위성통신은 하늘에 띄운 중계기로 먼 곳을 잇는다. 높이 띄울수록 위성 하나가 넓은 지역을 덮지만, 신호가 오가는 거리가 길어 늦고, 지상에서 올려 보내는 신호도 세야 한다. 그래서 방송처럼 한 방향이면 높은 정지궤도를 쓰고, 휴대 기기와 주고받으려면 낮은 저궤도 위성을 여러 대 띄운다.
예시로 보기
신호가 빛의 속도(\(3.0 \times 10^8\) m/s)로 위성까지 곧장 오간다고 하면, 고도만으로 전파 지연의 하한을 구할 수 있다.
| 궤도 | 고도 | 지상 → 위성 → 지상 | 질문과 답의 왕복 |
|---|---|---|---|
| 정지궤도 (GEO) | 약 36,000 km (정확히는 35,786 km) | 약 239 ms | 약 477 ms |
| 중궤도 (MEO) | 10,000~20,000 km | 20,000 km이면 약 133 ms | |
| 저궤도 (LEO, 스타링크) | 540~570 km | 550 km이면 약 3.7 ms | 약 7.3 ms |
정지궤도로 영상 통화를 하면 말하고 답을 듣기까지 0.5초 가까이 걸린다. 저궤도는 지상 광케이블과 비슷한 수준이다. 이 차이는 소요시간의 전파 지연이고, 대역폭을 늘려도 줄지 않는다. 위성을 지상국 바로 위에 있다고 보았으므로 실제 거리는 이보다 길다.
정의
| 궤도 | 고도 | 쓰임 |
|---|---|---|
| 정지궤도 | 약 36,000 km | 방송·전화. 데이터는 VSAT |
| 중궤도 | 10,000~20,000 km | 단방향. GPS (위성 31개) |
| 저궤도 | 스타링크 540~570 km | 전화: 이리듐(Iridium). 인터넷: 스타링크, 양방향, 4,000여 대 운용 |
저궤도일수록 한 위성이 덮는 범위가 좁아지지만 속도(지연)는 빨라진다.
궤도가 높으면 위성이 보내는 신호는 위성의 출력을 키워 해결할 수 있다. 그러나 지상의 노드가 위성으로 보내는 신호도 세야 통신이 된다. 휴대 기기는 강한 신호를 내기에 알맞지 않다. 작은 접시 안테나로도 받기는 할 수 있지만, 높은 궤도로 보내려면 큰 접시 안테나가 필요하다. 그래서 휴대 기기의 양방향 통신에는 저궤도 위성을 쓴다1.
연결
확인 문제
C1 정지궤도 위성(고도 약 36,000 km)을 거쳐 서울에서 보낸 질문에 상대가 곧바로 같은 위성으로 답한다. 신호 속도 \(3.0 \times 10^8\) m/s, 위성은 두 지상국 바로 위에 있다고 볼 때, 답이 돌아오기까지 걸리는 전파 지연의 하한은?
답: 한 번 오르거나 내리는 데 \(3.6 \times 10^7 / (3 \times 10^8) = 0.12\)초다. 질문(오르고 내림)과 답(오르고 내림)이 모두 네 번이므로 \(4 \times 0.12 = 0.48\)초, 약 480 ms다.
흔한 오답: 120 ms나 240 ms. 위성까지 한 번, 또는 한 방향만 센 것이다.
C2 휴대 기기로 주고받는 위성 인터넷에 저궤도 위성을 여러 대 쓰는 이유를 두 가지 쓰라. 대신 치르는 비용은?
답: ① 가까워서 전파 지연이 작다. ② 가까워서 휴대 기기의 약한 신호로도 위성까지 보낼 수 있다(양방향). 대신 위성 하나가 덮는 범위가 좁아서 수천 대를 띄워야 한다(스타링크 4,000여 대).
C3 정지궤도, 중궤도, 저궤도의 고도와 대표 쓰임을 쓰라.
답: 정지궤도: 약 36,000 km, 방송·전화, 데이터는 VSAT. 중궤도: 10,000~20,000 km, 단방향, GPS. 저궤도: 전화는 이리듐, 인터넷은 스타링크(540~570 km, 양방향, 4,000여 대).
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안테나는 클수록 받기와 보내기 모두에 유리하므로, 이 문장은 “받기에는 작은 안테나로 충분하고, 보내려면 큰 안테나가 필요하다”는 뜻으로 읽힌다 [확인필요]. ↩