1. 서론

다목적실용위성 5호는 국내 최초 실용급 SAR (Synthetic Aperture Radar) 지구관측 위성으로 2013년 8월 22일 러시아 야스니 발사장에서 성공적으로 발사되어 설계 수명 5년 간의 임무를 완수하였고, 2022년 현재 우주 궤도상에서 연장임무를 정상적으로 수행하고 있다. 다목적실용위성 5호에는 부-탑재체로 AOPOD (Atmosphere Occultation Precision Orbit Determination) 장비가 운영 중인데, 주요 기능은 이중 주파수 GNSS (Global Navigation Satellite System) 원시자료와 전파 엄폐(Radio Occultation, RO) 자료 제공이다. AOPOD 부탑재체에 수신되는 GNSS 신호는 도플러 현상과 지구 대기권에 의한 굴절에 따라 신호 지연을 일으키는데, 그 원리를 개략적인 형태로 나타내면 Fig. 1과 같다. 대기에 의한 굴절 정도는 Bending Angle을 통해 측정되며 이를 통해 대기의 온도나 압력, 수증기량 등을 산출할 수 있다(Lee et al., 2007). 또한, 이 자료는 기상예보를 위한 수치모델(Numerical Weather Prediction Model)에서 매우 중요한 초기 값으로 사용할 수 있으며, GNSS 전파 엄폐 기술을 통한 연직수증기량 산출은 라디오존데(Radiosonde)나 마이크로미터와 같은 연직수증기량 관측기기의 검증 및 상호 통합활용이라는 측면에서 매우 유용하다고 알려져 있다. 우리나라 기상청에서도 2020년 4월부터 한국형모델을 이용하여 전파 엄폐 데이터를 활용하고 있다(Kim et al., 2021).

미국 상무부 산하의 국립해양대기청(National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)에서는 기상예보 현업 활용 및 관련 연구 등을 목적으로 다목적실용위성 5호 전파 엄폐 데이터의 준실시간 제공을 요청하였고, 우리나라 정부에서도 한-미 과학기술교류의 일환으로 데이터 제공에 대해 환영의 입장을 밝혔으며, 이를 근거로 한국항공우주연구원은 한국천문연구원과 함께 미국 국립해양대기청과 상호이해각서(Memorandum of Understating, MOU)를 체결하여 2018년부터 다목적실용위성 5호 전파 엄폐 데이터를 미국 기상연구대학연합(University Corporation for Atmospheric Research, UCAR)에 준-실시간 제공하고 있다. 본 논문에서는 전파 엄폐 데이터 제공에 대한 운영개념과 시스템 구성, 활용사례에 대해 소개하였다.

2. 운영개념 및 절차

다목적실용위성 5호는 고도 550 km에서 운영중인 태양동기궤도로 하루에 지구를 약 15회 회전한다. 이로 인해, 중위도(Middle Latitude)에 설치된 지상국(Ground Station)과 하루 교신이 가능한 횟수는 2-3회에 불과하다. 따라서, 준-실시간으로 데이터를 확보하기 위해서는 위성과 교신할 수 있는 지상국을 추가로 확보해야 하고, 추가 지상국 후보로는 고위도(High Latitude)에 위치할수록 유리하다고 할 수 있다. 이와 관련하여, 미국 국립해양대기청과 협의한 결과, 대전에 위치한 지상국 뿐만 아니라 미국 알래스카(Alaska)에 위치한 페어뱅크스(Fairbanks) 지상국과 핀란드에 위치한 소단킬라(Sodankyla) 지상국까지 총 3개의 지상국을 이용하기로 하였다. Fig. 2는 지상국의 위치 및 다목적실용위성 5호의 1일 지상궤적(Ground Track)을 예시한 것이다. Fig. 2의 왼쪽부터 핀란드, 대전, 알래스카 지상국의 위치를 확인할 수 있고, 다목적실용위성 5호와 교신이 가능한 범위와 해당 지상궤적을 자주색 굵은 선으로 표시하였다. Fig. 2에서 알 수 있듯이 하루 중 위성과 교신이 가능한 최대 횟수는 핀란드 6회, 대전 3회, 알래스카 6회로 총 15회이다. 하지만, 이 중에서 지상국별로 다른 위성과의 교신시간이 중첩되는 부분과 위성-지상국간의 최소 고도각(Elevation Angle)을 고려하여 하루 약 12회 정도가 가용하다. 기본적인 운영 개념은 다목적실용위성 5호가 지상국과 교신이 가능한 시점에 측정된 자료를 전송하고, 각 지상국에서는 위성으로부터 수신된 자료를 지상 네트워크를 통해 대전 지상국으로 전달하며, 대전 지상국에서는 자료를 전-처리하여 지상 네트워크를 통해 미국 기상연구대학연합에 전달한다. 지상국과 위성의 교신이 종료된 시점 이후 약 3분 이내에 데이터 전달이 완료된다. 미국 기상연구대학연합은 국립해양대기청과 협조하여 전파 엄폐 데이터를 처리하고, 기후 및 기상예보 모델링 시스템에 필요한 입력 데이터를 제공하는 역할을 수행한다. 본 운영과정에서 데이터 전달 누락이나 이상현상 발생 시에는 한국항공우주연구원과 긴밀하게 공유하여 협업하고 있다.

한국항공우주연구원에 설치된 관제시스템(Mission Control Element)은 인공위성의 궤도를 파악하고 예측하는 비행역학서브시스템(Flight Dynamics Subsystem, FDS), 교신스케줄 및 운영절차를 수립하는 임무계획서브시스템(Mission Planning Subsystem, MPS), 위성에 명령어를 전송하고 위성상태를 모니터링하는 위성운용서브시스템(Satellite Operations Subsystem, SOS)으로 구성된다. Fig. 3에 나타낸 바와 같이, 비행역학시스템을 통해 산출된 궤도정보 중 TLE (Two Line Element) 데이터는 국내외 지상국에서 위성을 추적하는 용도로 사용될 수 있도록 배포되며, 최신 궤도 정보는 궤도예측을 통해 교신스케줄을 수립하는데 이용된다. 임무계획에서는 매주 화요일까지 해외 지상국 2개소(핀란드 및 알래스카)에 대한 차주 교신스케줄을 요청하고, 해외 지상국에서는 매주 금요일까지 확정된 교신스케줄을 통보하게 되면, 차주에 대한 위성 및 지상국 교신을 위한 준비작업이 완료된다. 매일 일간계획을 통해 생성된 명령어 절차에 따라 다목적실용위성 5호가 국내외 지상국 상공을 통과하면서 데이터를 전송하면, 각 지상국에서는 위성의 텔레메트리 데이터를 수신한다. 또한, 한국항공우주연구원 대전 위성종합관제실에 설치된 KOMPSAT-5 RO ExTrans 시스템에서는 각 지상국의 특정 폴더를 짧은 주기로 폴링(Polling)하고 있다가 신규 데이터가 생성되는 즉시 자동으로 다운로드를 실시한다. 이후에는 텔레메트리 전체 파일에서 전파 엄폐 데이터를 추출하는 등의 전-처리 과정을 수행한 후 한국천문연구원과 미국 기상연구대학연합에 동일한 데이터를 전달한다.

한국항공우주연구원에서 제공한 전처리 데이터는 Virtual Channel Files 형태로 기상연구대학연합에 전달된 후, CDAAC (COSMIC Data Analysis And Archive Center)에서 후처리 과정을 통해 RINEX 형태의 관측자료를 나타내는 Level 1a 데이터, 대기에 의한 신호지연량(Atmospheric Excess Phase)이 포함된 Level 1b 데이터, 그리고 온도, 압력, 습도 및 전자밀도의 연직분포도를 나타내는 Level 2 데이터 등으로 각각 구분된 제품군 파일로 사용자들에게 배포된다. 또한 세계기상기구(WMO)에서 기상관측자료에 대한 형식으로 사용, 관리되는 BUFR (Binary Universal Form for the Representation of Meteorological Data) 파일도 제공된다. Fig. 4는 원시 데이터 생성 시작부터 최종 사용자 데이터 배포까지의 흐름을 나타낸 것이다.

3. 활용 사례

미국 국립해양대기청과 기상연구대학연합 및 유관기관에서는 2018년 10월부터 수치기상예보에 다목적실용위성 5호 전파 엄폐 데이터를 활용하고 있다. 또한, 현업용 데이터에 대한 품질 확인을 완료한 2019년 4월부터는 세계기상기구 회원국이 기상자료를 공유하는 체계인 세계기상통신망(Global Telecommunication System, GTS)을 통해 데이터가 배포되고 있으며, 다양한 대기 및 기상예보 연구목적으로도 활용 중이다. 유럽기상위성개발기구(EUMETSAT) 산하의 ROM SAF (Radio Occultation Meteorology Satellite Application Facility)의 보고서에 따르면, 다목적실용위성 5호의 데이터 품질은 매우 양호한 상태이며, 다른 위성들과 유사한 수준의 특성을 나타내고 있다(Bowler, 2018). 또한, Fig. 5에 나타낸 바와 같이 전세계 각지의 관측자료 중에서 대부분 유효한 데이터를 확보하고 있다. 뿐만 아니라 다목적실용위성 5호의 궤도는 고도 550 km의 태양동기궤도로 운영되고 있어 지구를 하루 15+(1/28) 회전하므로 이를 궤도 주기로 환산하면 약 95.8분이어서, 총 15회전을 하는데 걸리는 시간은 약 23시간 57분이 되므로 하루 이후 이전날과 거의 동일한 상공을 비행하는 특성을 갖게 되므로 거의 동일한 지역의 관측자료를 1일 이내에 다시 확보할 수 있다는 장점이 있다. Fig. 6은 매 시각 생성되는 원시자료를 수집, 처리, 배포하는 데이터 자동화 시스템(KOMPSAT-5 RO ExTrans)의 실제 운용 화면을 예시하였다.

4. 결론

GNSS 전파 엄폐 데이터는 대기정보의 연직분포 산출을 통해 온도, 압력, 습도 등을 파악할 수 있어 기상예보를 위한 수치모델에 활용 가치가 높다. 본 논문에서는 한국항공우주연구원에서 운영하고 있는 다목적실용위성 5호의 전파 엄폐 데이터를 활용기관에 준-실시간으로 제공하기 위한 시스템 구성 및 운영개념을 제시하고, 데이터 확보 현황 및 품질, 그리고 실제 활용사례를 소개하였다.

Acknowledgements

본 과제는 한국항공우주연구원 위성임무관제 사업(FR22G00)에서 수행되었다.

Fig. 1.

Principle of GNSS Radio Occultation [adapted from https://www.cosmic.ucar.edu]

Fig. 2.

Ground Track of KOMPSAT-5 with Ground Stations

Fig. 3.

System Architecture and Interface

Fig. 4.

Overall Data Flow from Initial Acquisition to Final Distribution

Fig. 5.

Location of the Occultations for KOMPSAT-5 over 1 Month Period

Fig. 6.

User Interface Example of RO ExTrans for Data Acquisition, Pre-processing, and Distribution in KARI

참고문헌

• Lee WK, et al (2007) Retrieval of Electron Density Profile For KOMPSAT-5 GPS Radio Occultation Data Processing System. J. Astron. Space Sci 24(4):297–308Article
• Kim EH, et al (2021) A Study on Improvement of the Use and Quality Control for New GNSS RO Satellite Data in Korean Integrated Model. Atmosphere 31(3):251–265
• Bowler NE (2018) An initial assessment of the quality of RO data from KOMPSAT-5. Met Office, Exeter

Appendix

Figure & Data

References

Citations

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