항공우주 이야기 (Proba-3, 두 위성을 통해 태양 코로나 관측의 빈틈을 메우다)

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  Proba-3, 두 위성을 통해 태양 코로나 관측의 빈틈을 메우다

 

2026년 6월 4일, 유럽우주국(ESA)의 Proba-3가 통신 두절을 겪었던 관측 위성을 복구한 뒤 편대 비행과 태양 코로나 촬영에 다시 성공했다. ESA는 6월 9일 관측 위성과 관측장비 ASPIICS(Association of Spacecraft for Polarimetric and Imaging Investigation of the Corona of the Sun)의 정상 상태를 확인하고 운용을 재개할 준비가 됐다고 발표했다.

 

Proba-3는 한 위성이 만든 그림자를 다른 위성의 관측에 이용한다. 차폐 위성인 Occulter Spacecraft가 태양의 밝은 원반을 가리면 관측 위성인 Coronagraph Spacecraft가 약 150m 뒤에서 코로나를 촬영한다. 서로 떨어진 차폐판과 망원경을 정렬해 하나의 긴 외부 차폐형 코로나 관측 장치로 작동시키는 방식이다.

 

< Proba-3의 두 위성과 주요 탑재 장비 >

 

 

< Proba-3의 정밀 편대비행 개념도 >

 

 

 

  밝은 태양빛을 억제하는 광학 설계

 

코로나는 태양의 고온 외곽 대기로 태양풍의 가속과 코로나 질량 방출(coronal mass ejection, CME) 같은 현상이 일어나는 영역이다. ASPIICS는 플라스마 구조와 움직임을 관측해 코로나 가열과 태양풍 가속, 코로나질량방출의 발생 과정을 조사한다. 특히 코로나질량방출은 지구 자기장과 상호작용해 위성·항법 시스템·전력망에 영향을 줄 수 있어 우주 환경 연구에도 기여한다.

 

기존 극자외선 영상이 보여주는 태양 주변 영역과 백색광 코로나그래프가 관측하는 외곽 코로나 사이에는 관측이 상대적으로 어려운 영역이 있다. ASPIICS는 태양 가장자리에 가까운 코로나를 장시간 관측해 이러한 관측의 간극을 보완한다.

 

관측을 어렵게 만드는 것은 태양 원반과 코로나의 큰 밝기 차이다. 차폐판으로 태양빛을 막아도 가장자리에서 회절(diffraction)된 빛이 관측을 방해할 수 있다. Proba-3는 차폐판과 망원경을 멀리 분리하고 망원경 내부의 작은 차폐판으로 회절광을 추가로 억제한다. 이를 통해 태양 중심에서 약 1.1태양반지름, 즉 태양 표면 위로 약 0.1태양반지름에 해당하는 높이부터 코로나를 관측하도록 설계됐다. 약 150 m의 운용 거리는 광학 성능, 상대 위성의 위치 추적 성능, 추진제 소모량을 함께 고려한 결과이다.

 

< Proba-3의 태양 코로나 관측 영역과 과학 목표 >

 

 

 

  장시간 관측을 뒷받침하는 자율운용과 안전 설계

 

Proba-3는 두 위성의 상대 위치를 밀리미터 수준으로 유지하며 한 번에 최대 6시간 동안 코로나를 관측하도록 설계됐다. 긴 구조물로 연결되지 않은 두 위성이 하나의 관측장비처럼 작동하려면 정밀 편대비행 중에는 상대 위치 오차를 보정하기 위한 미세 추력 제어가 반복적으로 필요하다. 이를 위해 ESA와 산업체 연구진은 상대궤도 모델을 단순화한 탑재 제어 알고리즘을 개발했다. 두 위성의 상대운동을 예측하는 데 필요한 계산을 제한된 탑재 컴퓨터의 처리 능력 안에서 수행하도록 한 것이다.

 

자율운용은 지상과의 통신 조건과도 밀접하게 연관된다. Proba-3는 근지점 고도 약 600 km, 원지점 고도 약 6만 km의 고타원궤도를 약 19.7시간마다 공전한다. 이때 정밀 편대비행은 원지점 부근에서 수행하며 해당 구간에서는 두 위성에 작용하는 지구 중력의 차이가 작아 상대 위치를 유지하는 데 필요한 추진제 소모를 줄일 수 있다. 나머지 구간에서는 정밀 편대를 해제하고 안전한 상대궤도를 따라 비행하는데, 궤도에서는 지상국과 한 번에 통신할 수 있는 시간이 약 30분에서 12시간까지 달라진다. 운영진은 궤도와 지상국의 운용 조건을 고려해 교신 일정을 계획하고 자동화 시스템은 명령 전송과 위성 상태 데이터 수신 및 처리 등을 수행한다. 위성의 자율 항법과 지상 운용 자동화가 함께 임무를 지원하는 구조다.

 

두 위성을 가까이 운용하는 만큼 안전 설계도 중요하다. 한 위성이 제어 능력을 잃으면 다른 위성과 충돌할 위험이 있으며 외부 우주물체를 피할 때도 두 위성 사이의 안전거리를 함께 고려해야 한다. 따라서 자동화된 탑재 시스템이 안전을 관리하고 대응이 어려운 상황에서는 지상 운영진이 개입하도록 설계됐다. 통신이 불가능한 시간에 비상 상황이 발생할 가능성에 대비해 운영진이 개입할 때까지 두 위성을 보호하는 안전모드도 마련됐다.

 

 

  반작용휠 탈포화 중단이 전력 문제로 이어지다

 

2026년 2월에는 반작용휠 탈포화(reaction wheel desaturation)를 준비하던 중 소프트웨어 문제가 발생해 정상 운용이 중단됐으며 탑재 고장 복구 로직이 명령한 안전모드 진입도 차단됐다. 반작용휠은 회전속도를 바꿔 위성 자세를 제어하며 속도가 한계에 가까워지면 감속해 제어 여유를 확보해야 한다. 이때 추진기는 휠 감속으로 위성 본체에 발생하는 토크를 상쇄해 자세를 유지한다.

 

ESA에 따르면 추진기 예열을 담당하는 소프트웨어가 실행되던 장비 온도가 허용 범위를 벗어나 함수 실행이 중단됐다. 이 시점이 세마포어 (semaphore, 공유 자원 접근을 조정하는 소프트웨어 장치) 잠금을 처리하던 순간과 겹치면서, 세마포어가 해제되지 않은 상태로 남았다. 탈포화가 진행되지 못한 위성은 점차 목표 자세를 유지하지 못했고 태양전지판이 태양을 향하지 못하게 됐다. 소프트웨어의 동기화 문제가 자세제어와 전력 확보까지 영향을 미친 사례다.

 

운영진은 복구 후 하위 시스템과 ASPIICS를 점검하고 소프트웨어 수정과 관련 동작 재검증을 수행했다. 이어 편대비행과 코로나 촬영에 성공하며 관측 기능의 회복을 확인했다.

 

 

  코로나 관측에서 우주선 간 협력 임무로

 

ESA는 정밀 편대비행 기술의 향후 활용 분야로 궤도상 서비스, 위성 재급유, 심우주 랑데부를 제시한다. 이러한 임무에는 상대 우주선에 안전하게 접근하고 정밀한 상대 위치를 유지하는 능력이 필요하다. 특히 지구의 위성 항법 시스템을 이용할 수 없고 지상과의 통신 지연이 큰 심우주에서는 자율 항법의 중요성이 커진다.

 

Proba-3는 상대 위치 측정, 탑재 계산, 제어, 추진을 연결해 두 위성을 하나의 관측 시스템으로 운용한다. 코로나 영상은 그 시스템이 만들어내는 과학 자료이자 정밀 편대비행 성능을 보여주는 결과물이다. 태양의 희미한 대기를 관측하려는 과학적 요구가 우주선 간 자율 협력 기술의 실증으로 이어진 것이다.

 

 

< Proba-3의 궤도 >

 

 

 

 

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원문            이진[dlwls5575@kaist.ac.kr]

편집             김준서[junnius@kaist.ac.kr]