첩보위성, 정찰위성의 이해-1

본 글은 모 시사월간지의 기고 요청으로 본 블로그의 운영자인 지수위성영상(주) 김흥규 실장이 작성한 내용입니다. 퍼가실 경우 반드시 출처를 밝혀주시기 바랍니다.

 

Credit : 지수위성영상(주) 연구개발실장 김흥규(www.landpix.com)

 

 

 

정찰위성(Reconnaissance Satellite)

 

서론

인공위성에서 촬영된 지구의 사진들이 세인들 사이에 화제로 등장하기 시작한 것은 그리 오래된 일이 아니다. 아마 우리나라 사람들이 위성영상의 놀라운 효용성에 대해 눈을 뜨기 시작한 계기는 2004년 4월에 발생한 북한 용천의 열차 폭발 사고가 아닌가 싶다. 당시 미국 디지털글로브사의 상업용 관측위성인 퀵버드 에서 촬영한 용천역의 고해상도 위성영상이 사고 발생 후 언론에 공개됨으로써 인공위성에서 촬영된 영상의 능력이 주목을 받게 되었다. 그 이후 동남아에서 발생한 지진해일 같은 대규모 자연재해나 이라크전 같은 국제적 이슈가 부각될 때마다 위성영상의 효용성은 지속적으로 부각되어왔다. 최근에는 국제적인 인터넷 검색사이트인 구글이 위성영상 및 항공사진 촬영업체들과 손잡고 구글어스라는 인터넷 위성영상 검색엔진을 런칭하여 화제가 되기도 했다.

이러한 인공위성 영상은 수신된 자료의 종류나 처리 방식에 따라 지표면이나 지하면에 대한 다양한 정보를 제공할 수 있고 실제 지구의 형상을 가상으로 구현하는데 활용될 수 있기 때문에 건설, 도시계획, 지도제작, 수자원, 환경, 농업 등과 같은 실로 다양한 민간산업분야에 활용되고 있을 뿐 아니라 적성국에 대한 공중정찰 등과 같은 군사, 첩보목적으로도 다양하게 활용되고 있다. 사실 위성영상 촬영과 관련된 제반 기술들은 군사적인 어플리케이션을 통해 개발되고 발전되어왔다고 해도 과언이 아니다. 1858년 프랑스의 뚜르나숑이 기구를 이용해 최초로 항공사진을 촬영한 이래 1차대전과 2차대전 기간 중 적성국에 대한 항공촬영 기술이 큰 발전을 이루게 되고 동서냉전을 거치면서 급기야 인공위성을 첩보, 군사적인 목적을 위해 이용하게 되는 단계에 까지 이르게 된다. 따라서 위성영상 관련 기술의 전략적, 경제적 중요성을 간파한 세계 각국들은 동 기술을 국가 기간 인프라로 인식하고 기술개발과 민간분야로의 기술 응용을 서두르고 있는 실정이다.

그러나 우리의 현실은 그렇게 녹녹치 않다. 민간 및 군사 분야를 막론하고 일찍이 군사 첩보 목적의 위성영상 관련 원천 기술을 확보하고 여러 분야에 응용하기 시작한 몇몇 국가들이 관련기술의 대외 유출에 민감하게 대응하고 있으므로 독자적인 원천기술의 확보가 쉽지 않은 상황이다. 특히 군사정찰 분야의 경우 미국, 러시아, 중국, 일본 등 주변 강대국들은 모두가 정찰위성을 우주공간에 띄워놓고, 한반도 상황을 손바닥 손금 보듯이 내려다보고 있다. 과격하게 말한다면 무주공산 우주공간에서 우리 안방을 사생활 염탐 당하듯이 발가벗은 모습으로 상대편에게 노출당하고 있는 것이다. 민간, 군사 모든 분야에서 정보력의 중요성은 아무리 강조해도 지나침이 없을 것이다. 우주공간은 영공의 개념이 적용되지 않기에 막을 수 있는 방법은 없으나 적어도 우리도 같이 상대방의 안방을 감시할 수 있는 능력은 보유하고 있어야 하지 않겠는가.  다행한 것은 우리나라도 향후 2015년에는 세계 10위권의 선진우주국에 진입한다는 목표를 설정하고, 우주개발에 대한 국가적 차원의 정책추진방향과 함께 단계별 기술개발분야 및 전략에 대한 "우주개발중장기기본계획"을 수립하여 실천 중에 있다. 또한 1999년 국내 최초의 상업용 관측위성인 아리랑 1호를 성공적으로 발사하였으며, 지속적으로 기술개발에 노력하여 1m급 고해상도 영상을 수집할 수 있고 정밀 자세제어 능력을 갖춘 다목적실용위성 2호(아리랑 2호)가 2006년 5월중 발사될 예정에 있다. 그럼에도 불구하고 미국이나 러시아를 비롯한 선진국들이 보유하고 있는 정찰위성의 수준에는 크게 미치는 못하는 수준인 것이 사실이다.  따라서 한반도 상공에서 활동하고 있는 우리 주변 선진국들의 정찰위성에 대해 살펴보고 우리가 나아가야할 바를 고민해보고자 한다. 

위성영상이란 무엇인가?

인공위성에 대한 개념적 지식이 없는 일반인 들은 운용 목적에 따라 다양한 종류의 인공위성이 존재함을 모르는 경우가 많다. 예를 들어 무궁화위성과 같이 방송통신전파의 중계 또는 송수신을 위해 이용되는 방송통신 위성이 있는 반면에 GPS위성과 같이 지상 어느 지점의 위치를 측정하는 등 측지측량을 위해 이용되는 측위위성도 존재한다. 또는 우주입자 검출과 같이 우주공간상의 대기물리학적 분석 등을 위해 이용되는 과학위성, 지구나 천체의 영상자료를 얻기 위해 운용되는 관측위성, 위와 같은 다양한 목적을 한꺼번에 수행하기도 하는 다목적 위성도 존재한다. 따라서 무궁화위성에서 촬영한 사진은 얼마나 자세하게 보여요? 라는 질문은 우문에 해당한다. 본 글에서는 지상의 사진을 얻기 위해 운용되는 관측 목적의 인공위성에 대해서만 설명하고자 한다.

관측목적의 인공위성은 위성체에 광학 카메라, 각종 분광센서 등을 탑재하여 지구상 어느 대상물에 대한 사진을 촬영하고 이를 지상으로 투하하거나 전파형태로 지상수신국으로 전송하여 분광학적 또는 기하학적 보정처리를 거친 후 특정 목적으로 이용할 수 있도록 하는 것이다. 이 과정에서 일반적인 카메라와 다른 점은 다양한 분광파장 영역의 데이터를 수집할 수 있다는 것이다. 즉, 사람의 눈이 인지 가능한 가시광선 파장 영역뿐 만 아니라 적외선영역, 마이크로웨이브 영역 등의 다양한 파장영역의 자료 수집이 가능함으로써 군사첩보, 농업, 수자원, 환경, 지질 분야 등의 다양한 목적에 이용이 가능하다는 것이다. 과거에는 인공위성에 아나로그 사진필름을 적재함으로써 광학적 형태의 촬영을 실시한 후 사진필름을 캡슐에 담아 지상으로 투하하고 이를 수거하여 이용하기도 하였으나 이러한 방법은 사진필름을 인공위성에 적재하는데 한계가 있음으로 인해 위성의 수명이 수십일에 불과할 정도로 짧고 수거된 필름을 다시 스캐닝하여 디지털화 하는 과정에서 영상의 질적 저하가 있으며, 처리과정에 큰 비용과 시간이 소요되는 등의 문제점이 있어 지금은 거의 이용하지 않고 있다.

정찰위성의 이해

사람들은 보통 군사위성, 첩보위성, 정찰위성이란 용어를 같은 의미를 가진 것으로 혼용하는 경우가 많다. 그러나 군사위성(Military Satellite)이라는 용어는 가장 광의의 의미로써 지상의 사진을 촬영하는 관측위성 뿐 만 아니라 군사적인 목적으로 이용할 수 있는 모든 용도의 위성을 총칭하는 말이다. 지상관측을 위한 정찰위성, 군사용 통신위성, 군사용 기상위성, 적의 미사일 발사를 탐지하는 조기경보위성, 미사일의 정밀한 유도나 좌표측정을 위한 측위위성, 핵실험을 탐지하는 핵탐지 위성, 적의 통신전파를 탐지하는 감청위성 등 상당히 다양한 종류가 있다. 이 밖에, 목적이 뚜렷하지 않은 비밀위성도 상당수 존재 하는 것으로 파악되는데 위성파괴용 킬러위성 등이 이에 해당한다.

종류		용도	대표사례
통신위성		군사적인 목적의 통신	DSCS, Milstar(미국) NATO(유럽) Raduga(러시아) 무궁화(민간과 공용)
정찰위성	관측위성	지구상의 영상 취득	KH, Lacrosse(미국) Helios(프랑스) Cosmos(러시아) IGS(일본)
	조기경보위성	미사일발사 탐지	Samos, Midas, DSP(미국) Cosmos 2397(러시아)
	감청위성	통신전파 감청	Vortex, Mercury(미국) Cosmos(러시아)
	핵탐지위성	핵실험 등의 감시	Vela Hotel(미국)
기상위성		군사적인 목적의 기상관측	DMSP(미국)
지구측위위성		미사일유도, 지리좌표측정, 자동항법	GPS(미국) Glonas(러시아) Galileo(유럽)
기타		위성파괴를 위한 킬러위성 등	미상

 

[군사위성의 종류와 용도]

첩보위성(Intelligence Satellite)과 정찰위성(Spy Satellite or Reconnaissance Satellite)이라는 용어는 군사위성 보다는 협소한 의미로써 제반 군사적인 목적의 정보수집을 위해 이용되는 위성을 총칭한다. 지상 및 해양 관측위성, 핵폭발 및 핵실험 탐지위성, 미사일 발사 탐지위성,  통신전파 감청위성 등이 이에 해당한다. 그러나 첩보위성이나 정찰위성이라 하면 지구상의 영상취득을 위한 관측위성을 의미한다고 보는 것이 일반적이다. 보다 정확히 이야기하면 인공위성에 탑재된 광학센서를 통해 가시광선 영역에서 적외선 영역에 이르는 다양한 분광파장대의 광학영상을 취득하거나 합성개구레이더(Synthetic Aperture Radar)라 불리는 레이더 탑재체를 이용해 주야나 기상의 영향을 거의 받지 않는 전천후 영상을 취득하는 위성을 일반적인 의미에서의 첩보위성 또는 정찰위성이라 한다. 따라서 본 글에서는 공개된 정보와 지면의 제약 상 모든 군사위성을 다룰 수는 없으며 일반적인 의미에서의 정찰위성인 관측위성에 대해서만 언급하고자 한다.

동서냉전 시대에 미국과 구소련이 경쟁적으로 개발했던 정찰위성 기술은 동서냉전의 종료와 동시에 상당수의 수요처를 잃게 되고 미국과 러시아 정부는 일부 관련기술을 민간에 개방함으로써 위성에서 촬영한 고해상도 영상을 상업적으로 판매할 수 있게 된다.  따라서 1999년 미국의 Space Imaging 사가 발사한 IKONOS 위성을 필두로 과거 군사적인 목적으로 이용했던 고해상도 위성영상들도 민간산업용으로 이용 가능하게 된다. 위성영상 검색 사이트인 구글어스 등이 대표적인 민간용 어플리케이션이라 할 수 있다. 이렇듯 과거에 군사적인 목적으로 이용되었던 고해상도의 위성영상이 민간에 개방됨에 따라 적지 않은 부작용도 있는 것이 사실이다. 구글어스가 각국의 군사시설 등 주요 보안시설을 무차별적으로 인터넷에 공개함으로써 테러분자나 적성국 등에서 불순한 목적으로 이용할 수 있게 했다는 것이 그것이다. 그러나 관련업계에서는 상용화된 위성영상은 이미 첩보로써의 가치를 잃은 과거의 자료이거나 현재의 기술수준으로 봤을 때 군사용 정찰위성의 그것에 비해 해상도가 많이 떨어지므로 일부의 주장은 그저 우려일 뿐이라고 이야기하고 있다.

현재 미국정부에 의해 민간에 판매 허용된 위성영상의 최대 공간해상도(Spatial Resolution)는 60cm급으로 영상의 한 화소(Pixel)가 가로, 세로 60cm 영역을 표현한다는 의미이다. 보다 쉽게 설명하면 60cm  이상 크기의 물체가 무엇인지 인지할 수 있는 수준이라고 이해하면 될 것이다. 보통 승용차 정도 크기의 물체를 판독할 수 있는 수준이다. 구글어스에서 볼 수 있는 위성영상이 바로 이것이다. 또한 베일에 싸여 있지만 미국의 광학정찰위성인 KH-12(KeyHole-12)의 공간해상도는 5cm라는 설도 있고 15cm 라는 설도 있다. 또한 미국의 레이더(SAR)위성인 라크로스(Lacrosse)의 분해능(Resolving Power)이 15cm라는 설도 있으나 이 역시 확인 불가능이다.  5cm 정도의 공간해상도라면 축구공 크기의 물체가 명확히 판독되는 정도라고 볼 수 있다.

이렇듯 정찰위성에 대한 정보는 극히 제한적이다. 관련기술을 보유한 주요 국가들이 이러한 기술을 극비로 다루고 있기 때문에 민간인이 접할 수 있는 정보라는 것이 그렇다더라 하는 설의 수준에 불과한 경우가 많다. 심지어는 공상과학영화나 첩보영화 또는 언론매체에서까지 정찰위성의 능력을 과대 포장하는 바람에 사람이나 차량을 추적하면서 실시간으로 동영상을 촬영할 수 있다거나 평양의 김일성 광장에서 어떤 사람이 읽고 있는 노동신문의 작은 활자까지도 구별할 수 있다거나 하는 다소 황당한 설까지 난무하고 있기도 하다. 그러므로 현재까지 공개된 정보 소스나 민간인이 이용할 수 있는 상업용 위성의 성능 등을 이용해 정찰위성의 성능을 유추해 봄으로써 정찰위성에 대한 보다 정확한 실체를 파악해 그 대응책과 국내의 기술개발 방향을 연구해보는 것도 나름대로 의미가 있다 할 것이다.

 

주요 국가의 정찰위성

1. 미국

미국의 정찰위성의 개발 및 운용은 국립정찰국(NRO, National Reconnaissance Office)에서 담당하고 있으며, 지구상 어느 나라보다도 앞선 정찰위성 기술을 보유하고 있다. 미국이 정찰위성을 처음으로 운용하기 시작한 것은 1959년 Corona 위성이 발사되면서부터이다. 이후에 KH(KeyHole)시리즈로 코드명이 바뀌게 된다. 현재까지 공개된 미국의 KH 시리즈 운용상황과 각 위성별 성능은 아래 표와 같다.

운용기간	명칭	별칭	공간해상도	기타
1959~1972	KH-1~KH-4	Corona	1.8m~7.5m	최초의 정찰위성 필름투하 회수식
1961~1964	KH-5	Argon	140m	필름투하 회수식
1963	KH-6	Lanyard	1.8 m	필름투하 회수식
1963~1967	KH-7	Gambit	0.46 m	필름투하 회수식
1966~1984	KH-8	Gambit	0.5 m	필름투하 회수식
1971~1986	KH-9	Hexagon Big Bird	0.30 m	필름투하 회수식
발사취소됨	KH-10	Dorian
1976~1995	KH-11	Crystal Kennan	0.15 m	최초의 디지털 촬영식
1990~현재 (확실치 않음)	KH-12	Ikon Improved Crystal	0.1m~0.15m (확실치 않음)	실시간정보수집 가능
1999~현재 (확실치 않음)	KH-13	8X 또는 EIS	0.04m~0.1m (확실치 않음)	확실치 않으나 레이더 영상 촬영이 가능하고 스텔스 기술이 적용되었을 것으로 추정

[KH 시리즈의 종류와 성능]

이 KH 시리즈는 열쇠구멍으로 들여다보듯이 200∼300㎞ 상공에서 지상을 정탐한다는 의미에서 이런 명칭이 붙었다고 한다. KH와 같은 정찰위성은 민간용 관측위성과 달리 대상지역으로의 즉각적인 이동 필요성 때문에 스스로의 동력을 이용해 궤도변경을 해야 할 경우가 많다. 또한 공간해상도를 극대화하기 위해 민간 관측위성의 운항고도인 600km~700km 보다 낮은 200km~300km 고도에서 운항하기 때문에 지구인력의 영향을 많이 받게 되고 이 때문에 자체 동력을 이용해 주기적으로 자세 및 고도보정을 수행해야 한다. 따라서 정찰위성은 민간위성에 비해 수명이 짧기 때문에 자주 위성을 발사해야 하는 것으로 알려져 있다.  현재 운용중인 KH-12, KH-13의 공간해상도는 15㎝ 이상으로 알려져 있으나 정확한 공간해상도는 베일에 가려져 있다. 미국의 차기 정찰위성인 KH-14는 1cm급의 공간해상도를 제공한다고 하며, 사실이라면 사람의 얼굴이나 신문의 큰 활자까지도 정확히 판독 가능한 수준이라 할 것이다.

KH위성의 또 다른 특징 중 하나는 분광파장 영역 중 적외선 영역의 영상을 촬영할 수 있다는 것이다. 적외선 영상은 일반적인 가시광선 영역의 영상이 탐지하지 못하는 분광영역의 정보를 수집할 수 있는 좋은 수단이기도 하다. 예를 들어, 열적외 영상은 온도를 감지하는 기능이 탁월해 지열, 체온, 차량 등의 장비에서 누출되는 열 등을 파악해 어두운 야간에 적 진지의 위치를 파악하거나 적의 움직임을 추적할 때 상당히 효용성이 있다. 그 이외에도 근적외 영상 등을 이용하면 식물의 분포 또는 작황상황 등을 분석할 수도 있다. 구소련이 붕괴된 이유 중 하나가 미국이 이 기술을 이용해 소련의 식량수급상황을 미리 파악해 식량을 무기화함으로써 소련의 개방을 유도하였기 때문이라는 설이 있을 정도이다.

그러나 KH 시리즈는 본질적으로 광학영상의 한계를 지닌다. 광학영상은 햇빛이 있는 주간에만 촬영이 가능하고 주간이라 할지라도 구름이 많다거나 기상상태가 나쁜 경우에는 좋은 품질의 영상을 촬영할 수 없다. 물론 열적외 촬영은 야간에도 가능하지만 본질적으로 공간해상도가 절반 미만으로 떨어지게 되고 이 역시 기상의 영향을 받지 않을 수 없다. 이러한 광학영상의 한계를 극복하기 위해 개발된 것이 레이더위성이다.

 

 

 

[KH-12, 출처 : http://www.sat-net.com]

레이더위성에 장착된 레이더센서를 합성개구레이더(SAR, Synthetic Aperture Radar)라 하며, 항공기에 장착했을 경우에는 SLAR(Side Looking Airborne Radar)라 한다. 일반적으로 알려진 미국의 첩보기인 SR-71 등에는 SLAR이 장착되어 있다. 이 SLAR은 항공기의 진행방향과 직교되도록 좌우측면을 스캔할 수 있어 적지에 들어가지 않고도 적정을 탐지할 수 있는 수단을 제공한다. 과거 휴전선 넘어 북쪽에 미군 헬기가 불시착 했을 때 이 SLAR을 이용해 휴전선을 넘지 않고도 불시착한 헬기의 위치를 정확히 파악할 수 있었다고 한다. 또 한 가지 사례는 2004년의 용천역 폭발사고 당시 기상상태가 극히 불량하여 KH 같은 광학정찰위성으로는 즉각적인 정보를 수집할 수 없었으나 미국은 레이더위성 Lacrosse를 이용해 상황을 최단 시간 내에 파악할 수 있었다고 한다. 이렇듯 레이더영상의 장점은 광학영상의 한계로 지적되어온 단점들을 대부분 극복할 수 있다는 것이다. 태양광의 반사정보를 기록하는 광학위성과는 달리 자체적으로 레이더파를 발사하고 반사된 정보를 기록하기 때문에 낮과 밤에 상관없이 높은 품질의 지표정보를 취득할 수 있다. 또한 레이더영상은 기상의 영향을 거의 받지 않는다. 레이더파는 구름을 투과하기 때문에 구름이 많은 날에도 질 좋은 영상을 얻을 수 있고 지표면이나 수표면 투과특성을 가지기 때문에 제한적이나마 지하의 군사시설에 대한 추적도 가능하다.

현재까지 알려진 미국의 레이더 정찰위성으로는 Lacrosse/onyx 위성이 있다. Lacrosse와 onyx는 미 국가정찰국(NRO) 주관으로 운용되고 있는 레이더정찰위성의 별칭이다. 공식적으로 미 국가정찰국은 이 위성의 존재를 부인하고 있지만 여기저기서 운용징후가 발견되고 있다. Lacrosse의 초기 버전은 뉴멕시코주의 화이트샌드에 있는 지상수신국으로 영상을 중계하기 위해 이용된 TDRSS(Tracking and Data Relay Satellite System)인 것으로 믿어지고 있다. Lacrosse는 여러 가지 옵션이 적용된 변형된 위성 모두를 지칭하는 것이며, onyx는 두 가지의 새로운 장치를 지칭하는데 제한적으로 이용된다. 지금까지 알려진 Lacrosse/onyx의 주요 임무 중 하나는 러시아의 이동식 탄도미사일(ICBM)발사대를 추적하고 B-2 폭격기에 위치를 전송하는 것으로 알려져 있다.

현재까지 5기의 Lacrosse 위성이 발사된 것으로 파악되고 있으나 현재는 4기의 위성만이 활동하고 있는 것으로 알려지고 있다. 최초 Lacrosse는 1988년에 스페이스셔틀 아틀란티스에 실려 궤도상에 올려졌고 1997년 활동을 마감했다. 마지막 Lacrosse는 2005년 4월에 발사되었다. 또한 이 Lacrosse위성의 공간해상도는 정확히 알려져 있지 않으나 10cm~15cm 정도 인 것으로 파악된다.

 

 

[Lacrosse/onyx, 출처 : http://www.fas.org]

 

미국의 기타 정찰위성으로는 Misty가 있다. Misty는 Zirconic 이라는 정찰위성 프로그램의 일환으로 발사되었다. Misty는 광학위성으로 적국이 이 위성을 탐지하지 못하도록 최초로 스텔스 기술이 적용되어졌다고 알려져 있다. 이러한 스텔스 기술은 지상레이더로 위성의 통과를 미리 감지하여 진지를 위장한다던지 하는 행위를 막기 위해 이용될 수 있다.