위성들은 운용궤도에 따라 저궤도, 중궤도, 정지궤도, 고타원궤도 위성 등으로 구분할 수 있다. 저궤도 위성은 지구 표면으로부터 고도 125~2,000km 범위에 위치하며, 주로 지표면, 대기, 해양 등을 관측하는 지구관측 위성으로 활용된다. 중궤도 위성은 고도 2,000~36,000km까지의 궤도에서 운용되며, GPS, Galileo 등 위성 항법 시스템에서 주로 사용된다. 정지궤도 위성은 고도 36,000km에 위치하여 지구 자전 속도와 동일하게 지구를 공전하기 때문에 상공에 정지해 있는 것처럼 보이며, 통신, 중계, 관측 등의 용도로 사용된다. 고타원궤도는 근지점이 1,000km 미만이고, 원지점이 36,000km 이상인 궤도를 의미하며, 고위도 지역에서 장기간 위치할 수 있기 때문에 통신, 정찰 위성에서 많이 활용하는 궤도이다.
기존 위성들은 탑재 체 성능 향상을 위해 많은 연구 개발이 있었고, 위성 탑재 체 크기를 증가시켜 성능을 향상하는 형태가 많았다. 이는 위성 체 전체의 크기 및 무게 증가로 인한 발사 비용 증가, 발사체 탑재공간 한정 등의 한계를 가지고 있었다. 또한 각 국가의 정부 주도로 위성을 개발하였다. 하지만 최근에는 정부 주도의 위성개발에서 민간주도의 위성개발로, 대형 위성에서 중형 위성 군집(Constellation)으로, 중형 위성에서 소형 위성 군집으로 패러다임이 변화하고 있다.
저궤도 위성
저궤도(Low Earth Orbit) 위성은 대기 밀도가 거의 0에 가까운, 지구 대기의 최상층부를 도는 위성이다. 이러한 저궤도 위성은 지구와 가까이 돌고 있어 지구의 아름다운 광경들을 볼 수 있는데, 우주에서 찍어오는 아름다운 사진들이 거의 저궤도에서 찍어오는 사진들이다. 또한 대기 밀도가 거의 0에 가깝기 때문에 천문 관측 시 대기에 의한 영향을 받지 않는다.
낮은 고도에서 지구를 빠르게 공전하는 저궤도 위성은 정찰용으로 많이 활용된다. 첩보위성의 경우 사진 촬영을 위해 200㎞까지 내려갔다가 다시 300~400㎞로 올라가기도 하는데 이런 위성들은 연료를 많이 사용하는 만큼 수명이 1~2년으로 짧다. 레이더를 이용해 구름이 많이 낀 날씨에도 지형·물체 등 분석이 가능하고 우주에서 자동차 번호판까지 찍을 수 있을 만큼 정교하다. 정찰 외에 지리정보시스템(GIS) 구축은 물론 산불, 산사태, 유류사고와 같은 재난 감시에도 활용된다. 한국의 다목적 실용위성 아리랑 위성이 저궤도 위성에 속한다.
저궤도 위성은 주로 고도 500km이상, 1천500km 이하의 궤도에서 돌고 있고(500km 안쪽에서는 인공위성이 공기저항으로 1년 내에 떨어지게 되고, 1천500km 이상에서는 밴 앨런대의 영향으로 지자기의 영향을 받게 되기 때문에 500km~1천500km의 궤도를 유지하도록 한다), 원격탐사, 기상관측, 지구관측 등의 목적으로 많이 사용된다.
중궤도 위성
고도 2000~3만6000㎞ 부근 중궤도에는 GPS 위성이 자리 잡고 있다. 저궤도보다 높은 지역에 있는 만큼 상당히 많은 지역에 신호를 보낼 수 있다. 미국에서 개발한 GPS는 처음 군사 목적으로만 활용됐지만 1983년 민간 부문으로 확대되면서 많은 국가들이 이를 활용하고 있다. 미국 GPS 위성은 24개로 알려져 있는데 이 중 4개의 신호를 받으면 지구상의 현재 위치를 알아낼 수 있다.
정지궤도 위성
정지궤도(Geo-synchronous Orbit) 위성은 지구의 자전 주기와 동일한 공전주기를 가지고 지구 주위를 도는 위성으로 약 3만6천km 고도에서 지구 주위를 돌게 된다. 이때 지구의 자전 주기와 정지궤도 위성의 공전주기가 같기 때문에 항상 같은 지역 위에 떠 있는 것처럼 보인다. 따라서 우리가 보는 위성은 정지한 것처럼 보이는 것이다. 이러한 정지궤도 위성은 통신 위성, 기상 위성 등의 목적으로 사용된다.
정지궤도 위성은 3만6000㎞에 위치한다. '정지'라는 말이 붙었다고 해서 정지궤도 위성이 우주 공간 한 자리에 가만히 멈춰 있는 것은 아니다. 지구 자전과 같은 방향, 같은 속도로 돌기 때문에 지구 한 지점에서 봤을 때 정지한 것처럼 보여 이 같은 이름이 붙었다. 무궁화위성 같은 통신위성은 이동통신이 잘 이뤄질 수 있도록 최대한 넓은 범위에서 중계를 해야 하기 때문에 대부분 정지궤도에 위치해 있다. 천리안 위성과 같은 기상 위성 역시 한번에 넓은 지역을 관찰해야 날씨 변화를 예측할 수 있는 만큼 정지궤도에서 지구를 공전한다.
이론적으로 인공위성은 지구 중력과 원심력 간 평형을 이루는 지점에 있기 때문에 영원히 같은 궤도로 공전해야 한다. 하지만 실제로는 위성 궤도가 조금씩 바뀐다. 위성의 원운동을 방해하는 '궤도 섭동력'이라는 힘이 작용하기 때문이다. 지구가 완전히 둥글지 않고 타원형이기 때문에 중력이 일정하지 않을 뿐 아니라 태양풍처럼 우주에서 날아오는 고에너지 입자를 맞아 궤도가 뒤틀리기도 한다. 따라서 인공위성은 가동하는 동안 궤도에서 이탈하지 않도록 수시로 궤도를 조정제어해야 한다. 인공위성 수명은 위성 궤도에 따라 차이가 난다. 높은 궤도에 있을수록 수명이 길다. 무궁화위성과 같은 정지궤도 위성은 10년, 저궤도 위성은 3~5년 정도다.
모든 위성의 궤도는 원 또는 타원의 형태를 가지고 있다. 원형의 궤도는 지구와의 거리, 즉 고도가 일정하고 속도 또한 일정하게 움직인다. 반면 타원형의 궤도는 지구로부터의 거리가 일정하지 않아서 고도가 높은 지점과 고도가 낮은 지점이 생기게 된다. 이때 고도가 가장 높은 지점을 원 지점, 고도가 가장 낮은 지점을 근지점이라고 한다. 타원형 궤도를 도는 위성들은 근 지점 근처에서는 아주 빠른 속도로 움직이고 원 지점 근처에서는 아주 느리게 움직이게 된다.
다시 말해서 전체적으로 궤도상의 위치에 따라 위성의 움직이는 속도가 다르게 된다. 이러한 원리를 이용한 특수한 형태의 궤도를 몰니야(Molniya) 궤도라고 하는데, 정지궤도 위성과 통신을 할 수 없는 고위도 지방에서 통신이나 방송용으로 사용하고 있다. 즉, 근지점은 남반구에, 원지점은 북반구에 오도록 궤도를 형성하면 위성은 남반구보다는 북반구에 훨씬 더 오래 머무르게 된다. 따라서 적도상의 정지궤도 위성을 사용할 수 없는 러시아 같은 고위도에 위치한 국가에서는 이러한 몰니야 궤도상의 위성을 이용해서 통신을 할 수 있게 된다.
이처럼 위성들은 목적에 따라 각기 다른 궤도를 돌고 있으며, 관측하고자 하는 지역과 맡은 임무에 적합한 정밀한 궤도를 돌고 있다. 또한 일단 궤도에 한번 진입하면 지상의 통제를 받기 때문에 서로 충돌할 위험은 없다.
