제3부 전파·통신
3.13 위성통신: GEO SATCOM·저궤도 군집·항공 위성 서비스·NTN
3.13.1 이 장에서 배우는 것 / 선수 지식 / 특히 중요한 독자
위성은 가시선의 한계를 없애 주는 대신 세 가지를 가져온다. 먼 거리에서 오는 지연, 같은 이유로 생기는 큰 경로 손실, 그리고 움직이는 기체가 위성을 놓치지 않아야 하는 지향 문제다. 이 장은 세 가지를 모두 식과 숫자로 보인다. 지연이 조종에 주는 영향은 2.11.6이 맡으므로 반복하지 않는다.
배우는 것:
- 궤도가 지연·가시 시간·도플러를 정하는 방식 — 케플러 식으로 주기와 정지궤도 고도를 구하고, 앙각에 따른 경사 거리를 계산한다.
- 위성 링크 버짓 — EIRP·$G/T$·$C/N_0$로 나타내는 이유와 지상 링크 식(3.8)과의 대응.
- Ku 대역 예제 — 대형 UAS 단말의 하향 링크와 역방향 링크를 끝까지 계산하고, 병목이 어느 쪽인지 본다.
- 대역과 서비스의 지형 — L 대역 협대역 항공 위성 서비스, Ku·Ka 광대역, 군 위성통신의 공개 개요.
- 저궤도 군집과 NTN — 지연이 줄어드는 대가로 핸드오버와 도플러가 일상이 되는 구조, 3GPP가 위성을 셀룰러 표준에 넣는 방식.
- 이동 중 단말 안테나 — 지향 오차가 이득 손실로 바뀌는 식과 인접 위성 보호.
선수 지식: 데시벨과 열잡음($kTB$, 잡음지수)은 3.1, 자유공간 손실은 3.2, 강우 감쇠는 3.5, 링크 버짓의 일반 틀은 3.8를 본다. 지연 버짓과 조종 수준은 2.11.6에 있다.
특히 중요한 독자: 엔지니어는 3.13.4(버짓)를 직접 계산해 본다. 사업·정책 담당자는 3.13.5·3.13.6(서비스 지형)과 비교표 3.13.11만 읽어도 된다. 인증 담당자는 3.13.12와 3.13.13에서 위성 링크가 어떤 요구를 일으키는지 본다. 법무는 주파수·궤도 조정이 17.19로 이어진다는 점을 본다.
기준 시점과 정직성. 이 장은 2026년 10월을 기준으로 작성한 기술 장이고 지식은 2026년 중반까지다. 물리량(고도·지연·도플러·손실)은 모두 이 장의 식으로 파이썬에서 계산했다. 서비스·위성·제품의 현황은 웹 검색 요약으로 확인한 범위만 단정했고, 원문(ITU 전파규칙·3GPP 사양·제조사 사양서)은 읽지 못했다. 제조사·정부 주장 수치는
(공개 주장치), 2차 출처 추정은(추정), 확인하지 못한 것은(확인 필요)로 표시했다. 예제의 단말·위성 값은 모두 가정이며 특정 제품의 제원이 아니다.
3.13.2 개념·직관 — 위성이 링크에서 주는 것과 가져가는 것
지상 가시선 링크는 전파 수평선에 막힌다. 고도 120 m의 기체는 30 m 철탑의 수신기와 약 68 km까지만 서로 보인다(2.13.3.3). 위성은 이 한계를 고도로 해결한다. 수백 km 이상 위에 있는 중계기는 한 번에 수천 km를 내려다본다. 그러나 같은 고도가 지연과 손실을 만든다. 거리가 늘면 지연은 비례해서, 자유공간 손실은 20 dB/decade로 늘기 때문이다.
위성 링크의 구조는 대부분 투과형(bent pipe)이다. 위성은 받은 신호를 복조하지 않고 주파수만 바꿔 증폭해서 되돌려 보낸다. 복조·재부호화를 위성 안에서 하는 재생형(regenerative)은 위성 사이 링크와 지연 단축에 유리하지만 위성이 복잡해진다. 아래 그림은 투과형 구조와 구간별 지연이다.
세 축에서 위성이 맡는 역할은 다르다.
- 군용 드론 — 비가시권 운용의 기본 수단이다. 중고도·고고도 장기체공기(MALE·HALE)는 지상 가시선 링크로 이착륙을 하고 임무 구간은 위성으로 운용한다(10.4). 상용과 군용 위성을 함께 사용하고, 재밍·탐지에 대한 내성이 요구 사항에 들어간다(3.18).
- 민간 UAS — 대부분 지상 가시선과 셀룰러(3.14)로 운용한다. 위성은 해양·사막·극지 같은 원격지, 대형 UAS, 비상 백업, 위치 보고용 단문 링크에 사용된다.
- AAM — 승객 연결과 운항 데이터의 보조 수단이다. 주 C2는 지상 인프라가 맡는 것이 기본이고(15.15), 위성은 백업과 원격지 운용의 후보다.
3.13.3 궤도 — 고도가 지연·가시 시간·도플러를 정한다
3.13.3.1 주기와 정지궤도
결론부터: 고도가 높을수록 주기가 길어지고, 주기가 지구 자전과 같아지는 고도가 정지궤도다. 원궤도의 주기와 속도는 중력 상수 $\mu$와 궤도 반지름 $a$로 정해진다.
$$T=2\pi\sqrt{\frac{a^{3}}{\mu}},\qquad v=\sqrt{\frac{\mu}{a}},\qquad a=R_e+h$$
| 기호 | 값 |
|---|---|
| $\mu$ | 398,600.4 km³/s²(지구 중력 상수) |
| $R_e$ | 6,378.137 km(적도 반지름 — 35,786 km 정지궤도 고도의 기준과 같다) |
| $c$ | 299,792 km/s(공통 기호표) |
정지궤도는 $T$를 항성일(86,164 s)에 맞춘 것이다. 계산하면 $a=42{,}164$ km이므로 고도는 $42{,}164-6{,}378=35{,}786$ km다. 이 값은 2.11.6이 사용한 정지궤도 고도와 같다. 위성이 지상에서 멈춰 보이므로 지상 안테나는 위성을 추적할 필요가 없다. 대신 적도 상공에만 있을 수 있다. 위성 아래 경도에서 앙각 10° 이상으로 볼 수 있는 한계 위도가 약 71°이므로, 고위도와 극지는 정지궤도로 커버하기 어렵다.
3.13.3.2 전파 지연
한 구간의 지연은 거리를 광속으로 나눈 값이다. 2.11.6과 같은 정의를 사용한다. 위성 경유 한 방향은 단말에서 위성으로, 위성에서 지상국으로 가는 두 구간이다. 천정(앙각 90°)에서 거리는 고도 $h$이므로 최소 지연은 다음과 같다.
$$\tau_{1}=\frac{h}{c},\qquad \tau_{\text{한 방향}}=\frac{2h}{c}\quad(\text{천정, 하한})$$
앙각 $E$인 지상점에서 위성까지의 경사 거리는 지구 중심, 지상점, 위성이 이루는 삼각형에서 나온다.
$$d(E)=\sqrt{(R_e+h)^{2}-R_e^{2}\cos^{2}E}-R_e\sin E$$
| 구분 | 고도 [km] | 주기 | 속도 [km/s] | 구간 하나, 천정 [ms] | 한 방향, 천정 [ms] | 한 방향, 앙각 10° [ms] | 12 GHz 자유공간 손실, 천정 [dB] |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| HAPS(1.15) | 20 | — | — | 0.067 | 0.13 | 0.73 | 140.0 |
| LEO | 550 | 95.6분 | 7.59 | 1.84 | 3.67 | 12.1 | 168.8 |
| LEO | 1,200 | 109.4분 | 7.25 | 4.00 | 8.01 | 20.9 | 175.6 |
| MEO | 8,000 | 4.77시간 | 5.27 | 26.7 | 53.4 | 78.9 | 192.1 |
| GEO | 35,786 | 23.9시간 | 3.07 | 119.4 | 238.7 | 270.8 | 205.1 |
읽을 것은 셋이다. 첫째, GEO의 238.7 ms는 2.11.6의 값과 같고 천정에서의 하한이다. 실제 단말은 앙각이 낮아 더 길다. 앙각 30°이면 경사 거리가 38,612 km이고 한 방향이 257.6 ms다. 둘째, HAPS의 구간 지연 0.067 ms와 GEO·LEO와의 손실 차이(65.1 dB·28.8 dB)는 1.15.8이 사용한 값과 같다. 셋째, 아래 그래프의 점들은 고도에 정비례하며, GEO는 천정에서도 2.11.6의 정밀 호버 한계 지연 169 ms를 한 방향만으로 넘는다.
교차 검증. 3GPP의 NTN 연구 보고서(TR 38.821)는 GEO 투과형 구성의 최대 왕복 전파 지연을 541.46 ms로 적었다고 검색 요약으로 확인했다. 이 장의 식으로 같은 경로(게이트웨이 → 위성 → 단말 → 위성 → 게이트웨이, 양쪽 앙각 10° 가정)를 $4d(10^{\circ})/c$로 계산한다. 평균 지구 반지름 6,371 km를 사용하면 $d=40{,}581$ km이고 $4d/c=541.46$ ms로 문서 값과 소수 둘째 자리까지 같다. 이 장의 표가 사용하는 적도 반지름 6,378 km에서는 $d=40{,}586$ km, 541.5 ms다. 경사 거리는 반지름 선택에 0.01 % 안팎으로만 달라진다.
3.13.3.3 가시 시간과 도플러
위성이 앙각 $E_{\min}$ 이상으로 보이는 동안 위성은 지구 중심에서 본 각도 $\pm\lambda$ 만큼 움직인다.
$$\lambda=\arccos\!\left(\frac{R_e\cos E_{\min}}{R_e+h}\right)-E_{\min},\qquad t_{\text{통과}}=T\cdot\frac{2\lambda}{360^{\circ}}$$
한 번 지나가는 시간은 아래 막대와 같다(원궤도, 머리 위 통과, 자전·경사 무시). 저궤도 550 km에서 앙각 25° 이상이면 4.5분이고 그동안 지상 반경 941 km를 커버한다. Starlink의 FCC 신청 자료가 초기 최소 앙각을 25°로 두었고 한 위성의 가시권을 반경 약 940 km, 통과를 5분 미만으로 설명한다는 2차 자료(APNIC 발표)와 이 계산이 맞는다. 정지궤도는 위성이 고정이므로 가시 시간 제한이 없다.
위성이 빠르게 움직이면 도플러 편이가 생긴다. 삼각형의 사인 법칙을 사용하면 시선 방향 속도가 $v(R_e/a)\cos E$로 나오므로 다음이 성립한다.
$$f_D=f\,\frac{v}{c}\,\frac{R_e}{R_e+h}\cos E$$
| 궤도 | 앙각 25° 이상 통과 | 지상 반경 | 최대 도플러, 12 GHz | 20 GHz | 천정 통과 시 도플러 변화율, 12 GHz |
|---|---|---|---|---|---|
| LEO 550 km | 4.5분 | 941 km | 253 kHz | 422 kHz | 3.9 kHz/s |
| LEO 1,200 km | 9.3분 | 1,702 km | 221 kHz | 369 kHz | 1.5 kHz/s |
| MEO 8,000 km | 65.6분 | 4,597 km | 85 kHz | 141 kHz | 62 Hz/s |
| GEO | 상시 | — | 0(위성 정지) | 0 | 0 |
GEO에서는 위성이 정지해 있어도 기체의 속도가 도플러를 만든다. 250 m/s로 나는 기체는 12 GHz에서 10 kHz다. 저궤도 단말은 도플러를 위성 궤도력(위치 예보)과 자기 위치로 미리 계산해 보정하고, 모뎀은 남은 오차를 추적한다. NTN 표준(3.13.7)도 같은 방식을 사용한다.
3.13.4 위성 링크 버짓 — EIRP·$G/T$·$C/N_0$
3.13.4.1 식과 읽는 법
지상 링크는 신호 대 잡음비(SNR)로 나타내는데(3.8), 위성 링크는 대역폭에 묶이지 않는 $C/N_0$로 나타낸다. 모뎀이 사용할 대역폭(심볼률)이 설계 변수이기 때문이다. 공통 기호표의 링크 버짓 식에서 시작한다. 수신 전력은 $P_r=\mathrm{EIRP}-L_{fs}-L_m+G_r$이고, 잡음 밀도는 $N_0=kT_{sys}$이므로 다음이 된다.
$$\frac{C}{N_0}=\mathrm{EIRP}-L_{fs}-L_m+\frac{G}{T}-10\log_{10}k\quad[\mathrm{dBHz}]$$
$10\log_{10}k=-228.6$ dBW/K/Hz다(공통 기호표의 $kT_0=-174$ dBm/Hz와 $T_0=290$ K에서 같은 값이 나온다). 기호는 다음과 같다.
| 기호 | 뜻 |
|---|---|
| $\mathrm{EIRP}$ | 송신 등가 등방 복사 전력(공통 기호표) [dBW] |
| $G/T$ | 수신 성능 지수 — 안테나 이득 $G$ [dBi]에서 시스템 잡음 온도 $T_{sys}$ [K]의 dB값을 뺀 값 [dB/K] |
| $T_{sys}$ | $T_{ant}+T_e$, 여기서 $T_e=T_0(10^{NF/10}-1)$ |
| $L_{fs}$ | 자유공간 손실(공통 기호표) |
| $L_m$ | 그 밖의 손실 — 레이돔·지향·편파·대기·강우 |
$G/T$가 사용되는 이유는 안테나를 키우면 이득과 잡음 온도가 함께 변하기 때문이다. 같은 안테나라도 첫 증폭기의 잡음지수가 나쁘면 $G/T$가 내려간다. 필요한 $C/N_0$는 심볼률 $R_s$와 모뎀이 요구하는 $E_s/N_0$로 정한다.
$$\frac{C}{N_0}=\frac{E_s}{N_0}+10\log_{10}R_s$$
$E_s/N_0$의 하한은 샤논 한계다. 심볼당 정보 비트(스펙트럼 효율) $\eta$에 대해 $E_s/N_0\ge 2^{\eta}-1$이다. 실제 부호는 이 한계에서 얼마간 떨어지므로 구현 손실 1.5 dB를 가정했다(DVB-S2 계열이 샤논 한계에서 1 dB 안팎까지 간다고 알려져 있으나 이 장에서 규격 원문으로 확인하지 못했다 (확인 필요)). 변조·부호의 상세는 3.9에서 다룬다.
상향과 하향이 직렬로 이어지는 투과형 링크에서는 합성 $C/N_0$가 다음으로 정해진다.
$$\frac{1}{(C/N_0)_{\text{합}}}=\frac{1}{(C/N_0)_{\text{상}}}+\frac{1}{(C/N_0)_{\text{하}}}\quad(\text{선형값})$$
예를 들어 상향 66.9 dBHz와 하향 84.3 dBHz를 합치면 66.8 dBHz다. 약한 쪽이 지배한다.
3.13.4.2 Ku 하향 링크 예 — 위성에서 기체로
가정은 다음과 같다. 대형 UAS의 위성 단말이 정지궤도 Ku 위성의 하향 신호를 앙각 30°에서 받는다.
| 항목 | 값 | 비고 |
|---|---|---|
| 위성 EIRP | 50 dBW | 36 MHz 트랜스폰더 전체, 빔 가장자리 가정 (경험 범위) |
| 주파수 | 12.0 GHz | $\lambda=0.025$ m |
| 앙각 · 경사 거리 | 30° · 38,612 km | $d(E)$ 식 |
| 자유공간 손실 | 205.8 dB | $32.44+20\log_{10}d+20\log_{10}f$ |
| 단말 안테나 | 지름 0.75 m, 효율 0.6 | $G=\eta(\pi D/\lambda)^2=37.3$ dBi, 빔폭 약 $70\lambda/D=2.3^{\circ}$ (식은 3.6.3, 그 장의 접시는 효율 0.55를 가정) |
| 잡음 | $T_{ant}$ 50 K, 잡음지수 1.2 dB($T_e$ 92 K) | $T_{sys}=142$ K, $G/T=15.7$ dB/K |
| 기타 손실 | 4.2 dB | 레이돔 0.5·지향 0.5·편파 0.2·대기와 강우 3.0(강우 여유의 산정은 3.5, 여기서는 가정) |
결과는 $C/N_0=50+15.7-205.8-4.2+228.6=84.4$ dBHz다. 36 MHz 트랜스폰더 전체에 30 Msym/s 반송파 하나를 실으면 $C/N=84.4-74.8=9.6$ dB이고, 샤논 한계에 구현 손실 1.5 dB를 더한 모형으로 이 $C/N$에서 가능한 최대 효율은 약 2.9 b/s/Hz, 곧 이론상 약 87 Mbit/s다. 트랜스폰더를 혼자 사용할 때의 상한이며 실제 서비스는 여러 단말이 나눠 사용한다. $C/N$은 대역폭 몫과 무관하므로(전력도 같은 몫만 받는다) 나눠 사용해도 같은 효율이 유지된다.
요점은 순방향 링크(위성에서 기체로)는 명령과 소량의 데이터에 여유가 매우 크다는 것이다.
위 표는 손실 3.0 dB를 넣으면서 잡음은 맑은 날의 값을 사용했으므로 낙관적이다. 비는 신호만 줄이지 않는다. 대기가 손실 $A$ [dB]를 가지면 하늘 잡음 온도가 $T_{\mathrm{sky}}=T_{mr}(1-10^{-A/10})+2.7\cdot10^{-A/10}$ K로 오른다(평균 복사 온도 $T_{mr}$ 275 K, 3.5.7). 3.0 dB 손실에서 $T_{\mathrm{sky}}=138.5$ K다. 맑은 날의 약 14 K(3.5.7)에 대비해 안테나 잡음 온도가 약 124 K 늘어 $T_{sys}=267$ K, $G/T=13.0$ dB/K가 된다. 손실 3.0 dB에 $G/T$ 저하 2.7 dB가 합산되어 $C/N_0$는 81.7 dBHz, $C/N$은 6.9 dB, 같은 모형의 최대 효율은 약 2.2 b/s/Hz(약 65 Mbit/s)로 내려간다. 3.5.7은 같은 앙각·주파수의 가정 날씨에서 총 감쇠가 시간의 0.1 %에 3.04 dB라고 계산했으므로, 이 3.0 dB는 약 99.9 % 가용도에 해당한다. 가용도를 올릴수록 감쇠와 잡음 증가가 함께 커진다.
3.13.4.3 역방향 링크(return link) — 병목은 기체 쪽이다
영상과 센서 자료는 기체에서 위성으로 간다. 이 방향은 위성의 큰 출력이 아니라 기체 단말의 EIRP가 정한다.
| 항목 | 값 | 비고 |
|---|---|---|
| 주파수 | 14.25 GHz | $\lambda=0.021$ m |
| 단말 | 0.75 m, 효율 0.6, 송신 10 W(10 dBW), 급전 손실 1 dB | $G=38.8$ dBi, EIRP 47.8 dBW |
| 위성 $G/T$ | 2 dB/K | 빔 가장자리 가정 (경험 범위) |
| 자유공간 손실 · 기타 손실 | 207.3 dB · 4.2 dB | 강우 3.0 dB 포함, 가정 |
| 변조 | 효율 1.5 b/s/Hz급 | 필요 $E_s/N_0$ $=2.6+1.5=4.1$ dB |
$C/N_0=47.8+2-207.3-4.2+228.6=66.9$ dBHz이므로 심볼률은 $10^{(66.9-4.1)/10}=1.9$ Msym/s, 비트율은 약 2.85 Mbit/s다. 2.9.5가 가정한 1080p H.265 약 4 Mbit/s에는 필요 $C/N_0$ 68.4 dBHz에 1.5 dB가 모자란다. 구성을 바꾸면 다음과 같다.
| 구성 | EIRP [dBW] | $C/N_0$ [dBHz] | 지원 비트율 [Mbit/s] | 대가 |
|---|---|---|---|---|
| 0.75 m · 10 W | 47.8 | 66.9 | 2.85 | 기준 |
| 0.75 m · 20 W | 50.8 | 69.9 | 5.71 | 전력·발열·질량 |
| 1.2 m · 10 W | 51.8 | 71.0 | 7.31 | 빔폭 1.23°로 좁아져 지향이 어렵다(3.13.8) |
상향은 위성 안테나가 따뜻한 지구를 향하므로 비 때문에 잡음 온도가 크게 바뀌지 않고 손실 3.0 dB만 반영한다. 해석: 같은 위성과 같은 하늘이어도 기체가 내보낼 수 있는 EIRP가 영상 비트율을 정한다. 그래서 영상은 온보드 압축·선택 전송(6.11)과 함께 설계한다. 이 장은 비트율만 보이고 영상 링크의 구성은 3.12이 맡는다.
3.13.5 대역과 서비스의 지형
3.13.5.1 대역
위성통신은 문자 이름으로 대역을 부른다(ITU-R V.431-9의 표 4 기준 L 1~2 GHz, S 2~4, C 4~8, X 8~12, Ku 12~18, K 18~27, Ka 27~40 GHz, 3.1.3.2). 그러나 문자와 대역 사이에 표준 대응이 없어서 위성업계의 Ku는 10.7~14.5 GHz 부근이라 위 범위와 어긋난다. 이 장은 중요한 곳에 주파수를 GHz로 함께 적는다. 아래는 용도의 요약이고, 정확한 주파수는 업무·지역에 따라 다르며 국제 분배는 17.19에서 다룬다.
| 대역 | 위성통신에서의 용도 | 특징 |
|---|---|---|
| UHF | 군 협대역 위성통신(MUOS 등) | 작은 무지향 안테나, 낮은 속도 |
| L | 이동위성업무 — 항공 안전 통신(AMS(R)S) 포함 | 소형 안테나, 수백 kbit/s급, 강우 영향 거의 없음 |
| S | 일부 이동위성업무 | 3GPP NTN의 초기 후보 대역으로 알려져 있다 (확인 필요) |
| C | 고정위성업무 | 강우에 강하나 안테나가 크다. 항공 C2 대역 5030~5091 MHz는 C 대역이지만 위성이 아니라 지상 링크다(3.11) |
| X | 군 위성통신(WGS가 X·Ka를 사용한다고 공개 자료에 있다) | 군용 분배 |
| Ku | 광대역 고정·이동, 항공 인터넷, UAS C2·영상. 위성업계의 값은 하향 10.7~13.25 GHz대, 상향 14.0~14.5 GHz(3.1.4) | 소형 단말, 강우 영향 중간 |
| Ka | 고용량 위성(HTS)·광대역. 위성업계의 값은 하향 17.7~20.2 GHz, 상향 27.5~30.0 GHz(3.1.4) | 안테나가 작아지나 강우 감쇠가 크다(3.5) |
UAS의 위성 C2는 ITU의 결의로 별도 기반이 마련됐다. WRC-15의 결의 155는 무인항공기에 탑재한 지구국이 정지궤도 고정위성업무 망과 비탑재체(제어·비페이로드) 통신을 하도록 Ku 대역(하향 10.95~11.2·11.45~11.7 GHz와 지역에 따라 11.7~12.2·12.2~12.5 GHz, 상향 14.0~14.47 GHz)을 지정했다고 검색 요약으로 확인했다(NASA 보고서·FCC 문서 요약). Ka 대역은 별도 결의가 다룬다 (번호·대역 확인 필요). WRC-23의 의제 1.8이 결의 155의 개정을 검토했으나 결과는 이 장에서 확인하지 못했다 (확인 필요). 전력 선속 밀도(pfd) 한도 같은 보호 조건이 따라붙는다.
3.13.5.2 항공 위성 서비스와 대형 UAS
L 대역 협대역 서비스. 항공 안전 통신에 사용되는 이동위성업무(AMS(R)S)는 L 대역에서 운용된다. 대표는 정지궤도의 Inmarsat과 저궤도의 Iridium이다. Iridium은 ICAO 자료에서 66기·6개 궤도면(면당 11기)·경사 86.4°로 소개되고, 업체 발표는 고도를 약 780 km로, 전 세대 교체 완료를 2019년으로 적는다. Certus 700급 서비스는 352/704 kbit/s로 보도된다 (공개 주장치). Iridium Certus의 항공 안전용(AMS(R)S) 승인 상태는 이 장에서 확인하지 못했다 (확인 필요). 상용 서비스가 있다는 사실이 항공 안전 통신으로 인정된다는 뜻은 아니다.
Ku·Ka 광대역. 대형 UAS는 영상과 센서 자료를 위해 Ku 대역을 사용한다. 미 공군 문서와 제조사 자료는 MQ-9에 C 대역 가시선 링크와 Ku 대역 위성 링크가 있고, 전방 기지의 발진·회수 팀이 가시선 링크로 이착륙을 하며 본토의 승무원이 위성 링크로 나머지 비행을 운용하는 분리 운용(remote split operations)을 설명한다. 2018 선정획득보고서는 이 위성 링크가 Ku 대역이라고 적는다(검색 요약으로 확인, 안테나 지름은 확인하지 못했다). RQ-4 Global Hawk는 2014년 시연에서 임무 데이터링크와 명령·제어(C2) 링크를 분리하는 구성을 보였고, NATO AGS 판은 2축 Ku 고이득 안테나를 장착한다는 업체 보도가 있다(공개 보도). 이 구성이 말하는 설계 원칙은 C2 경로와 임무 데이터 경로를 분리해 서로의 용량·고장에 묶이지 않게 하는 것이다(3.11).
소형 기체의 위성 이용. 장거리 소형 UAS와 기구는 Iridium의 단문 데이터(SBD) 계열로 위치와 상태만 주기 보고하는 방식을 사용한다(제원은 확인 필요). 조종이 아니라 추적과 회수를 위한 링크다.
3.13.6 저궤도 군집과 군 위성통신
3.13.6.1 저궤도 군집
저궤도 군집은 수백~수천 기로 지구를 커버한다. 표(3.13.3.2)가 보인 이점은 두 가지다. 한 방향 하한이 3.7 ms로 줄고, 같은 12 GHz에서 경로 손실이 GEO보다 $20\log_{10}(35{,}786/550)=36.3$ dB 작다. 단말이 작은 안테나와 낮은 출력으로도 닿는다는 뜻이다. 대가는 3.13.3.3이 보인 대로 4~5분마다 위성을 갈아타는 핸드오버(링크 쪽 설계는 3.11.6.3), 큰 도플러, 그리고 하늘의 위성을 쫓는 전자 조향 안테나다(3.7).
공개된 사례는 다음과 같다. 모두 서비스·계획이 빠르게 바뀌므로 시점을 붙인다.
| 군집 | 궤도 | 공개된 사실 | 출처 성격 |
|---|---|---|---|
| Starlink(SpaceX) | 약 550 km 쉘 | 초기 최소 앙각 25°(FCC 신청), 한 위성 가시권 반경 약 940 km, 항공 서비스는 2022년 발표 | 2차(통신 전문 발표·보도) |
| OneWeb(Eutelsat) | 약 1,200 km | 설계 648기, 1세대 약 150 kg급 654기를 쏜 것으로 보도 | 2차(언론) |
| O3b mPOWER(SES) | MEO 약 8,060 km | 정지에 가까운 적도 궤도 | 2차(추적 사이트) |
항공 이용으로는 2026년 3월 Archer Aviation이 Starlink와 eVTOL "Midnight"의 연결(승객 인터넷·기체 상태·원격 데이터링크, 장차 BVLOS 자율 운용의 위성 링크 탐색)을 발표했다고 전문지가 보도했다. 같은 보도는 항공 단말의 지연을 20~40 ms로 적었다 (공개 주장치, 확인 필요). 계획 발표이지 인증이나 운용이 아니다. 이 값을 우리 지연 버짓에 넣을 때는 위성 구간 하한(3.7 ms)에 게이트웨이·망·서버 경유를 더한 합이라는 점에 유의한다(2.11.6의 방식).
군 이용은 공개 보도 수준에서만 작성한다. 2024년 12월 Bloomberg는 미 우주군 사령부 상용위성실이 우크라이나에 이미 있는 Starlink 단말 2,500개가 군용 Starshield 신호를 사용하게 하는 계약을 냈다고 보도했다(앞서 500개, 합 3,000개). 우크라이나군이 전선 통신과 드론 조종에 이 서비스를 사용한다는 보도도 있다(13.3이 사례를 다룬다). 2026년 10월에는 운용자가 Starshield 단말의 속도를 제한해 일부 부대가 링크를 잃었다는 2차 집계 보도가 있다 (확인 필요). 이 보도가 사실이라면 위성 링크의 약점은 물리가 아니라 운영자의 정책이다. 공개 사실의 한계가 크므로 이 장은 구조적 교훈만 작성한다.
3.13.6.2 군 위성통신의 공개 개요
미 우주군 자료는 군 위성통신을 세 부류로 나눈다.
- 광대역 — WGS(Wideband Global SATCOM). X와 Ka 대역을 이어 주고 대용량 음성·데이터를 나른다.
- 보호(재밍 내성) — AEHF. 생존성·보안·재밍 내성을 앞세운 전략·전술 통신이며 비트율이 75 bit/s에서 약 8 Mbit/s까지라고 소개된다
(공개 주장치). - 협대역 — MUOS. UHF 협대역 전술 위성통신이다.
한국은 2020년 7월 21일(한국시간) 군 전용 통신위성 아나시스 2호를 Falcon 9으로 발사했다. 방위사업청이 밝힌 개요는 에어버스 유로스타 E3000 기반이고 정지궤도에 자리 잡으며 기존 민군 공용 무궁화 5호보다 처리 속도·전파 방해 대응·통신 거리가 향상됐다는 것이다(공개 보도). 주파수·출력·채널은 보도에 없으므로 이 장은 성능 수치를 작성하지 않는다.
군 위성통신이 상용과 구분되는 지점은 용도 전용 대역, 보호 파형, 암호, 통제된 접근이다. 이 장은 원리 수준에서만 다루고(처리 이득·항재밍 원리는 3.18), 파형과 키 관리는 작성하지 않는다. 전술 통신 체계 안에서의 위치는 3.16가 다룬다.
3.13.7 NTN — 위성을 셀룰러 표준 안으로
3GPP의 비지상망(NTN) 은 위성·HAPS·항공기 같은 비지상 플랫폼을 NR과 IoT 접속망의 일부로 사용하는 표준 작업이다. 흐름은 다음과 같다(검색 요약으로 확인, 표준 상세는 9.15).
- TR 38.811(NR의 NTN 지원 연구)과 TR 38.821(NTN 지원 해법 연구)이 요구와 후보 해법을 정리했다.
- Release 17이 최초의 규범 사양(NR-NTN과 IoT-NTN)이다. 정지·중궤도·저궤도를 대상으로 하되 투과형 탑재체가 중심이다.
- Release 19는 위성에 gNB 기능을 올리는 재생형 탑재체, 저장 후 전달, 항공기·드론 지원 개선 등을 포함한다고 2차 자료는 설명한다
(확인 필요).
NTN이 풀어야 하는 문제는 물리 그대로다. 왕복 지연이 정지궤도에서 541 ms(3.13.3.2), 저궤도(550 km, 앙각 10°)에서 $4\times1{,}816/299{,}792=24.2$ ms다. 지상 셀룰러가 가정하는 수 ms와 자릿수가 다르다. 도플러가 크고 빔 안의 차등 지연도 있다. 그래서 단말이 자신의 위치(GNSS)와 위성 궤도 정보로 송신 시각과 주파수를 미리 보정하고, HARQ 재전송 구조를 길어진 왕복에 맞게 고치는 방식을 사용한다 (상세와 정확한 규정은 9.15, 확인 필요).
UAS에 주는 의미는 두 가지다. 하나는 같은 모뎀·같은 가입 체계가 지상 셀룰러(3.14)와 위성을 오가는 이중 경로가 가능해진다는 것이다. 다른 하나는 반대로 같은 운영자의 같은 인증 체계에 두 경로가 묶이면 공통 원인 고장이 생긴다는 점이다(3.11).
3.13.8 이동 중 단말 안테나와 지향
기체는 비행 중 자세와 위치가 계속 바뀐다. 위성 단말은 이를 안테나 자세 제어로 상쇄한다. 방식은 세 가지다. ① 기계식 짐벌 접시와 레이돔 — 이득이 크고 성숙했으나 부피·항력·정비 부담이 있다. ② 전자 조향 평면 배열 — 낮고 가볍고 빠른 추적이 되지만 스캔 손실과 비용이 따른다(3.7). ③ 혼합형.
지향 오차가 이득 손실로 바뀌는 식은 3.7과 같다. 빔폭을 $\theta_{3\mathrm{dB}}\approx70\lambda/D$로 어림하면 다음과 같다.
$$\Delta G\approx12\left(\frac{\theta_e}{\theta_{3\mathrm{dB}}}\right)^{2}\ [\mathrm{dB}]$$
| 안테나 | 빔폭 | 지향 오차 0.25° | 0.5° | 1.0° |
|---|---|---|---|---|
| 0.75 m, 12 GHz | 2.33° | 0.14 dB | 0.55 dB | 2.2 dB |
| 0.75 m, 14.25 GHz | 1.96° | 0.19 dB | 0.78 dB | 3.1 dB |
| 1.2 m, 14.25 GHz | 1.23° | 0.50 dB | 2.0 dB | 8.0 dB (식의 범위 밖) |
이 식은 지향 오차가 반빔폭 이내일 때만 맞는다(3.7에서 ±0.05 dB로 대조했다). 표의 마지막 칸은 오차가 빔폭의 0.81배라서 범위 밖이고, 실제 손실은 이보다 크다. 균일 원형 개구의 패턴으로 직접 계산하면 1.0°에서 약 15 dB이고(첫 영점 근처), 조명 분포에 따라 달라진다.
안테나를 키우면 이득이 올라가지만 지향 허용 오차는 반비례로 줄어든다. 기체가 선회하고 난기류를 만나는 환경에서 0.5° 안팎의 안정화가 요구된다는 뜻이다. 상향에는 또 하나의 제약이 있다. 인접한 정지궤도 위성이 2° 안팎 간격으로 놓이므로, 상향 송신이 빔 밖으로 새면 이웃 위성에 간섭이 된다. 그래서 이동 중 지구국(ESIM) 규정은 지향 오차가 한도를 넘으면 송신을 끄는 기능과 빔 밖 EIRP 밀도 한도를 요구한다 (한도값과 조문은 17.19에서 확인 필요).
기체의 가림도 있다. 선회로 롤각이 커지면 동체나 날개가 위성 방향을 가린다. 안테나를 동체 상부에 달면 가림이 줄지만 노즈 돔 같은 일부 장착은 방향이 제한된다. 기체 장착과 차폐의 일반론은 3.6.7, 위상배열의 스캔 한계는 3.7이 다룬다.
3.13.9 인접 층과의 경계 — 지연·HAPS·궤도 조정
지연이 조종에 주는 영향은 2.11.6이 맡는다. 그곳의 지연 버짓은 이 장의 하한(위성 경유 한 방향 238.7 ms, 지상 처리 50 ms 가정을 더한 288.7 ms)을 영상 경로와 명령 경로에 넣어 조종 수준(정밀 호버·속도 명령·경로점 지시)별 위상 여유로 바꾼다. 이 장은 그 입력값이 어디서 나오는지만 보였다. 구성 요소를 줄여도 전파 지연은 줄지 않는다는 한 가지가 두 장을 잇는다.
HAPS 링크는 1.15.8이 활용을 다룬다. 고도 20 km는 구간 지연 0.067 ms, 12 GHz 자유공간 손실이 GEO보다 65.1 dB, 550 km 저궤도보다 28.8 dB 작다. 같은 표(3.13.3.2)에서 확인한 값이다. 대가는 커버하는 면적이 작고(앙각 5° 기준 약 194 km 반경) 체공 유지가 어렵다는 점이다.
주파수와 궤도의 조정은 국제 등록이 필요하다. 위성망은 ITU에 등록하고 이웃 망과 조정하며, 비정지 군집은 정지궤도 망을 보호하는 한도(등가 전력 선속 밀도 한도)를 받는다 (전파규칙 조문 번호는 17.19에서 확인 필요). 국내 지구국 허가는 18.16다.
3.13.10 설계 트레이드오프 — 어떤 궤도에 무엇을 맡기는가
선택지는 셋이다.
① 정지궤도 광대역(Ku·Ka) 단일 경로. 가장 성숙하고, 위성 한 대가 계속 보이며, 지상 단말이 단순하다. 지연이 238.7 ms 이상이라 직접 조종이 아니라 명령 위주 운용(2.11.6)이 전제다. 고위도와 극지에는 약하다. 대형 MALE·HALE의 표준 선택이다.
② 저궤도 군집 단말. 한 방향 하한이 3.7 ms라 지연의 물리적 장벽이 사라지고 안테나가 작아진다. 대가는 전자 조향 단말의 질량·전력·가격, 4~5분마다의 핸드오버, 운영자의 정책에 대한 의존이다. 같은 단말이 상용·군용 양쪽에서 사용되므로 서비스 제한과 지정학 위험이 설계 요소가 된다.
③ 협대역 L 대역 안전 링크 + 광대역 임무 링크(다중 궤도). C2는 작은 용량이지만 안전 인가가 있는 경로에 두고, 영상·센서는 Ku·Ka 광대역이나 저궤도 군집에 둔다. 단말 두 개의 질량·전력이 든다.
| 판단 기준 | ① GEO 광대역 | ② 저궤도 군집 | ③ 분리 구성 |
|---|---|---|---|
| 지연 하한(한 방향) | ≥ 238.7 ms | ≥ 3.7 ms(+지상 경유) | C2는 L 대역 GEO면 같음 |
| 단말 부담 | 중~대(0.75~1.2 m 접시) | 중(전자 조향 배열) | 둘 다 |
| 정책·가용도 위험 | 위성 사업자 | 군집 운영자·정책 | 분산 |
| 항공 안전 인가 | 서비스별로 다르다 | 확인된 것이 적다 (확인 필요) | C2 쪽에서 확보 |
견해: 안전 필수 C2는 협대역이고 검증된 경로에, 영상·센서는 광대역 경로에 분리해 두는 편이 안전 논증에 유리하다고 본다. 근거는 둘이다. 첫째, 광대역 경로의 속도·정책 변동이 C2 가용도에 번지지 않는다. 둘째, 인증은 C2 쪽에만 엄격한 증거(9.13)를 요구하면 된다. 반대로 임무가 광대역 영상만으로 이루어지는 소형 기체에서는 단말 하나의 경량 구성이 현실적이다. 두 경로가 같은 사업자·같은 안테나에 묶이면 다중화가 아니다. 공통 원인 고장의 하한이 남는다(2.5, 원인 목록은 3.11.5.2).
3.13.11 세 축 비교 — 같은 위성, 다른 요구
| 항목 | 군용 드론 | 민간 UAS | AAM |
|---|---|---|---|
| 위성의 역할 | 비가시권 C2·영상의 기본 수단 | 원격지·대형 UAS·비상 백업·위치 보고 | 승객 연결·운항 데이터, C2 백업 후보 |
| 주 대역·궤도 | 군용 X·Ka·UHF·EHF와 상용 Ku·Ka·L, GEO 중심에 저궤도 병행 | 상용 L·Ku·Ka, GEO와 저궤도 | 상용 Ku·Ka와 저궤도 (확인 필요) |
| 지연의 처리 | 명령·경로점 중심, 가시선 링크로 이착륙 | 속도·경로 명령 중심 | 지상 C2가 주, 위성은 보조 |
| 단말 안테나 | 짐벌 접시·노즈 돔 | 소형 평면 배열·무지향 단문 단말 | 전자 조향 배열(공력 영향 최소) |
| 요구되는 보호 | 재밍 내성·저피탐(LPD) | 항공 안전 인가·사이버 | 안전 인가·항공 규정 정합 |
| 관련 장 | 10.4·3.16·3.18 | 14.15·3.11 | 15.15·15.13 |
3.13.12 관련 규격·프로토콜
| 문서 | 발행 | 무엇을 정하나 | 상세 |
|---|---|---|---|
| ITU 전파규칙(Radio Regulations), 결의 155(WRC-15) | ITU | 위성업무 분배, UAS 탑재 지구국의 Ku 대역 이용 (개정판 확인 필요) | 17.19 |
| ICAO Annex 10 Vol. III (통신 체계) | ICAO | 항공 이동위성업무(AMS(R)S) 요건 (판 확인 필요) | 9.15·17.2 |
| ETSI EN 302 307 (DVB-S2) · EN 302 307-2 (DVB-S2X) | ETSI | 위성 방송·광대역 변조·부호 | 3.9 |
| 3GPP TR 38.811 · TR 38.821 · Rel-17 이후 NR-NTN·IoT-NTN 사양 | 3GPP | NTN의 요구·해법·규범 (사양 번호별 확인 필요) | 9.15 |
| ARINC 791 · ARINC 781 | AEEC | 항공기 위성 단말(Ku·Ka와 Inmarsat 계열) (판 확인 필요) | 9.1 |
| MIL-STD-188-164 · MIL-STD-188-181 | 미 국방부 | 군 C·X·Ku 지구국, UHF 위성 채널 접속 (판·범위 확인 필요) | 9.2 |
| RTCA DO-362A 등 C2 성능 표준 | RTCA | C2 링크의 필요 성능 | 9.13 |
유료·비공개 규격은 번호와 요지만 적었다. 규격의 지형은 9.1, 군 규격은 9.2이 다룬다.
3.13.13 관련 규제·인증 요구와의 연결
| 이 장의 기술 | 일으키는 요구 | 장 |
|---|---|---|
| 위성 대역 이용(Ku·Ka·L) | 국제 분배·결의 155 조건, 국가별 지구국·ESIM 허가 | 17.19·18.16 |
| 위성 C2 | C2 링크 성능(지연·가용도·무결성)과 링크 상실 절차 | 3.11·9.13·17.2 |
| 항공 안전 통신으로서의 위성 | AMS(R)S 인가, 장비의 항공 규정 적합 | 9.15·20.1 |
| 단말 안테나·송신 | 인접 위성 보호(지향 오차 시 송신 차단), EMC | 8.10 |
| 서비스 운영자 의존 | 공급 중단·정책 변경에 대한 대체 경로 요구 | 2.5·2.6 |
| 군 위성통신 | 보호 파형·암호·수출통제 | 9.19·3.18 |
3.13.14 함정과 한계
| 오해 | 실제 | 더 볼 곳 |
|---|---|---|
| "정지궤도 지연은 0.25초 정도다" | 238.7 ms는 천정·전파만의 하한이고 한 방향이다. 앙각 30°에서 257.6 ms, 처리 50 ms를 더하면 288.7 ms 이상이며 왕복은 두 배다 | 3.13.3.2·2.11.6 |
| "저궤도는 지연이 작으니 조종이 쉽다" | 위성 구간은 3.7 ms지만 게이트웨이·망·서버를 거치면 수십 ms가 된다. 핸드오버 순간의 끊김도 있다 | 3.13.6·2.11.6 |
| "영상 서비스가 수십 Mbit/s이니 기체에서도 그렇다" | 기체의 역방향 링크는 단말 EIRP가 정한다. 0.75 m·10 W 예에서 약 2.9 Mbit/s다 | 3.13.4.3 |
| "안테나를 키우면 항상 좋다" | 이득은 오르나 빔이 좁아져 지향 허용이 줄고 인접 위성 보호도 어려워진다 | 3.13.8 |
| "상용 위성 서비스가 있으면 항공 안전 통신으로 사용할 수 있다" | 항공 안전 인가는 서비스·장비·절차별로 따로다 | 3.13.5.2 |
| "위성 두 개면 다중화다" | 같은 운영자·같은 안테나·같은 기체 가림이면 공통 원인 고장이 남는다 | 2.5·3.11 |
| "Ka는 강우만 막으면 된다" | 강우 감쇠가 크지만 핸드오버·단말 가격·빔 구조도 설계를 결정한다 | 3.5 |
이 장의 한계도 밝힌다.
- 링크 버짓 예제는 가정값으로 계산한 교육용이다. 위성 EIRP·$G/T$·강우 여유·구현 손실은 서비스마다 다르다.
- 서비스 현황(Starlink·OneWeb·Iridium·Archer의 계획)은 검색 요약 수준이다. 인증·운용 상태와 성능은 확인하지 못한 것이 많다.
- ITU 결의·3GPP 사양·ICAO SARPs의 원문은 읽지 못했다. 조문과 한도값은 해당 장에서 확인한다.
- 군 위성통신은 공개 보도 범위이며 성능·파형·암호·주파수 계획은 작성하지 않았다.
3.13.15 체크포인트·연구 질문
체크포인트
- 정지궤도의 고도 35,786 km를 케플러 식에서 구하고, 천정에서 위성 경유 한 방향 최소 지연 238.7 ms를 유도하라.
- 앙각 25° 이상에서 550 km 저궤도 위성 한 대의 한 번 통과 시간과 최대 도플러(12 GHz)를 식으로 구하라.
- $G/T$가 무엇이고 왜 안테나 이득 대신 사용하는지 설명하고, $C/N_0$ 식의 각 항을 dB로 계산하라.
- 0.75 m·10 W 단말의 역방향 링크가 2.9 Mbit/s에 그치는 이유를 말하고, 4 Mbit/s를 맞추는 세 가지 변경을 비교하라.
- 지향 오차 0.5°가 1.2 m 접시에서 2 dB의 손실이 되는 이유를 빔폭으로 설명하라.
- 3GPP NTN이 지상 셀룰러와 달리 풀어야 하는 세 가지 문제를 물리량으로 말하라.
연구 질문 — 이 장에서 파생되는 열린 주제(25.7에 모은다)
- 저궤도 군집 위의 C2 지연 분포 — 위성·게이트웨이·망 경유를 합친 지연의 분포와 핸드오버 끊김을 공개 측정으로 어느 범위까지 보일 수 있는가? 이를 RCP(3.11) 요구와 어떻게 대조하는가?
- 상용 위성 서비스의 항공 안전 인가 경로 — 위성 C2에 요구되는 증거(가용도·무결성)와 상용 서비스의 약관·정책 변동 위험을 어떻게 한 논증으로 묶는가?
- 전자 조향 단말의 공력·EMC·질량 대가 — 소형·중형 UAS에 평면 배열을 탑재할 때 항력·가림·열 대가를 정량화한 공개 자료는 어느 범위까지 있는가?
- 여러 궤도를 묶은 다중화의 공통 원인 — 지상 셀룰러·GEO·LEO를 묶은 구성에서 공통 원인 고장 비율을 공개 데이터로 추정할 수 있는가?
1차 출처(이 장)
- Maral, G.; Bousquet, M., Satellite Communications Systems, Wiley (판은 확인 필요).
- Ippolito, L. J., Satellite Communications Systems Engineering, Wiley (판은 확인 필요).
- Pratt, T.; Bostian, C.; Allnutt, J., Satellite Communications, Wiley (판은 확인 필요).
- Richharia, M., Mobile Satellite Communications: Principles and Trends, Wiley (판은 확인 필요).
- Wertz, J. R.; Larson, W. J. (eds.), Space Mission Analysis and Design, Microcosm/Springer.
- ITU Radio Regulations, 결의 155(WRC-15). 3GPP TR 38.811, TR 38.821. ETSI EN 302 307. ICAO Annex 10.
- 미 우주군 군 위성통신 자료(WGS·AEHF·MUOS 개요), 미 공군 MQ-9 자료, 방위사업청 아나시스 2호 발표(공개 보도).
출처를 찾고 판을 추적하는 방법은 0.9에서 다룬다.
다음 장: 3.14에서 지상의 셀룰러망을 하늘로 올린다. 기지국이 땅을 보도록 설계된 망에서 고도 100 m의 단말이 어떤 간섭을 받고 주는지를 육각 셀 몬테카를로로 보고, 3GPP의 UAS 지원과 이중 통신사 다중화를 본다.