넓게 보려면 높이 올라가야 한다. 해양은 넓을 뿐만 아니라 접근이 쉽지 않으므로 해양관측에서 위성의 역할은 매우 중요하다. 위성은 선박 관측 만으로는 불가능했던 넓은 공간에 대한 관측 영상을 비교적 빠른 주기로 제공하여, 중규모 해양과정 연구에서 글로벌 해양 연구에 이르기까지 중요한 역할을 하고 있다.
해색위성은 가시광선-근적외선 영역에서 바다에 의해 반사되는 태양광의 반사 스펙트럼을 측정하는 위성이다. 이 해색위성 기술은 해양생물학 분야에 새로운 시대를 열었다는 평가를 받는다. 해색위성은 식물성플랑크톤의 밀도를 추정할 수 있는, 즉 해양 생태계를 들여다 볼 수 있는 유일한 위성이다. 지난 30년간, 센서 제작 기술, 전산 및 자료처리 기술 등 해색 원격탐사 기술의 발달에 따라 해색위성 분야는 놀라운 성장을 이루었다. 2015년 8월 현재까지 총 24기가 개발되었고 15기가 계획 중인데 나라별로는 미국, 유럽, 프랑스, 일본, 중국, 인도, 독일 등 주요 위성강국이 참여하고 있다. 
우리나라는 해색위성 중, 세계 최초로 정지궤도에서 운영되는 천리안 해양관측위성(Geostationary Ocean Color Imager, GOCI, 2010년 6월 27일 발사)을 보유하고 있다. GOCI는 이전 해색위성들이 할 수 없었던 하루 8회 영상을 촬영할 수 있다. 한반도 주변해 관측을 위한 최적의 해색위성 센서로써 GOCI는 적조, 녹조, 갈조, 양쯔강 저염수 탐지 등 현안 문제에 대응하는 자료를 제공하는 과학적 목적 외에 현업에도 활용되는 해색위성이다.  KIOST는 GOCI의 전담운영 기관이며 활용을 위한 연구사업을 수행하고 있다. 또한 2019년 발사 예정인 후속 위성인 GOCI-II의 기획과 개발에 참여하고 있으며, 발사 후 위성의 운영 및 자료서비스를 위한 지상 시스템 개발 사업을 2015년에부터 시작하였다.

세계 최초의 정지궤도 해양관측위성을 운영하는 KIOST 
KIOST는 세계 최초의 정지궤도 해색위성인 천리안 해양관측위성 (GOCI) 개발에 중추적인 역할을 하였다. 해양수산부 연구개발사업인 GOCI 개발 사업에는 2003~2010년까지 KIOST와 항공우주연구원, 프랑스의 Airbus D&S社(구 EADS Astrium)가 공동으로 참여하였다. GOCI는 가시광선 채널 6개와 대기보정을 위한 근적외선 채널 2개를 가지고 있으며, 정지궤도에서 하루 8회의 한반도 및 주변해의 영상을 촬영, 전송하고 있다. 정지궤도(적도 상공 36000km)는 극궤도 보다 약 50배의 높은 고도이다. 해색 신호의 신호는 육지나 대기의 신호보다 약한데, 이와 같은 먼 거리에서 해양의 신호를 관측하기 위하여 높은 신호 대 잡음 비가 요구된다. GOCI에서는 회전식 색 필터와 step-and-stare 방식을 채용하여 이 문제를 해결하였다. 2010년 6월 27일 성공적인 발사 후 시험기간을 거쳐 GOCI 운영을 전담하는 기관으로 KIOST가 지정되어 해양위성센터에서 자료서비스를 제공하고 있다. 
 

위성 운영과 더불어 GOCI 자료의 활용을 촉진하기 위한 사업으로, 2007년 3월부터 2013년 2월까지 “정지궤도 해양위성 활용 연구” 사업이 수행되었는데 그 목적은 GOCI 자료처리시스템 개발, 국내 활용저변 확대, 위성자료 검보정이었다. 뒤를 이어 2013년 9월부터 2018년 12월까지, “정지궤도 해양위성 활용 (2단계)” 사업이 진행 중이다. 이 활용 2단계 사업은, 자료의 활용촉진을 목적으로, 정확도 향상을 위한 검보정, 자료처리기술 개발 및 현업 활용 강화를 추진하고 있다. 특히, 현업활용 강화를 위하여 국내 유관기관에 FTP 서비스를 실시하고 있으며, 국가 현안 문제 해결에 도움을 주고자 “활용실무협의체”를 구성 운영 중이다. 

제2세대 정지궤도 해색위성 사업인 GOCI-II 개발 사업은 2012년 10월에 시작되어 항공우주연구원, 프랑스 Airbus D&S사와 공동으로 개발 중에 있다. GOCI-II는 GOCI에 비하여 성능이 향상되고 기능이 확대된다. GOCI의 경험을 바탕으로 잡광을 영향을 최소화하는 광학계가 설계되었고, 분광 채널이 8개에서 12개로 늘어나며 위치보정을 위한 별 관측 기능 및 센서의 감도 변화 감지를 위한 달 관측 기능이 추가된다. 더불어, 관측 가능영역도 전구(full disk)로 확대됨에 따라 동남아시아, 호주 대륙 등을 관측할 수 있다. GOCI-II는 2015년 8월 현재 상세한 설계가 거의 완료된 상태이며, 부품 제작 후 조립 및 성능시험, 위성 조립 및 시험을 거쳐 2019년 발사될 예정이다. 
이와 더불어, KIOST에서 2015년 5월부터 GOCI-II 발사 후 자료의 수신, 처리, 서비스를 위한 지상국 자료처리 시스템 개발 사업인 “해양탑재체 통합자료처리시스템 개발”사업을 수행하고 있다. 여기에는 기존 자료처리시스템과 비교하여 한층 향상된 처리 능력을 갖는 선진 하드웨어 시스템의 도입과 더불어 전구 관측 등 다양화된 관측에 대한 운영기술, 별 관측을 이용한 기하보정 기술개발 그리고 새로운 분광 채널을 이용한 신규 알고리즘 및 산출물 개발 등이 포함되어 있다.

해색위성에 적용되는 주요 기술 
센서 교정은 센서가 측정하는 디지털 수를 복사 휘도로 변환하는 과정을 뜻하는데, 정량적인 자료 처리를 위해서는 반드시 필요하다. 센서 감도는 초기 교정이 잘 이루어졌다 하더라도 시간이 지남에 따라 저하되므로 이를 감지하기 위한 궤도상 교정장치를 갖추게 된다. 이 교정장치는 지상에서 충분한 특성 측정 후, 궤도 상에서 LED 광원이나 안정된 자연 광원인 태양광, 월광을 이용하여 주기적으로 교정상수를 측정한다. 교정장치가 없는 경우에는 대리교정에 의존하는 방법이 있다. 이 대리교정은 반사도가 알려진 지표상의 관측 목표를 이용하거나 동시에 관측된 현장 자료를 이용하여 위성에서 측정되는 신호값을 모사하여 교정상수를 얻어내는 방법이다. 해색센서인 경우 자료처리 방법 (대기보정)과의 일관성 확보를 위하여 대리교정을 이용, 교정상수를 세밀하게 조정하는 것이 일반적이다. 현장자료로는 선박 관측자료를 이용할 수도 있으나, 고품질의 연속적인 현장자료를 얻기 위하여 전용 광학 부이를 이용하고 있다. 
해색위성이 관측하는 신호 중 수괴에서 나오는 신호는 약15% 이내에 불과하다. 나머지는 대기에 의한 산란 또는 대기-해수 경계면에서 반사된 것이다. 이와 같이 수괴 신호 이외의 것을 제거하는 과정을 대기보정이라고 하는데, 해색자료 처리에서 매우 중요한 부분이다. 외해의 맑은 해양의 관측 자료에 대해서는 만족할 만한 수준의 대기보정기술이 개발되어 있으나, 연근해에서는 부유입자에 의한 근적외선의 해수반사의 영향과 육상 에어로졸의 영향으로 정확한 대기보정이 어렵다. 해색위성 자료가 초기에는 대양 연구를 중심으로 이용되었으나 점차 연안해의 활용도가 중요해짐에 따라 흡수에어로졸 보정 또는 탁수 대기보정에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
초기 엽록소 알고리즘은 경험적으로 얻어진 엽록소농도와 해수반사도 사이의 관계식을 이용하였다. 그러나 용존유기물이나 부유입자가 이 관계식에 영향을 주기 때문에 연근해에서는 하나의 경험식을 적용하기 어렵다. 지역적 특성에 맞는 경험식을 개발하여 사용할 수 있으나, 경험식의 적용 범위를 벗어날 경우에는 역시 오차가 클 수 밖에 없다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 해수 구성성분의 광학적 특성을 동시에 고려하는 (반)분석적 알고리즘에 대한 연구가 상당한 진전을 이루어 산출물의 정확도 측면에서도 경험적 알고리즘과 유사한 결과를 내고 있다. 이와 관련 해수 광특성에 대한 연구, 해수내 복사전달에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 최근 고유광특성 (흡수 및 산란 특성) 측정을 위한 현장 장비들이 상품화되어 현장에서 이용되고 있는데, 해색위성 알고리즘 개발에 사용될 뿐만 아니라, 광학 해양학이라는 새로운 해양학 연구 분야로 발전하고 있다. 
놀랍게도 식물성플랑크톤에 의한 해양에서의 순일차생산은 전 지구 일차생산력의 약 절반을 차지한다. 수십 년 전부터 해양의 일차생산을 추정하기 위한 시도가 있었으나, 신뢰할 만한 수치가 얻어진 것은 해색위성 기술이 발전한 덕분이다. 해색위성 자료를 이용하여 전 지구 해양의 시공간적인 식물성플랑크톤의 밀도 분포를 파악할 수 있었기 때문이다. 해양의 일차생산에 관한 연구는 지구의 탄소 순환 및 기후온난화와 관련 중요한 주제로, 전 지구 및 지역적 규모로 일차생산에 대한 많은 연구들이 진행되고 있다. 기술적으로는 엽록소 알고리즘 개선, 특히 용존 유기물 및 탁도의 영향을 고려하기 위한 연구, 탄소 기반의 일차생산력 모델과 같은 새로운 모델 연구, 연안해역에서의 일차생산력 추정 정확도 향상을 위한 연구 등이 포함된다.
전술한 바와 같이, 해색위성은 해양의 생물을 탐지하는 유일한 센서이다. 해색 자료로부터 유추되는 해수 반사스펙트럼과 엽록소 농도는 글로벌 기후관측 시스템(Global Climate Observing System, GCOS)이 정의한 핵심 기후 변수 (Essential Climate Variables)에 포함되었다. 이런 핵심 기후 변수들은 장기간 자료 축적이 요구되고 정확성뿐만 아니라, 다양한 센서로 장기간에 걸쳐 측정된 자료 사이의 일관성을 확보하는 것이 중요한데, 이를 해결하기 위한 국제적인 활동이 활발히 진행되고 있다. 예를 들면, 미국 NASA에서는 통일된 방법으로 다양한 해색위성자료를 처리하여 배포하고 있으며, 유럽 ESA에서는 기후 연구를 위한 통합된 해색자료를 제공하고 있다.
해색자료는 연근해 환경모니터링에도 유용하게 쓰이고 있다. 연근해의 부영양화에 따른 유해조류 탐지 연구는 해색자료를 이용하는 중요한 연구 주제이며, 대형 담수의 남조류를 탐지하는 연구에도 해색자료가 쓰이고 있다. 최근 중미에서는 거대 모자반의 띠가 관측되고 있으며, 황해 중국 연안에서 대량의 가시파래가 몇 년째 연속해서 발생하고 있는데, 해색위성자료는 이와 같이 표층에 뜬 조류의 공간적인 분포 파악과 기원을 밝히는데 유용하게 쓰이고 있다.

새로운 정보를 알려줄 차세대 센서 
전통적인 해색위성센서 (CZCS, OCTS, SeaWIFS 등)는 연근해 연구에도 그 유용성이 입증되었지만, 가시광선 및 근적외선에서 소수의 채널을 이용하여 대양을 탐사하는데 목적이 있었다. 유럽우주국 ‘메리스’의 709nm 채널이나 미 항공우주국 MODIS 및 미 지질조사국의 ‘랜드샛’의 단파적외선 채널은 탁한 해수에서 유용성이 입증되었다. 현재까지 위성에 의한 초분광 관측은 신호대잡음비가 낮은 단점이 있었다. 그러나 항공기를 이용한 초분광 관측은 식물성플랑크톤 또는 표류 조류의 종분석이 가능함을 보여주었으며, 여러 나라에서 육지 관측용 초분광 위성센서를 연안 또는 천해에 이용하기 위한 프로젝트가 진행되고 있다. 
현재까지 해색센서는 중간급인 250m~1km (SeaWiFS, MERIS, MODIS 등)의 공간해상도로 2-3일에 한번씩 전 지구를 관측하도록 설계되었다. 최근에는 육지 관측용 위성자료를 내륙수, 연안해 연구에 활발히 이용하는 추세이다. 이들 고해상도 센서는 촬영빈도가 낮고 분광 채널이 적은 제한이 있으므로 인공구조물에 의한 탁도 영향 연구 등 특수한 목적이나 중급해상도의 해색자료와 연계하여 사용하는 방안이 대두되고 있다.
해색관측이 주 목적인 위성(예. SeaWiFS, MERIS, OCTS)의 영상은 육지 및 대기의 연구에도 활발하게 활용되고 있다. 역으로 육지 탐사가 주 목적인 고해상도 영상도 연근해 모니터링에 활용되기도 한다. 한편, GLI, MODIS 등은 해색센서 보다는 지구관측센서로 불린다. 육지권, 대기권, 빙권을 관측하기 위한 분광채널이 들어있기 때문이다. 또한, 이 센서들은 열적외선 채널로 지표 또는 해수면 온도를 탐지할 수 있다. 하나의 위성에 여러 기능을 갖춤으로써 전체적으로 비용대비 효과를 높이려는 것으로 생각된다.
현재까지 GOCI를 제외한 모든 해색위성은 극궤도에서 운영되고 있다. 이들은 2-4일에 한번 주기로 전 지구 관측자료를 제공하고 극지방 관측이 용이하므로 전 지구 해양 및 기후 연구를 위하여 많은 극궤도 위성이 쏘아 올려질 것이다. 극궤도 해색위성은 중위도 지방에 대하여 하루에 1회 이상의 관측은 어렵다. 넓은 관측 폭을 갖고 있는 MODIS의 경우에도 중위도 지방에서 2-3일 1회 정도 관측자료를 제공한다. 
KIOST가 운영하고 있는 GOCI는 한반도 주변 동북아 지역에 대한 영상을 하루에 8회 영상을 제공하여, 일주변화나 조석효과 등 해양의 빠른 변화를 관측하는데 유리하다. 이러한 정지궤도 위성의 장점은 해색위성을 연근해의 환경 변화, 적조, 갈조, 용승 등 현업에 필요한 자료를 적시에 제공하여 현업위성으로서 사용될 수 있음을 의미한다. 미국이나 유럽에서도 2020년 이후 발사를 목표로 정지궤도 해색위성 개발을 추진하고 있으며, 중국이나 인도 역시 많은 관심을 보이고 있다.

KIOST 연구사업에 미치는 시사점
KIOST는 정지궤도 해색위성센서의 운영과 활용을 위한 과제를 수행하고 있다. 제한된 인력과 예산으로 장기적인 계획아래 활용기술 개발을 위하여 노력하고 있다. 한편, 미국 등 위성 강국은 1970년대 후반부터 현재까지 저궤도 중심의 해색분야 기술을 개발하여 왔으나 최근 2020년대 발사를 목표로 정지궤도 해색위성을 계획 하고 있다. 이는 우리에게는 기회이면서 동시에 위험요인이 된다. 현재 KIOST는 정지궤도 해색위성 운용을 바탕으로 이 분야의 주도권을 가지고 있으므로 국제회의 활동이나 국제협력을 통하여 우리의 해색기술 수준을 높일 수 있는 기회로 만들어야 한다.
또한, KIOST의 인적, 물적 자원은 제한되어 있어 선택과 집중이 필요하다. 자료처리를 위한 알고리즘개발과 적조, 갈조, 녹조, 수질 등 현안문제 해결을 위한 연구는 필수적이다. 그 외에 해색위성의 연구분야 중에서도 정지궤도 위성이 장점을 가지는 분야에 연구가 필요하다. 여기에는 한반도 주변해의 생태계 변화 연구, 일주 변화 또는 조석 효과 등 빠르게 변하는 해양현상 연구, 와류, 해양전선, 아중규모 해양프로세스 연구, 생태계모델과의 연계활용 등이 포함된다.

글 | 해양물리연구본부 박영제 본부장