위성영상 전송처리 전체흐름

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위성이 촬영한 영상이 지상에서 최종 이미지 파일(예: GeoTIFF, NITF 등)로 생성되기까지의 전체 흐름을 탑재체 → 통신 → 지상국 → 영상처리 → 파일 생성 순으로 계층적으로 정리

1. 위성 탑재체 내부 (On-Board Segment)

1.1. 영상 획득 (Image Acquisition)

  • 광학계 + FPA(Focal Plane Array, CCD/CMOS)가 지표면을 촬영
  • 각 픽셀은 아날로그 전압 신호 생성
광자 → 센서 → 전하 → 전압 신호

1.2. 아날로그 → 디지털 변환 (A/D Conversion)

  • ADC에서 디지털 값으로 변환
  • 예: 12bit / 14bit / 16bit DN (Digital Number)
Pixel DN = 0 ~ 4095 (12bit 예시)

이 단계에서 이미 “디지털 영상 데이터”가 됨.

1.3. 온보드 영상 처리 (선택적)

위성 설계에 따라 다음 처리가 수행될 수 있음:

  • Line reordering
  • Radiometric correction (기본 보정)
  • Compression (JPEG2000, CCSDS Image Compression 등)
  • Packetization

1.4. 패킷화 (CCSDS Packetization)

영상 데이터는 그대로 보내지 않음.

다음 구조로 변환됨:

[Source Packet]
 ↓
[TM Transfer Frame]
 ↓
[CADU]

1.4.1. Source Packet

  • 영상 데이터 + APID
  • CCSDS Packet

1.4.2. TM Transfer Frame

  • 일정 길이 프레임화
  • 순번, 상태정보 포함

1.4.3. CADU (Channel Access Data Unit)

구조:

| ASM | TM Frame | RS Parity |
  • ASM → 동기
  • RS → 오류정정

2. 위성 → 지상 전송 (Space Link)

2.1. 채널 코딩 & 변조

  • Reed-Solomon
  • Convolutional / LDPC
  • Interleaving

변조 방식 예:

  • QPSK
  • OQPSK
  • 8PSK
  • X-band downlink
CADU → 변조 → RF 신호

2.2. RF Downlink

  • 안테나 통해 지상국으로 송신
  • X-band (영상), S-band (Telemetry) 사용

3. 지상국 수신 (Ground Station Front-End)

3.1. RF 수신

지상국 구성:

Tracking Antenna
 ↓
LNA
 ↓
Down Converter
 ↓
Demodulator
  • 반송파 복조
  • 비트스트림 복원

3.2. 채널 복호 (Channel Decoding)

복조 후 처리:

  • De-interleaving
  • LDPC/Convolutional decoding
  • Reed-Solomon decoding
  • 오류 정정

출력:

복구된 CADU

4. 지상 데이터 처리 (Ground Data Processing)

4.1. 프레임 동기 및 CADU 분해

CADU → TM Frame → Source Packet
  • ASM 탐색
  • Frame 순서 재정렬
  • 누락 여부 체크

4.2. 영상 데이터 재조립

  • Packet sequence 기반 재조립
  • Line 단위 정렬
  • Strip 구성

4.3. 압축 해제 (필요 시)

온보드 압축이 있었다면:

  • JPEG2000 decoding
  • CCSDS image decompression

5. 영상 처리 (Level 0 → Level 1 → Level 2)

이 단계가 “이미지 파일 생성”의 핵심.

5.1. Level 0 (Raw)

  • 센서 DN 값 그대로
  • 기하보정 없음
  • 시간 순 데이터

5.2. Level 1 (Radiometric / Geometric Correction)

5.2.1. 수행 작업:

  1. Dark signal 제거
  2. Gain 보정
  3. Line alignment
  4. Geometric correction
  5. RPC 생성

출력:

  • Geo-referenced image

5.3. Level 2 (정사보정)

  • DEM 사용
  • Ortho-rectification
  • 지도 좌표계 보정

출력:

  • Ortho Image

6. 최종 이미지 파일 생성

이제 실제 파일 포맷으로 생성됨.

대표 포맷:

포맷 특징
GeoTIFF GIS 표준
NITF 군사용
JPEG2000 압축
HDF5 다중밴드

파일 내부 포함 정보:

  • 픽셀 데이터
  • 좌표계
  • RPC
  • 촬영 시간
  • 위성 자세 정보

7. 전체 흐름 요약 다이어그램

[위성 촬영]
 ↓
ADC
 ↓
온보드 처리
 ↓
Source Packet
 ↓
TM Frame
 ↓
CADU
 ↓
변조/RF 송신
 ↓
지상국 수신
 ↓
복조/복호
 ↓
CADU 분해
 ↓
Packet 재조립
 ↓
영상 복원
 ↓
보정(Level1/2)
 ↓
GeoTIFF 등 파일 생성

8. 핵심 포인트 정리

구분 핵심
우주 구간 CADU 단위 전송
지상 수신 오류정정 + 프레임 복원
데이터 처리 Packet 재조립
영상 처리 보정 및 정사영상 생성
최종 산출물 GeoTIFF 등 파일

위성 영상 생성 체계는 CADU 기반 전송과 지상 복원·보정을 거쳐 최종 산출물(GeoTIFF/NITF)로 완성된다.

1. CCSDS 계층 구조 상세 설명

CCSDS는 우주 통신 표준 프로토콜 스택입니다.
OSI 모델과 유사하게 계층 구조를 가집니다.

1.1. Physical Layer

  • RF 송수신
  • 변조/복조 (QPSK, OQPSK, 8PSK 등)
  • 주파수 대역 (S-band, X-band)

출력: Raw bitstream

1.2. Channel Coding Layer

전송 오류 보정 목적.

  • Convolutional / Turbo / LDPC
  • Reed-Solomon (RS)
  • Interleaving

출력: 오류정정된 CADU

1.3. Synchronization & Channel Coding Sublayer

1.3.1. CADU 구조:

| ASM | TM Transfer Frame | RS Parity |
  • ASM: 동기 마커 (0x1ACFFC1D)
  • RS: 오류정정 코드

1.4. Data Link Layer

1.4.1. TM Transfer Frame

  • Master Channel ID
  • Virtual Channel ID
  • Frame Counter
  • Data Field

프레임 단위 전송 관리.

1.5. Space Packet Layer

1.5.1. Source Packet

  • APID
  • Sequence Count
  • Length
  • Payload (영상 데이터)

여기서부터 “실제 데이터” 의미가 명확해짐.

1.6. Application Layer

  • 영상 데이터
  • Telemetry
  • 명령 데이터

1.6.1. 계층 흐름 요약

Application Data
 ↓
Source Packet
 ↓
TM Frame
 ↓
CADU
 ↓
Channel Coding
 ↓
Modulation
 ↓
RF

2. 위성 영상 Level 정의 (0 ~ 4)

위성 영상은 처리 단계에 따라 Level이 구분됩니다.

2.1. Level 0 (Raw Data)

  • 센서 DN 값
  • 보정 없음
  • 압축만 해제된 상태
  • 지리정보 없음

엔지니어링/재처리용

2.2. Level 1A

  • Radiometric calibration 적용
  • 센서 왜곡 일부 보정
  • Still geometry distortion 존재

2.3. Level 1B

  • 기하 보정 수행
  • 센서 모델 기반 좌표 계산
  • RPC 생성

일반 분석 시작 가능

2.4. Level 2 (Ortho)

  • DEM 적용
  • 지형 왜곡 제거
  • 지도 좌표계에 정확히 정렬

GIS 사용 가능

2.5. Level 3 / 4 (고급 산출물)

  • Mosaic
  • Time-series stack
  • NDVI 등 지표 산출
  • 분석 제품

3. LEO 실시간 수신 vs 저장 후 다운로드 차이

LEO 위성은 가시 시간(pass)이 짧습니다 (약 5~12분).

3.1. 실시간 Direct Downlink

촬영과 동시에 지상으로 송신

3.1.1. 특징:

  • 대용량 실시간 링크 필요
  • 가시권 내에서만 가능
  • 지상국 네트워크 필요

3.1.2. 장점:

  • 빠른 데이터 획득
  • 재난 대응 유리

3.1.3. 단점:

  • 가시 시간 제한
  • 데이터 손실 위험

3.2. On-board Recording 후 Dump

위성 내부 Solid State Recorder (SSR)에 저장 후
지상국 통과 시 다운로드

3.2.1. 특징:

  • Store & Forward 방식
  • 고속 Burst 전송

3.2.2. 장점:

  • 전세계 촬영 가능
  • 가시권 의존도 낮음

3.2.3. 단점:

  • 지연 발생
  • 저장 용량 제한

3.3. 비교

항목 실시간 저장 후 다운로드
지연 낮음 있음
링크 요구 지속적 통과 시만
시스템 복잡도 낮음 높음

실제 운용은 대부분 혼합 방식 사용.

4. 영상 데이터 레이트 계산 예시

실제 시스템 설계 시 가장 중요한 계산입니다.

4.1. 가정

  • 해상도: 1 m GSD
  • Swath width: 20 km
  • Bit depth: 12 bit
  • Spectral bands: 4 band
  • Line rate: 10,000 line/sec

4.2. 한 라인 픽셀 수

20 km / 1 m = 20,000 pixel

4.3. 1 line 데이터량

20,000 pixel × 12 bit × 4 band
= 960,000 bit
≈ 0.96 Mbit

4.4. 초당 데이터율

0.96 Mbit × 10,000 line/sec
= 9,600 Mbit/sec
= 9.6 Gbps

4.5. 압축 적용 (예: 4:1)

9.6 Gbps / 4 = 2.4 Gbps

4.6. 채널 코딩 오버헤드 (약 20%)

2.4 Gbps × 1.2 ≈ 2.88 Gbps

실제 RF Downlink 요구 속도 ≈ 3 Gbps

5. 최종 핵심 정리

  1. CCSDS는 계층형 구조이며 CADU는 채널 계층 단위
  2. 영상 Level은 보정 정도에 따라 구분
  3. LEO는 실시간/저장 후 다운로드 혼합 운용
  4. 고해상도 영상은 수 Gbps급 링크 필요

영상 레벨 체계와 수신 운용 방식의 차이를 바탕으로 실제 링크 요구 데이터율을 산정할 수 있다.

1. X-band 링크 예산 (Link Budget) 계산 개요

링크 예산은 위성에서 송신한 신호가 지상 수신기에 도달했을 때 SNR이 충분한지를 계산하는 절차입니다.

1.1. 기본 방정식

수신 전력:

[
P_r = P_t + G_t + G_r – Ls – L{atm} – L_{other}
]

(dB 단위)

1.2. 주요 항목

1.2.1. 송신 전력 (P_t)

  • 예: 20 W → 43 dBm

1.2.2. 송신 안테나 이득 (G_t)

  • 예: 35 dBi

1.2.3. 경로 손실 (L_s) (Free Space Path Loss)

[
L_s = 92.45 + 20log f(GHz) + 20log R(km)
]

예시:

  • f = 8 GHz (X-band)
  • R = 700 km

→ 약 165 ~ 170 dB

1.2.4. 수신 안테나 이득 (G_r)

  • 5 m 안테나 → 약 50 dBi

1.3. 수신 전력 계산 예시

[
P_r = 43 + 35 + 50 – 168 – 2
]

≈ -42 dBm

1.4. Noise Power

[
N = kTB
]

dB 형태:

[
N(dBm) = -228.6 + 10log T + 10log B
]

예:

  • T = 500 K
  • B = 1 GHz

→ 약 -82 dBm

1.5. SNR

[
SNR = P_r – N
]

≈ 40 dB

→ 실제로는 시스템 손실 포함해 더 낮아짐.

1.5.1. 목표

SNR이 변조 방식 + 코딩 방식이 요구하는 값 이상이어야 함.

2. LDPC 적용 시 Eb/N0 요구치

LDPC는 고성능 Forward Error Correction(FEC) 코드입니다.

2.1. Eb/N0 정의

[
Eb/N0 = frac{SNR}{Spectral Efficiency}
]

단위: dB

2.2. 변조별 요구 Eb/N0 (대략값)

변조 LDPC 적용 시 필요 Eb/N0
QPSK 1 ~ 2 dB
8PSK 4 ~ 6 dB
16APSK 7 ~ 9 dB

2.3. 왜 LDPC가 중요한가?

과거:

  • RS + Convolutional → Eb/N0 ≈ 5~6 dB 필요

현재:

  • LDPC → 1~2 dB 근접 (Shannon limit 근접)

동일 전력으로 더 높은 데이터율 가능
또는 같은 데이터율에서 송신 전력 감소 가능

2.4. 시스템 설계 흐름

  1. 목표 데이터율 설정
  2. 변조 방식 선택
  3. 코딩률 선택 (예: 1/2, 3/4)
  4. 요구 Eb/N0 계산
  5. Link Budget로 달성 가능 여부 판단

3. SSR (Solid State Recorder) 용량 산정

LEO 위성은 촬영 데이터를 내부 저장 후 dump합니다.

3.1. 기본 공식

[
필요용량 = 데이터율 × 촬영시간
]

3.2. 예시

데이터율 = 2.5 Gbps
촬영 시간 = 600초 (10분)

[
2.5 × 10^9 × 600
= 1.5 × 10^{12} bit
]

= 1.5 Tb
≈ 187.5 GB

3.3. 하루 촬영 5회라면?

[
187.5 × 5 = 937.5 GB
]

→ 최소 1 TB 이상 필요

3.4. 실제 설계 시 고려사항

  • ECC redundancy
  • Memory wear leveling
  • Radiation tolerance
  • Dump window 길이
  • Downlink rate > Imaging rate 필요

3.5. 설계 조건

[
Downlink rate × 가시시간 ≥ 저장된 총 데이터
]

이 조건 만족 못하면 데이터 backlog 발생

4. 상용 위성 사례 비교

4.1. PlanetScope

  • 해상도: 3~5 m
  • 데이터율 낮음
  • S-band/X-band 혼용
  • 다수 소형 위성

전략: 다수 위성 + 낮은 해상도

4.2. WorldView-3

  • 해상도: 0.3 m
  • 데이터율 매우 높음
  • X-band 고속 downlink
  • 대형 안테나 사용

전략: 고해상도 + 고속 링크

4.3. ICEYE (SAR)

  • X-band SAR
  • 매우 높은 데이터율
  • On-board processing 후 일부 데이터만 전송

전략: 원시데이터 일부 압축/처리

4.4. 최신 추세

  • Optical inter-satellite link (Laser)
  • 10 Gbps 이상
  • 위성 → 중계위성 → 지상

5. 종합 구조

Imaging Data Rate
 ↓
SSR 저장
 ↓
LDPC 코딩
 ↓
X-band Downlink
 ↓
지상국 수신
 ↓
Eb/N0 만족 여부 판단
 ↓
파일 생성

6. 핵심 요약

  1. Link Budget는 SNR 확보 계산
  2. LDPC는 Eb/N0를 크게 낮춰주는 핵심 기술
  3. SSR 용량은 촬영량과 dump 능력의 함수
  4. 상용 위성은 해상도와 링크 전략이 다름

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