- 10 Gbps 피크 전송률 달성: Ka-band 활용 및 이중 편파 설계를 통해 기존 대비 압도적인 데이터 다운링크 성능 구현.
- 적응형 코딩 및 변조(ACM): 대기 환경 변화 및 신호 대 잡음비(SNR) 변동에 실시간 대응하여 링크 안정성 확보.
- SWaP 최적화 및 COTS 적용: AMD FPGA와 3D 프린팅 알루미늄 혼 안테나를 통해 소형위성 탑재 규격 만족.
차세대 소형위성 고속 무선통신(HSD3) 개요
우주 데이터 분석 및 지구 관측 기업인 Planet사는 전 세계를 매일 촬영하여 변화를 가시화하는 미션을 수행하고 있습니다. 이 과정에서 발생하는 대규모 영상 데이터를 지상으로 고속 전송하기 위해 HSD3(High Speed Downlink 3) 라디오 시스템을 개발했습니다.
본 연구는 기존 HSD2 플랫폼의 1.5 Gbps 피크 전송률 한계를 뛰어넘어, 소형위성 플랫폼에서 약 10 Gbps의 피크 전송률을 달성한 Ka-band 고속 무선통신 기술의 아키텍처와 성능을 조명합니다.
HSD3 시스템 아키텍처 및 핵심 기술
HSD3는 Pelican 및 Tanager 시리즈 위성에 탑재되어 우주-지상 간 링크와 위성 간 통신(Intersatellite Links)을 동시에 지원하도록 설계되었습니다. 전체 시스템은 고도화된 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구성됩니다.
1. Ka-band 주파수 및 이중 편파 설계
HSD3는 25.5 ~ 27 GHz 대역의 Ka-band 우주-지상 링크를 활용하며, ITU WRC-23 표준에 부합하는 27.5 ~ 30 GHz 대역의 Ka 위성 간 통신 주파수를 지원합니다. 총 32개의 80 MSymbols/Sec 채널로 구성되며, 이중 편파 설계를 적용해 편파당 16개의 채널을 운용합니다.
2. 적응형 코딩 및 변조(ACM) 알고리즘
Ka-band 다운링크 경로는 강우 및 대기 습도의 영향으로 위성 슬란트 레인지와 대기 조건에 따라 3~8 dB의 SNR 변동이 발생합니다. HSD3는 상용 DVB-S2 IP 코어와 AMD FPGA를 기반으로 ACM(Adaptive Coding and Modulation)을 적용하여 실시간 대기 조건에 맞춰 링크를 동적으로 최적화합니다.
3. 소형화·경량화(SWaP) 및 안테나 혁신
제한된 소형위성 탑재 환경을 위해 저SWaP(Size, Weight, and Power) 특성을 극대화했습니다. 편파당 30 dBW EIRP를 발휘하는 3D 프린팅 알루미늄 이중 편파 혼 배열 안테나를 독자 개발하여 고속 데이터 전송률을 뒷받침합니다.
성능 비교: HSD2 vs HSD3
기존 상용 큐브샛 기반 통신 시스템과 차세대 HSD3 시스템의 핵심 성능 지표를 비교합니다.
| 구분 | HSD2 (기존 큐브샛) | HSD3 (차세대 소형위성) |
|---|---|---|
| 피크 데이터 전송률 | > 1.5 Gbps | ~ 10 Gbps |
| 운용 주파수 대역 | X-band / 하위 대역 | Ka-band (25.5 – 27 GHz, 27.5 – 30 GHz) |
| 채널 구성 | 단일/제한적 채널 | 총 32개 채널 (편파당 16개, 채널당 350 Mbps) |
| 링크 적응 기술 | 기본 변조 방식 | DVB-S2 기반 ACM (대기 손실 동적 대응) |
지상국 인프라 및 실증 결과
Planet사는 HSD3의 실증을 위해 Ka-band 안테나, 수신기, 상용 DVB-S2 복조기를 갖춘 7개의 지상국을 선제적으로 구축했습니다. 지상 및 비행 실증을 통해 SES mPOWER 콘스테레이션과의 단일 캐리어 위성 간 링크(Intersatellite Links) 성능을 성공적으로 시연하며 실제 운용 가능성을 입증했습니다.