극궤도 기상위성의 특징
극궤도 기상위성은 남극과 북극을 가로질러 지구 주위를 공전한다. 극궤도 기상위성은 1960년에 제1호기 TIROS-Ⅰ이 발사된 이래 세계에서 널리 이용되고 있다.
약 36000km의 고도를 가지는 기상이나 통신목적의 정지궤도위성과는 달리 궤도높이가 1/30∼1/40으로 낮기 때문에 보다 자세하게 기상을 관측할 수 있다.
따라서 이러한 위성을 이용하여 고도에 따른 기온분포나 신호가 아주 약한 마이크로파복사 등도 측정이 가능하다.
하지만 대략 지구를 1회 공전하는데 대략 100분이 소요되어 하루에 두 번 같은 장소를 관측하기에 정지궤도위성의 장점인 급변하는 기상현상 추적,
연속관측에 의한 구름의 움직임으로부터 풍향과 풍속 산출, 자료 및 방송통신 등은 불가능하다.
현재 운용되고 있는 극궤도기상위성은 미국의 TIROS-N/NOAA 시리즈와 중국의 FY-3시리즈가 있다.
TIROS-N/NOAA 위성은 1978년까지 사용되어온 TIROS-M
(ITOS/NOAA) 시리즈의 차세대 극궤도 기상위성이다.
1960년에 발사된 최초의 기상위성 TIROS-Ⅰ은 원통형이었으나 제2세대인 TIROS-M(ITOS)과 제3세대인
TIROS-N 시리즈는 3축 안정방식으로 자세를 제어한다.
공전궤도 주기는 101.6분으로 이 동안 지구는 25.5° 자전하기 때문에, 적도에서의 궤도 간격은 약 2,840km가 된다.
NOAA 위성 영상의 수신 조건은 지상에서 위성을 올려보는 각도가 3°이상이면 수신이
가능하다.
위성의 궤도는 매일 약간씩 이동하며 하나의 위성에 대해 하루에 두 궤도의 관측으로 한정되는 경우가 많다.
또한 관측 자료는 위성으로부터 직접 방송되고 있기 때문에,
각국에서 NOAA 위성 수신소를 중심으로 수천 km 범위의 구름분포 영상과 기온을 실시간으로 수신할 수 있다.
그림 6은 NOAA-19호에서 촬영한 적외영상의 예이다.
극궤도 기상위성의 관측방법
NOAA 위성의 관측방법은 그림 7에서 보는 바와 같다.
위성의 위치가 수직으로 지상의 한 지점에 해당하는 지점을 직하점이라고 하는데 이 지점을 중심으로 ±55.4°폭으로 지구를 관측한다.
지구로부터 정보를 받아들이는 것을 주사(scan)라 하고, 주사의 1선당 2,048개로 세분되는 화소(pixel)를 가진다.
아래의 그림과 같이 위성의 진행방향과 직각인 방향의 주사를 회전주사경으로 향하고,
주사경 1회전 동안에 위성이 나아가는 거리가 순간시야에 해당하게 된다.
주사면에서는 빈틈이 생기지 않는 배치로 되어 있다.
TIROS-N에서는 870km의 고도를 가지고 6.65km/s의 속도를 가진다.
이 위성에 장착된 기상관측용 센서인 AVHRR(Advanced Very High Resolution Radiometer: 고분해능복사계)의 주사경 회전속도를 1분당 360회전을 하고,
1회전 동안에 위성은 1.09km 나아가므로 AVHRR의 순간시야 1.1km와 일치하고 있다.
1선당 2,048점(pixel)의 화소를 관측하므로 수평거리 약 3,000㎞가 된다.
NOAA 위성은 남북 방향으로 진행하며 1초당 6선씩 주사하므로 위성의 속도는 1초당 6.6㎞/sec가 된다.
위성이 우리나라 상공을 지날 때 자료수신 시간이 약 12∼15분 정도이므로 남북 방향의 관측범위는 약 5,000㎞ 정도가 된다.
SNPP 프로젝트 위성(SNPP, NOAA-20)에 장착되어 있는 VIIRS(Visible Infrared Imaging Radiometer Suite)는 1.786초에 16선씩 주사하고 1선당 2,048점의 화소 관측한다(I1~5 밴드는 32선씩 주사하고 1선당 4096점).
NOAA 위성에 탑재된 기상관측용 센서는 개량된 가시광선과 적외선(가시적외)을 탐지하는 고분해능복사계(AVHRR)와 대기연직탐측기(TIROS Operational Vertical Sounder: TOVS)이 있다.
대기연직탐측기 는 고도에 따른 각 기압면에서의 기온과 습도, 가강수량(가능한 강수량), 총오존량, 바람장(풍속과 풍향) 등을 측정하는 센서로, HIRS(High Resolution IR Sounder),
SSU(Stratospheric Sounding Unit) 및 MSU(Microwave Sounding Unit)로 구성되어 있다.
HIRS는 필터에 의해 20개 다른 파장대의 정보를 측정하여 지상으로부터 10hPa까지의 기온, 수증기량, 총오존량 등을 측정한다.
SSU는 15∼1hPa까지의 기온을 측정하며 MSU는 마이크로복사계로 53GHz의 O의 흡수대를 이용해서 구름의 유무에 관계없이 20hPa까지의 기온을 측정한다.
NOAA-15 부터는 MSU를 개량한 AMSU(Advanced MSU)가 탑재되어 구름 관측에 대해서도 정확도 높은 자료를 생산할 수 있다.
NOAA 위성의 대기연직탐측기와 같은 기능은 천리안위성 2A호와 같은 정지궤도 기상위성에는 없는 기능이다.
주변이 바다인 우리나라의 경우 NOAA 위성의 대기연직탐측기로부터 고층관측자료를 얻을 수 없는 해양에서의 유용한 기상정보를 취득할 수 있다.
다음 세대인 SNPP와 NOAA-20은 기존 AVHRR과 TOVS 센서를 개량한 VIIRS와 ATMS(Advanced Technology Microwave Sounder), CrIS(Cross-track Infrared Sounder), OMPS(Ozone Mapping Profiler Suite)로 구성되어 있다.
VIIRS는 가시광선과 적외선을 탐지하는 복사계이며, ATMS와 CrIS는 연직탐측기로 기존 TOVS에 비해 더 높은 해상도와 정밀도로 기압과 각 기압면의 기온과 습도를 측정한다. OMPS는 오존 탐측기로 오존의 수평, 수직 분포를 측정한다.
극궤도 기상위성의 관측센서 특징
NOAA 위성에 탑재된 기상관측용 센서는 개량된 가시광선과 적외선(가시적외)을 탐지하는 고분해능복사계(AVHRR; Advanced Very High Resolution Radiometer)와 대
기연직탐측기(TOVS; TIROS Operational Vertical Sounder)이 있다. 가시적외 고분해능복사계의 특성은 표2-3과 같다. 대기연직탐측기 TOVS(TIROS Operational
Vertical Sounder)는 고도에 따른 각 기압면에서의 기온과 습도, 가강수량(가능한 강수량), 총오존량, 바람장(풍속과 풍향) 등을 측정하는 센서로, HIRS(High Resolution IR
Sounder), SSU(Stratospheric Sounding Unit) 및 MSU(Microwave Sounding Unit)로 구성되어 있다.
HIRS는 필터에 의해 20개 다른 파장대의 정보를 측정하여 지상으로부터 10hPa까지의 기온, 수증기량, 총오존량 등을 측정한다. SSU는 15∼1hPa까지의 기온을 측정하며
MSU는 마이크로복사계로 53GHz의 O의 흡수대를 이용해서 구름의 유무에 관계없이 20hPa까지의 기온을 측정한다.
NOAA-15호부터는 MSU를 개량한 AMSU(Advanced MSU)가 탑재되어 구름 관측에 대해서도 정확도 높은 자료를 생산할 수 있다. NOAA 위성의 대기연직탐측기와 같은
기능은 천리안 2A 위성과 같은 정지기상위성에는 없는 기능이다. 주변이 바다인 우리나라의 경우 NOAA 위성의 대기연직탐측기로부터 고층관측자료를 얻을 수 없는 해양에서의 유용한
기상정보를 취득할 수 있다.
다음 세대인 SNPP와 NOAA-20은 기존 AVHRR과 TOVS 센서를 개량한 VIIRS(Visible Infrared Imaging Radiometer Suite)와 ATMS(Advanced Technology Microwave Sounder), CrIS(Cross-track Infrared Sounder), OMPS(Ozone Mapping Profiler Suite)로 구성되어 있다. VIIRS는 가시광선과 적외선을 탐지하는 복사계로 특성은 표2-4와 같다. ATMS와 CrIS는 연직탐측기로 기존 TOVS에 비해 더 높은 해상도와 정밀도로 기압과 각 기압면의 기온과 습도를 측정한다. OMPS는 오존 탐측기로 오존의 수평, 수직 분포를 측정한다.