우주통신과 전파잡음

가. 우주통신의 개요

1957년 10월 소련이 스프트닉스 1호 인공위성을 쏘아올린 이래 잇따라 수 많은 인공위성을 쏘아올려 우주개발 기술이 눈부신 진보 발전을 한 결과 1969년 7월에는 미국이 아폴로 11호의 착륙선이 달표면에 우주비행사를 착륙시키고 무사히 지구에 귀환하기까지 되었다. 더구나 이 동안의 달표면상의 모야은 우주통신의 덕택으로 누구나 방안에서 텔레비젼수상기로 볼 수 있었던 것이다. 현재에는 국제적 통신에 평시 활약하고 있는 우주통신은 벌써 특별한 통신수단이 아니고 일상의 중요한 통신수단의 하나로 되어 있는 것이다. 우주에서의 전파의 전파는 자유공간에서의 전파의 전파이고 기본적으로는 자유공간에서의 전파공신이 적용될 수 있다.
그러나 지구상과의 통신을 행할 경우와 같이 한평느이 국이 지상에 있을 때에는 전파는 대류권이나 전리층을 통과하게 되므로 사용주파수에 관한 고려가 필요하게 된다. 또 기타에도 우주통신에 관해서 고려해야만 되는 점이 있다. 그래서 우선 우주통신이란 무엇인가를 분명하게 하고 그 뒤에 우주통신의 전파상의 문제를 설명하기로 한다.

1. 우주공간

지구는 그 자체가 우주공간에 존재한 것이나 지구에서 생각하면 대범하게는 지구의 대기권의 외측을 우주공간으로 생각하면 된다.
지구의 대기권의 내외는 전리층이 존재한다. 전리층부에서 외측으로 지구반경의 약 9배정도의 영역을 외기권이라 하고 있다.
이 외기권에는 1958년에 쏘아올린 엑스폴로오러 인공위성에 의해서 확인되었다. 반알렌대(Van Al -len 대)라는 매우 강한 방사능을 지닌 두벨트대가 있다. 제1도에 표시하듯이 반알렌대는 지구 지자기의 축을 축으로 하여 도오너트 모양으로 지구를 둘러싸고 있다.
내측의 고리는 지구로부터 액 3,600km 부근 외측의 고리는 지구로부터 약 16,000km 부근에 강도가 극대가 있다. 반알렌대는 전파의 전파에 대해서는 거의 영향을 주지 않는 것 같으나 여기를 통과하는 통신기나 인간에는 방사능에 대한 방지책이 필요하다고 하고 있다.
최근에는 전리층과 외기권을 포함해서 지구 자계가 영향을 끼치는 범위를 자기권이라는 새로운 말로 표시하는 일도 있다. 외기권의 외측은 혹성 공간이라 한다. 혹성공간은 태양의 대기인 고온의 코로나에 의해서 둘러싸여 있다.

2. 우주통신

우주통신이란 제2도에서 표시하듯이
㉮ 우주국과 지구국
㉯ 우주국과 우주국
㉰ 우주국을 중계로 하는 2지구국의 사이에서 행해지는 통신을 총괄한 말이다.
우주국이란 지구 대기권 외에 존재하거나 우주에 존재하는 것을 전제로 한 무선국에서 보통은 인공위성상에 설치되어 있는 국, 때로는 우주 깊이 비행하는 우주선상의 경우도 있다.
지구국이란 지구의 표면상 또는 항공기상에 있어서 우주통신을 목적업무로 하는 국이다. 또한, 국제전기 통신조약, 무선통신 규칙에는 무선통신 업무를 지상업무 우주업무 전파 천문업무의 3으로 대별하고 있다. 이 중의 우주 업무가 우주통신의 업무에 해당하는 것이며 다음과 같이 분류되고 있다.

(1) 통신위성업무 - 통신신호의 발사 재전송
(2) 우주연구업무 - 과학기술상의 연구
(3) 방송위성업무 - 방송전파의 발사 재전송
(4) 무선항공위성업무 - 전파표식 방향탐지
(5) 기상위성업무 - 기상관측과 결과의 전송

3. 인공위성

인공위성은 지구상에서 쏘아올려진 위성이고 그 궤도가 지구에 대해서 이동하고 있거나 정지하고 있는가에 의해서 이동위성 또는 정지위성으로 분류된다.
이동위성에는 그 궤도의 고도에 의해 저고도 또는 중고도로 나누어 진다. 고도가 높으면 일반적으로 공전(지구의 주위를 돈다)주기는 길고 낮으면 공전의 주기는 짧게된다.(표1) 또 지구 적도면에 대한 궤도의 각도나 위성을 발사할 때의 속도 등에 의해서 궤도는 여러 가지로 결정된다. 이것들의 요소에 의해 원궤도로 되거나 타원 궤도로 되거나 한다. 정지위성이란 24시간의 공전주기를 가지고 지구의 자전 방향으로 동기하여 적도면상에서 고도 약 25,900km의 원궤도를 가지는 위성이다.

[표1] 동쪽으로 회전하는 적도원궤도의 위성주기

궤도의 높이 km	주기 (t)		주
	차도주기 Ts(t)	겉보기의 주기T(t)
1600 10300 13900 35900	2.0 6.0 8.0 24.0	2.2 8.0 12.0 무한대	8시간위성 12시간위성 정지위성

4. 통신위성

인공위성에는 그 사용목적(업무)에 따라 과학연구용(우주연구업무용),기상(기상위성 업무용) 등 여러 가지가 있으나 통신(통신위성업무)을 목적으로 한 인공위성을 통신위성이라 한다.
통신위성은 수동위성과 능동위성으로 분류된다.

수동위성

수동위성은 단지 전파를 반사하기만 하는 것으롱 증폭기를 가지고 있지 않다. 수신전력은 거리의 4승에 반비례하므로 충분한 S/N을 얻으려면 결국 수신기의 대역폭을 축소하여 수신기 잡음을 감하는 이외에는 방법이 없고 광대역 통신을 곤란하다. 초기에는 사용되었으나 현재에는 능동위성이 활약하고 있다.

능동위성

능동위성은 증폭작용을 가지고 수신파를 증폭하여 재발사한다. 지상에서의 제어에 의해서 전파의 발사정지 등을 할 수 있게 되어 있다.
우주통신 중에서 우주국(통신위성)을 중계용으로 사용할 경우의 것을 위성통신이라 하고 있다(제2도의 ③) 위성통신에는 정지위성을 사용하면 편리하아. 그것은 이동 위성에서는 지상국의 안테나의 지향 빔을 항상 이동하는 위성의 방향에 맞추어서 쪼아가 주어야만 되고 또 전세계를 커버하는 통신망을 만들기 위해서는 위성의 수를 증가해 주어야만 한다.
이에 대해 정지위성의 경우는 적도면상의 궤도에 3개의 위성을 120도의 간격으로 쏘아올려 두면 양 극지방을 제외한 전 세계를 포위하는 통신망이 가능하게 되는 것이다. (제3도) 아폴로 11호의 달 착륙의 모양을 알 게 한 전세계에 텔레비젼 중계는 인도양, 태평양, 대서양 상에 각각 쏘아올려 졌던 3개의 정지위성(인텔셋트 Ⅲ호계 위성)에 의해서 가능하게 된 것이다.

인텔셋트 Ⅲ호계 위성과 1970년대 위성통신 수요에 대처하기 위해 1971년 1월부터 쏘아 올려지고 있는 인텔셋트 Ⅳ호계 위성의 개관도와 제원을 제4도와 표2에 표시했다.

[표2] 통신위성의 개요

현상		INTELSAT-Ⅲ㎝㎝㎝	Ⅳ㎝㎝㎝
중량(궤도상)		122㎏	490㎏
수신주파수 ㎒		5925~6425(좌선원편파)	5925~6425(좌선원편파)
송신주파수 ㎒		3700~4200(좌선원편파)	3700~4200(우선원편파)
증폭기 1대당의 대역폭과 대수		255(㎒) × 2대 직선증폭기	36(㎒) × 12 직선증폭기
실효출력(증폭기 1대당)		160W 이상	클로우버 빔안테나 사용시 200W 스포트 빔안테나 사용시 3000W
안테나		기계적 클로우버 비임안테나 (남북 양반구를 커버	기계적 디스팬 클로우버 안테나 와스포트 빔 안테나
통신용량	증폭기 1대당	전화최대 720ch 및 텔레비젼 1ch 또는 전화 1200ch	전화최대 클로우버 972ch 스포트 1872ch 또는 텔레비젼 12ch
	전통신용량	전화 1200ch 또는 텔레비젼 4ch	전화 약 5000ch 또는 텔레비젼 12ch
전원		실리콘 태양전지 48240개 출력 161W 니켈-카드뮴축전지	실리콘 태양전지 약 20000개 충전용 약 400개 출력 500W 니켈-카드뮴 축전지
수명		5년	7년
발사한 로케트		개량형 롱탄탁소델타	아틀라스/센토올
반사년월 및 위치		F2 1968년 12월 대서양 F3 1969년 2월 태평양 동년 인도양에 이동 F4 1969년 5월 태평양 F6 1970년 1월 대서양 F7 1970년 4월 대서양	F2 1971년 1월 대서양 이하예정 F1 1971년 7월 태평양 F3 1972년 12월 대서양 F4 1972년 5월 태평양 F5 1972년 후반 대서양 F6 1973년 후반 인도양

나. 자유공간 전파

우주통신은 기본적으로는 자유공간 전파이므로 자유공간 전파의 기본적인 사항을 설명해 둔다.
자유공간에서의 유효 수신전력 Pa[W]는 다음 식으로 계산한다.

여기서

Gat : 송신 안테나의 절대이득[dB]
Gar : 수신 안테나의 절대이득[dB]
P : 송신전력[W] (Gat·P는 방사전력)
r : 송 수신점간 거리 [m]
λ : 파장 [m]

이때의 전파손실 는 식(1)에서

자유공간의(기본) 전파손실 L[dB]는 식(2)에서 Gat = Gar = 1로 놓고

자유공간의(기본) 전파손실(송수신안테나가 모두 절대이득 1 즉, 0dB일 때의 전파손실)은 식(3) 제5도에 표시하고 있다. 또 식(1)을 사용하면 수동위성 및 능동위성으로 중계할 경우의 유효수신전력 Par은

◆ 수동위성의 경우 ◆

◆ 능동위성의 경우 ◆

Gat : 지상송신안테나의 절대이득[dB]
Gar : 지상수신안테나의 절대이득 [dB]
rT : 지상송신안테나에서 위성까지의 거리[m]
r : 위성에서 지상수신 안테나까지의 거리[m]
а : 수동위성의 실효반사면적 (㎡) (수동위성의 절대이득)
λ : 파장 [m]
gt : 능동위성의 송신안테나 절대이득[dB]
gr : 능동위성의 수신안테나 절대이득 [dB]
A : 능동위성의 전력증폭도 [dB]

다. 통신위성의 가시영역

하나의 위성을 중계하여 두 개의 지구국(A국과 B국)의 사이에서 통신을 행할 수 있기 위해서는 그 위성을 A,B의 어느 쪽의 지구국에서도 동시에 가시할 수 있어야만 한다. 상세히 설명하면,
(제7도)에서와 같이 지금 한 지구국 A에서 가시할 수 있는 위성의 위치는 대체로 수평선(앙각 θ=0)이상의 영역에 있는 것으로 생각되나 대기의 굴절율에 의해서 지평선 이하에 있는 위성에서의 전파는 대기의 흩어짐, 다중로 전파 등으로 페이딩보다 크게 인정하지 않고 더욱 두꺼운 대기층, 전리층을 경사로 통과하므로 에너지의 흡수가 크고 수신 전계가 약하게 된다. 이들의 것은 저녁해가 물속에 잠기는 모양을 보면 납득이 갈 것으로 생각된다.
특히, 위성통신에 있어서는 수신전력이 매우 크므로 약간의 잡음에도 문제로 되나, 앙각이 낮은 때는 대기권의 잡음, 지구상의 잡음의 영향이 크고, 또한 다른 마이크로 회선 등의 혼신의 영향도 받게 된다. 이와같은 이유에서 앙각 5도 이상을 위성통신의 이용범위로 하고 있다.

(제8도)에 있어서 지구표면에 수직으로 투영한 점(위성의 바로 아래점)을 S`로 하면, 앙각 θ를 일정으로 했을 때, 위성고도 H를 높게 하면 S`의 궤적의 영역도 넓어진다. 이 영역을(앙각 θ에서의) 위성의 가시영역이라 하기도 한다. 그렇게 하면 상대의 지구국 B와 통신할 수 있는 조건은 " A국과 B국의 가시영역(θ는 달라도 되나 H는 동일)에서 서로 겹치는 영역이 있고 또한 그 겹치는 영역의 상공에 통신위성이 존재할 것" 이다.

라. 최적 우주통신 주파수

우주통신에 사용할 수 있는 주파수는 어떤 주파수라도 좋은 것은 아니다. 사용할 수 있는 주파수에는 특정한 범위가 있다.

1. 전파의 창(Radio Window)

지구국과 우주국 사이에 전파를 생각해 보면, 지상에서 발사된 전파는 대류권을 통과하고 전리층을 통과하여 우주공간에 튀어 나아가야만 한다. 따라서 적어도 전리층에서 반사될 만한 낮은 주파수로는 안된다. 그렇다고 주파수가 너무 높으면 대기권에서의 흡수가 크게 된다. 이와같이 우주통신에는 적당한 주파수의 상한과 하한이 있다. 이 주파수를 전파의 창이라 한다. 대기층과 전리층이 마치 창에 걸린 커튼과 같은 존재이고, 전파가 우주로 튀어 나가려면 이 커튼을 통과해야만 되는 것이다, 물론, 우주에서 지상으로 전파가 올 경우에도 이 커튼을 통과해야만 된다. 전파의 창의 주파수대를 엄밀하게 결정하는 것은, 다른 것에도 여러 가지 요소가 있고, 또 장소나 시간에 의한 변동도 있으므로 여러 가지 곤란하나 일반적으로 100MHz~10GHz정도의 범위가 실용성을 가지고 있다. 심한 경우 스포레딕 E 층 등의 발생을 고려하여, 안전한 통신을 확보하기 위해서는 100MHz~6GHz 정도로 한다. 전파의 창의 주파수이면 자유공간 전파를 한다고 생각하고 취급하는 것이다.

전파의 창의 범위를 결정하는 중요한 요소

1-1. 전리층의 영향

단파대의 주파수는 전리층 반사를 하는 것이 일반적이다.
그러나 통과하는 주파수 f는 f>fm=fo secθo 와 같아야 한다. 전리층은 하한의 주파수를 결정한다. 따라서 초단파나 마이크로파 등 이라야만 한다.

1-2. 대류권의 영향

주파수가 높게 되면 대기중의 기체분자나 수증기에 의한 흡수, 비, 안개 등의 물방울에 의한 흡수나 산란 등으로 인해 전파가 감쇠되므로 상한의 주파수가 결정된다.

1-3. 잡음의 영향

우주잡음은 주파수 낮으면 증가하고 하한의 주파수를 결정하는 요소로된다. 대기잡음 중에서 공전은 낮은 주파수이고, 대기의 기체분자나 수증기 등의 흡수에 열잡음이나 대지의 열잡음 등은 높은 주 스머층의 주파수 문제로 된다(제9도) 단, 높은 주파수에서의 상한을 결정하는 요소는 수신기의 내부 잡음인 경우가 많다. 지구국의 수신기에 내부잡음이 적은 메이저나 또는 잡음이 적고 대역폭이 넓은 앵각 파라메트릭 증폭기가 사용되고 있는 것은 이 때문이다.

결국, 최적 주파수대는 전파전파 상에서는
지구국의 지리적 위치, 전파통로, 태양활동, 기상상황 등에 따라 다르다.

1-4. 정보전송량의 문제

TV 신호나 광대역 다중 통신신호를 취급하려면 되도록 높은 주파수(1~10GHz)통신용량을 많이 필요로 하지 않을 때에는 주파수(100~1000MHz)를 사용한다.

1-5. 송수신계의 문제

송신출력, 안테나이득, 급전선손, 내부잡음 등에 의해서도 다르다.

마. 전파상의 문제점

전리층이나 대기층을 통과할 때의 손실이나 흡수를 무시할 수 있는 전파의 창의 주파수를 사용했다고 해도 우주통신을 행하려면 다시 고려해야만 되는 전파상의 문제점이 몇가지 있다.

1. 도풀러효과(Doppler Effect)

인공위성 또는 우주비행체는 매우 빠른 속도로 운동하고 있으므로, 전파 발진원의 이동에 따라서 수신주파수가 변화한다. 이것을 도플러효과라 하고, 수신 주파수의 변이를 도플러 쉬프트(Doppler Shift)라 한다. 도플러 변이량 △f 는 아래와 같이 표시된다.

v : 전파 발진원의 수신점에 대한 상대속도(m/sec)
c : 光속도(m/sec)
f : 발진주파수(Hz)

비행체에서의 반사체의 도플러 변이는 식 (6)의 △f의 2배로 된다. 특히, SSB의 경우등 문제로 된다.

2, 파라데이 회전

지구 자계의 영향에 의해 전리층이 불등방성 매질로 되어 있으므로 전리층을 통과하는 전파는 편파면이 회전한다. 이것을 파라데이 회전이라 한다. 파라데이 회전의 크기는 지구자계와 전파의 진행방향, 전리층의 전자밀도에 관계하나 주파수의 자승에 반비례하므로 낮은 주파수에서 문제로 된다.
파라데이 회전에 의해서 수신 안테나 편파면과 전파의 편파면이 다르면 수신전력이 감소, 손실이 크게 된다. 지구국과 우주국간의 경우는 앙각이 작고 수평에 접근할수록, 또한 주파수가 낮게 될수록 손실은 크게된다.

3. 플레스머층

우주국이 우주선과 같은 비행체이고 이것이 지구의 대기권에 고속도로 돌입할 때에 대기와의 마찰로 고열이 발생, 비행체의 주위에 플래스머층(전자와 이온으로 분리한 층, 전리층도 일종의 플래스머 층)이 된다. 이 플래스머층의 주파수가 매우 높게 되므로 전파는 대단히 흡수를 받아 통신은 방해된다. VHF나 UHF帶에서 흡수가 크므로 10GHz 이상의 높은 주파수가 필요로 되고 있다.

4. 전파 뒤짐시간

우주통신에서는 송수신점간 거리가 일반적으로 길고, 따라서 전파의 전파 시간이 무시할 수 없는 量으로 된다.
정지위성 ↔ 지구국간(편도 0.12초), 달 ↔ 지구국간(편도 1.27초) 거리가 다시 길 게 되었을 때, 특히 음성전화회선을 구성할 경우에는 이 시간이 문제로 되어, 뒤짐 시간이 너무 길면 사용하기 어려워져 실용화 할 수 없게 된다.

5. 페이딩

전리층의 변화에 따른 파라데이 회전 각도의 변화에 의한 편파성 페이딩이 우주전파의 중요한 것이나, 전파의 창의 하한에 가까운 VHF帶의 주파수에서는 이 외에 전리층의 불규칙에 따르는 신틸레이션 페이딩도 일어난다. 이 신틸레이션 페이딩은 앙각이 작고 가까운 때에 생기기 쉽다.

6. 혼신

우주통신에 사용하는 주파수가 지상의 마이크로 회선의 주파수와 동일한 경우는 지구국의 설치장소나 안테나의 설계에 충분한 고려를 하지 않으면 혼신방해를 발생한다.
장래의 문제로서는 정지위성의 경우는 적도상고 약 35,000km 의 원궤도 이외에는 존재할 수 없으므로, 여기에 쏘아올리는 통신위성의 수는 안테나의 지향 빔에 의한 분해 능력 등을 고려하면 2000개 정도가 한도이다. 따라서 정지위성의 수는 혼신인 점에서 제한 된다고도 하겠다.

7. 덕트에 의한 영향

전파의 창의 상한에 가까운 높은 주파수로는 앙각이 작고 수평에 가까운 경우는 전파로에 발생한 덕트의 영향을 받는다. 덕트가 발생하기 쉬운 지역에서는 고려하여야만 한다.

8. 흡수와 굴절

전파의 창의 상한에 가까운 높은 주파수에서는 대기권에서의 흡수, 산란을 받는다. 특히, 수신 안테나의 앙각이 작은 때의 대기권내 전파로가 길 게 되므로 전파는 대기의 흩어짐, 다중전파 등에 의해 페이딩을 받고 안정하지 않아 다시 두터운 대기층을 통과하므로 감쇠를 받는다. 따라서 참된 우주국의 방향과 전파의 도래방향과의 사이에 차가 생긴다. 이것을 앙각호차라 하나, 수신안테나의 앙각이 작고 수평으로 가까운 때일수록 큰 오차로 되므로 안테나의 방향을 결정하는 경우 등에 주의가 필요하다.

9. 전파잡음

9-1. 전파잡음의 종류

전파잡음	자연잡음	우주잡음	태양잡음 은하잡음
	자연잡음	공전
	인공잡음

전파압음을 성질에 의하여 분류하면 다음과 같다.

충격성 잡음
번개와 같이 돌연적으로 발생하는 잡음이며, 주기적으로 발생하는 것과 그렇지 않는 것이 있다.
연속성 잡음
열잡음과 같이 연속적으로 발생하는 잡음이며 우주잡음 등이 여기에 해당된다.

(1) 인공잡음

인간사회에서 발생되는 잡음으로 발생된다. 종류는 자동차, 전차, 고주파설비, 네온사인, 코로나방전, 발전기, 전동기 등에서 주로 발생된다.

(2) 자연잡음

우주잡음
항성에서 오는 잡음으로써 항성의 열요란에 기인되며 그 종류는 대양잡음 즉 태양에서 발생되는 열요란 잡음이 지구상에 도달되는 잡음 전파이다. 이 잡음은 수 10MHz帶까지 관측되고 VHF帶는 심한 방해를 받는다. 또한 이외의 항성에서 오는 잡음으로써 항성의 열요란에 기인된다.
공전
자연현상 즉, 번개, 눈보라, 폭우 등이 장중파帶에서 잡음 영향을 주는 것으로 그 종류는 다음과 같다. Grinder, Click, Hissing 등이 있다.
전파의 창의 하한이 낮은 주파수 帶에서는 우주잡음이 문제로 되나 주파수가 높게되면 이 잡음은 감소하여 무시할 수 있다. 전파의 창의 상한이 높은 주파수帶에서는 수증기나 산소에 의한 등가잡음 온도가 크게된다. 내부잡음이 적은 수신기가 되었을 때에는 이 등가잡음 온도가 문제로 된다.