 다중경로·차폐·도심 환경은 3.3·3.4이 맡는다.

3.5.14 체크포인트·연구 질문

체크포인트

1. 2.4 GHz C2 링크와 20 GHz 위성 하향 링크의 대기 손실이 왜 자릿수가 다른지 주파수 의존으로 설명하라.
2. 해면 표준대기에서 60 GHz와 22 GHz의 비감쇠가 각각 어디서 오고, 습도에 어떻게 반응하는지 말하라.
3. $\gamma_R=kR^{\alpha}$에서 $\alpha>1$과 $\alpha<1$의 뜻과, 5.8 GHz와 60 GHz에서 값이 다른 이유를 설명하라.
4. 지상 5 km 링크와 앙각 40° 위성 링크에서 강우의 "유효 경로"가 어떻게 정해지는지 비교하라.
5. 12 GHz 하향 링크에서 99.9 %와 99.99 %의 가용도에 필요한 강우 여유는 얼마이며 왜 그렇게 차이가 나는가?
6. 50 TECU에서 L1의 거리 오차를 계산하고, 두 주파수 측정이 이 오차를 없애는 원리를 말하라.

연구 질문 — 이 장에서 파생되는 열린 주제(25.7에 모은다)

1. 저고도 UAS 링크의 실측 날씨 항 — 5.8 GHz 링크의 비·젖은 식생·안테나 덮개 효과를 분리해 측정한 공개 자료가 어느 정도 있는가? 이 장의 체적 감쇠 계산과 실측 차이는 얼마인가?
2. 국내 지점 값의 정리 — 한국의 강우율($R_{0.01}$)·0 °C 등온선 높이·구름 액체수 통계를 ITU-R 지도 자료에서 지점별로 뽑으면 위성 C2 링크의 가용도 여유가 지역별로 얼마나 다른가?
3. 저궤도 군집 단말의 시간 변동 여유 — 앙각이 변하는 단말의 강우 여유를 시간 전체에 걸쳐 어떻게 통계화하는가? P.618-14의 비정지궤도 방법(8절)은 소형 UAS 단말에 충분한가 (확인 필요)?
4. 전리층 교란과 UAS 항법의 결합 — 신틸레이션이 강한 시기·지역에서 GNSS 수신기의 추적 손실이 비행 안전 지표에 주는 영향을 어떻게 정량화하는가(4.5·4.6와 연결)?

1차 출처(이 장)

• ITU-R Recommendations P.676-13, P.838-3, P.840-9, P.618-14, P.530-19, P.531-16, P.835-7, P.839-4, P.837-8, P.453-14, P.833-10, P.834-9, P.1239-4 (ITU. 권고별 안내 페이지에서 현행 판을 확인했다. 예: https://www.itu.int/rec/R-REC-P.838/en)
• Crane, R. K., Electromagnetic Wave Propagation Through Rain, Wiley, 1996.
• Ippolito, L. J., Satellite Communications Systems Engineering: Atmospheric Effects, Satellite Link Design and System Performance, Wiley (판 확인 필요).
• Davies, K., Ionospheric Radio, Peter Peregrinus, 1990.
• Kaplan, E. D.; Hegarty, C. J. (eds.), Understanding GPS/GNSS: Principles and Applications, 3rd ed., Artech House, 2017.

출처를 찾고 판을 추적하는 방법은 0.9·A.12에서 다룬다.

다음 장: 3.6에서 전파를 실제로 보내고 받는 부품인 안테나의 기본 파라미터를 본다. 이득·빔폭·유효 면적, 임피던스와 VSWR, 소형 UAS에서 사용하는 안테나의 종류, 그리고 기체에 달았을 때 몸체와 프로펠러가 패턴에 만드는 널(null)과 그것이 링크 여유를 깎는 정도를 다룬다.