사람이나 물건이나 매사에 충돌은 피해야 한다. 충돌에 따른 결과가 때로는 심각한 후유증을 낳기 때문이다. 하물며 충돌의 대상이 인공위성과 같이 천문학적인 비용이 들어가는 첨단장치라면 그 피해는 더욱 커질 수밖에 없다.
따라서 과학자들은 오래 전부터 충돌 회피 기술을 연구해 왔다. 특히 충돌 사고 가능성이 높은 항공우주 산업과 자동차 산업을 중심으로 충돌 회피 기술은 눈부신 발전을 거듭해 오고 있다. 이 같은 상황에서 최근 한국항공우주연구원(KARI)은 인공위성이 우주 파편과 충돌하지 않도록 해주는 프로그램을 개발했다고 최근 발표하여 전 세계의 이목이 집중되고 있다.

파편 접근거리 분석

한국항공우주연구원(이하 항우연)이 개발한 우주파편 충돌위험 분석 및 대응 프로그램의 명칭은 카리스마(KARISMA, KARI space collision risk management system) 시스템이다. 항우연 관계자의 말에 따르면 현재 성능의 우수성을 인정받아 미국의 항공우주 전문 소프트웨어업체와 수출 계약을 협의 중인 것으로 알려졌다.
카리스마 시스템이 보유하고 있는 기능 가운데 가장 대표적인 것은 우주 파편의 접근거리를 분석하여 충돌위험을 피할 수 있도록 하는 기능이다. 이 기능은 미 합동우주운영센터(JSpOC)에서 공개하는 우주 파편들의 궤도정보를 이용한 충돌확률 계산을 통해 이루어진다.
충돌확률 개념으로 충돌위험을 분석하는 이유는, 인공위성이나 우주 파편의 위치 정보에 오차가 존재할 수밖에 없기 때문이다. 각각의 위치에 대한 정보가 실제와 정확히 일치하고, 각각의 물체에 대해 미래 시점에서의 위치를 실제와 정확하게 예측할 수만 있다면, 위성과 파편 상호간의 최근접 거리만을 계산하여 충돌여부를 파악하면 된다.
그러나 실제로는 각각에 대한 위치계산에 오차가 있을 수밖에 없기 때문에, 위치의 오차를 공분산(Covariance)으로 표현하여 실제의 크기보다 더 큰 물체들 간의 충돌 가능성을 분석하는 것이 적절하기 때문이다. 공분산이란 두 변수(變數)의 관계를 나타내는 양(量)을 의미한다.
다시 말해, 인공위성을 일차 물체(Primary)로 정하고 접근하는 우주물체를 이차 물체(Secondary)로 가정하여 인공위성의 오차범위 즉, 인공위성의 공분산 면적 내에 우주물체의 공분산 면적이 얼마나 자주 부딪힐 것인가를 계산하는 것이다.

충돌위험이 높아지면 충돌회피기동 계획 생성

카리스마 시스템의 또 다른 기능으로는 충돌위험이 경계치를 초과하면 위성을 충돌로부터 회피하기 위해 추진하는 충돌회피기동 계획 생성 기능을 들 수 있다. 충돌회피기동이란 충돌위험을 낮추면서도 위성 운영 시 요구되는 다양한 제한조건들을 위배하지 않고, 가장 최소의 연료를 이용할 수 있도록 최적화하는 알고리즘이다.
예를 들어 아리랑 위성이나 천리안 위성과 같은 우리나라 위성들과 우주 파편의 충돌 확률을 계산하여 1000분의 1보다 높은 확률이 나오게 되면, 오차범위와 상대충돌 속도 등 다양한 변수들을 고려하여 충돌위험을 낮추는 방향으로 최적 충돌회피기동 계획을 세우게 되는 것이다.
이와 같은 임무를 수행하는 것이 가능한 이유는 카리스마 시스템에 비행역학시스템(Flight Dynamics system)도 탑재되어 있기 때문이다. 비행역학시스템은 인공위성의 정확한 위치를 계산하고 궤도를 조정할 수 있는 기능이다.
따라서 카리스마 시스템은 프랑스나 독일, 일본 등이 개발한 인공위성 충돌위험 분석 시스템보다 훨씬 더 뛰어나다는 평가를 받고 있다. 이들 국가의 시스템은 우주 파편의 궤도계산 및 위성의 궤도조정 기능들이 분리되어 있어 운영상 번거롭고 불편하다.
반면에 카리스마 시스템은 하나의 프로그램으로써 두 가지 역할을 할 수 있어 매우 편리하다는 장점을 가지고 있다. 항우연은 이 같은 기능들을 기반으로 하여 추후 지구 주변으로 근접하는 소행성과의 충돌위험 계산 등에도 카리스마 시스템을 활용할 수 있을 것으로 예상하고 있다.
이번 프로젝트의 책임자인 항우연의 김해동 박사는 “지난 5월에 수립된 ‘국가우주위험대비 기본계획’에 따라 오는 2023년까지 우주 파편과 위성과의 충돌 가능성을 분석하기 위한 정밀 영상레이더 및 광학감시 망원경을 설치할 예정”이라고 밝히며 “이런 시스템이 갖춰지게 되면 우리 위성들의 충돌위험 분석과 대응의 신속성이 향상돼 그 활용도가 더욱 높아질 것으로 기대된다”고 말했다.

선박 안전 운항 돕는 충돌회피 지원시스템

충돌회피 기술은 하늘과 지상 말고도 파도를 가르는 선박에도 활용되고 있다. 현대중공업은 최근 보도자료를 통해 국내 최초로 선박의 안전 운항을 돕는 충돌회피 지원시스템(HiCASS)을 개발했다고 밝혔다.
이 시스템은 항해 중인 선박이나 해상의 암초 등 각종 위험물들을 최대 50킬로미터(km) 밖에서 자동으로 탐지한다. 그리고 충돌을 피할 수 있도록 승무원 들 에게는 최적의 항로를 제안하고, 항해사에게는 행동지침 등을 안내해주는 역할을 한다.
LNG선이나 컨테이너선 등 선적하는 화물 별 운항 특성과 파도의 높이와 해류, 바람 등 환경적인 변수를 고려하여 위험 정보에 대한 정확도를 높인 것이 이 시스템의 특징이다. 특히 주의, 위기, 위험이라는 3단계 표시로 충돌 위험도를 알려 선박 운항의 안전성을 한층 향상시켰다.
충돌회피 지원시스템의 또 다른 특징으로는 자동레이더추적장치(ARPA) 및 선박자동식별장치(AIS), 그리고 전자해도시스템(ECS) 등 다양한 선박항해 시스템과 연동되는 점을 들 수 있다. 그렇기 때문에 국제해사기구의 선박 충돌방지규정(IMO COLREGS)에 따라 위험물의 위치와 거리 등 모든 정보를 종합, 분석할 수 있다.
발표에 따르면 장기 운항을 통하여 충돌 회피 지원시스템에 대한 성능 및 안정성 평가를 마친 뒤, 오는 2016년부터 상용화 할 계획인 것으로 나타났다. 이를 위해 지난해 말부터 6개월간 소형 선박을 이용해 안정성을 검증했다. 그리고 지난 5월과 6월에는 초대형 컨테이너선과 LNG선에 적용해 시스템 성능 평가를 마쳤다.
현대중공업의 관계자는 “이번에 개발한 충돌회피 지원시스템은 향후 선박의 안전 운항에 큰 역할을 할 것”이라고 기대하며 “국내 조선 산업의 신성장 동력인 스마트십(Smartship)을 한 단계 진화시킬 수 있는 운항지원시스템 및 통합항해시스템(INS) 발전에도 기여할 것”이라고 밝혔다.
한편 현대중공업은 지난 2011년에 선박의 운항 정보를 위성으로 실시간 모니터링하고 선박 내 통합시스템을 육상에서 원격으로 진단하고, 제어할 수 있는 스마트십을 세계 최초로 선보여 글로벌 해양업계의 관심을 모은 바 있다.