LEO (Low Earth Orbit) - 지구 저궤도
LEO는 지표로부터 약 2,000km 이하의 고도에 형성된 궤도로, 지구 대기권과 밴 앨런대(Van Allen belts) 사이에 위치합니다. 이 궤도는 태양 양성자(Solar Protons) 및 은하 우주선(Galactic Cosmic Rays, GCR)의 영향은 비교적 적지만, 밴 앨런대의 트랩된 방사선 영향을 크게 받습니다. LEO는 통신, 기상 관측, 과학 탐사 등 다양한 분야에서 폭넓게 활용되며, 현재 운용 중인 대부분의 위성이 이 궤도에 있습니다. 지구와 가까운 거리 덕분에 고해상도 영상 촬영이 가능하고, 임무 기간은 보통 2~5년입니다. 대표적으로 국제우주정거장(ISS)도 LEO에 위치하며, 약 시속 27,744km의 속도로 하루 15.7회 지구를 공전합니다. COTS(Commercial Off-The-Shelf) 부품을 사용할 수 있을 정도로 방사선 환경이 비교적 안정적이기 때문에, 저비용 대량 발사를 통한 위성망 구축(Mega Constellation)에 적합한 궤도입니다.
VLEO (Very Low Earth Orbit) - 초저궤도
VLEO는 고도 약 180~400km에 위치한 매우 낮은 지구 궤도입니다. 지구에 매우 가까워 고정밀 영상 촬영 및 통신 지연 감소에 유리하지만, 대기 저항으로 인해 추진체 연료 소모가 크고 수명이 짧은 단점이 있습니다. 트랩된 방사선은 거의 존재하지 않으며, 주요 방사선원은 태양 양성자(Solar Protons)입니다.
MEO (Middle Earth Orbit)
MEO는 고도 약 2,000 km ~ 35,786 km에 위치한 궤도입니다. 궤도 주기는 약 2~24시간으로 일반적으로 10~12시간 전후입니다. GEO 대비 통신 지연이 낮아 실시간 통신에 유리하고, LEO 대비 커버리지가 넓고 비교적 적은 수의 위성으로 운용이 가능합니다. 하지만 Van Allen belt에 위치하고 있어 더 많은 방사선에 노출되므로 소자 설계 시 방사선 내성 설계가 필수적입니다. GPS등 항법 위성이 이 궤도를 사용하고 있습니다.
GEO (Geostationary orbit) - 정지궤도
GEO는 지표면으로부터 약 35,786km 고도에 위치하며, 위성이 지구의 자전 주기와 동일한 속도로 공전하여 지상 기준으로는 항상 동일한 지점을 바라보는 특성을 갖습니다.
정지궤도는 지구 적도 상공에 위치하며, 위성이 하루에 한 바퀴를 공전합니다.
이 궤도는 통신, 방송, 기상 위성 등 지속적인 지상 관측이 필요한 용도에 이상적이며, 지상국 안테나를 고정된 방향으로 설정할 수 있어 운영이 안정적입니다.
다만, 고도가 높기 때문에 통신 지연(latency)이 크고, 극지방 관측에는 한계가 있으며, 발사 비용이 높습니다.
또한 GEO는 지구 자기장의 보호 효과가 약화되는 구간에 해당하여, LEO보다 고에너지 입자에 더 많이 노출됩니다.
위성이 GEO(정지궤도)에 진입하는 방법은 크게 두 가지로 나뉩니다.
첫 번째는 화학 추진 방식으로, 위성을 GTO(정지 전이 궤도)에 올린 후 한 번의 고추력 엔진 점화로 GEO에 직접 진입하는 방식입니다.
두 번째는 전기 추진 방식으로, GTO에 진입한 후 저추력 전기 추진 엔진을 장시간에 걸쳐 지속적으로 분사하여 궤도를 점진적으로 상승시키는 방식입니다. 이 과정은 수개월에서 최대 반년까지 소요되며, 그동안 위성은 수백 차례 궤도를 순환하며 고도를 서서히 높이다가 GEO에 도달합니다.
과거에는 빠른 궤도 진입이 가능한 화학 추진 방식이 주로 사용되었지만, 최근에는 발사 비용 절감과 연료 효율성을 이유로 전기 추진 방식의 채택이 증가하고 있습니다.
Van Allen belt(보라색 영역)와 지구 궤도
GTO (Geostationary transfer orbit) - 정지 전이 궤도
Geostationary Transfer Orbit(GTO)은 위성을 정지궤도(GEO: Geostationary Earth Orbit)로 진입시키기 위한 중간 타원 궤도입니다. 이 궤도는 근지점은 저지구 궤도(LEO) 수준으로 낮고, 원지점은 정지궤도 고도인 약 35,786km에 이르는 타원 형태로 구성됩니다. 위성 발사체는 위성을 이 GTO의 근지점까지 진입시킵니다.
그 후, 위성이 관성에 의해 정지 전이 궤도를 따라 원지점에 도달하면 위성 자체의 추진 장치를 통해 정지궤도에 진입합니다. 이 궤도 전이 방식은 일반적으로 호만 전이(Hohmann Transfer)를 활용하며, 가장 연료 효율적인 방식 중 하나로 알려져 있습니다.
아래 이미지에서 노란색 타원은 GTO이며, 노란색 실선은 인공위성의 경로입니다.
Geostationary transfer orbit
궤도 별 방사선 내성 평가 항목
LEO 궤도는 밴 앨런대의 차폐 효과에 크게 영향을 받습니다. 밴 앨런대는 태양 입자 이벤트(Solar Particle Events, SPE)의 영향을 현저히 줄이며, 은하우주선(Galactic Cosmic Rays, GCR)의 비율도 크게 낮춥니다.
트랩된 입자(trapped particles)는 태양풍(solar wind)보다 더 높은 에너지를 가지게 되며, 이는 반도체에 문제를 일으킬 수 있는 수준입니다.
GEO 궤도는 특히 태양 플레어(solar flare) 발생 시 높은 방사선 위험에 노출됩니다. GEO는 밴 앨런대(Van Allen belts) 바깥에 위치하지만, 여전히 어느 정도의 자기권 차폐(shielding)의 영향을 받습니다.
또한 GEO로 위성이 가기 위해선 GTO를 이용하여 진입하는데 이 때, 밴 앨런대를 통과하기 때문에
비교적 많은 방사선을 받게 됩니다.
자기권의 태양면은 지구로부터 약 65,000km까지이므로, GEO 궤도는 자기권의 영향 내에 있음을 의미합니다.
밴 앨런 대는 GEO보다 낮은 고도기 때문에, GEO에서는 트랩된 입자(trapped particles)의 영향이 미미합니다.
| 항목 | LEO (Low Earth Orbit) | GEO (Geosynchronous Orbit) |
|---|---|---|
| 주요 방사선원 | - 트랩된 입자 (양성자/전자) - 밴 앨런대 |
- 태양 플레어(SPE) - 은하 우주선(GCR) |
| 트랩된 입자 영향 | 매우 큼 (특히 SAA 및 극지방 통과 시) → SEE 유발 가능 |
거의 없음 (Van Allen 벨트 바깥 위치) |
| 태양 플레어(Solar Proton Events) | 자기권 차폐로 영향 적음 (단, 극지방이나 SAA 영향 있음) |
주요 방사선원 (특히 flare 시 10MeV 이상 고에너지 입자 도달) |
| GCR (은하 우주선) | 자기권 영향으로 매우 적음 | LEO 대비 6배 이상 강한 GCR 플럭스 |
| TID (총 흡수선량) | - LEO-Zero: ~136 Rad - LEO-ISS: ~430 Rad - LEO-Polar: ~333 Rad |
- GEO: ~5,930 Rad - GTO(전이 궤도): ~59,630 Rad (가장 높음) |
| SEE 발생 원인 | 트랩된 양성자, 전자 (특히 SAA 구역) | 태양 플레어, GCR → 높은 에너지의 순간입자 충돌 |
| 우주선 LET 영향 | - Proton LET: 0.1 ~ 50 MeV 범위 - TID 영향 많음 |
- Proton LET: 10 ~ 100 MeV 이상 - SEE 영향이 주요 이슈 |
| 차폐 필요성 | 중간 수준 (기본 패키징 차폐도 효과 있음) | 고수준 차폐 필요 (≥5mm Al 권장) |
| 응용 사례 | ISS, CubeSat, 지구 관측 위성 | 통신 위성, 정지 기상 위성, 군용위성 |
참고 문헌
Dalehite, K. A., & Xapsos, M. A. (2022). Mission Radiation Environment Modeling and Analysis (NASA STI/TP-20220016301). NASA Goddard Space Flight Center.