통신해양기상위성(COMS·Communication, Ocean & Meteorological Satellite) ‘천리안’이 발사된 지 석 달이 지났다. ‘천리안’ 위성 발사 성공으로 한국은 세계 7번째 독자 기상위성 보유국이 됐다. ‘천리안’은 국내 자연재난관리에 커다란 도움을 줄 것으로 기대된다. 지금까지 한국은 외국 위성자료를 30분 단위로 제공받아왔으나 독자기상위성 ‘천리안’을 통해 한반도 및 동북아시아 지역의 기상관측이 15분 이내 주기로 가능해졌다.

< 재난포커스 -  이주현 기자  jjlee@di-focus.com >

‘천리안’은 지난 6월27일 오전 6시41분 남아메리카 기아나 꾸르 우주센터에서 프랑스 아리안스페이스(Arianespace)사의 아리안-5ECA 발사체에 실려 발사됐다. 우주로 날아오른 ‘천리안’은 발사 뒤 32분께 발사체와 분리되며 천이궤도에 진입했다. ‘천리안’은 가시광선 관측채널 1개와 적외선 관측채널 4개를 가진 기상관측 탑재체를 통해 24시간 기상관측이 가능하다.

국내 첫 정지궤도 복합위성인 통신해양기상위성 ‘천리안’은 2.5t 무게의 중형위성이다. 2003년 시작된 ‘천리안’ 개발은 기상청과 교육과학기술부, 국토해양부, 방송통신위원회가 공동 참여했다. 개발예산은 모두 3549억원이며, 기상관측시스템 개발에만 약 750억원이 투입됐다. 기상청, 한국항공우주연구원, 국립기상연구소, 프랑스 아스트리움(Astrium)사, 미국 아이티티(ITT)사가 공동으로 기상관측시스템을 개발했다.

‘천리안’은 궤도상시험을 거쳐 본격 운영될 예정이다. 올 연말까지 실시될 궤도상시험은 위성체, 기상탑재체, 지상국과의 자료송수신 및 관측영상자료의 품질 등을 종합 점검하는 것이다. 궤도상시험을 마무리한 뒤 내년 초부터 ‘천리안’ 위성의 관측영상이 기상업무에 활용된다. ‘천리안’의 기상탑재체는 전 지구 관측에 약 27분이 소요되며, 동아시아 및 한반도를 집중 관측할 수 있다. ‘천리안’은 국내 독자 기술로 개발한 기상자료처리시스템을 이용해 몽골이나 중국 사막지역에서 발생하는 황사, 해수면과 지표면 온도 등 16종의 기상환경정보를 제공할 예정이다.

기상·해양·통신 3가지 임무 수행
통신해양기상위성인 ‘천리안’은 기상, 해양, 통신 3가지 임무를 맡고 있다. 각 임무를 주관하는 곳은 기상청 국가기상위성센터와 한국해양연구원 해양위성센터, 한국전자통신연구원 통신위성센터다. 이들은 위성관제시스템을 활용해 올해 말까지 6개월간 임무별 각종 시험운영을 하게 된다. 시험운영을 마친 뒤엔 앞으로 7년간 기상·해양 관측 및 공공통신 서비스 임무를 수행할 예정이다.

3가지 임무 수행을 위해 ‘천리안’은 3가지 탑재체로 구성됐다. 이중 스위칭 중계기와 다중빔 안테나로 구성된 Ka 대역 통신탑재체는 신기술인 Ka 대역 주파수 이용기술 확보와 신규위성방송통신서비스 및 공공통신서비스를 위한 실용화 시험에 쓰일 예정이다. 특히 재난지휘본부와 재난지역간의 통신망 연결 등 재난비상 위성통신, 디지털방송(DTV) 난시청해소와 같은 국가 공공통신망 검증에도 활용된다.

낮 시간 동안 하루 8회 관측이 가능한 해상도 500m의 해양탑재체는 해양환경보전과 해양영토관리의 효율적 수행 및 해양 재난으로부터의 국민 생명과 재산 보호 등을 목적으로 개발됐다. 한반도를 중심으로 약 2500×2,500㎞ 고정 영역을 한 시간 간격으로 낮 시간 동안 하루 8회 관측을 수행해 우리 해역뿐만 아니라 중국과 일본 해역까지 상세 모니터링이 가능하다. 한반도 주변의 어장 정보, 부유퇴적물 이동 또는 오염물 현황, 해류 순환 및 해양생태계 등을 감시하고, 기존 저궤도 위성으로는 관측이 불가능한 연안의 조석현상으로 인한 해수 환경 변동성 분석 및 적조의 이동과 확산도 직접 탐지할 수 있다.

집중호우·태풍 조기탐지 가능
평상시 15분, 위험기상시 최소 8분 간격으로 관측이 가능한 기상탑재체는 가시광선 및 적외선 영역에서 모두 5개의 분광 채널을 이용해 한반도와 아시아를 중심으로 위성에서 보이는 지구 반구면 임의의 지역 어느 곳이든 다양한 기상 정보를 얻을 수 있는 게 특징이다. 기상탑재체에서 관측된 영상자료는 국가기상위성센터에 구축된 기상자료처리시스템을 거쳐 16종의 기상요소로 산출된다. 이를 통해 위험기상 발생 시 한반도 지역에 대한 강화된 집중관측을 수행한다.

기상청은 지난해 충북 진천에 국가기상위성센터를 설립하고 ‘천리안’ 발사에 대비해왔다. 위성을 안정적으로 운영하고 위성자료를 효과적으로 활용·분석하기 위함이다. 기상청은 내년 초 ‘천리안’을 통한 기상관측 임무가 시작되면 기상예보 및 방재 분야에 다양하게 활용될 것으로 기대하고 있다.

이에 대해 기상청은 “일본 등 외국의 위성자료에 의존할 때보다 자료수집 주기가 크게 향상된다는 점에서 주목된다. 과거에는 외국 위성자료가 30분 단위로 제공되었으나 천리안은 15분 이내 주기로 한반도 및 동북아시아 지역의 기상관측이 가능해져 집중호우, 태풍, 낙뢰 등 큰 피해가 동반되는 위험기상을 조기에 탐지할 수 있게 된다”고 기대했다. 기상청은 또 “천리안 위성은 산악, 해양 등 기존 기상관측 공백지역에서 고품질의 위성자료를 생산하고, 수집된 위성자료는 수치예보모델의 초기 입력 자료로 활용되어 기상예보의 품질 향상에도 기여할 것”이라 덧붙였다.

국가기상위성센터의 주요기능
국가기상위성센터는 1970년도부터 계속돼 온 미국, 일본, 중국, 유럽 등 외국 기상위성 자료 수신 및 예보 지원업무를 이어받고, 독자 기상위성 운영의 중심 역할을 맡고 있다. 지난해 4월30일 3팀, 43명 규모의 기상청 소속기관으로 설립됐다. 국가기상위성센터의 주요기능은 기상위성자료 생산 및 제공을 통한 예보지원과 천리안위성 부관제 업무다.

국가기상위성센터는 지구 전체와 동아시아 지역에 대한 24시간 기상변화 감시와 함께 기상위성 관측 자료를 바탕으로 대기 흐름 및 호우, 태풍, 안개, 황사, 해수면 온도 등의 기상정보를 생산한다. 이와 함께 기상위성 영상 및 기상요소 산출정보를 기반으로 위험기상현상에 대한 기상예보 분석정보를 생산해 제공하며, 수치예보 모델의 정확도를 높이기 위한 기상위성 관측 자료를 지원한다.

비상시를 대비한 위성 관제 백업도 국가기상위성센터의 임무다. 이를 위해 국가기상위성센터는 13m 안테나를 비롯한 필요시설을 갖추었다. 국가기상위성센터에 대해 기상청은 “기상위성을 이용해 광범위한 기상현상을 관측하고 태풍, 집중호우, 황사, 산불 등 위험기상과 자연재해를 감시하며, 수치예보모델 입력자료 지원 및 기후환경감시 등의 분야에서 다양한 연구개발을 주도하는 구실을 한다”고 설명했다. 또 “미래의 기상 및 지구환경변화 감시와 예측을 위한 인공위성자료 활용분야 국제공동협력을 위해 국가기상위성센터는 더욱 중요한 역할을 할 것으로 기대된다”고 덧붙였다.

기상·해양자료처리시스템의 특징
국가기상위성센터에는 국내 연구진이 독자 개발한 기상자료처리시스템을 갖췄다. 이 시스템은 ‘천리안’의 기상탑재체에서 관측한 영상자료로부터 위험기상 감시 및 기상예보 활용을 위해 구름정보, 수증기정보, 지면정보, 대기환경정보 등 16종에 이르는 기상요소를 산출한다. 뿐만 아니라 다양한 입력자료 준비, 복사모델 수행, 합성장 생산 및 검증 등이 가능한 전후처리시스템을 포함하는 통합 소프트웨어다.

이 시스템에 대해 기상청은 “기상예보를 위한 다양한 위성 분석 자료 제공, 재해기상 발생 시 방재정보 실시간 자료 제공, 항공·선박 안전 운항을 위한 상세정보 제공, 외국과의 국제공동연구 강화, 동남아시아 국가에 위성자료 및 분석자료 제공 등 활용가치가 높을 것으로 기대된다”고 밝혔다.

해양위성센터에서 개발해 운영하는 해양자료처리시스템은 ‘천리안’의 해양탑재체 영상자료로부터 해양 신호 및 해양환경 정보를 실시간으로 처리·분석한다. 한반도 주변 해역에 특화된 해양환경 분석 알고리즘으로 개발된 것이 주요 특징이다. 대기보정(대기신호 및 태양반사광을 제거) 대기 및 육상 환경 분석(황사, 식생지수 등) 해양탑재체 관측 성능 파라미터 계산(복사보정계수 등) 해수환경분석(엽록소 농도, 부유물 농도, 적조지수, 어장정보 등을 처리) 등의 자료처리 기능을 갖췄다.

가시영상·적외영상 수신 성공
기상청은 7월14일 ‘천리안’으로부터 처음 수신한 기상관측영상과 해양관측영상을 공개했다. ‘천리안’ 발사 보름 뒤인 7월12일 촬영한 기상관측영상을 통해 제주도 부근에서 일본열도까지 동서로 길게 위치한 장마전선과 필리핀 동쪽에 위치한 2호 태풍 ‘꼰선’(CONSON)을 확인할 수 있었다. 7월13일 수신한 해양관측영상은 한반도 주변의 3면 바다를 촬영한 것이었다.

7월12일 첫 가시영상 수신에 이어 8월17일엔 첫 적외영상을 수신했다. ‘천리안’이 8월17일 오전 11시15분에 촬영해 보내온 적외영상은 발사과정에서 발생할 가능성이 있는 오염물질이 달라붙음을 방지하기 위해 발사이후 6주간 탑재체 내부 온도를 65℃ 이상으로 높이는 아웃개싱(outgassing) 과정을 마친 뒤 수신 가능하다. 적외영상은 지구표면이나 구름에서 방출되는 복사량으로부터 얻어지는 온도정보를 영상화한 것이다. 반사된 태양빛 양을 측정하는 가시영상과 달리 밤낮에 관계없이 연속 관측이 가능한 게 특징이다.

가시영상과 적외영상을 모두 수신함으로써 ‘천리안’의 본격적인 기상임무 수행을 위한 5개 채널의 모든 영상을 획득하는 데 성공했다. 안개, 황사, 태풍에 대한 각종 정보 등 대부분의 기상요소는 두 개 이상의 채널을 동시에 이용해야 산출할 수 있다. 따라서 가시영상과 적외영상을 모두 수신한 것은 본격적인 기상위성 활용이 가능해졌다는 뜻이다.

가시영상과 적외영상의 특징
가시영상은 구름과 지표면에서 반사된 태양광의 강약을 나타낸다. 반사광이 강할수록 영상에서 밝게 표시된다. 일반적으로 바다는 어둡게, 육지는 그보다 약간 밝게, 구름은 매우 밝게 보인다. 다만, 같은 물체라도 태양의 고도에 따라 보이는 모양이 다르다. 아침이나 저녁시간, 고위도에서는 태양광이 비스듬하게 들어오기 때문에 입사광이 적다. 그만큼 반사광도 적어져 어둡게 보인다. 또 야간에는 지구가 태양광을 받지 못해 가시영상을 이용할 수 없다.

구름에 의한 태양광의 반사강도는 구름의 두께에 따라 변한다. 얇은 구름에서는 입사광의 일부가 구름을 투과하고 나머지는 반사된다. 반면 두꺼운 구름에서는 태양광 대부분이 반사되기 때문에, 두꺼운 구름일수록 반사강도가 강하고 밝게 보인다. 일반적으로 태양광은 상층운을 통과하므로 상층운을 통해서 그 아래에 있는 지표면을 볼 수 있다. 가시영상을 이용하면 적설, 해빙, 산불과 연기 등 다양한 기상현상 관측이 가능하다.

적외영상은 물체가 방출하는 적외선 에너지량의 많고 적음을 나타낸다. 물체가 방출하는 적외선 에너지량은 물체의 온도에 따라 결정되며, 온도가 높을수록 많다. 대문에 적외영상 관측을 통해 물체의 온도를 추정할 수 있다. 적외영상은 주·야간 관계없이 24시간 관측이 가능하다. 특히 집중호후 및 태풍 등의 위험기상 감시에 유용하다. 일반적으로 대류권에서는 고도가 높을수록 온도가 낮다. 따라서 적외영상으로 관측한 구름 표면의 온도를 이용하여 구름 표면의 고도를 알 수가 있다. 적외영상에서는 온도가 높은 구름은 어둡게, 낮은 구름은 밝게 보인다. 따라서 고도가 높은 구름은 밝게 보이고 낮은 구름은 어둡게 보인다.

한국의 기상위성서비스 현황
기상청은 1970년 노아(NOAA) 극궤도 기상위성의 자동전송시스템(APT) 자료수신을 시작으로 약 40년 동안 기상위성자료를 수신해 활용했다. 1978년에는 정지궤도기상위성 GMS-1호의 관측 자료를 하루 3회씩 정기적으로 수신하면서 위성 관측 자료를 본격적으로 기상예보업무에 활용하기 시작했다. 2009년 4월 현재 실시간으로는 정지궤도 위성인 MTSAT-1R과 중국 FY-2D 위성자료를 수신하고 있으며, 극궤도 기상위성으로는 미국의 NOAA-15, 17, 18, 19호와 중국의 FY-1D위성 자료를 수신중이다.

이와 함께 미국의 지구관측위성인 테라(Terra)와 아쿠아(Aqua) 위성자료도 수신해 활용하고 있다. 준 실시간으로는 미국의 TRMM(Tropical Rainfall Measurement Mission), DMSP(Defense Meteorological Satellites Program), SSM/I(Special Sensor Microwave/Imager), ASCAT (Advanced SCATtermeter), 유럽의 메톱(Metop) 위성들의 일부 센서 관측 자료를 얻어 활용하고 있다.

기상청에 따르면, 위성 기상업무는 기상위성의 관측 자료를 통해 기상예보에 필요한 기상정보를 생산한 뒤 사용자들에게 제공하는 것이다. 또 원시자료로부터 기상요소를 산출해 사용자들에게 제공하는 데 필요한 알고리즘 개발 및 산출자료 검증도 중요한 업무 가운데 하나다.

방재연구소, 재난영상분석팀 신설
소방방재청 국립방재연구소는 지난 8월 뉴스레터에서 광역 재해피해분석과 전방위 모니터링을 위한 재난영상분석팀 신설을 추진한다고 밝혔다. “‘천리안’ 발사를 계기로 재난관리 분야에도 위성영상 수급과 활용에 대해 많은 변화가 예상됨에 따라 방재관련 업무에 GIS(지리정보시스템)와 RS(원격탐사) 등 첨단기술들을 활용해 선제적 재난대응(사전예방)과 신속·정확한 긴급대응(대응·복구)이라는 방재목표를 달성”하기 위해서다.

방재연구소 계획에 따르면, 우선 재난피해규모 조기파악을 위한 위성영상 분석 전문가를 채용하고 위성영상분석체계 구축 및 분석 장비를 확보할 계획이다. 기상청을 비롯한 국내외 활용 가능한 위성에서 입수되는 위성영상자료를 분석하고 최적의 의사결정을 지원하기 위한 전문가와 재난발생 전후 조기 환경여건분석을 위한 장비가 필요하기 때문이다. 이는 전천후 재난상황대응 지원을 위한 재난영상분석팀 신설로 연결된다.

재난영상분석팀 신설은 위성·항공영상, GIS 등 포괄적 방재업무 지원에 적합한 영상정보분석팀을 구축하겠다는 뜻이다. 이를 위해 방재연구소는 현재 방재정보분석센터(1팀)에서 재난영상분석팀을 신설해 2개팀으로 운영할 계획이라고 설명했다. 재난영상분석팀은 방재위성 확보 등 중장기계획에 따라 ‘분석실’ 규모로 확대 개편될 수 있다는 게 방재연구소 쪽 설명이다. 이와 함께 방재연구소는 위성영상분석시스템 구축 및 분석기술개발을 추진할 예정이다. 구체적 내용은 선제적 재난대응을 위한 영상정보분석팀 설치 및 운영 기획연구 추진, 중장기 방재분야 위성영상 활용체계 기본계획 수립 및 로드맵 작성, R&D 사업을 통해 재난상황대응 업무분석 및 의사결정지원 방안 마련 등이다.

재난영상분석팀 신설의 기대효과
방재연구소는 재난영상분석팀의 주요기능으로 △위성·항공영상 등 공간영상 수집 및 데이터베이스(DB) 구축 △재난발생 전후 위성영상정보 수집 및 분석 △위성·공간영상정보시스템 구축 및 운영 △국제재난관리 위성영상협의체 참가를 들었다. 방재분야에 활용할 수 있는 고해상도 위성 공간영상정보를 수집하고 DB로 구축해 국내 재난관리 역량을 강화하는 데 활용하면서 국제협의체 활동을 통해 정보공유를 추진한다는 계획이다.

추진방안에 대해선 재난영상분석팀 신설에 앞서 신속한 위성영상 수급·확보 체계를 구축하겠다고 밝혔다. 항공우주연구원 등 공공기관 대상 위성영상 공급원과 긴밀한 공조·협력체계를 통한 영상수급 기간을 7일에서 3일로 단축하고, 국외 위성영상 확보 체계도 구축하겠다는 것이다. 또 국제 위성영상 공동활용협의체에 가입해 국제 활동을 통한 위성영상 수급원 확대를 모색키로 했다.

재난영상분석팀 신설의 기대효과로는 재난대응분야 GIS 및 RS 판독기술 개발 및 방재전용위성탑제체 개발을 통한 국제적 위성영상기술기반 선점, 국지적 재해원인 분석기법 및 예측기술의 표준화로 재난영상판독 선도 기술 개발 등을 꼽았다. 이와 함께 방재전용위성 및 분석기술 확보, 과학적 재난발생 원인규명을 통해 반복적 재해발생을 억제하며, 한 발 앞선 방재대책실현과 초대형 재난발생의 사전예방 강화를 위한 과학방재 역량 제고도 기대할 수 있다고 밝혔다.

< 재난포커스 - 이주현 기자  yijh@di-focus.com >