인공위성의 궤도 종류

지구 저궤도(LEO, Low Earth Orbit)

지구 저궤도(LEO)는 주기가 128분 이하(하루에 최소 11.25회 궤도 돌기)이고 이심률이 0.25 미만인 지구 주위 궤도를 말한다. LEO고도는 보통 고도 2,000 km 미만(지구 반경의 약 1/3) 미만의 우주 영역에 사용된다. 안정적인 지구 저궤도를 유지하는 데 필요한 평균 궤도 속도는 약 7.8km/s정도 된다. 우주 공간에 존재하는 대부분의 인공 물체(인공위성 등)는 LEO에 있으며 약 800km(500마일) 고도에서 가장 많다. 국제우주정류장(ISS) 및 텐궁 등 유인 우주정류장 등도 저구 저궤도(고도 약 400 km)에 위치하고 있다.

 

지구 중궤도(MEO, Medium Earth Orbit)

지구 중궤도(MEO)는 해발 2,000km에서 35,786km(1,243마일에서 22,236마일) 사이의 LEO 및 HEO 사이의 궤도를 말한다. MEO 궤도에 있는 위성은 태양 복사 압력에 의해 교란될 수 있으며, 지구의 알베도, 항행 안테나 추력, 열재복사와 관련된 열 효과 등에 영향을 받을 수 있다. MEO 영역에는 밴 앨런 방사선 벨트(Van Allen radiation belt)로 알려진 적도 위의 에너지 하전 입자 두 구역이 포함되며, 따라서 특별한 차폐 없이 위성의 전자 시스템을 손상시킬 수 있다. MEO의 모든 위성은 궤도 주기가 24시간 미만이며, 최소 주기(가장 낮은 MEO 고도에서 원형 궤도의 경우)는 약 2시간 정도이다.

 

지구 고궤도(HEO, High Earth Orbit)

지구고궤도(HEO) 지구에서 35,786km 떨어진 정지 궤도보다 원점이 더 먼 지구 중심 궤도를 말한다. 지구 고궤도에 있는 위성은 주로 통신, 항법, 과학 연구 및 군사 응용 분야에 사용된다. HEO의 주요 이점 중 하나는 지구와 심우주를 거의 방해받지 않고 볼 수 있다는 것이다. 따라서 천문 관측 및 지구 모니터링에 이상적인 위치이며, HEO의 위성은 지구 표면을 지속적으로 커버할 수 있으므로 통신 및 항법 목적으로 매우 유용하다.

다양한 지구궤도의 종류(출처 : https://news.sparkfun.com/)

 

지구동기궤도(GeoStationary Orbit)

혹은 정지궤도(Geosynchronous Equatorial Orbit)

지구동기궤도(GSO, geosynchronous orbit)는 지구 자전주기와 동일한 주기로 공전하는 모든 궤도를 말하며, 이 중 적도에서 정확히 원궤도로 공전하는 궤도를 정지궤도(geosynchronous equatorial orbit, GEO)라 한다. GEO는 지구 적도 위 고도 35,786km, 지구 중심에서 반경 42,164km이며 지구의 자전 방향을 따르며, 지상 관찰자에게는 하늘의 고정된 위치에서 움직이지 않는 것처럼 보인다. 즉 정지궤도는 3.07 km/s 궤도 속도로 지구를 하루에 1회 회전하게 된다. GSO는 GEO와 다르게 반드시 원궤도일 필요는 없으며 타원궤도도 가능하며, 정지궤도, 즉 적도면과 경사각이 있을수도 있다. 따라서 지구에서 관측할 때 동기궤도를 가지는 위성은 같은 위치에 고정되지 않고 8자 형태(Analemma)로 움직이는 것처럼 보이는 경우가 많이 있다.

정지 궤도의 개념은 1940년대 공상 과학 소설 작가 아서 C. 클라크(Arthur C. Clarke)에 의해 통신에 혁명을 일으키기 위한 방법으로 대중화되었으며, 이러한 종류의 궤도에 배치될 최초의 위성은 1963년에 발사되었다. 정지궤도는 1929년, 헤르만 포토치니크(Herman Potočnik)는 일반적으로 정지궤도와 특히 정지궤도의 특수한 경우를 모두 우주 정거장에 유용한 궤도로 설명했다.

GEO 위성은 지구에서 항상 정지하여 보이는 특징으로 통신, 기상관측, 군사 감시 위성 등 다양한 용도로 많이 사용된다.

 

정지천이궤도(Geostationary Transfer Orbit, GTO)

정지천이궤도(Geostationary transfer orbit, GTO)는 타원형 유형의 지구 중심 궤도로, 일반적으로 근지점은 지구저궤도(LEO)만큼 낮고 원점은 정지 궤도(GEO)만큼 높은 궤도를 말한다. 정지 궤도(GSO) 또는 GEO로 향하는 위성은 최종 궤도에 도달하기 위한 중간 단계로 GTO에 배치되는 경우가 많이 있다.

 

극궤도(Polar Orbit)

극 궤도는 지구의 극지 위 또는 거의 위를 지나가는 궤도를 말하며, 적도 면에 대해 약 60-90도의 경사를 가지고 있다. 인공 위성을 극궤도로 발사하려면 지구의 회전 속도를 이용할 수 없기 때문에 적도 궤도 등에 사용하는 발사체 대비 더 큰 발사체가 필요하다. 극 궤도는 지구 매핑, 정찰 위성 및 일부 기상 위성에 사용되며, 이리듐 위성군은 극궤도를 사용하여 통신 서비스를 제공한다.

극 궤도 중 궤도면과(평균)태양이 이루는 각도가 항상 일정하게 유지되어 지구상의 고정된 위치를 일정한 시각(지방시)에 통과하기 때문에 지구 상 물체를 매일 같은 시각에 관측을 할 수 있는 궤도를 태양동기궤도(Sun-synchronous orbit SSO)라 한다. 태양 동기궤도는 지구 상 물체를 매일 같은 시각에 관측을 할 수 있어서 시간에 따른 물체의 변화를 분석하는데 매우 유리하다. 태양동기궤도 위성은 고도에 따라서 대개 하루에 13번에서 15번 정도 지구주위를 공전한다. 우리나라의 지구관측을 위한 다목적실용위성(KOMPSAT)인 아리랑위성 1, 2, 3, 3A, 5, 6, 7호는 모두 태양동기궤도 위성이다.

 

근직선형 헤일로 궤도(Near-rectilinear halo orbit, NRHO)

궤도 역학에서 근직선형 헤일로 궤도(NRHO)는 두 천체 중 더 작은 천체 가까이를 통과하고 거의 안정적인 동작을 하는 헤일로 궤도이다. NRHO는 중력 우물의 "가장자리에서 균형이 잡혀 있는" 것으로 묘사되는데, 인공위성에서는 달과 지구사이에 중력의 균형을 이루는 라글랑주 포인트를 의미한다. 달 탐사의 물류기지로 예정된 루나 게이트웨이가 NRHO에 배치될 예정이다.

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