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지구를 연구하기 위해 쏘아올린 원격탐사위성은 기상측정 지구표면탐지 대기연구 등을 수행한다.

태초에 하나님이 지구를 창조하신 이래 인류가 살고 있는 지구에 대해 제대로 이해하고 있었던 민족은 없었다. 인류 기원 이래 인간은 우리가 살고 있는 지구가 인간이 언제까지라도 이용할 수 있는 무궁무진한 천연자원의 보고라고만 생각했을 뿐, 지구를 이해하지 못했다. 지구라는 거대한 시스템이 어떠한 상호작용을 통하여 운동을 하며 어떻게 발전하고 있는지를 이해하려는 노력은 과거부터 끊임없이 이어져 왔지만, 국부적인 지구탐사로서는 복잡한 시스템으로 이루어진 지구를 이해하기는 불가능했다.

지구는 단지 육지와 바다 그리고 대기로만 이루어진 것이 아니라 지구의 물리적 화학적 생물학적 요소가 전체적으로 상호작용함으로써 복잡한 변화를 일킨다. 전세계적인 강우량의 분포와 수분의 증발량, 극지방의 빙산 분포 등은 지구의 수자원 이동을 결정하게 되며, 이것은 식물이 자랄 수 있는 토양 또는 지형학적인 분포와 다시 상호작용을 갖게 된다. 해양 표면의 온도와 해수의 이동 상태는 기상학적 관측자료로 매우 중요하고, 지형 지질의 구조와 해양과 육지에서의 빙하 분포는 지구 기후에 커다란 영향력을 미치게 된다.

이러한 지구 연구는 미시적인 관찰 방법으로서는 불가능하며 우주공간과 지상에서 지구를 동시에 관찰, 분석해야 한다. 과학위성은 이러한 연구에 이용되고 있다. 그뿐만 아니라 최근 급격히 악화되고 있는 지구 환경 오염 문제를 해결하기 위한 방안으로 인공위성이 이용되고 있다.

과학위성은 임무에 따라 궤도선택이 이루어진다. 지구 원격탐사위성은 주로 7백㎞ 1천3백㎞의 저궤도상에서 지구를 약 1백분에 한번씩 회전하고 있다. 이와같이 저궤도 지구 탐사 위성들은 전 지구 표면을 거의 비슷한 시간에 관측할 수 있어 대기의 변화상태, 구름 및 강우의 분표 해류의 흐름, 바다의 표면 변화 그리고 곡물 및 산림자원의 상태를, 공간적뿐만 아니라 시간적으로 변화하는 모습까지도 조사할 수 있다는 큰 장점을 가지고 있다. 즉 지역적인 지구 변화뿐만 아니라 낮과 밤, 계절적인 변화도 측정할 수 있다.

미국항공우주국(NASA)과 유럽우주기구(ESA) 일본의 우주개발사업단(NASDA) 등은 지구를 조사하고 그 결과를 과학적 또는 상업적 목적에 이용하기 위한 과학위성인 원격탐사 인공위성을 경쟁적으로 개발하고 있다. 지구과학 연구에 이용되는 원격탐사 인공위성은 크게 기상과 지구 표면 탐지, 해양과 대기 연구를 위한 것들로 분류될 수 있다.

기상 탐지용은 저궤도 기상 인공위성인 NOAA NIMBUS와 정지궤도(3만5천8백㎞)에 있는 GMS GEOS METEOSAT 등이 전세계적인 구름의 분포와 이동상태 그리고 대기 및 해수면의 온도와 습도를 측정하고 있다. 이러한 위성들은 CCD(전하결합 소자)를 이용한 스펙트로미터, 극초단파를 이용한 라디오미터 등 가시광선에서부터 마이크로파 대역에 이르는 광대역의 수동형 센서를 이용하여, 지구표면에서 방사되는 에너지를 검출해 해양의 수증기 분포 상황뿐만 아니라 오존 상태까지 다양한 자료들을 우리에게 전해주고 있다.

지구표면 탐지용 인공위성으로는 미국의 LANDSAT, 프랑스의 SPOT 등이 상업적으로 이용되고 있으며 0.45μ부터 12.5μ 까지의 파장대를 이용하여 지형 지질 형태 및 식물의 분포, 내륙에 있는 수자원들의 변화상태 및 농작물의 작황 상태 등을 측정하고 있다.

해양 표면 탐지용으로는 NASA 제트추진 연구소(JPL)에서 개발한 SEASAT, 유럽 우주기구의(ESA)의 ERS-1, 일본의 JERS-1 등이 있으며 해양의 등고선 작성, 해류 이동, 해양에서 바람의 분포상태 그리고 해면의 표면온도를 측정하고 있다. 특히 ERS-1은 구름을 투과하여 지표면을 촬영 할 수 있는 합성 개구 레이더 센서를 탑재하고 있어 SPOT이나 LANDSAT와는 달리 전천후로 주야간 관계없이 지구를 측정할 수 있다.
 

다목적 과학위성 ERS-1
 

ESA가 1991년 7월 프랑스령인 기아나의 쿠루 발사장에서 발사한 ERS-1 (ESA Remote Sensing Satellite - 1)은 세계 최초로 전자파를 이용하는 다목적 원격탐사 인공위성이다. 이는 마이크로파를 이용하여 해양의 파도 높이, 해양의 바람 분포를 탐사하며, 밤과 낮 또는 기상의 조건에 관계없이 지상 표면을 촬영할 수 있는 레이더를 이용한 영상촬영장치와 해양온도 대기온도수분 분포 등 지구를 이해하는데 중요한 자료를 얻을 수 있는 각종 센서들을 탑재하고 있다. ERS-1은 8백50㎞의 지구상공을 3년간 선회할 예정이다. ERS-1은 ESA가 8억 달러 이상의 개발비를 들여 10여년간 연구 개발한 가장 우수한 인공위성이다. 또 ERS-1에 장착된 탑재물은 합성 개구 레이더(synthetic aperture ladar), 바람 산란기(wind scatterometer), 고도 측정기(radar altimeter), 라디오미터(radiometer)가 있다. 그리고 위성의 고도를 30㎝ 이내로 정확히 측정할 수 있는 위성궤도 측정기도 갖추고 있다.

고도 측정기는 13.7 GHz 주파수를 인공 위성에서 해수면으로 발사하여 반사되어 돌아오는 전파의 주행시간과 반사 신호의 펄스 파형 모양을 정확히 측정하여 인공위성과의 거리, 해양의 파도 높이를 20㎝ 이내로 측정한다.

특히 고도측정계로는 해면의 등고선 측정을 통해 지구의 기준반경인 엘립소이드(ellipsoid)의 측정이 가능하다. 지구의 엘립소이드를 정확히 알고 있음으로써 지구 자전을 포함한 지구 운동의 변화를 예측할 수 있으며, 또한 지구 중력 및 지구 주변의 자기장 분포에 대해서도 좀더 자세히 알 수 있다. 지구 중력의 정확한 이해는 우주과학 연구뿐만아니라 우주산업의 발달에도 매우 중요하다.

합성 개구 레이더는 5.3GHz의 전자파를 이용하여 지구의 내륙과 해양표면의 영상을 전천후 촬영하며 해양표면의 물리적 변화를 알아내며 내륙의 지하자원 개발에 도움을 준다. 바람 산란기는 합성 개구 레이더와 같은 주파수를 사용하며 각각 다른 방향으로 위치한 세개의 안테나를 이용하여 바람의 이동방향과 강도를 측정한다. 바람 산란기는 바람의 상태와 더불어, 해류 및 조류의 방향과 흐름상태를 탐지할 수 있으며 또한 어군의 분포를 파악해 수산업에 크게 기여할 수 있다.

라디오미터는 물체에서 반사되는 전자파를 수신만 하는 수동형 센서로서 90 GHz 대역의 네개의 수신 채널을 갖고 있다. 바다 및 대륙의 표면온도를 1K 정확도로 측정할 수 있다. 또한 대기중에 분포되어 있는 수분의 양을 10% 오차로 측정하여 지구의 기상 자료에 이용할 수 있다. 특히 ERS-1은 해양표면을 정확히 측정하므로 해양표면과 상관관계를 갖는 해저의 구조상태도 알 수 있다. 이러한 해저구조 상태의 자료는 북해의 유전과 해저 자원의 개발을 위한 사전 자료로 유용하게 이용되고 있다.

원격탐사 인공위성 ERS-1의 자료들은 현재 세계각국에서 수집, 분석하고 있으며 해양 상태의 예보, 선박의 항해로 선정뿐만아니라 북극의 빙산분포를 파악하는데 이용 한다. 또한 단면적으로 보여졌던 바다가 아니라 등고선이 있는 해양 등고선 지도와 바람지도 등이 제작돼 선박들이 가장 효과적으로 항해할 수 있게 도와준다.

현재 우주개발 선진국들은 2000년대를 목표로 지구 시스템을 세부적으로 이해하기 위하여 더욱 정밀한 탐사 센서를 장착한 원격 탐사위성 ADEOSPPF(Polar Platform)를 개발하고 있다. 이처럼 고감도의 원격 탐사 센서의 결과가 나오면 전세계 지도는 디지털 데이터를 기반으로한 3차원 형상으로 표시될 것이며, 10㎝ 이상의 정확도를 갖는 해양 등고선 지도, 해양의 바람 및 표면 온도 분포를 표시한 해양지도 해류의 흐름을 나타내는 해류도, 계절에 따라 세계의 강우량을 나타내는 강우량 분포지도, 세계의 환경오염 상태를 보여주는 환경오염도 등 현재 우리들이 생각할 수 없는 것들이 현실화될 수 있을 것이다.