서 론
위성통신체계는 군사, 상업, 민간 분야 전반에 걸쳐 핵심 인프라로 자리매김하고 있으며, 국가안보 및 전략적 운용에서 그 중요성이 지속적으로 증가하고 있다[1]. 특히 정지궤도(Geostationary Orbit, GEO) 위성은 지상 기준으로 고정된 위치에서 넓은 영역을 대상으로 안정적이고 지속적인 통신 서비스를 제공할 수 있어, 지휘통제, 감시정찰, 방송 통신 등 다양한 분야에서 핵심 자산으로 활용되고 있다. 그러나 이러한 고정성은 위성의 위치가 예측 가능하다는 특성과 맞물려 재밍에 노출되기 쉬운 구조적 한계를 지닌다[2].
기존의 위성 재밍 관련 연구는 다양한 궤도 환경을 대상으로 수행되어 왔으며, 특히 하향링크(downlink) 재밍과 SAR 위성에 대한 재밍 방법이 다수 제시된 바 있다[3-5]. 하향링크 재밍은 위성에서 지상으로 전파되는 신호를 방해하는 방식으로, 불특정 다수의 수신기를 교란할 수 있는 장점이 있으나, 고출력 송신기와 정밀한 조준 능력이 요구되어 운용상 제약이 존재한다.
한편, GEO 위성의 고정된 위치 특성을 활용하면, 지상에 배치된 고정식 재머를 통해 상대적으로 안정적이고 지속적인 상향링크(uplink) 재밍이 가능하다. 이에 따라 실제 운용 조건을 반영한 재밍 효과의 정량적 평가 및 효과적인 재머 설계 기준 도출이 중요한 과제로 대두되고 있다.
이러한 정량 평가를 위해 재밍 대 신호비(Jamming-to-Signal Ratio, JSR)는 대표적인 성능 지표로 활용된다. 예컨대, 항재밍 GPS와 상용 GPS 수신기의 성능 비교 연구에서도 JSR이 핵심 기준으로 사용된 바 있으며[6], 이는 통신위성 재밍 분석에도 효과적으로 적용될 수 있다. 본 연구는 GEO 통신위성을 대상으로, 재머의 송신 전력, 안테나 이득, 거리 등의 요소를 고려한 JSR 기반 분석을 수행한다.
또한, 재밍 신호는 목표 위성 외의 다른 우주 자산에도 비의도적 간섭(unintentional interference)을 유발할 수 있다. 특히 저궤도(Low Earth Orbit, LEO) 위성은 다양한 궤도면을 따라 하루 여러 차례 지구를 공전하며 광범위하게 분포되어 있어, 재머의 지향성 빔과 우연히 교차할 가능성이 존재한다. 이는 통신 오류나 임무 지연 등의 문제를 초래할 수 있으며, 다국적 위성망이나 제3국 자산과 관련되었으면 정치적·전략적 부담이 될 수도 있다[7].
이에 본 연구는 GEO 위성과의 상향링크를 대상으로 한 지상 기반 지향성 재머의 재밍 효과를 정량적으로 평가하고, 동시에 타 위성에 대한 비의도적 간섭 가능성을 분석함으로써, 효과적이고 책임 있는 재머 운용의 기반을 제공하는 것을 목적으로 한다.
재밍 분석 개요
2.1 링크 구성도
이 연구는 위성 통신의 상향링크 환경에서 수행되는 지상 기반 재밍 효과 분석을 목적으로 하며, 사용자는 위성을 향해 정상적인 통신 신호를 송신하고, 재머는 동일한 주파수 대역에서 위성 방향으로 간섭 신호를 발사하는 구조를 가정한다. 본 연구에서는 위성, 사용자, 재머 간의 상대적 위치 관계와 전파 방향을 고려하여 재밍 효과를 정량적으로 분석하며, 이러한 링크 구성의 개념적 구조는 Fig. 1에 제시되어 있다.
지상의 사용자와 재머는 각각 정상 신호와 재밍 신호를 위성에 송신하며, 통신은 직선 시야(Line-of-Sight, LOS)를 전제로 하며, 안테나의 지향성과 거리, 출력 등의 요소가 링크 성능에 영향을 미친다.
본 연구에서 다루는 분석 대상 링크는 다음의 두 개의 전파 경로로 구성된다.
1) 신호 경로(Signal Path): 사용자가 위성으로 정상 신호를 송신하는 경로로, 기준 링크 성능을 나타낸다.
2) 재밍 경로(Jamming Path): 재머가 동일 주파수 대역에서 위성을 향해 간섭 신호를 발사하는 경로로, 통신에 대한 간섭 정도를 결정짓는 주요 요소이다.
두 경로 간의 상대적 전력 차이는 JSR을 통해 정량적으로 평가되며, 이는 다음 절에서 상세히 설명된다.
2.2 JSR
JSR은 위성 수신기에서 수신되는 재밍 신호의 세기와 정상적인 통신 신호의 세기 간의 비율로 정의되는 성능 지표이다. JSR의 값이 클수록 재밍 신호가 원래 신호보다 강하게 수신되는 것으로서, 재밍 효과는 더 커지는 것을 의미하므로, 핵심 성능 지표로 활용된다[8].
수신기로 들어가는 재머의 신호크기(J, dBm)는
여기서,
ERPJ = 재머의 유효 방사전력(dBm)
F = 통신주파수(MHz)
GRJ = 재머 방향으로의 위성 수신 안테나 이득(dB)
dj = 재머에서 수신기까지 거리(km)
수신기로 들어가는 요구되는 신호 크기(S, dBm)는 다음 식과 같다.
여기서,
ERPS = 송신기의 유효 방사전력(dBm)
GRS = 송신기 방향으로의 위성 수신 안테나 이득(dB)
ds = 송신기서 수신기까지 거리(km)
유효방사전력(Effective Radiated Power, ERP)는 송신전력과 송신 안테나 이득(수신기 방향에서)의 합(dB)으로 주어진다.
재밍 대 신호비는 다음 식에서와 같이 dB 단위에서 두 수의 차이 (J-S)로 구할 수 있다. 특히, 송신기와 재머가 동일한 주파수 대역을 사용할 경우, 경로 손실 계산에서 포함되는 주파수 항은 양측에서 상쇄되므로, 최종적으로는 거리, 송신 전력, 안테나 이득 등만을 포함하는 간소화된 형태로 정리되어 최종식은 식 (4)와 같다.
효과적인 재밍에 필요한 JSR은 사용된 재밍 유형과 원하는 신호 변조의 특성에 따라 0 ∼ 40 dB 혹은 그 이상까지 다양할 수 있으나, 일반적으로 10 dB의 JSR 은 많은 상황에 적용되는 좋은 어림수로, 통신 재밍에 대해서 사용하기에 적절하다[9].
2.3 HPBW과 안테나 이득과의 관계
안테나 이득은 빔폭이 좁을수록 증가하는 특성이 있으며, 이러한 관계는 다음과 같은 수식으로 정량적으로 표현된다[10].
안테나의 지향성(Directivity, 무차원)은
여기서, φ3dB,deg는 평면 내 HPBW[deg]
θ3dB,deg는 직교 평면에서의 HPBW[deg]
안테나 이득(G)은 지향성과 안테나 효율(η)을 고려하여 정의된다.
만약 60 %의 효율을 갖는 안테나이고, 두 평면의 HPBW가 동일한 경우(등방향 빔)은 식은 단순화 된다.
안테나 이득의 dB 변환식은 다음과 같다.
GEO 위성 대상 JSR 분석
3.1 분석 대상 위성과 사용자/재머 위치
3.2 시뮬레이션 파라미터
시뮬레이션 모델의 간결성과 분석의 일관성을 확보하기 위해 다음과 같은 가정을 적용하였다. 지구는 완전한 구형으로 간주하였으며, 위성과 사용자 또는 재머 간에 직선 시야(LOS)가 확보된 경우에만 통신 또는 간섭이 가능한 것으로 설정하였다. 재머와 수신자는 동일한 주파수 대역(Ku band)을 사용하는 것으로 가정하였고, 편파는 완전 정합을 전제로 하였다. 전파 손실은 자유공간 경로손실만을 고려하였으며, 대기 굴절, 다중경로 등 기타 감쇄 요소는 분석에서 제외하였다. 본 시뮬레이션에 사용된 주요 파라미터는 Table 2에 제시하였다.
Table 2.
Simulation parameters
3.3 재머 성능에 따른 JSR 변화
재머가 △△에 위치한 경우의 시뮬레이션 결과를 Fig. 4에 제시하였다. 해당 그림은 재머 송신 전력과 안테나 이득을 설계 변수로 하여, 이에 따른 JSR 분포를 등고선 형태로 시각화한 것이다. 노란색 영역은 JSR이 높아 재밍 효과가 강한 구간을, 파란색 영역은 효과가 미약한 구간을 의미한다. 특히 빨간색 실선은 JSR = 10 dB 기준을 나타내며, 재밍 효과 확보를 위한 최소 조건의 경계를 정의한다. 이 기준선을 기준으로 상부 영역은 효과적인 재밍이 가능한 조합, 하부 영역은 효과가 부족한 조합으로 해석할 수 있다.
3.4 재머 위치에 따른 JSR 변화
3.5 저성능 이동형 송신기(저출력, 낮은 안테나 이득) 사용 시 JSR 분석
실제 작전환경에서는 탐지 회피가 용이하고 설치 위치를 신속히 변경할 수 있는 저성능 이동형 송신기가 활용될 가능성이 높다. 본 연구의 이동형 송신기는 운용 중 이동이 아닌 위치 변경이 가능한 기종을 의미하며, 분석은 고정 위치 기준으로 수행하였다. 본 절에서는 이러한 시나리오를 가정하여, 송신 전력 16 W, 안테나 이득 41.6 dB의 상용 장비(SAILOR 1000 XTR)를 기준으로 재밍 효과를 분석하였다. 대상 위성은 동일하게 설정하였으며, 재머는 국내 특정 지역에 위치한 것으로 가정하였다. 송신기 위치는 비교를 위해 Table 3과 같이 두 개의 위치로 구분하였으며, 시뮬레이션에 사용된 주요 파라미터는 Table 4에 정리하였다.
Table 3.
Location of low-power mobile transmitter
| 구분 | 위도 | 경도(E) | 고도 |
|---|---|---|---|
| ○○ | 39° 1′ 55′′ N | 125° 45′ 0′′ E | 14 m |
| □□ | 37° 14′ 39′′ N | 127° 0′ 49′′ E | 12 m |
Table 4.
Simulation parameters for low-power mobile transmitter
송신 전력이 증가할수록 요구되는 재머 안테나 이득은 감소하며, 이는 동일한 JSR 확보를 위한 출력과 이득 간의 상호 보완 관계를 보여준다. 한편, 송신기 위치에 따른 영향은 매우 제한적인 것으로 나타났다. 예를 들어, 송신 전력 1,000 W 기준으로 ○○에 위치한 송신기의 요구 이득은 33.63 dB, □□은 33.64 dB 로, 두 위치 간 차이는 0.01 dB에 불과하였다.
3.6 소결론
Ku-band 대역 시뮬레이션 결과, JSR = 10을 만족하기 위한 재머의 송신 전력 및 안테나 이득 조건을 분석하였으며, 송신 전력을 1,000 W로 고정한 경우의 최소 요구 안테나 이득도 도출하였다. 재머 위치에 따른 위성까지의 거리 차이는 전체 전파 경로 대비 미미하여, 성능 차이는 거의 없었고, 주요 영향 요소는 수신 안테나의 방향 이득임을 확인하였다. 고성능 및 저성능 송신기별 요구 이득은 Table 5에 정리하였다.
타 위성통신에 미치는 영향 분석
4.1 타 GEO 위성 통신에 대한 영향 가능성
GEO 위성은 지상에서는 고정된 방향에 머무르게 되기 때문에, GEO 위성을 대상으로 하는 재밍 작전에서는 재머의 안테나 빔도 일정한 방향을 유지하며, 효과적인 교란을 위해 고이득 지향성 안테나가 요구된다. 이때 좁은 빔폭은 동일 송신 전력을 더 높은 안테나 이득으로 전환하여, 에너지를 집중시킴으로써 표적 위성에 대해 효율적인 재밍을 가능하게 한다.
GEO 위성은 일반적으로 약 0.5° 간격 또는 그 이상으로 분포하고 있으며, 이는 지향성 안테나의 빔폭보다 넓은 간격으로 인해 단일 위성을 정밀 타격하는 것이 가능하다. 실제로 우리나라 정지궤도 위성인 KOREASAT 5A(113.0°E) 및 KOREASAT 7(116.0°E) 주변에는 0.5° 이내에 위치한 인접 위성이 존재하지 않아, 재밍 시 타국 위성에 대한 간섭 우려도 낮다.
이러한 위성 간 간격 특성과 정밀 타격 가능성은 Fig. 8에 제시된 동경 100° ∼ 150° 구간의 GEO 위성 분포를 통해 시각적으로 확인할 수 있다[11,12]. 해당 그림에서는 위성의 국적과 사용 주파수 대역(C, Ku, L)에 따라 각각 다른 색상의 레이블로 구분되어 있다.
이러한 위성 간 분포 간격과 지향성 재머의 일반적인 안테나 빔폭을 고려할 때, 특정 타국 위성을 목표로 한 재밍 신호가 우리나라 위성에 도달하여 간섭을 일으킬 가능성은 사실상 존재하지 않는다. 따라서 타국 위성을 대상으로 수행되는 재밍 작전은 우리나라 정지궤도 위성에 실질적인 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다.
4.2 타 LEO 위성 통신에 대한 영향성 분석
정지궤도 통신위성 재밍 시 동일 시간대에 동일 주파수 대역을 사용하는 타 위성, 특히 저궤도 위성에 대한 비의도적 간섭 가능성에 대한 고려가 필요하다. 그러나 저궤도 관측 위성의 경우, 통상적으로 정지궤도 통신위성과는 명확히 분리된 주파수 대역을 사용하므로, 주파수 분리에 따른 간섭 방지가 가능하다[13,14].
이에 따라 주파수 대역의 특성과 위성의 임무 목적을 고려하였을 때, GEO 통신위성을 대상으로 한 재밍이 저궤도 관측위성의 정상적인 임무 수행에 직접적인 간섭을 유발할 가능성은 매우 낮으며, 관련 사항을 Table 6에 제시하였다.
Table 6.
LEO impact during GEO jamming
| 구분 | 주파수 | 타 위성 영향성 |
|---|---|---|
| 관측위성 | S밴드, X밴드 | 없음 |
| 통신위성 | C밴드, Ku밴드, Ka밴드 | 일시적 영향 가능 |
GEO 위성 재밍시 지향성 안테나는 목표 위성을 중심으로 전파를 방사하며, 이때 빔의 유효 범위는 HPBW (Half Power Beamwidth)로 정의된다. HPBW는 최대 안테나 이득 대비 −3 dB(전력 기준 절반)의 이득이 형성되는 각도 범위를 의미한다[15]. 따라서 LEO 위성이 이 HPBW 범위에 일시적으로 진입하는 경우 비의도적 간섭이 발생할 수 있다. 이러한 영향을 정량적으로 판단하기 위해, Fig. 9는 재밍 빔 내에 진입하는 순간의 기하 구조를 도식화한 것이다.
재머 J가 대상 위성 S1을 중심으로 빔을 형성하고 있으며, LEO 위성 S2가 재밍 빔 내부 포함 여부를 판단하기 위해, 다음과 같은 벡터와 각도를 정의한다:
θ가 HPBW의 절반보다 작거나 같을 경우, 타 위성은 재밍 빔 내에 위치한 것으로 판단된다:
시뮬레이션에서는 재머 송신 전력을 1,000 W로 고정하였으며, 안테나 이득은 앞서 GEO 위성에 대해 JSR = 10을 만족시키는 최소값을 적용하였으며, HPBW는 식 (10)을 이용하여 계산하였다.
고성능, 저성능 송신기에 따른 재머 송신전력과 HPBW은 Table 7에 정리하였다.
Table 7.
Jammer HPBW depending on target transmitter
| 송신기 | 재머송신 전력 | 필요 안테나 이득(dB) | HPBW (degree) |
|---|---|---|---|
| 고성능 이동형 | 1,000 | 52.2954 | 0.3820 |
| 저성능 이동형 | 1,000 | 33.6263 | 3.2771 |
재밍 빔의 비의도적 영향성을 평가하기 위해, 고도 약 1,200 km, 궤도 경사각 87.9°를 갖는 대표적인 LEO 위성 1기를 분석 대상으로 선정하였다. 재머 빔은 △△ 지역에 위치한 송신기에서 발사되는 것으로 가정하였으며, 각각의 송신기 성능에 따라 산출된 HPBW를 활용하였다. 실제 재머 빔은 복잡한 전기장 분포를 가지지만, 해석 단순화를 위해 이상화된 원뿔 형태로 모델링하였고, 위성 궤도와 재머 빔 간의 상대 기하관계를 기반으로 위성이 빔 내에 진입하고 이탈하는 시점을 추적하여 각 교차 구간의 체류 시간을 산출하였다.
이 과정에서 Fig. 10은 시뮬레이션 결과 중 LEO 위성이 재머 빔 내부에 진입한 시점을 ECI 좌표계에서 시각화한 것으로, 교차 여부가 보다 명확히 드러나도록 HPBW가 더 큰 저성능 이동형 송신기 조건을 사용하였다. 이를 통해 GEO 위성을 향한 재머 빔이 특정 시간·공간 구간에서 LEO 위성 궤도와 중첩될 가능성을 직관적으로 확인할 수 있다.
다음으로 Fig. 11은 1개월 동안 수행된 시뮬레이션 결과를 바탕으로 재머 빔을 고도 1,200 km 상공에 투영하고 빔 풋프린트와 LEO 위성 궤도의 교차 영역을 확대해 제시한 결과이다.
1일 단위 분석으로는 LEO 위성이 재머 빔 내에 진입하는 사례가 충분하지 않으며, 1개월 시뮬레이션을 통해 HPBW가 0.3820°일 때는 1회, 3.2771°일 때는 3회의 교차·영향 구간이 발생하는 것으로 확인되었다. 이를 통해 교차 여부와 위치를 한눈에 파악할 수 있으며, 비의도적 간섭 발생 가능성을 시각적으로 보여준다.
앞서 제시한 식 (9)를 활용하여 LEO 위성이 재밍 빔 내부에 위치하는 시간 구간을 식별하고, 진입 및 이탈 시점을 추출하였다. 이를 바탕으로 영향 시간을 산출하였으며, 그 결과를 Table 8에 정리하였다.
Table 8.
LEO satellite exposure duration (1 Month)
| 구분 | 고성능 이동형 | 저성능 이동형 |
|---|---|---|
| HPBW | 0.3820° | 3.2771° |
| 영향시간(s) | 1.9 | 16.7, 6.7, 14.2 |
고성능 송신기를 재밍할 때, 고이득 지향성 안테나를 사용하여 0.382° 수준의 좁은 빔폭을 형성함으로써 정지궤도 위성을 정밀 조준할 수 있다. 그러나 이와 같은 협소한 빔폭은 궤도상 고속으로 이동하는 저궤도 위성과의 교차 시간이 매우 짧아, 실질적인 재밍 효과는 제한적이다. 반면, 저성능 송신기를 고려한 시뮬레이션 결과, 위성 1기 기준으로 한 달 동안 최대 16.7초, 최소 6.7초의 간헐적인 재밍 영향이 관측되었다. 이 중 최대치는 위성이 HPBW 중심축을 정면 통과하는 경우로, 대부분의 상황에서는 이보다 짧은 시간 동안 영향이 발생하거나 전혀 영향을 받지 않는다. 저궤도 위성의 고속 통과 및 다중 위성 운용 특성을 고려할 때, 이러한 일시적인 간섭은 전체 운용 측면에서 무시 가능한 수준으로 판단된다.
결 론
본 연구는 GEO 통신위성을 대상으로 한 지상 기반 상향링크 재밍 효과를 정량적으로 분석하고, 이로 인해 발생할 수 있는 타 위성에 대한 비의도적 간섭 가능성을 평가하였다. 먼저, JSR을 기준으로 GEO 위성에 대해 재밍 효과가 발생하기 위한 최소 송신 전력 및 안테나 이득 조건을 도출하였으며, 시뮬레이션 결과, 재머의 위치에 따른 성능 차이는 제한적이었고, 가장 큰 영향 요인은 수신 안테나의 방향 이득으로 분석되었다.
또한 GEO 위성 재밍이 수행될 경우, 대상 이외의 위성에 미치는 영향도 함께 분석하였다. 타 GEO 위성의 경우, 동일 궤도상에서의 상대 위치, 방향성 안테나의 지향 특성, 주파수 분리 등을 고려할 때 상호 간섭 가능성은 낮은 수준으로 평가되었으며, 에너지 손실과 방향성으로 인해 실질적인 영향은 제한적임을 확인하였다.
LEO 위성의 경우, 대표 궤도 특성을 갖는 1기를 대상으로 하여 궤도 정보를 기반으로 재밍 빔과의 교차 가능성과 이에 따른 영향 시간을 분석하였다. 그 결과, 고이득 지향성 안테나(0.382° HPBW)를 사용하는 고성능 송신기의 경우, LEO 위성이 빠르게 빔을 통과하므로 영향 시간은 수 초 이내로 짧고, 운용상 무시 가능한 수준이었다. 반면, 넓은 빔폭(3.277° HPBW)을 갖는 저성능 송신기의 경우 간헐적 간섭이 수 초 ∼ 수십 초 수준으로 발생할 수 있었으나, LEO 위성의 고속 이동과 다중 운용 특성을 고려할 때 전체 통신 시스템에 미치는 영향은 미미한 수준으로 판단되었다.
결론적으로, GEO 위성에 대한 재밍의 수행 조건과 타 위성(타 GEO, LEO)에 대한 비의도적 간섭 가능성을 함께 정량적으로 분석함으로써, 재밍 설계 기준 수립을 위한 기초자료를 제공하였다. 향후 실제 위성 통신 환경을 반영한 주파수 분할, 위성 간 간섭 회피 기법, 궤도 다양성뿐만 아니라, 계절적 요인이나 장마 등 대기 상태 변화가 특정 주파수 대역, 특히 Ka 밴드의 성능에 미치는 영향을 고려한 후속 연구를 통해 재밍 효과와 위험성을 더욱 정밀하게 평가할 수 있을 것이다.
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