# 별첨2. TLE 기반 국내 지상국 통신가능 시각 계산 방법

기준일: 2026-03-08

## 목적

이 문서는 대한민국이 직접 수행하는 위성촬영영상 위성 가운데, 특히 `저궤도(LEO)` 위성의 `국내 지상국 통신 가능 시각`을 어떻게 계산해야 하는지 정리한 실무 가이드다.

앞선 조사 문서 [국내 위성 통신가능 시각 조사 종합보고서 별첨1_대한민국 직접 수행 위성촬영영상 위성의 공전주기 및 국내 지상국 통신 가능 시각 조사](/Users/jaehojoo/Desktop/codex-lgcns/real-sattie-study/research/국내%20위성%20통신가능%20시각%20조사%20종합보고서%20별첨1_대한민국%20직접%20수행%20위성촬영영상%20위성의%20공전주기%20및%20국내%20지상국%20통신%20가능%20시각%20조사.md)에서는 위성군별 운영 패턴을 정리했다. 이 문서는 그 다음 단계로, `특정 날짜에 대전추적소/제주추적소 기준으로 몇 시부터 몇 시까지 통신 가능한가`를 계산하는 방법론을 설명한다.

## 결론 요약

저궤도 영상위성의 국내 지상국 통신 가능 시각은 아래 순서로 계산한다.

1. 위성의 최신 `TLE` 또는 `정밀궤도력`을 확보한다
2. `SGP4` 등 표준 궤도 전파기로 위성 위치를 시간축으로 계산한다
3. 지상국 좌표 기준으로 위성의 `azimuth/elevation/range`를 계산한다
4. `최소 elevation`, `지형 마스크`, `안테나 운용 규칙`, `uplink/downlink 링크 제약`을 적용한다
5. 그 결과로 `AOS(획득 시작)`, `TCA(최대고도 시각)`, `LOS(가시 종료)`를 구한다

즉, `대한민국 지상국과 언제 통신 가능한가`라는 질문의 계산 핵심은 사실상 아래 두 문장으로 요약된다.

1. `위성이 지상국 기준 수평선 위로 언제 올라오는가`
2. `그 시간대가 실제 링크 성립 조건을 만족하는가`

## 1. 왜 TLE만으로 바로 답이 안 나오나

TLE는 위성 궤도를 표현하는 표준 요약 궤도요소다. 하지만 TLE 자체는 곧바로 `오전 06:13 ~ 06:24 통신 가능` 같은 답을 주지 않는다.

중간 계산이 필요하다.

1. TLE → 시간별 위성 위치(ECI/TEME 등)
2. 위성 위치 + 지상국 위치 → topocentric azimuth/elevation/range
3. elevation/time profile → 통신 가능 구간 추출

즉, TLE는 입력 데이터이고, `패스 계산(pass prediction)`이 실제 목표다.

## 2. 기본 용어

| 용어 | 설명 |
| --- | --- |
| TLE | Two-Line Element set. 공개 궤도요소 형식 |
| SGP4 | TLE를 전파해 위성 위치/속도를 계산하는 표준 모델 |
| Ground Station | 지상국. 대전추적소, 제주추적소 같은 안테나/링크 지점 |
| AOS | Acquisition of Signal. 지상국 기준 링크 획득 시작 시각 |
| TCA | Time of Closest Approach 또는 최대고도 시각 |
| LOS | Loss of Signal. 링크 종료 시각 |
| Elevation | 지상국 기준 위성 고도각. 보통 이 값이 최소 마스크각 이상이어야 통신 가능 |
| Azimuth | 지상국 기준 위성 방위각 |
| Range | 지상국-위성 간 거리 |
| Mask Elevation | 안테나/지형/운용 규칙 때문에 요구되는 최소 고도각 |

## 3. 계산에 필요한 입력값

정확한 패스 계산에는 아래 입력이 필요하다.

### 3.1 위성 입력

1. 최신 TLE 또는 OMM/정밀 궤도력
2. 위성 식별자(NORAD CAT ID 등)
3. 저궤도 여부, 궤도유형(SSO, dawn orbit 등)

### 3.2 지상국 입력

1. 위도
2. 경도
3. 안테나 고도
4. 최소 운용 elevation
5. azimuth별 지형/구조물 마스크가 있으면 그 마스크 테이블

### 3.3 링크/운용 입력

1. uplink와 payload downlink를 같은 패스에서 수행하는지
2. S-band, X-band 등 링크별 최소 elevation이 다른지
3. 안테나 slewing 속도와 pointing 제약
4. 한 지상국이 같은 시각에 다른 위성도 추적 중인지

## 4. 수학적/기술적 계산 절차

### 4.1 TLE 전파

TLE는 일반적으로 `SGP4`로 전파한다. 실무에서는 아래 도구 중 하나를 많이 쓴다.

1. `sgp4` 라이브러리
2. `Skyfield`
3. `Orekit`
4. `GMAT`
5. `STK`

표준 흐름은 다음과 같다.

1. TLE epoch를 읽는다
2. 관심 시간 구간을 일정 간격으로 샘플링한다
3. 각 시각의 위성 위치/속도를 계산한다

## 4.2 지상국 기준 좌표 변환

전파된 위성 위치를 지상국 기준으로 변환하면 다음 세 값이 나온다.

1. `azimuth`
2. `elevation`
3. `range`

이 중 통신 가능성의 1차 기준은 `elevation`이다.

통상적으로는 다음 조건을 적용한다.

```text
elevation(t) >= mask_elevation(azimuth)
```

마스크가 단순 상수면:

```text
elevation(t) >= 5° 또는 10°
```

지형/구조물 마스크가 있으면 azimuth별 최소 고도각이 달라질 수 있다.

### 4.3 AOS / LOS 계산

시간축으로 계산된 elevation 곡선에서 다음을 찾는다.

1. `AOS`
- elevation이 임계값을 처음 넘는 시각

2. `TCA`
- elevation이 최대가 되는 시각

3. `LOS`
- elevation이 다시 임계값 아래로 내려가는 시각

패스 지속시간은 보통 아래로 계산한다.

```text
pass_duration = LOS - AOS
```

### 4.4 링크 성립 판단

가시 패스가 있다고 해서 항상 실제 통신 가능 상태는 아니다.

추가로 아래를 봐야 한다.

1. 해당 밴드 링크 장비가 사용 가능한가
2. 기존 예약/다른 위성 충돌이 없는가
3. 안테나 전환 시간 안에 추적이 가능한가
4. downlink volume을 다 내리기 충분한 시간이 있는가

따라서 실무 판정식은 대략 다음 구조가 된다.

```text
통신 가능 = 가시성(LOS) AND 안테나/장비 가용성 AND 링크 예산 만족 AND 스케줄 충돌 없음
```

## 5. 정지궤도와 저궤도의 차이

### 5.1 정지궤도(GEO)

천리안 2A/2B 같은 정지궤도 위성은 한국에서 볼 때 거의 고정 위치에 있다.

따라서 실무적으로는:

1. 패스 예측보다는 `상시 링크 상태` 관리가 핵심
2. 일별 AOS/LOS를 계산하는 개념이 사실상 없다
3. 오히려 장비 상태, 기상, 링크 품질, 지상시스템 장애가 중요하다

### 5.2 저궤도(LEO)

아리랑, 국토위성, 군 정찰위성은 전형적인 패스형 운용이다.

따라서 핵심은:

1. `오늘 몇 번 보이는가`
2. `각 패스가 몇 분 지속되는가`
3. `어느 패스에서 uplink/downlink를 할 것인가`

## 6. 대한민국 위성군에 적용하는 방법

### 6.1 KOMPSAT-3 / 3A

이 위성들은 공개 자료에서 `13:30 MLTAN` 계열 태양동기궤도다.

실무 해석:

1. 낮 패스와 새벽 패스 패턴이 반복된다
2. 광학 임무라면 낮 패스가 촬영계획과 더 자주 연결된다
3. 지상국 통신은 촬영 가능 시각과 동일하지 않고, 촬영 직전 uplink 패스와 촬영 후 downlink 패스를 따로 봐야 한다

### 6.2 KOMPSAT-5

공개 자료상 dawn orbit이므로 아침/저녁 계열 패스가 중요하다.

실무 해석:

1. 촬영 자체는 SAR이라 낮/밤 제약이 약하다
2. 오히려 `촬영 후 첫 국내 downlink 패스`가 운영상 중요하다

### 6.3 CAS500-1

SSO 저궤도이므로 방법론은 KOMPSAT과 동일하다.

다만 공개 자료에 MLTAN이 명확하지 않으므로:

1. 실제 TLE를 받아 패스 예측을 해야 한다
2. 일반론만으로 `오전형/오후형`을 단정하지 않는다

### 6.4 군 정찰위성 1~5호

공개 자료가 부족하므로:

1. 공개 TLE가 있으면 같은 방법으로 계산 가능
2. 공개 TLE가 없으면 민간 공개자료만으로는 정확한 통신 가능 시각 산출이 어렵다
3. 실제 운용에서는 비공개 궤도력과 군 전용 지상체계를 사용한다고 보는 것이 합리적이다

## 7. 실제 계산 알고리즘 예시

```text
입력:
- 위성 TLE
- 지상국 위도/경도/고도
- 계산 기간(예: 2026-03-10 00:00Z ~ 2026-03-11 00:00Z)
- 마스크각(예: 10도)

절차:
1. 5초 또는 10초 간격으로 시간을 샘플링한다
2. 각 시각의 위성 위치를 SGP4로 계산한다
3. 지상국 기준 az/el/range를 계산한다
4. elevation >= 10도 인 구간을 찾는다
5. 각 연속 구간의 시작을 AOS, 최고 elevation 시점을 TCA, 끝을 LOS로 저장한다
6. 필요하면 링크율을 곱해 패스당 downlink 가능량을 계산한다

출력:
- 패스 번호
- AOS
- TCA
- LOS
- 최대 elevation
- 패스 지속시간
- 추정 downlink 가능량
```

## 8. downlink 용량까지 함께 계산하는 방법

통신 가능 시각을 `운영 가능 시각`으로 바꾸려면, 패스 길이에 링크율과 효율을 곱해야 한다.

예시 식:

```text
downlink_capacity_bits
= link_rate_bps * effective_duration_sec * efficiency
```

예를 들어:

1. X-band 링크율 `320 Mbps`
2. 유효 패스시간 `420초`
3. 효율 `0.8`

이면 대략:

```text
320e6 * 420 * 0.8 = 107.52e9 bits
```

즉 약 `107.5 Gbit` 정도를 내려받을 수 있다.

이 계산은 현재 프로젝트의 feasibility 설계에서 `station_contact_window`, `existing_downlink_booking`, `candidate_downlink_check` 같은 엔터티와 직접 연결된다.

## 9. 구현 관점에서 현재 시스템과의 연결

현재 프로젝트 구조에 맞춰 보면, TLE 기반 계산은 장기적으로 아래처럼 들어가는 것이 자연스럽다.

1. `orbit_snapshot`
- TLE 또는 정밀 궤도력 버전 저장

2. `satellite_pass`
- 전파 결과 생성

3. `access_opportunity`
- AOI 기준 촬영 가능 패스 생성

4. `station_contact_window`
- 지상국 기준 통신 가능 패스 생성

5. `existing_downlink_booking`
- 이미 예약된 패스 용량 차감

6. `candidate_downlink_check`
- 실제 후보별 downlink 가능 여부 판정

즉 `국내 지상국 통신 가능 시각 계산`은 별도 부가 기능이 아니라, feasibility 엔진의 핵심 전처리 단계다.

## 10. 실무에서 가장 흔한 오해

### 오해 1. 공전주기가 95분이면 95분마다 한국 지상국과 통신 가능하다

아니다. 위성은 95분마다 지구를 한 바퀴 돌지만, `특정 한국 지상국`이 그때마다 가시권에 들어오는 것은 아니다.

### 오해 2. 한국 상공 통과 시각이 곧 통신 시각이다

아니다. 지상국 가시권은 한국 전역이 아니라 `특정 지상국 위치` 기준으로 계산해야 한다.

### 오해 3. 촬영 시각과 downlink 시각은 같다

아니다. 촬영은 AOI 상공에서, downlink는 그 뒤 지상국 가시 패스에서 수행하는 것이 일반적이다.

### 오해 4. 정지궤도와 저궤도를 같은 방식으로 패스 계산하면 된다

아니다. GEO는 상시 가시형이고, LEO는 패스형이다.

## 11. 이 문서만으로 부족한 부분

이 문서는 계산 방법론 문서다. 실제로 오늘/내일의 시각표를 만들려면 추가 자료가 필요하다.

1. 최신 TLE 또는 정밀 궤도력
2. 대전추적소/제주추적소의 정확한 좌표
3. 최소 elevation 및 마스크각
4. uplink/downlink 링크별 운용 기준

이 네 가지가 있으면 `위성별 국내 지상국 통신가능 시각표`를 실제 표로 생성할 수 있다.

## 12. 참고자료

1. CelesTrak, SGP4 관련 자료 및 소프트웨어
- https://celestrak.org/software/
- https://celestrak.org/software/tskelso-sw.php

2. ESA EO CFI 문서, Ground Station Visibility 개념
- https://eop-cfi.esa.int/REPO/PUBLIC/DOCUMENTATION/CFI/EOCFI/BRANCH_4X/releases/4.12/C-Docs/MCD_conventions_v4_12.pdf

3. CelesTrak, TLE/GP 데이터 활용 관련 안내
- https://celestrak.org/spacetrack/TLERetriever3Help.php

4. 기존 조사 문서
- [한국 직접 수행 위성촬영영상 위성 조사](/Users/jaehojoo/Desktop/codex-lgcns/real-sattie-study/research/한국%20직접%20수행%20위성촬영영상%20위성%20조사.md)
- [국내 위성 통신가능 시각 조사 종합보고서 별첨1_대한민국 직접 수행 위성촬영영상 위성의 공전주기 및 국내 지상국 통신 가능 시각 조사](/Users/jaehojoo/Desktop/codex-lgcns/real-sattie-study/research/국내%20위성%20통신가능%20시각%20조사%20종합보고서%20별첨1_대한민국%20직접%20수행%20위성촬영영상%20위성의%20공전주기%20및%20국내%20지상국%20통신%20가능%20시각%20조사.md)