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지구를 도는 인공위성의 궤도는 원 또는 타원 궤도이다. 원 궤도는 지구 주회 궤도의 기본이며, 우주개발에서 가장 많이 이용하는 궤도이다. 다음 그림은 원 운동의 궤도속도(관성속도), 주기 및 궤도 에너지를 나타낸 것이다. 그림과 같이 위성이 지표에서 멀어질수록 궤도속도는 감소하지만, 궤도 에너지는 증가한다. 그러므로 지표에서 위성 발사에 필요한 에너지는 고도와 함께 증가한다.

1) 지구 저궤도(LEO)

다음 그림과 같이 지구를 주회하는 위성 궤도로 중고도 약 200~500 km의 타원 궤도를 지구 저궤도(LEO)라고 한다. 이 고도의 엄밀한 정의는 없지만, 보통 고도 1,000 km 정도의 궤도를 가리킨다. LEO는 원운동을 하므로 천문 관측, 과학 실험, 무중력 실험을 비롯한 많은 기간 체류하는 유인 우주 활동을 수행한다. 현재 국제우주정거장(ISS)은 고도 약 400 km의 원 궤도를 돌고 있다.

지구 주변의 저고도 우주 공간은 공기가 희박해도 대기 성분의 분자나 원자들이 어느 정도 존재하므로 위성에 큰 공기력이 작용하고, 궤도 고도는 시간이 지나면서 떨어진다. 궤도를 수정하지 않으면, 위성은 마지막에 대기권에 재돌입한다. 다음 그림은 궤도 고도에 따라 원 궤도 위성의 평균적인 수명을 나타낸 것으로, 고도 약 200 km의 위성 수명은 대략 1주 정도이며, 그것보다 낮은 고도에서는 수명이 매우 빠르게 짧아진다. 고도 100 km의 비행체는 지구를 1회전도 못하고 소멸하므로 인공위성으로 사용할 수 없다. 따라서 이 고도에서는 우주 활동을 할 수 없다.

실용면에서 판단하면, 고도 약 200 km가 ‘우주 공간의 입구’라고 생각해도 좋다. 이 고도의 궤도는 더 높은 고도의 고에너지 궤도로 가기 위한 주차 궤도(대기 궤도)로 자주 이용한다. 궤도속도(관성속도)는 약 7.8 km/s이므로 대형 여객기 순항속도의 약 30배이다.

2) GPS 위성의 궤도

현재 항공기, 선박, 자동차 등의 항법에 사용하는 GPS(Global Positioning System, 전지구 위치파악 시스템)는 24기의 미국 군사위성으로 구성되었다. 이 위성은 고도 약 20,000 km의 원 궤도를 돌고 있다.

3) 정지궤도(GEO)

정지위성은 고도 35,786 km의 적도 상공을 선회하는 원 궤도 위성으로 궤도 경사각이 ‘0’이다. 지구의 자전과 같은 각속도로 회전하면 지표에서는 정지된 것으로 보이지만 지구 중심 관성 좌표계에서 관측하면, 3.08 km/s의 관성속도로 적도 상공을 돌고 있다. 다음 그림과 같이 가장 중요한 궤도이며, 통신, 방송, 기상관측 등을 위한 위성은 대부분 정지위성이다.

정지궤도(GEO)는 특수 궤도이며, 인류에게 귀중한 자산이다. 그러므로 모든 나라가 이용할 수 있으며, 동경이나 서경의 위치 배정은 국제회의에서 결정된다.

4) 태양 동기 궤도(SSO)

우주 공간에서 지구의 표면을 계속 관측하려면 특별한 궤도가 필요하다. 북극과 남극 상공을 도는 위성은 지구의 자전을 이용하고, 지구 전체 표면을 관측할 수 있다. 이러한 궤도를 극궤도(極軌道)라고 한다. 다음 그림과 같이 극궤도에 가장 가까운 태양 동기 궤도(SSO)는 위성의 궤도면과 태양이 이루는 각도가 항상 일정하므로 위성이 통과하는 아래 지점의 지방시(地方時)가 항상 같다. 그래서 다음 그림과 같이 대기층을 통틀어 지표를 장시간 관측하는 최적의 궤도이다.

태양 동기 궤도는 지구가 균질의 구체가 아니라 평평한 형상의 회전 타원체라는 것을 이용하며, 그때 궤도 고도, 궤도 경사각과 이심률이 일정 조건을 만족해야 한다. 위성의 운동을 결정할 때 2체 문제에서 지구가 균질의 구체라고 가정했지만, 엄밀히 말하면 지구의 형태는 적도 방향으로 약간 늘어난 회전 타원체이다. 지구 반경은 약 6,400 km이며, 적도 반경은 극 반경보다 약 20 km 크기 때문에 편평률이 거의 1/300이다. 

이 궤도는 원이나 타원이 가능하지만, 보통 원 궤도나 원 궤도에 가까운 타원 궤도를 선택한다. 이심률이 거의 ‘0’이다. 다음 그림은 태양 동기 원 궤도에서 그 궤도 고도와 궤도 경사각의 관계를 나타낸 것이다.

① 준회귀 궤도

태양 동기의 원 궤도는 궤도 고도와 궤도 경사각을 선택한 준회귀 궤도(Subrecurrent Orbit)이다. 회귀 궤도는 위성이 매일 1번 같은 상공을 통과하는 궤도이며, 준회귀 궤도는 N 날마다 같은 상공을 통과하는 궤도이다. 현재 대부분 지구 관측 위성은 고도 600~900㎞, 궤도 경사각 98°~99°에서 회귀 일수 3일부터 20일 전후의 준회귀 태양 동기 원 궤도를 운행하고 있다.

② 지방시의 선택

태양 동기 궤도는 과학 연구, 실제 이용에서 매우 중요한 궤도이다. 이 궤도를 이용한 장기간의 관측에서 얻을 수 있는 육지, 해역 및 오존 홀 등 대기에 관한 데이터는 원격 탐사(Remote Sensing) 기술을 활용한다. 다음 그림은 세 가지 경우의 태양 동기 궤도의 특징을 나타낸다. 

(a) 「일출-일몰」 궤도: 그림자가 길고 조도가 낮다. 태양은 항상 지평선 상에 있다. 

(b) 「정오-심야」 궤도: 그림자가 짧고 조도가 높다. 센서는 해수면의 강한 반사를 받는다.

(c) 「오후-밤」 궤도 = 그림자는 중간 위치에서 적당한 조도와 적절한 관측 조건을 제공한다. (이 그림에는 없지만 「오전-밤」의 궤도도 마찬가지이다.).

현재 이용하는 태양 동기 궤도는 (c)이지만, 관측 조건의 관점에서 주측의 지방시를 오전 10시 전후 또는 오후 2시 전후로 설정하는 것이 일반적이다. 

5) 섭동력

지구 중심 원뿔곡선 궤도는 엄밀하게 말하면 2체 문제의 전제 조건이 충족됐을 때 실현하는 궤도이다. 실제로는 1차 근사에서 무시한 미소한 외력이 위성 등에 작용하므로, 그 궤도는 시간이 지나면 이론상의 궤도를 벗어난다. 이 미소한 변화를 섭동(攝動), 그것을 일으키는 미세한 외력을 섭동력(攝動力)이라고 한다. 

섭동력은 지구를 제외한 천체의 중력, 지구의 비구체 형태(특히 편평 형상)로 생기는 미소 변동력, 희박기체의 공기력, 태양 복사 압력, 지자기력 등이 포함된다. 

이제 섭동력의 크기를 계산해 보자. 약 200 km의 고도에서 지구를 둘러싼 인공위성에 작용하는 지구 중력을 ‘1’로 할 때, 태양≒10^-4, 달≒10^-6, 수성~해왕성≒10^-8~10^-11정도이다. 지구 편평의 영향이 10-3이다. 기타 섭동력은 아주 미소하지만, 그 가운데 공기력은 특히 저고도 궤도에서는 무시할 수 없다. 

위성 등은 섭동력의 작용을 장시간 받았을 때 소정의 궤도와 자세를 유지하려면 스스로 탑재한 소형 추진 시스템(가스, 제트 이온 엔진 등)을 적절히 분사할 필요가 있다.