휴대전화나 인터넷 지도에서 전 세계 위성사진을 쉽게 볼 수 있는 시대. 여러분은 우주에 떠있는 인공위성에서 지상을 어떻게 촬영하는지 상상해보셨나요? 큰 디지털 카메라로 줌을 잡고 찍는 모습을 떠올리시는 분들도 계실 거예요. 인공위성 카메라는 일반 디지털 카메라와는 원리가 비슷한 것 같아 다릅니다. 그 차이점을 쉽고 자세하게 알려드릴게요. 🙂
렌즈와 반사경의 차이
디지털 카메라와 위성 카메라의 기본 원리는 같습니다 빛을 모아 이미지를 포착한 후 디지털 프로그래밍을 통해 이미지를 만들어냅니다. 빛을 모으는 장치의 직경이 클수록, 보다 선명한 화상을 얻을 수 있는 점도 같습니다. 그러나 대부분의 디카는 렌즈로 된 형태를 하고 있는 반면 위성 카메라는 거울이 주로 사용된다는 차이가 있습니다. 위성 카메라에 렌즈 대신 반사경이 사용되는 이유가 뭘까요?
인공위성은 가능한 한 크기를 작고 가볍고 튼튼하게 하는 것이 중요합니다. 크기가 커지면 무게가 무거워져, 우주까지 쏘아 올리는데 비용이 들게 되고, 강도가 약하면 극한의 우주 환경을 견딜 수 없게 되기 때문입니다. 일반적인 유리렌즈는 이러한 조건에 크기나 형상, 가공 등의 이유로 많은 제약을 가지고 있어 적합하지 않습니다.
유리 렌즈는 빛을 통해 상을 모습니다. 그래서 가운데를 투명하게 하고 양면을 가공해야 합니다. 성능을 높이기 위해 큰 렌즈가 필요할 경우 가공이 매우 까다로워지거나 할 수 없게 되기도 합니다. 크고 강도 높은 유리렌즈를 만들려면 필연적으로 무게도 무거울 수밖에 없죠. 뿐만 아니라 안경테처럼 테로 고정할 수 있어서 제대로 고정하기도 힘들죠.
여러 개의 렌즈 구조를 볼 수 있는 단면도 / 출처 : wikimedia commons, 또 디지털 카메라 렌즈는 경통 안에 볼록 렌즈와 오목 렌즈가 여러 장 늘어선 구조로 되어 있습니다. 이것은 렌즈의 색수차를 줄여 배율을 높이기 위해서인데요.
고성능 고배율의 렌즈 시스템을 만들기 위해서는 여러 개의 렌즈를 사용하지 않으면 안되며, 그만큼 경통의 길이도 길어집니다. 대포렌즈라고 불리는 망원렌즈가 긴 것도 그래서다. 수십 m 거리의 피사체를 촬영하는 데도 대포렌즈가 사용되지만 600km 상공의 위성에서 유리렌즈로 땅을 찍으려면 경통 길이가 엄청나게 길어야 합니다.
제임스 웹 우주 망원경의 앞면과 뒷면/출처: NASA이지만 반사경은 다릅니다. 반사경은 반사면을 사용하기 때문에 빛을 쓰러뜨릴 수 있고, 이것에 의해서 긴 카메라도 짧게 할 수 있습니다. 또한 한쪽 면에만 사용하므로 양면이 사용되는 렌즈보다 가공성이 상대적으로 우수합니다. 뒷면은 평평하지 않아도 되는 만큼 경량화로 무게 경감으로 이어지는 다양한 가공이 가능합니다.
일반적으로 우주망원경이나 위성에 탑재되는 대형 반사경의 뒷면은 벌집 모양의 ‘벌집’ 구조로 되어 있습니다. 벌집 구조는 매우 안정적이고 적은 면적에서도 큰 압력에 견딜 수 있습니다. 덕분에 반사경이 우주 환경에서도 구부러지거나 일그러지지 않고 견고하게 유지할 수 있군요. 공간이 많은 형태이기 때문에 중량이 줄어든다고 하는 장점도 있습니다. 벌집 구조를 활용하면 뒷면을 평평하게 했을 때보다 반사경의 무게를 최대 80%까지 줄일 수 있다고 하네요.
영상출처 : NASA
그럼 반사경을 통해 상을 어떻게 파악할 수 있을까요? 위의 영상은 제임스 웹 우주 망원경이 빛을 받아들여 상을 파악하는 방법을 보여 줍니다. 거울들은 빛을 받아들이면 상을 확대시키면서 빛을 모아줍니다. 또, 빛이 일직선으로 통과하는 렌즈와는 달리, 특정의 방향으로 지그재그로 반사되면서 이동하기 때문에, 전장이 상대적으로 짧아집니다.
다만 정확한 상을 획득하기 위해서는 경면가공이 매우 정밀하게 실시되지 않으면 안 되는 어려움이 있습니다. 이것은 수십 nm(나노미터) 수준으로 머리카락을 1/1,000 굵기로 자르는 정도의 정밀도를 요구한다고 합니다.
1979년 허블 우주 망원경의 주반사경을 가공 중인 이미지 / 출처 : NASA를 위해 위성 카메라용 대구경 반사경 기술은 미국, 프랑스, 러시아 등 일부 국가만 보유하고 있었습니다. 전략물자에 포함되었고 기술이전도 엄격하게 제한되어 있었기 때문에 국산화도 어려웠습니다. 그러나 한국에서도 한국항공우주연구원이 한국표준과학연구원 등과의 공동연구를 통해 2013년 지름 800mm 초경량 반사경의 국산화를 이뤄냈습니다.
이후 2014년 지름 1m 반사경 개발을 거쳐 2016년 3월 실리콘 카바이드(SIC) 소재의 비구면 우주용 반사경 개발에도 성공하였습니다. 이 SIC 비구면 반사경 개발에는 한화시스템(한화탈레스)도 참여했습니다. 또 2021년 3월 발사된 차세대 중형위성 1호 탑재체의 고해상도 카메라에는 모두 국산화된 반사경이 적용됐습니다.
촬영 방식의 차이
그러면 이렇게 들어온 빛은 어떻게 사진이 될까요? 일반적인 카메라는 셔터가 빨리 열리고 닫히는 것으로, 일순간 빛이 이미지로서 떠오릅니다. 과거에는 필름에 이미지가 새겨지더니 요즘은 디지털 이미지센서가 그 역할을 하죠.
위성 카메라도 초점면에 빛을 모으고 모은 빛을 전자 신호로 변환하는 과정은 비슷합니다. 그러나 위성 카메라는 일반 카메라처럼 찰나의 순간을 포착하지 않고 사용자가 원하는 시간 동안 지속적으로 이미지를 기록합니다. 인공위성은 정지해 있지 않고 지구 주위를 빨리 공전하기 때문입니다.
위성사진촬영의 두 가지 원리( 위스크브룸/푸쉬브룸)를 보여주는 애니메이션/출처 : NASA 일반 카메라가 도장 찍듯 면을 찍는 것과는 달리 위성카메라는 복사기나 스캐너처럼 선형적으로 이미지를 스캔합니다. 초기 위성카메라는 마치 빗자루가 쓸어내듯 상을 기록하는 위스크 브룸(whisk broom) 방식으로 시작돼 최근에는 일정 범위를 수직으로 한 번에 스캔하는 푸시 브룸(push broom) 방식으로 발전한 것으로 알려졌다.
이렇게 지속적으로 촬영한 데이터를 위도 경도 및 지형 정보에 맞게 매핑하여 모자이크처럼 연결시켜 놓으면 우리가 보는 위성사진이 완성되는 것입니다.
해상도의 차이
이러한 촬영 방식의 차이의 다목해상도를 나타내는 기준도 다릅니다. 일반의 디지탈카메라는, 「화소(pixel)」로 해상도를 나타냅니다. 화소수란, 디지털 화상을 구성하는 최소 단위(점)입니다. 예를 들면 1000만 화소라고 하면, 1매의 화상을 1000만개의 점으로 표현한다고 하는 의미입니다. 점이 많을수록 이미지가 더욱 정교해지죠.
한편, 위성 카메라는, 해상도를 cm, m등의 범위에서 나타냅니다. 이것은 1픽셀로 그 만큼의 범위를 나타낼 수 있다는 의미입니다. 즉, 1m급 위성 카메라는 1픽셀로 지상의 1mx1m 공간이 나오게 됩니다. 화소와 달리 단위가 작아질수록 이미지가 정교해지죠. 예를 들면 1,000×1,000픽셀 사이즈의 이미지로 1m급 카메라로는 1㎢ 범위의 지형을 볼 수 있지만 0.5m급 카메라로는 0.25㎢ 범위를 더 자세히 볼 수 있기 때문입니다.
현재 군사용이 아닌 민간 상용위성 중 최고 해상도는 0.3m급 수준입니다. 이것은, 1 픽셀에 30 cm x 30 cm의 공간을 찍을 수 있고, 위성 사진으로 도로 위의 자동차의 종류를 구분할 수 있을 정도입니다. 이런 0.3m급 광학위성을 국내에서도 개발 중이라는 사실을 알고 계시나요? 쎄트렉아이의 스페이스 아이티(Space Eye-T)가 주인공입니다.
쎄트렉 아이 스페이스 아이티(Space Eye-T)
출처 : 쎄트렉아이의 홈페이지 “쎄트렉아이”는 대한민국 최초의 위성인 당성1호 개발인력을 중심으로 1999년에 설립된 위성개발 전문기업입니다. 세계적으로 검증된 위성 시스템 개발 능력을 보유하고 있으며, 위성 시스템을 해외에 수출하고 있는 국내 유일의 기업이기도 합니다. 2021년에는 한화에어로스페이스사가 지분을 인수하면서 협력관계에 이르렀습니다.
출처 : 쎄트렉아이의 홈페이지 ‘쎄트렉아이’의 스페이스아이 시리즈는, 다양한 목적과 관측 환경을 지원하는 고성능 지구 관측 위성입니다. 이 중 현재 2024년 발사를 목표로 개발 중인 스페이스아이티는 0.3m급 초고해상도 전자광학 탑재체를 탑재한 위성입니다. 지도 제작, 농업, 재해지원, 국토관리 등 폭넓은 분야에서 활용될 전망입니다.
출처 : 쎄트렉아이의 홈페이지 ‘쎄트렉아이’는 위성시스템 기술뿐만 아니라 한국의 아리랑위성(2/3A/5호)의 영상을 독점 제공하는 SI Imaging Services와 인공지능 기반의 위성영상 분석을 전문으로 하는 SI Analytics를 자회사로 설립하였습니다. 이를 통해 글로벌 지구관측 솔루션 시장을 선도하고 있습니다. 향후 공간 아이티 개발이 성공하면 얼마나 풍부한 위성 관측 정보를 얻을 수 있을지 기대가 됩니다. 🙂
일반 디지털카메라와 비슷하게 다른 위성카메라의 원리. 쉽게 알아들으시나요? 앞으로 광학위성기술이 발달해 보다 정교한 위성사진을 찍을 수 있게 되면 우리 생활에도 많은 변화가 생길 거예요. 영화에서 보았던 것처럼 위성영상으로 범죄현장을 잡아내는 것이 가능해질지도 모릅니다. 위성 사진의 다양한 쓰임새를 상상해 보는 것도 재미있지 않을까요? 🙂
