1. 서론
신호정보(signal intelligence)는 통신감청(communication intelligence, COMINT)와 함정이나 지상의 레이더 등에서 발생되는 신호를 획득하는 전자정보(electronic intelligence, ELINT)를 의미한다[1].
미국과 소련이 1960년대부터 상호 감시를 위해서 위성시스템을 구축했으나, 구소련의 붕괴로 냉전시대가 무너지면서 군비경쟁에 안정적인 비용투입이 어려워 신호정보위성의 유지가 어려워졌고, 동시에 상호 감시 필요성이 감소되었다[2,3]. 하지만 최근 신호정보가 상호 감청 외에도 국가간 분쟁 문제 해결(국경 분재, 불법 조업 감시)에 활용되고 있고, 숲 등에서 불법 사냥, 생활 신호 획득을 통한 도서지역 감시 등에도 사용될 수 있다. 이런 이유로 최근 많은 연구개발이 수행되고 있고 상용으로 신호정보를 서비스하는 곳도 생겨났다[4,5].
본 논문에서 냉전시대부터 현재까지 신호정보위성의 추세를 살펴보고 기술적인 사항과 성능을 살펴본다. 특히 미국, 러시아, 중국, 프랑스 등에서 발사한 대형위성 기반의 신호정보위성을 분석하였고, 뉴스페이스 시대에 맞춰 새로운 기업들이 신호정보취득을 위해 어떤 기술을 적용하였고, 고객들에게 어떤 서비스를 제공하는지를 살펴본다.
본 연구에서는 향후 본 연구팀의 목표로 고려하고 있는 저궤도 초소형위성 기반 신호정보수집의 장단점을 무인기 기반의 신호정보 수집 임무와 정지궤도 위성 기반 신호정보 수집 임무와 비교하여 분석하였다. 또한 저궤도 초소형위성 기반 신호정보 수집을 위해서 어떤 기술들이 필요한지에 대해 알아보고자 한다.
2. 신호정보의 정의 및 필요성
본 논문에서는 다루는 신호정보란 각종 통신장비 및 전자장비에서 방출되는 전자기파를 기반으로 취득하는 정보를 의미한다. 이러한 정보를 생산하기 위해서는 신호를 수집하여 처리하고 분석하는 등의 제반활동이 포함된다. 신호정보는 전자기파의 종류에 따라 통신정보, 전자정보 등으로 분류된다. 통신정보(COMINT)는 사람과 사람간의 통신 내용을 바탕으로 취득한 정보를 의미하고 전자정보(ELINT)는 특정 시설로부터 방출되는 통신/비통신 전자기적 신호를 감지하고 분석하는 것을 의미한다. 전자정보는 레이더 신호부터 미사일 및 위성통신 등과 같이 지상통제소간 교신 내용을 포함한다.
신호정보수집은 크게 관심 위성의 주변으로 이동하여 신호를 수집하는 임무와 지상의 불특정한 신호를 수집하여 신호원의 위치를 파악하는 임무로 분류되게 된다. 전자는 목표하는 위성에 접근하여 근접 운용을 통해 신호를 획득하는 개념이며, 정지궤도에서 주로 활용되는 개념이다. 후자는 지상의 불특정한 신호원의 위치를 파악하기 위해 식별하게 위해 단일/편대비행 운용하는 개념이다. 2개의 임무 운용 모드가 같이 수행된다면 효과적으로 RF 측면에서 이상징후를 대응할 수 있게 된다.
전자의 대표적인 임무는 Mentor 4/Advanced Orion 위성이며, 동경 100도에 배치되어 있다가 이동하여 원하는 정보를 취득하였다. 점차 중국쪽으로 이동하여 중국의 RF 신호를 감시하거나 Fig. 1과 같이 Thuraya2 위성근처로 이동하여 아프가니스탄 및 파키스탄에서 발생하는 위성전화를 감청하여 정보를 수집하였다[6].
후자의 대표적인 임무로는 최근 발사된 HawkEye360이 대표적이다. 3개 위성이 편대비행하며 운용되고, 3개의 위성이 동일한 신호를 취득한 내용을 바탕으로 TDOA(time difference of arrival)/FDOA(frequency difference of arrival) 알고리즘을 이용하여 지상신호원의 위치와 속도를 추정한다[5].
신호정보위성은 위성영상으로부터 획득하지 못하는 정보를 획득하여 의사결정에 도움을 줄 수 있다. 위성영상은 정밀하고 고해상도 영상을 획득하지만 Fig. 2와 같이 좁은 대역폭으로 인해 광대역으로 발생하는 징후를 인지하기 쉽지 않다. 신호정보체계는 위성영상정보의 한계를 극복하고 탐지 및 공격에 이르는 합동작전에 활용하여 사용자의 의사결정을 신속하고 정확하게 할 수 있도록 도움을 준다.
특히, 한반도의 특성상 3면이 바다이고, 여러 국가와 exclusive economic zone에 대한 분쟁이 때문에 광역으로 감시가 필요하다. 특히 불법 어선, 선박 및 밀수 교류 감시 시 기존 자산인 무인기 등을 운용하기에는 날씨, 운용 거리 등에 한계가 있다. 뿐만 아니라 좁은 관측폭을 갖는 위성영상으로는 관심 지역에 대한 광대역 관측이 어렵기 때문에 신호정보위성을 통한 광범위한 관측이 필요하다.
3. 기존 신호정보위성 추세
미국 정부에서 운용한 SIGINT 위성 프로그램은 발사 년도 순으로 분류하면 Table 1과 같다. 동일한 시리즈로 여러 개 발사되기도 하였으나 시리즈별로 위성을 분류하였다. 신호정보수집 위성은 주로 냉전시대때 주변국을 감시하기 위한 주요한 감시정찰 수단이었으나, 냉전시대가 종료된 후에도 지속적으로 주요 지역에 대한 감시정찰 수단으로 운용하고 있는 것으로 알려졌다. 초기 형상을 제외하고는 대부분의 위성이 메쉬 소재 기반의 대형전개형 안테나를 사용하고 있으며[7], 점차 안테나가 대형화하는 추세였고, 적국을 감청하는 목적으로 발사된 위성이 대부분이기 때문에 정지궤도에서 운용되었다. 대형전개형 안테나를 이용하여 안테나이득을 높이는 형태로 시스템이 구성되었고[8], 최근 발사된 위성 Trumpet의 안테나의 크기는 최대 150 m까지 증가하게 되었다. 대부분의 신호정보위성이 광대역으로 신호를 취득하는 것이 목표이기 때문에 log-periodic antenna를 다수 이용하여 안테나를 구성한 특징을 갖는 것을 Table 1을 통해서 알 수 있다.
러시아의 신호정보위성은 Table 2에 정리하였으며, 초기에는 미국과 다르게 평판형 안테나를 이용하는 형태가 대부분이었고, 러시아에서 발사가 가능한 Molniya 궤도로 운용되었음을 알 수 있다. 최근 발사된 Pion-NKS의 경우 신호정보 외에 SAR 운용이 가능하도록 위성을 설계한 것이 특징이다. Pion-NKS는 2021년 6월에 소유주로 발사되었다.
중국도 미국/러시아와 마찬가지로 비슷하게 신호정보획득 능력을 확보를 위해 노력해 온 것으로 알려졌다. 냉전시대에는 마오쩌둥의 지지를 받아 701 프로젝트를 통해 1970년대 신호정보 위성을 획득하기 위해 노력해 왔으나 정치적인 이유로 실패로 끝났다. 그 이후 중국의 경우 공식적으로 SIGINT 위성을 발사하고 운용한 사례를 발표한 바 없으나, 사진으로 보여지는 위성의 형태 혹은 메쉬를 이용한 대형전개형 안테나를 운용하는 등 안테나의 형태를 바탕으로 SIGINT 위성임이 추측 가능하다. 중국에서 발사된 위성들 중 신호정보 위성으로 추측되는 위성들은 Table 3과 같다.
프랑스 위성은 2000년대 초부터 저궤도에서 신호정보수집 위성을 운용하는 것을 목표로 개발해왔다. 2021년에 발사한 CERES는 3대의 위성이 편대를 이루어 운용되며 지상신호를 감지하고 위치를 추정하는 임무를 수행하고 있다. CERES의 경우 0.5 GHz에서 40 GHz까지 신호를 취득할 수 있도록 시스템이 구성되어 있으며, ELINT 임무를 수행할 수 있도록 되어 있다. PRF의 경우 50∼500 kHz, 펄스폭은 50 ns∼500 us까지 관측이 가능한 것으로 알려져 있다. 또한 신호의 특징 외에 신호원의 위치 등을 추정할 수 있도록 시스템이 구성되어 있다(Table 4).
4. 최근 신호정보위성 추세
앞의 위성들은 대부분 군사적 목적으로 정부에서 투자한 전통적인 위성 프로그램에 해당된다. 최근 뉴스페이스 시대에 맞춰 민간에서의 신호정보 위성이 많이 발사되어 서비스 중에 있다. 대부분 AIS 신호 획득 및 배포 또는 해안 감시에 그 목적을 두고 운용하고 있다. 현재까지 발사된 신호정보위성 및 서비스 형태는 Table 5와 같다. AIS 정보 획득 및 배포에 있어서 Spire가 현재까지 오랜 기간 서비스하고 있으며, RF 정보 획득 및 RF 방출 위치 추정에 대한 서비스는 HawkEye360에서 수행하고 있다.
전술한 바와 같이 대부분 AIS 탑재체에 초점이 맞춰져 있으며, ‘RF 스펙트럼 모니터링’용으로 제한적인 주파수에 대해서 취득 가능하도록 개발되었다. 대부분의 신호정보취득을 위해 Cognitive Radio인 SDR(Software Defined Radio)을 이용하고 있다. HawkEye 360은 다양한 안테나를 탑재하고 있어 VHF, UHF, S-band, L-band 등까지 취득이 가능하도록 안테나 탑재를 하고 있는 것으로 보인다.
HawkEye360에서 서비스하고 있는 서비스 모델을 살펴보면 다음과 같다.
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- 서비스 가능 주파수
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ㆍVHF Marine Communications (48 Channels), 156.050–157.425 MHz
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ㆍVHF Ch. 70 Digital Selective Calling (DSC), 156.525 MHz
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ㆍUHF Push-to-Talk, 462.5625–462.7250 MHz and 467.550–467.725 MHz
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ㆍL-Band Mobile Satellite Devices - GEO-Mobile Radio (GMR), 1,626.5–1,660.5 MHz
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ㆍGPS Interference, 1,547–1,576 MHz
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ㆍS-band 3.05 GHz Marine Radar
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ㆍX-band 9.375–9.454 GHz Marine Radar
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- 데이터 서비스(RF GEO, Fig. 2)
HawkEye 360의 경우에는 우크라이나의 사례를 통해서 GPS Jamming 위치에 대한 추정 결과를 보여줬으며, 인도-중국 접경지역인 갈완 지역에 군사기지 설치 등의 활동을 RF 신호 탐지 및 위성영상의 융합을 통해 분석한 사례도 있다. 이런 형태의 서비스는 각 중앙정부 또는 지방정부에서 관할지역을 효과적으로 관리할 수 있는 수단이 될 수 있음을 보여주었다(Figs. 3 and 4).
5. 저궤도 위성 신호정보 수집의 장단점
전쟁상황에서 무인기 기반 신호정보수집은 위성에 비해 높은 기동력과 적진의 근접 관측이 가능하기 때문에 장점이 많다. 하지만 평시에는 주변국의 공역을 비행하기 어렵기 때문에 신호정보에 대한 감시정찰의 제약사항이 많다. 이로 인해 유인기 또는 무인기로는 위성에 비해 낮은 고각으로 관측해야 한다. 낮은 고각으로 운용시에는 주변의 여러 잡음으로 인해 신호대잡음비(Signal-to-Noise Ratio, SNR)가 좋지 않게 될 수 있고, 위치 추정을 위한 기하학적 배치가 불리하여 상대적으로 낮은 위치 추정 정밀도를 갖는다. 이에 반면 위성은 높은 DOP(dilution of precision)를 생성함과 동시에 신호가 대기 및 지형을 통과하는 거리가 무인기에 비해 짧아서 훨씬 유리하다(Fig. 5).
냉전시대 때 대부분의 신호정보 위성이 Molyina 궤도 또는 정지궤도(GSO 또는 GEO)에서 운용되었다. 이는 정확한 위치를 찾아내는데 목적을 두기 보다, 감시공백을 없애고 연속적으로 신호를 감청하기 위한 목적이 있었다. 저궤도 위성은 AoI 관측을 연속적으로 할 수 없는 단점이 존재하지만 상대적으로 작은 안테나로 신호를 취득할 수 있다는 장점이 있다.
현재 한반도에서 정지궤도로 위성을 직접 발사하는 것이 불가능하고, 타국 발사체로 발사한다고 하더라도 정치적인 이유로 불가할 가능성이 높다. 이러한 제약조건은 기존의 대부분의 신호정보 위성을 운용하고 있는 국가들이 자국발사체를 보유하고 있는 것과 연관이 있다.
전술한 바와 같이 동일한 신호세기의 지상신호를 저궤도와 정지궤도에서 각각 수신시 6 dB 이상의 SNR을 얻기 위해서 전개형 안테나에 필요한 안테나 이득과 안테나 크기는 다음 Table 6와 같다. 이때 저궤도 위성은 최대 45° 자세를 틀어서 본다고 가정하고, 정지궤도는 바로 직하방향을 본다고 가정하였으며, 공통적으로 Noise Figure를 6 dB로 설정하고 자유공간손실만 고려하여 계산한 결과이다. 안테나 효율은 30%를 가정하여 안테나 크기를 계산하였다. 분석 결과를 통해 정지궤도에서는 신호 종류에 따라 30 m 크기의 안테나가 필요한 것을 알 수 있다. 신호의 종류가 더 다양하다고 하였을 때, 요구되는 안테나는 훨씬 더 클 수 있다.
또한 동일하게 3개 위성을 이용하여 동일한 규격으로 위성간 시간동기(100 ns 이하)와 위치오차(30 m)가 가능하고 동일한 편대형상을 갖는다고 가정하면 저궤도와 정지궤도위성이 갖는 GDOP는 Fig. 6과 같이 획득된다. 저궤도에서는 관측범위 내에서 20 km 이내의 위치 추정오차를 갖는데 정지궤도에서는 300 km 정도 획득됨을 알 수 있다. 또한 위성이 일자로 배 치되는 형상에서 정지궤도 위성의 경우 수만 km까지 오차가 발생할 수 있고, 이는 저궤도 위성에 비해 신호원 위치 추정의 정확도가 낮을 수 있다는 것을 의미한다.
정지궤도가 갖는 장점은 지속적인 관측이 가능하다는 점이 있다. 저궤도 위성은 특성상 관측시간이 짧아 지속적인 관측이 불가능하며 군집운용을 통해 이를 보완이 가능하나, 정지궤도만큼 지속적인 관측을 위해서는 위성이 수십 개가 필요하다.
다만 저궤도 위성 발사는 국내에서도 가능하고 궤도확보에 제약이 없다. 또한 상대적으로 작은 크기의 안테나만을 가지고도 신호정보를 취득 가능하고, 지상신호원 위치 추정 정확도가 높다는 장점을 갖는다는 것을 알 수 있다. 때문에 위성 발사를 위해서는 요구되는 성능, 임무, 개발 비용, 운용 비용 등 종합적으로 절충분석이 필요하다.
저궤도 위성 기반 신호정보수집을 위해서는 다음과 같은 기술 연구가 필수적이다.
국내 상황에 맞는 신호정보위성의 운용개념이 필요하며, 이에 따른 시스템 아키텍처, 임무 및 지원 방안, 궤도 운용, 자세 운용, 데이터 흐름에 대한 연구가 필요하다. 국내에서 무인기를 이용한 연구는 많이 수행되어 왔으나 위성에 대한 연구사례가 부족한 분야이기 때문에 향후 ‘설계 참조 임무(design reference mission)’에 대한 연구가 진행되어야 한다.
광대역으로 수신가능한 안테나에 대한 연구개발이 필요하다. 우선적으로 관측대상이 되는 신호원의 종류와 주파수가 Fig. 7과 같이 넓은 범위를 갖기 때문에 광대역으로 수집가능해야 한다. 하지만 저궤도 위성의 경우 대기 항력등으로 인해 안테나를 무한정 크게 탑재하지 못하는 단점으로 이해 넓은 주파수를 커버하도록 다수의 피더 장착에 한계가 있다. 저궤도 위성에서는 가능한 최소의 피더를 구성하여 시스템 복잡도를 낮춰야 한다.
또한 안테나 피더만 가지고 신호식별을 위한 신호 획득에 어려움이 있으므로 저궤도에서 운용가능한 수준의 대형안테나 연구가 필요하다. 특히, 대형 전개형 안테나의 경우 국내 연구사례가 부족한 분야로 많은 연구가 요구된다. 대형 안테나 피더로 선택가능한 형태는 원뿔안테나 또는 로그주기안테나가 활용 가능하다.
또한 다양한 방법으로 신호를 수집하여야 하기 때문에 넓은 대역폭으로 신호를 저장할 수 있는 Cognitive Radio 기술이 필수적이다. 특히 다양한 주파수 및 대역폭으로 신호를 탐색하고 이를 디지털신호로 취득하는 기술이 필요하며, 해당 기술을 신호수집장치로 개발하여 우주용 탑재체로 활용 가능해야 한다.
운용 및 핵심 하드웨어 기술을 바탕으로 취득된 신호정보는 지상신호원에 대한 위치 추정이 가능해야 한다. 이러한 TDOA/FDOA 알고리즘은 무인기에서도 많이 수행되어 왔으나, 위성에서 광범위한 영역에서 취득되는 신호정보를 TDOA/FDOA 알고리즘을 통해 다수의 신호원의 위치를 찾아내는 것은 무인기와 다른 상황이며, 국내에서 연구사례가 많지 않다. 게다가 TDOA/FDOA를 위해서는 위성 간 시간동기, 위성동기 등이 이루어져야 정확한 추정이 가능한데 이러한 측면에서도 연구가 지속될 필요가 있다.
마지막으로 취득된 RF 신호를 바탕으로 신호원의 특성을 파악하는 기술이 필요하다. 해당 기술은 국내에서도 딥러닝 기술을 이용하여 많이 연구되고 있다. 딥러닝 기술은 위성영상과 유사하게 사전학습을 통해 식별이 가능한 모델을 만드는 데 활용된다. 딥러닝 신호식별 기술은 수신된 신호를 바탕으로 신호원의 변복조 및 속도를 추정하게 된다. 이를 바탕으로 사전에 구축된 데이터베이스에 근거하여 신호원이 무엇인지 매칭하기 위한 기초 자료로 활용될 수 있다. 이러한 딥러닝 신호 식별 기술은 많이 연구되고 있으나 위성에서 수신된 신호처리에 대한 기술은 위성이 운용되기 전에 확보되어야 하는 기술이다.
6. 결론
본 논문에서는 저궤도 위성 기반 신호정보위성의 필요성을 설명하였고, 기존에 발사된 신호정보 위성과 최근 신호정보위성의 추세를 살펴보았다. 과거에서 현재까지 꾸준히 주요 국가들이 신호정보위성을 운용 및 유지 중임을 확인할 수 있었다. 기존 신호정보위성이 정지궤도위성 기반 신호정보 취득을 하는데 반면, 최근에는 저궤도 군집위성으로 운용하는 형태로 추세의 변화를 확인하였다.
또한, 저궤도 위성 기반 신호정보획득의 장단점을 무인기 기반 신호정보자산과 정지궤도위성 기반 신호정보자산과 비교하여 분석을 수행하였다. 저궤도 위성 기반 신호정보체계를 이용 시 무인기 및 정지궤도에 비해 갖는 단점들이 존재하지만 정확한 신호 위치 추정과 신호 획득에 용이함을 알 수 있었다.
마지막 향후 국내 연구 기반 수립을 위해 저궤도 위성 기반 신호정보수집 위성에 필요한 필수 기술에 대해서 정리하였으며, 향후 국내에서도 신호정보수집 위성 기술에 대한 연구 기반이 확장되기를 기대한다.
