방산 기술 - 정지궤도 정찰위성

@oldstone님의 9월5일자 안보칼럼에서 킬체인의 허구성을 보고 참 문제가 많다는 걸 느꼈다. 지난 정부에서 뭔가 대단한 것이 있는 것처럼 떠들더니... 역시 아무것도 없었다는 것이다. 우울하다.

@oldstone님이 말씀하신 것처럼 위성으로는 북한 전역을 상시로 정찰할 수 없다. 왜 그런지 이번 포스팅에선 그 이유를 간단히 설명하고자 한다. 뭐 워낙 간단해서 길게 설명할 것도 없으니까.

우선 정찰 개념부터 간단히 설명하면...
정찰에는 탐지(detection), 인지(recognition), 식별(identification) 이렇게 3 level이 있다.

탐지(detection)는 뭔가 있다 없다만 아는 것이고
인지(recognition)는 그것이 사람이다 아니면 차량이다 정도를 아는 것이고
식별(identification)은 그 차량이 아군이다 적군이다까지 아는 것이다.

단순 탐지가 아니라 식별까지 하려면 정찰 장비의 성능이 더 좋아야 한다. 그런데 이것 또한 정찰 대상에 따라 기준이 달라지기 때문에 위성의 경우 일반적으로 탑재센서의 해상도를 가지고 구분한다. 즉 구분할 수 있는 물체의 크기가 30cm, 50cm, 1m, 2m 등으로 말이다. 약 50cm 해상도를 가진 정찰 위성은 지상의 승용차 정도를 인지할 수 있다고 보면 된다.

정찰 위성에 탑재되는 센서는 보통 SAR(레이더), EO(가시광선 카메라), IR(적외선 카메라) 3가지이다. 구름이 많이 끼었을 때는 EO/IR 카메라로는 보이지 않기 때문에 SAR(레이더)를 이용한다. IR은 밤이 되었을 때나 날씨가 흐려서 EO로는 잘 안보일 때 사용한다.

위성은 당연 인공위성을 말하는데 지구 자전주기와 동일하게 움직이는 그래서 지면에서 보면 정지해 있는 것처럼 보이는 것이 정지궤도 위성(fixed satellite)이고 그렇지 않고 이동하는 위성을 이동 위성(mobile satellite)라고 한다.

이동 위성은 지면에서 볼 때 한 곳에 있지 않고 휙하고 지나가기 때문에 어떤 특정 지역을 상시로 정찰하려면 여러개가 있어야 한다. 그런데 이 위성의 이동 속도가 빠르기 때문에 이동위성으로 특정 지역을 상시 정찰하기가 쉽지 않다. 그래서 정지 위성으로 정찰한다는 것인데... 이것이 기술적으로 불가능하다는 것이다.

정지 위성은 자력으로 정지궤도에 머물러 있는 것이 아니다. 지구의 중력과 위성의 지구 탈출 속도에 의한 원심력이 균형을 이루는 궤도가 정해져 있는데 그것이 지면으로부터 약 36,000km이다. 즉 정지궤도위성은 고도가 36,000km에서 지구와 같이 회전하고 있는 것이다. 고도가 더 높으면 우주로 날아갈 것이고 고도가 낮으면 지면으로 추락할 것이다.

그러면 한반도의 크기는 어느 정도인가? 남북으로 약 1,100km, 동서로 가장 긴 부분이 320km이다. 고도 36,000km에서 320km 지역을 카메라로 촬영한다고 생각해보자. 카메라의 렌즈로 한번에 잡히는 각도를 화각이라고 하는데 이 때의 화각을 계산해보면 약 0.009도(15urad)이다. 보통 화각 40도를 x1배라고 하는데 이는 보통 사람의 시야각을 기준으로 잡은 것이다.(실제 사람의 시야각은 약 120도로 넓다) 이렇게 보면 0.009도는 무려 x4500배이다. 광학계의 밝기를 정하는 #F를 생각할 때 광학계의 구경(entrance pupil)을 충분히 크게 해야 하므로 x4500배의 광학계를 위성에 다는 것은 불가능하다.

문제는 또 있다. 앞서 말한 탐지, 인지, 식별의 3 level을 좀 더 수치적으로 정한 것을 Johnson's criteria라고 한다. Johnson's criteria에 의해 6m 크기의 차량을 인지하려면 카메라 센서 한 픽셀(pixel, 화소)이 1m을 커버해야 한다. 이럴 경우 폭이 320km인 지역을 한번에 촬영하려면 horizontal pixel의 수가 32만개가 필요하다. 한 라인이 32만개의 픽셀로 이루어진 센서는 없다. 감히 말하지만 우리 세대에는 개발되기 어려울 것이다.

고성능 스마트폰에 탑재된 카메라 센서가 3천만개의 픽셀로 이루어져 있다고 쳐도 가로와 세로의 비를 16:9로 나누면 가로가 약 7,300여개밖에 안된다. 32만개라면 대충 얼마나 불가능한 수치인지 짐작이 될 것이다. 설사 정찰위성을 가로 세로 10대씩 100대를 배치한다 하더라도 한 개의 위성이 커버해야 하는 동서 길이가 30km는 되므로 이 또한 불가능하다.

기술적으로 설명하려면 꽤나 복잡한 이야기를 가급적 쉽게 설명하였다. 결론은 정지궤도 정찰위성으로는 한반도 상시 정찰이 불가능하다는 것이고 그러면 킬체인은...

2017년 국방예산이 무려 40조원이다. 노무현 대통령이 전작권 환수에 반대하던 장군들 보고 일갈하던 장면이 생각난다..

"부끄러운 줄 알아야지!"