달 PNT: 위성항법 컨스텔레이션 아키텍처에 대한 종합 분석

제1장 지속 가능한 달 탐사를 위한 항법 시스템의 필요성

1.1 새로운 달 탐사 시대의 비전: 깃발과 발자국을 넘어서

아폴로 시대 이후 반세기가 지난 지금, 인류는 달을 향한 새로운 장대한 여정을 시작하고 있다. 아르테미스(Artemis) 프로그램으로 대표되는 현 시대의 달 탐사는 과거의 단기적인 방문을 넘어, 달 표면과 궤도에 지속 가능하고 장기적인 인간 및 로봇의 주둔을 목표로 한다.1 이러한 야심 찬 비전은 단순히 깃발을 꽂고 발자국을 남기는 것을 넘어, 거주 모듈 건설, 현지 자원 활용(In-Situ Resource Utilization, ISRU), 광물 채굴, 정기적인 물류 수송과 같은 복잡하고 정교한 활동들을 포함한다.5

 

 

이러한 활동들은 지구에서 전력망이나 인터넷 없이는 현대 사회가 기능할 수 없는 것과 마찬가지로, 강력하고 연속적이며 정밀한 위치결정, 항법, 시각동기(Positioning, Navigation, and Timing, PNT) 서비스 없이는 불가능하다. 달 PNT 인프라는 미래 달 탐사와 경제 활동의 성공을 좌우하는 가장 핵심적인 기반 시설로, 4차 산업혁명의 필수 인프라로서 그 중요성이 강조되고 있다.8 따라서 독자적인 달 항법 위성 시스템 구축은 미래 우주 경쟁력을 확보하기 위한 필수적인 과제로 인식되고 있다.

 

1.2 지구 GNSS의 한계: 지상 시스템을 한계점까지 확장하다

지구의 글로벌 위성 항법 시스템(Global Navigation Satellite System, GNSS), 즉 GPS나 갈릴레오 등은 지구 표면 및 근처의 사용자를 위해 설계된 경이로운 공학적 산물이다. 이 시스템의 위성들은 안테나를 지구 중심(nadir) 방향으로 향하게 하여 신호를 송출한다.9 약 384,400 km 떨어진 달에서 이 시스템을 활용하려는 시도는 여러 가지 심각한 기술적 한계에 부딪힌다.

 

첫째, 신호 강도의 급격한 저하이다. 달에서 수신되는 GNSS 신호는 대부분 지구 반대편에 위치한 위성 안테나의 주 빔(main lobe)에서 벗어난 '스필오버(spill-over)' 신호나 부 빔(side-lobe) 신호이다.10 이 신호들은 극도로 미약하여 수신 강도가 15 dB-Hz 이하로 떨어질 수 있으며, 이를 탐지하기 위해서는 고감도 수신기와 고이득 안테나가 필수적이다.9

 

둘째, 위성 배치 기하의 열악성(높은 GDOP)이다. 달에서 볼 때, 가시권에 있는 모든 지구 GNSS 위성들은 하늘의 매우 좁은 영역(약 6도 폭의 원뿔) 내에 밀집해 있다.14 이러한 열악한 기하학적 배치는 위치 정밀도 저하 지수(Geometric Dilution of Precision, GDOP) 값을 매우 높게 만들어, 위치 결정의 정확도를 심각하게 저하시킨다.5

 

셋째, 서비스 불가 지역의 존재이다. 지구 자체가 물리적으로 신호를 차단하여 거대한 음영 지역을 만든다. 이는 달의 뒷면에서는 지구 기반 GNSS 신호를 전혀 수신할 수 없음을 의미하며, 다른 지역에서도 간헐적인 서비스 중단이 발생하여 지속적인 임무 수행에 부적합하다.5

 

넷째, 전리층 및 상대성 이론 오차이다. 지구 반대편에서 오는 신호는 훨씬 길고 변화가 심한 전리층 구간을 통과해야 하므로, 모델링하기 어려운 상당한 지연 오차를 유발한다.9 또한, 달 환경에서의 상대론적 시간 지연 효과는 지구 궤도와 달라, 새로운 시각 체계 프레임워크가 요구된다.

 

1.3 개념 증명: LuGRE와 고고도 실험의 성공

이러한 한계에도 불구하고, 선구적인 임무들은 지구 GNSS 신호를 달 거리에서 수신하는 것이 기술적으로 가능함을 성공적으로 입증하며, 달 항법에 대한 단계적 접근의 길을 열었다.

 

NASA의 자기권 다중스케일 임무(Magnetospheric Multiscale, MMS)는 달까지 거리의 절반에 해당하는 고도(약 30 지구 반경)에서 GPS 기반 항법을 시연한 핵심적인 선행 연구였다.11

 

역사적인 이정표는 NASA와 이탈리아 우주국(ASI)이 공동 개발하여 파이어플라이 에어로스페이스(Firefly Aerospace)의 블루 고스트(Blue Ghost) 착륙선에 탑재된 달 GNSS 수신기 실험(Lunar GNSS Receiver Experiment, LuGRE)을 통해 세워졌다. LuGRE는 지구-달 전이 구간, 달 궤도, 그리고 역사상 최초로 달 표면에서 GPS와 갈릴레오 신호를 성공적으로 수신하고 처리했다.13 LuGRE의 주요 목표는 달에서의 신호 환경 특성화, PNT 추정 기술 시연, 그리고 미래 수신기 개발을 위한 데이터 제공이었다.13 이 임무의 성공은 미약 신호 전파 모델의 타당성을 검증했으며, 비록 제한적이지만 지구 GNSS가 초기 달 탐사 임무를 위한 기초적인 항법 소스로 기능할 수 있음을 증명했다.

 

이러한 기술적 진보는 단순히 기존 시스템을 확장하는 것 이상의 의미를 가진다. 이는 달 탐사 인프라 구축에 있어 신중하게 계획된, 위험 관리 기반의 전략적 패턴을 보여준다. LuGRE와 같은 "기어가기(crawl)" 단계의 실험들은 "우리가 신호를 볼 수는 있는가?"라는 가장 기본적인 질문에 답함으로써 기술적 위험을 줄이고, 비록 정밀도는 낮지만 초기 임무에 즉각적인 항법 보조 수단을 제공한다. 이 단계에서 얻은 데이터와 경험은 달 남극에 집중하는 루나 패스파인더(Lunar Pathfinder)와 같은 선구적 위성 및 초기 지역 컨스텔레이션이라는 "걷기(walk)" 단계의 설계를 직접적으로 뒷받침한다. 이 단계는 전체 글로벌 시스템 구축 비용 없이 아르테미스 프로그램의 가장 시급한 요구를 해결한다. 마지막으로, "걷기" 단계에서 검증된 운영 경험과 기술은 LunaNet 비전과 같은 완전한 글로벌 상호운용 네트워크라는 "달리기(run)" 단계를 가능하게 할 것이다. 이 단계적 접근법은 요구사항 증가에 맞춰 역량을 함께 성장시키고, 기술 및 재정적 위험을 관리하며, 각 단계가 동시 진행되는 임무에 실질적인 혜택을 제공하도록 보장하는, 행성 간 인프라 구축의 청사진이라 할 수 있다.

 

표 1: 지구 기반 PNT 시스템과 전용 달 PNT 시스템 비교

 

기능	지구 GNSS (달 거리에서)	전용 달 항법 위성 시스템 (LNSS)
신호 강도	극도로 미약함 (주로 부 빔 수신)	강력하고 안정적임 (주 빔 수신)
위성 기하 (GDOP)	매우 불량 (모든 위성이 한 방향에 집중)	우수함 (전체 하늘에 위성 분산 배치)
서비스 범위	달 뒷면 및 지구 차폐 지역 서비스 불가	달 전역 (글로벌) 또는 특정 지역 (남극 등) 연속 서비스
가용성	간헐적이고 예측이 어려움	높고 예측 가능함 (99% 이상 목표)
단독 측위 정확도	수백 미터 ~ 수 킬로미터 수준	수십 미터 ~ 서브미터 수준 목표
시각 기준	지구 시간(UTC)에 종속, 상당한 상대론적 오차 발생	독립적인 달 시간(LTC) 기준, 오차 최소화
인프라 의존성	지구의 기존 인프라에 전적으로 의존	달 궤도 위성 및 지상국으로 구성된 독립 인프라
핵심 임무 적합성	제한적 (궤도 결정 보조 수단)	필수적 (정밀 착륙, 랑데부, 로버 자율 주행 등)

 

제2장 상대론적 난제: 달 협정시(LTC)의 확립

달 환경에서 고정밀 PNT를 구현하는 데 있어 가장 근본적인 도전 과제 중 하나는 바로 '시간' 그 자체이다. 이는 단순한 기술적 문제를 넘어, 물리학의 기본 원리와 직결된다. 이 장에서는 이 문제의 물리적 배경을 설명하고, 그 영향을 정량화하며, 새로운 시간 표준을 만들기 위한 국제적인 노력을 상세히 다룬다.

 

2.1 시스루나 환경에서의 일반 상대성 이론

알베르트 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 따르면, 시간의 흐름 속도는 중력과 상대 속도의 영향을 받는다. 중력장이 약한 곳에 있는 시계는 강한 곳에 있는 시계보다 더 빨리 가고, 빠르게 움직이는 시계는 정지한 관찰자의 시계보다 느리게 간다.22

 

지구의 GPS 시스템에서는 이러한 효과가 이미 잘 이해되고 보정되고 있다. GPS 위성에 탑재된 시계는 지상의 시계와 다른 중력 퍼텐셜과 속도를 가지므로, 나노초 수준의 정확도를 유지하기 위해 이러한 상대론적 효과를 지속적으로 계산하여 보정해야 한다.22

 

지구-달 시스템은 이보다 훨씬 복잡한 시나리오를 제시한다. 달 표면에 있는 시계는 달의 약한 중력장 안에 있어 지구보다 시간이 빨리 가는 효과를 받지만, 동시에 지구-달 질량 중심 주위를 공전하고 있어 시간이 느리게 가는 효과도 받는다.23 이 두 가지 상반된 효과가 복합적으로 작용하여 독특한 시간 흐름의 차이를 만들어낸다.

 

2.2 시간 흐름의 차이 정량화: 56 마이크로초 문제

최근 여러 연구팀이 독립적으로 수행한 정밀 계산 결과는 하나의 일관된 수치로 수렴했다. 달에 있는 시계는 지구에 있는 시계보다 하루 평균 56.02 마이크로초 더 빨리 간다.23

 

인간의 감각으로는 인지할 수 없는 이 미세한 차이는 항법의 세계에서는 엄청난 오차를 유발한다. 56 마이크로초의 시간 오차는 빛의 속도(초속 약 30만 km)를 곱하면 약 16.8 킬로미터의 위치 오차로 변환된다.23 이 정도의 오차는 정밀 항법이나 동기화된 통신을 불가능하게 만든다.

 

더욱이 이 차이는 고정된 상수가 아니다. 달의 타원 궤도로 인해 지구와의 거리가 변하고, 태양과 다른 행성들의 기조력(tidal force)으로 인해 시간 흐름의 차이율 자체가 주기적으로 변동한다. 나노초 수준의 정밀도를 달성하기 위해서는 이러한 주기적 변동까지 정밀하게 모델링해야 한다.23

 

2.3 해결책: 달 협정시 (Coordinated Lunar Time, LTC)

이러한 근본적인 문제를 해결하기 위해, 달을 위한 독자적이고 일관된 시간 척도, 즉 '달 협정시(LTC)'를 확립해야 한다는 국제적 공감대가 형성되었다.27

 

2024년 4월, 미국 백악관은 NASA에 2026년 말까지 LTC 전략을 수립하라고 지시했으며 3, 유럽우주국(ESA) 역시 2022년부터 LunaNet 프레임워크의 일환으로 이 문제에 적극적으로 임하고 있다.24

 

LTC는 전통적인 의미의 '시간대(time zone)'가 아니다. 이는 지구의 협정 세계시(Coordinated Universal Time, UTC)와 예측 가능한 비율로 지속적으로 달라지는 별개의 '시간 척도(time scale)'이다.24 제안된 구현 방식은 달 표면(예: 착륙선이나 전용 기지)에 여러 개의 원자시계를 배치하고, 그 측정값들의 가중 평균을 내어 LTC를 정의하는 것이다. 이는 지구에서 수백 개의 원자시계로부터 UTC를 산출하는 방식과 유사하다.27

 

2.4 상대론적 시간 변환 프레임워크

LTC의 실용적인 구현을 위해서는 이를 지구중심 좌표시(Geocentric Coordinate Time, TCG)나 태양계중심 좌표시(Barycentric Coordinate Time, TCB)와 같은 다른 표준 시간 척도와 연관시키는 강력한 수학적 프레임워크가 필요하다.

 

연구자들은 국제천문연맹(IAU)의 상대론적 기준계 프레임워크에 기반하여 상세한 변환 알고리즘을 개발하고 있다. 이 알고리즘들은 지구, 달, 태양의 중력 퍼텐셜, 공전 운동, 기조력 등 관련된 모든 효과를 고려한다.25 이를 통해 각 시간 척도 간의 원활한 변환이 가능해지며, 이는 지구-달 간 통신과 달에서의 활동을 지구 시간과 연동시키는 데 필수적이다.

 

LTC의 확립은 단순한 기술적 필요를 넘어서는, 시스루나(cislunar) 영역에 대한 근본적인 '거버넌스' 행위이다. 이는 미래의 모든 과학적, 상업적, 법적 활동을 뒷받침할 공통의 비독점적 공공재를 창조하는 것을 의미한다. 항법과 통신이 동기화된 시간을 요구한다는 기술적 문제에서 출발하여 24, 상대성 이론으로 인해 지구 시간(UTC)이 고정밀 달 운영에 부적합하다는 결론에 이른다.23 따라서 지역적 시간 척도인 LTC가 필요하게 된다. 이는 운영상의 1차적 함의를 넘어, 경제적 및 법적 차원의 2차적 함의로 확장된다. 미래의 상업 활동, 예를 들어 광산 회사가 연료 보급소에 얼음을 판매하는 거래나, 건설 로봇이 시간당 보수를 받는 작업 기록 등은 모두 공인된 단일 시간 표준을 요구한다. LTC 없이는 계약 분쟁, 운영상의 혼란, 그리고 제대로 기능하는 경제의 부재로 이어질 것이다.33

 

더 나아가 이는 지정학적 및 거버넌스 차원의 3차적 함의를 가진다. LTC를 정의하고 유지하는 주체는 상당한 영향력을 갖게 된다. 현재 NASA와 ESA가 개방적이고 국제적인 표준을 만들기 위해 협력하는 접근 방식은 24 의도적인 우주 외교 행위이다. 이는 특정 국가나 기업이 이 중요한 인프라를 통제하는 것을 방지하고 '공공재' 모델을 확립하려는 목표를 가진다.3 이는 미래 우주에서의 항법, 교통 관리 등과 같은 '공공재'가 어떻게 관리될 것인지에 대한 선례를 설정한다. 따라서 LTC를 만들기로 한 결정은 다중 사용자, 국제적인 달 환경의 '교통 규칙'을 정의하는 근본적인 단계라고 할 수 있다.

 

제3장 시스루나 PNT 아키텍처: LunaNet과 Moonlight 비교 분석

달 PNT의 미래를 정의하고 있는 두 개의 대표적인 국제 프로그램을 심층적으로 분석하고, 그들의 아키텍처, 목표, 그리고 상호 보완적인 관계를 조명한다.

 

3.1 NASA의 LunaNet: 달을 위한 '인터넷'

개념: LunaNet은 단일 시스템이 아닌, 상호운용성을 위한 프레임워크이다.35 이는 지구의 인터넷과 유사하게, 여러 서비스 제공자(정부, 상업, 국제 파트너)가 공통의 표준에 기반하여 노드를 구축하고 서비스를 제공할 수 있는 "네트워크의 네트워크"로 구상되었다.35

 

서비스 지향 아키텍처: LunaNet은 제공자가 제공할 수 있는 네 가지 핵심 서비스 범주를 정의한다.36

 

• 네트워킹(Networking): 데이터 라우팅 및 통신 링크를 제공한다. 여기서 핵심 기술은 지연/단절 허용 네트워킹(Delay/Disruption Tolerant Networking, DTN)이다. DTN은 초기 달 네트워크의 고질적인 문제인 간헐적 연결 상태에서도 데이터를 저장했다가 전송하는 기능을 통해 신뢰성 있는 데이터 전달을 보장한다.1
• 위치결정, 항법, 시각동기(PNT): 사용자가 지구와 독립적으로 자신의 위치, 속도, 시간을 자율적으로 결정하는 데 필요한 신호와 데이터를 제공한다.35
• 과학 서비스(Science Services): 네트워크의 통신 링크를 전파 과학 실험이나 달 환경의 기선 관측과 같은 과학적 측정을 위한 플랫폼으로 활용한다.36
• 탐지 및 정보(Detection and Information): 태양 플레어와 같은 우주 기상 현상에 대한 실시간 경보를 제공하거나, 조난 탐색 및 구조(LunaSAR) 활동을 지원한다.36

 

LunaNet 증강 순방향 신호(Augmented Forward Signal, AFS): PNT 상호운용성을 보장하기 위해, LunaNet 프레임워크는 표준화된 항법 신호인 AFS를 정의한다.37 이는 사용자의 수신기가 NASA, ESA, JAXA 등 LunaNet 호환 위성이라면 어떤 위성에서 오는 신호든 처리할 수 있게 하는 매우 중요한 요소이다.

 

• 기술 사양: AFS는 S-대역(약 2.49 GHz)에서 전송되며, 단일 반송파에 두 개의 직교 위상 성분(I/Q 채널) 구조를 가진다.39 동위상(In-phase, AFS-I) 성분은 저전력/저사양(low-SWaP) 사용자를 위한 저속 데이터 채널이며, 직교 위상(Quadrature, AFS-Q) 성분은 데이터 없이 강력하고 고성능 추적을 위한 고속 파일럿 채널이다.39 특히 유연성과 성능 향상을 위해 5G 표준 개념을 통합한 점이 주목할 만하다.37

 

3.2 ESA의 Moonlight: 달 경제를 위한 상업 서비스 제공자

개념: Moonlight 이니셔티브는 ESA가 통신 및 항법 서비스를 상업적으로 제공하기 위해 전용 위성 컨스텔레이션을 배치하는 프로그램이다.33 향후 10년간 계획된 400개 이상의 달 탐사 임무를 대상으로, 각 임무가 자체 통신 시스템을 구축할 필요성을 줄여주는 서비스 제공자 역할을 목표로 한다.34

단계적 배치 및 일정: Moonlight는 단계적으로 배치된다.33

 

• 선행 임무: 2026년 발사 예정인 루나 패스파인더(Lunar Pathfinder) 위성이 첫 단계로, 통신 중계 기능을 시연하고 고감도 GNSS 수신기를 탑재하여 달 궤도에서의 항법을 시험할 것이다.34
• 초기 서비스: 초기 운영 능력(IOC)은 2028년 말로 목표하고 있다.33
• 완전 운영: 전체 컨스텔레이션은 2030년까지 완전 운영을 목표로 한다.34

 

컨스텔레이션 아키텍처: 계획된 컨스텔레이션은 5개의 위성으로 구성된다.34

 

• 1기의 전용 고속 통신 위성(COMSAT).
• 4기의 항법 위성(NAVSAT).
• 궤도 전략: 모든 위성은 타원형 달 동결 궤도(Elliptical Lunar Frozen Orbits, ELFOs)에 배치된다. 이 고이심률 궤도는 위성이 달의 남극 상공에서 오랜 시간 '체류'하도록 특별히 설계되어, 자원 탐사의 전략적 요충지인 남극 지역에 지속적이고 고품질의 서비스를 제공하는 데 이상적이다.34

 

산업 파트너십: Moonlight는 민관 협력 사업으로, 텔레스파치오(Telespazio)가 이끄는 컨소시엄이 주 계약자이다. 주요 파트너로는 위성을 제작하는 탈레스 알레니아 스페이스(Thales Alenia Space), 엔드투엔드 서비스를 설계하는 비아샛(Viasat), 그리고 루나 패스파인더를 제작한 SSTL 등이 있다.33

 

3.3 시너지와 상호운용성: 통합된 시스루나 아키텍처

결정적으로, LunaNet과 Moonlight는 경쟁 시스템이 아니라 더 큰 연합 아키텍처의 상호 보완적인 부분이다. ESA는 Moonlight가 LunaNet 상호운용성 사양(LunaNet Interoperability Specification, LNIS)을 완벽하게 준수하도록 NASA, JAXA와 긴밀히 협력하고 있다.42

 

이는 LunaNet 호환 수신기를 가진 사용자가 ESA의 Moonlight 위성, NASA의 미래 LCRNS 위성, 그리고 다른 파트너 기관의 자산에서 오는 신호를 원활하게 사용할 수 있음을 의미한다.39 이러한 접근 방식은 시스템의 강건성을 높이고, 서비스 범위를 확장하며, 달 탐사를 위한 협력적인 국제 환경을 조성한다.37

 

LunaNet을 폐쇄적인 '시스템'이 아닌 개방적인 '프레임워크'로 설계한 것은 지상의 인터넷 발전을 모방한 심오한 전략적 결정이다. 이는 정부 기관이 서비스를 독점하는 대신, 달 서비스에 대한 상업적 시장을 촉진하기 위해 고안되었다. 과거 우주 임무는 NASA가 우주선, 지상국, 통신 링크(예: DSN)를 모두 구축하는 수직 통합 방식이었다.46 이는 비용이 많이 들고 다중 사용자 환경으로 확장하기 어렵다. 새로운 목표는 다수의 공공 및 민간 주체가 참여하는 '달 경제'를 육성하는 것이다.33

 

LunaNet 접근 방식은 '달을 위한 NASA GPS'를 구축하는 대신, 달을 위한 '프로토콜'(예: DTN, AFS)을 정의하는 것이다.36 이것이 바로 LNIS이다.47 제공자를 지정하지 않고 표준을 정의함으로써 NASA는 공정한 경쟁의 장을 만든다. ESA의 Moonlight 33, JAXA의 시스템 39, 그리고 미래의 상업 회사들은 모두 'LunaNet 서비스 제공자(LNSP)' 노드를 구축하고 운영할 수 있다.38 LNIS를 준수하는 한, 그들의 서비스는 상호 운용될 것이다. 이는 진입 장벽을 낮춘다. 새로운 회사는 완전한 PNT 시스템을 구축할 필요 없이, 단일 위성이나 소규모 컨스텔레이션을 발사하여 더 큰 네트워크에 기여하고 사용자에게 서비스를 판매할 수 있다. 이는 "모든 자산에 걸쳐 통신 서비스를 제공하는 장기적이고 확장 가능하며 상호 운용 가능한 아키텍처를 가능하게" 하도록 명시적으로 설계되었다.35 따라서 LunaNet의 아키텍처는 단순한 기술 설계가 아니라 경제 정책이다. 이는 정부가 운영자 역할을 하던 모델에서, 표준 제정자 및 초기 고객 역할을 하는 모델로의 의도적인 전환이며, 시스루나 공간에서 경쟁력 있는 다중 제공자 상업 생태계를 자극하기 위해 설계된 것이다.

 

표 2: NASA LunaNet과 ESA Moonlight 이니셔티브의 주요 매개변수

 

기능	NASA LunaNet	ESA Moonlight
주요 목표	달 통신/항법을 위한 상호운용성 프레임워크 구축	달 탐사 임무를 위한 상업적 통신 및 항법 서비스 제공
모델	"네트워크의 네트워크" 프레임워크 (인터넷 모델)	서비스 제공자 (통신사 모델)
핵심 기술	지연/단절 허용 네트워킹 (DTN), 서비스 지향 아키텍처	고가용성 위성 컨스텔레이션, 상업 서비스 운영
PNT 신호 표준	증강 순방향 신호 (Augmented Forward Signal, AFS)	LunaNet AFS 표준 준수
컨스텔레이션	특정 컨스텔레이션 없음 (다양한 제공자 참여)	5기 위성 (항법 4기, 통신 1기)
주요 궤도 유형	특정 궤도 없음 (임무에 따라 다양)	타원형 달 동결 궤도 (ELFOs)
주요 파트너	ESA, JAXA, 상업 파트너	텔레스파치오, 탈레스 알레니아 스페이스, 비아샛, SSTL
초기 운영 목표	아르테미스 임무 지원 (단계적)	2028년 말

 

제4장 달 GNSS 컨스텔레이션 설계: 궤도 역학과 최적화 전략

이 장은 보고서의 기술적 핵심으로, 독특한 달 환경에 최적화된 위성 컨스텔레이션을 설계하는 데 포함된 구체적인 공학적 결정과 트레이드오프를 심층적으로 탐구한다.

 

4.1 달 궤도 환경: 세 개의 천체가 빚어내는 복잡성

지구 중력이 지배적인 지구 궤도와 달리, 달 궤도는 복잡한 동역학적 환경이다. 주요 섭동력(perturbing force)은 달 자체의 불균일한 중력장(질량 집중점, 즉 '매스콘(mascon)' 포함)과 지구 및 태양으로부터 오는 상당한 제3체 중력 효과이다.15

 

이러한 섭동들은 많은 궤도를 장기적으로 불안정하게 만들어, 위성의 운영 수명을 단축시키고 비용을 증가시키는 상당한 궤도 유지용 연료(ΔV)를 요구한다.5 따라서 안정적이거나 준안정적인 궤도를 선택하는 것이 주요 설계 동인이다.

 

4.2 후보 궤도의 분류

연구자들은 PNT 컨스텔레이션에 대한 적합성을 평가하기 위해 여러 종류의 궤도를 분석해왔다.

 

• 타원형 달 동결 궤도 (Elliptical Lunar Frozen Orbits, ELFOs): 특히 극지방 커버리지에 유력한 후보이다. ELFO는 중력 섭동의 균형을 맞춰 '동결'되도록 설계되어 궤도 유지의 필요성을 최소화한다.42 높은 이심률 덕분에 위성은 원월점(apolune)에서 남극과 같은 특정 지역 상공에 오랜 시간 머무를 수 있어, 목표 지역에 대한 집중적인 커버리지에 이상적이다.34
• 준직선 헤일로 궤도 (Near-Rectilinear Halo Orbits, NRHOs): 달 게이트웨이(Lunar Gateway)에 사용되는 매우 안정적인 궤도이다.11 지구와의 지속적인 가시선을 제공하고 극지방에 대한 양호한 커버리지를 제공하여, 통신 중계기 및 PNT 네트워크의 노드로서 가치가 높다.
• 저궤도 (Low Lunar Orbits, LLOs): 약 100 km 고도의 원궤도는 고해상도 커버리지를 제공하지만, 달에 의한 신호 차폐(occultation)와 중력 이상을 극복하기 위한 상당한 궤도 유지가 필요하다.52 글로벌 PNT 서비스에는 덜 이상적이지만, 하이브리드 시스템의 일부가 될 수 있다.
• 워커 및 하이브리드 컨스텔레이션 (Walker and Hybrid Constellations): 균일한 글로벌 커버리지를 제공하는 고전적인 워커 컨스텔레이션도 연구되고 있다. 그러나 극지방 ELFO와 적도 궤도 등 다른 유형의 궤도를 결합한 하이브리드 설계는 글로벌 커버리지와 지역적 커버리지 요구 사이의 균형을 맞추는 데 더 최적화된 솔루션을 제공할 수 있다.5

 

4.3 컨스텔레이션 설계 공간: 성능과 비용의 최적화

컨스텔레이션 설계는 상충하는 목표를 가진 다차원 최적화 문제를 포함한다.5 주요 변수와 트레이드오프는 다음과 같다.

 

• 위성 수: 위성 수가 많을수록 일반적으로 커버리지와 기하학적 다양성(낮은 GDOP)이 향상되지만, 우주 부문 비용이 직접적으로 증가한다.5
• 궤도 매개변수: 궤도면의 고도, 경사, 이심률 선택은 커버리지 패턴, 재방문 시간, 안정성을 결정한다.54
• 궤도 유지 (ΔV): 궤도 유지를 위한 연료 사용량을 최소화하는 것은 설계 수명을 연장하고 운영 비용을 절감하는 데 매우 중요하다.5
• 크기, 무게, 전력 (Size, Weight, and Power, SWaP): 특히 소형 위성(SmallSat)을 사용한 비용 효율적인 배치를 위해서는 SWaP 최소화가 중요하다. 이는 탑재체의 선택, 예를 들어 탑재된 원자시계의 등급에 영향을 미친다.2

 

4.4 첨단 설계 기법: 진화 알고리즘의 역할

설계 공간의 복잡성을 고려하여, 연구자들은 다중 목표 진화 알고리즘(Multi-Objective Evolutionary Algorithms, MOEAs)과 같은 첨단 계산 도구를 점점 더 많이 사용하고 있다.5

 

이러한 알고리즘은 수많은 잠재적 컨스텔레이션 구성을 동시에 탐색하고, 여러 목표(예: GDOP 최소화, 비용 최소화, ΔV 최소화)에 대해 평가할 수 있다. 이를 통해 최적의 솔루션 집합인 "파레토 전선(Pareto front)"을 생성하여, 설계자가 주어진 임무 우선순위에 따라 최상의 트레이드오프를 시각화하고 선택할 수 있도록 한다.5 최근 연구에서는 경험적 접근을 넘어, 특정 커버리지 요구사항에 대해 증명 가능한 최적 구성을 찾기 위해 혼합 정수 선형 계획법(MILP)을 사용하는 것도 제안되고 있다.59

 

달 PNT 컨스텔레이션의 설계는 근본적으로 '희소성 관리'의 문제이다. 이는 커버리지, 연료, 예산의 희소성을 의미한다. 이러한 제약은 지구 GPS의 '무차별 대입(brute force)'식 글로벌 커버리지 모델에서 벗어나, 보다 정교하고, 목표 지향적이며, 하이브리드적인 궤도 솔루션으로의 전환을 강요한다. 지구 GPS/GNSS는 균일한 중궤도에 다수의 위성(컨스텔레이션당 약 24-31기)을 배치하여 전 지구적, 연속적, 고품질 커버리지를 달성한다.60 이는 임무가 단순하고(모든 곳을 항상 커버) 초기 예산이 사실상 무제한이었기에 가능한 접근 방식이었다.

 

그러나 달 환경은 다르다. 예산은 제한적이고 2, 다수의 대형 위성을 발사하는 것은 비용이 많이 든다. 궤도 환경은 더 적대적이어서 궤도 유지를 위한 연료는 위성의 수명을 제한하는 귀중한 자원이다.5 가장 중요한 것은, 초기 수요가 균일하지 않고 남극에 집중되어 있다는 점이다.34 단순한 워커 컨스텔레이션(GPS와 유사한)을 달에 적용하는 것은 비효율적이다. 이는 임무가 계획되지 않은 광대한 지역에 커버리지를 제공하기 위해 많은 위성과 궤도 유지 비용을 소모하게 된다.54

 

이것이 설계자들이 더 정교한 해결책으로 나아가는 이유이다. ELFO는 그 대표적인 예이다.42 ELFO는 달 환경의 자연적인 섭동을 역으로 이용하여 연료 사용을 최소화하면서 가장 가치 있는 지역(남극) 상공에서의 체류 시간을 극대화하는 '우아한' 궤도이다. 이는 희소성을 수용한 설계이다. 이러한 우아한 해결책을 찾는 복잡성 때문에 MOEA와 같은 고급 도구가 매우 중요하다.5 이 도구들은 단지 '좋은' 컨스텔레이션을 찾는 것이 아니라, 자원이 제한된 환경에서 특정하고 불균일한 수요를 충족시키기 위해 가장 효율적인 자원 사용법을 탐색한다. 따라서 궤도 및 최적화 알고리즘에 대한 기술적 논의는 더 깊은 전략적 변화의 표면적 표현이다. 달 컨스텔레이션 설계는 달 전체를 신호로 덮는 것이 아니라, 목표 지향적인 자원 기반 탐사 캠페인을 지원하기 위해 최소한의 필요 자원을 가장 효과적인 방식으로 정밀하게 배치하는 것에 관한 것이다.

 

표 3: PNT 컨스텔레이션을 위한 후보 달 궤도의 특성

 

궤도 유형	고도/주기	안정성 (궤도 유지 필요성)	주요 커버리지 영역	주요 장점	주요 단점	활용 사례/임무
저궤도 (LLO)	100-200 km / ~2시간	낮음 (상당한 연료 필요)	궤도 직하부 글로벌	고해상도, 저지연	잦은 신호 차폐, 짧은 수명	과학 관측, 정찰
타원형 달 동결 궤도 (ELFO)	고이심률 / 12-24시간	높음 (연료 효율적)	남극 또는 북극	특정 지역 장시간 체류, 안정성	글로벌 커버리지 불균일	Moonlight, 남극 집중 서비스
준직선 헤일로 궤도 (NRHO)	고고도 / ~7일	매우 높음 (매우 안정적)	극지방	지구와의 지속적인 통신, 안정성	낮은 해상도	Lunar Gateway
워커 컨스텔레이션	중고도 / 다양함	중간	전 지구	균일한 글로벌 커버리지	특정 지역 집중도 낮음, 위성 수↑	지구 GPS/GNSS 모델

 

제5장 달 PNT의 핵심 성능 지표(KPI) 및 분석

달 항법 시스템의 성공 여부를 판단하고 설계를 평가하기 위해서는 명확하고 정량화된 성능 지표가 필수적이다. 이 장에서는 달 PNT 시스템의 성능을 정의하는 핵심 지표들을 소개하고, 이를 분석하고 검증하는 방법론을 다룬다.

 

5.1 PNT 서비스의 핵심 성능 지표

PNT 서비스의 품질은 전통적으로 네 가지 주요 지표로 평가된다.

 

• 정확도 (Accuracy): 계산된 위치가 실제 위치와 얼마나 가까운지를 나타내는 척도이다. 절대 위치 정확도(고정된 좌표계 기준)와 상대 위치 정확도(다른 객체 기준)로 구분된다. 국제우주탐사협력그룹(ISECG)은 향후 임무에서 0.4m 미만의 절대 및 상대 위치 정확도를 목표로 제시하고 있다.5
• 무결성 (Integrity): 시스템이 제공하는 정보에 대한 '신뢰도'를 의미한다. 이는 시스템이 허용된 오차 범위를 벗어나는 잘못된 정보를 사용자에게 경고 없이 제공할 확률로 정의된다. 유인 임무, 정밀 착륙, 로봇 건설과 같은 안전이 중요한(safety-critical) 작업에서는 정확도만큼이나 무결성이 중요하다. 항공 분야에서 사용되는 수신기 자율 무결성 감시(RAIM)와 같은 개념이 달 항법에도 도입되고 있다.61
• 연속성 (Continuity): 정해진 시간 동안 서비스가 중단 없이 유지될 확률이다. 랑데부 및 도킹과 같은 특정 임무 단계에서는 서비스의 연속성이 매우 중요하다.
• 가용성 (Availability): 시스템이 명시된 정확도, 무결성, 연속성 요구사항을 만족하며 사용 가능한 시간의 비율이다. 이는 특정 지역 또는 전체 서비스 영역에 대해 정의될 수 있다.

 

5.2 핵심 기술 지표

서비스 수준의 지표를 달성하기 위해 시스템 설계 및 분석 단계에서는 다음과 같은 기술적 지표들이 사용된다.

 

• GDOP/PDOP (Geometric/Position Dilution of Precision): 위성들의 기하학적 배치 품질을 나타내는 무차원 값이다. 위성들이 하늘에 잘 분산되어 있을수록 GDOP 값은 낮아지고(이상적으로 1에 가까움), 위치 오차는 작아진다. 반대로 위성들이 한쪽에 몰려 있으면 GDOP 값이 커져 작은 측정 오차도 큰 위치 오차로 증폭된다.5
• UERE (User Equivalent Range Error): 단일 위성으로부터의 거리 측정에 포함된 모든 오차의 총합을 등가의 거리 오차로 환산한 값이다. UERE는 위성 시계 오차, 위성 궤도 정보(ephemeris) 오차, 신호 전파 경로 오차, 수신기 내부 오차 등을 모두 포함한다.56 최종 위치 오차는 대략
  PDOP × UERE로 추정할 수 있다.
• SISE (Signal-in-Space Error): 사용자 수신기를 제외한, 위성 시스템 자체(위성 시계 및 궤도)에서 발생하는 오차 기여분이다. 이는 시스템 제공자가 보장해야 하는 성능의 척도이다. NASA의 서비스 요구사항 문서(SRD)에서는 위치에 대해 13.34m (3σ), 속도에 대해 1.2 mm/s (3σ)의 SISE를 요구하고 있다.63

 

5.3 분석 및 시뮬레이션 방법론

달 PNT 시스템의 성능은 실제 구축 전에 정교한 시뮬레이션을 통해 예측되고 검증된다.

 

• 고충실도 시뮬레이션: 시스템 툴 킷(STK)과 같은 전문 소프트웨어를 사용하여 복잡한 달 궤도 동역학, 신호 전파 모델(경로 손실, 차폐 등), 위성 및 수신기 특성을 통합한 고충실도 시뮬레이션을 수행한다.15 이를 통해 다양한 컨스텔레이션 설계안에 대한 성능 지표(GDOP, 가용성 등)를 사전에 평가할 수 있다.
• 실측 데이터를 통한 모델 보정: LuGRE와 같은 실제 임무에서 수집된 데이터는 지상 시뮬레이션 모델을 보정하고 검증하는 데 매우 중요하다. 실제 측정된 신호 강도, 가용성, 항법 오차 등을 시뮬레이션 결과와 비교함으로써 모델의 정확도를 높이고, 미래 임무에 대한 예측 성능의 신뢰도를 향상시킨다.13
• 일반화된 DoP (Generalized DoP): 완전한 3차원 위치 결정을 위한 최소 위성 수(보통 4기)를 확보하기 어려운 희소한(sparse) 컨스텔레이션 환경에서는 '일반화된 DoP'라는 개념이 사용된다. 이는 시간의 흐름에 따라 수집된 여러 측정값을 통합하여 위치를 결정하는 동적 필터링 기법의 성능을 평가하는 데 유용한 척도를 제공한다.54

 

PNT 요구사항의 발전 과정을 보면, 초기 탐사 시대에서 지속 가능한 활동 시대로 넘어가면서 '정확도 중심'에서 '무결성 중심'으로 패러다임이 전환되고 있음을 알 수 있다. 아폴로 시대에는 목표 지점에 '도착하는 것' 자체로 충분했다. 그러나 아르테미스 시대에는 유인 임무, 자동 랑데부, 로봇 건설과 같은 복잡한 상호작용이 이루어지므로, 단순히 위치를 아는 것을 넘어 '자신의 위치가 정확하다는 것을 아는 것'(즉, 무결성)이 무엇보다 중요해진다.

 

이러한 변화는 항공 분야의 안전 필수 시스템에서 발전된 무결성 개념, 예를 들어 ARAIM(Advanced RAIM)과 같은 기술을 우주 항법에 도입하는 원동력이 된다.61 무결성은 더 이상 정확도의 부차적인 고려사항이 아니라, 정확성과 동등한 핵심 성능 기둥으로 자리매김하고 있다. 이는 우주 활동이 단순한 '탐사'에서 '산업 규모의 활동'으로 성숙해 가고 있음을 보여주는 중요한 지표이다.

 

표 4: 달 PNT 시스템의 핵심 성능 지표

 

지표 (KPI)	정의	중요성	목표/요구사항 예시
정확도 (Accuracy)	계산된 위치와 실제 위치 간의 오차	정밀 착륙, 과학 샘플링, 건설 작업의 기반	< 0.4m (ISECG)
무결성 (Integrity)	시스템이 제공하는 정보에 대한 신뢰도, 위험 경보 능력	승무원 안전, 자동 랑데부 및 도킹, 충돌 회피	항공 분야의 안전 필수(Safety-of-Life) 수준
연속성 (Continuity)	정해진 시간 동안 서비스가 중단 없이 유지될 확률	임무의 결정적 단계(착륙, 도킹)에서의 실패 방지	임무 단계별로 정의됨
가용성 (Availability)	요구 성능을 만족하며 서비스가 제공되는 시간의 비율	지속적인 로버 운용, 상시적인 상황 인식	> 99% (글로벌 또는 특정 지역)
PDOP	위성 배치 기하가 위치 오차에 미치는 증폭 계수	낮은 PDOP는 높은 위치 정확도를 보장하는 전제 조건	< 6 (양호한 기하)
UERE / SISE	단일 위성의 거리 측정 오차 / 시스템 측 오차	시스템의 근본적인 정밀도를 결정하는 요소	SISE: 13.34m (위치, 3σ)

 

제6장 핵심 기술: 달 PNT 생태계

달 PNT 시스템은 단순히 궤도에 떠 있는 위성들의 집합이 아니다. 이는 지상, 우주, 사용자 부문이 유기적으로 연결된 복잡한 기술 생태계이다. 이 장에서는 이 생태계를 구성하는 핵심 기술 요소들을 상세히 분석한다.

 

6.1 지상 부문 (Ground Segment)

지상 부문은 보이지 않는 곳에서 전체 시스템의 정확성과 신뢰성을 뒷받침하는 중추적인 역할을 한다.

 

• 궤도 결정 및 시각 동기: 지구의 심우주 통신망(Deep Space Network, DSN)이나 전용 지상국들은 K-대역과 같은 고주파수 링크를 사용하여 달 궤도 위성들을 정밀하게 추적한다.66 이 추적 데이터를 통해 위성의 정확한 궤도(ephemeris)를 계산하고, 위성에 탑재된 시계를 지구의 기준 시계와 동기화한다. MSPA(Multiple Spacecraft Per Aperture)와 같은 기술은 하나의 대형 안테나로 여러 위성을 동시에 추적하여 효율성을 극대화한다.67
• 항법 메시지 업로드: 계산된 정밀 궤도 및 시각 보정 정보는 항법 메시지 형태로 위성에 업로드되어, 사용자들이 수신할 수 있도록 방송된다.46
• 증강 시스템: 달 표면에 설치된 지상국들은 위성 신호를 보강하는 역할을 할 수 있다. 기준국(reference station)으로서 위성 신호의 오차를 실시간으로 측정하여 보정 정보를 제공(차등항법, DGNSS)하거나, 위성과 유사한 신호를 직접 생성하여 가시 위성 수를 늘리는 의사위성(pseudolite)으로 기능하여 특정 지역의 정확도와 가용성을 획기적으로 향상시킬 수 있다.48

 

6.2 우주 부문 (Space Segment)

우주 부문은 PNT 신호를 생성하고 방송하는 핵심 요소이다.

 

• 원자시계: 위성의 심장부인 시계는 성능과 비용 사이의 중요한 트레이드오프를 수반한다. 심우주 원자시계(DSAC)와 같은 고성능 시계는 매우 정확하지만 크고 비싸다. 반면, 칩스케일 원자시계(CSAC)는 SWaP(크기, 무게, 전력)가 낮아 비용 효율적이지만 안정성이 떨어진다. 이에 대한 혁신적인 해결책으로, 저렴한 시계를 탑재하되 지구 GNSS 신호를 간헐적으로 수신하여 시계를 '보정(discipline)'하는 시간 전송(time-transfer) 기술이 활발히 연구되고 있다.2
• 안테나: 지구 GNSS의 미약 신호를 수신하거나(시간 전송용), 달 표면 사용자에게 강력한 신호를 송신하기 위해 고이득 안테나가 필요하다.12
• 소형 위성 (SmallSats): 전통적인 대형 위성 대신 소형 위성 플랫폼을 활용하면, 개발 기간을 단축하고 발사 비용을 절감하여 비용 효율적이고 신속하게 컨스텔레이션을 구축할 수 있다.2

 

6.3 사용자 부문 (User Segment)

사용자 부문, 즉 수신기는 위성 신호를 수신하여 최종적인 PNT 정보를 계산하는 역할을 한다.

 

• 미약 신호 처리: 지구 GNSS 신호를 활용하거나, 열악한 환경에서 달 PNT 신호를 수신하기 위해, 매우 낮은 신호 대 잡음비에서도 신호를 포착하고 추적할 수 있는 고감도 RF 프런트엔드와 첨단 신호처리 알고리즘이 필수적이다.11
• 항법 필터 (Kalman Filters): 칼만 필터는 간헐적이고 잡음이 많은 위성 측정값을 우주선의 동역학 모델과 융합하여, 연속적이고 안정적인 항법 해(위치, 속도, 시간)를 생성하는 핵심적인 역할을 한다.12 특히, 밀리미터 수준의 정밀도를 가진 반송파 위상(carrier phase) 측정값을 활용하는 TDCP(Time-Differenced Carrier Phase) 기법은 정확도를 획기적으로 높일 수 있다.63
• 센서 융합: 강건한 항법 솔루션은 단일 센서에 의존하지 않는다. GNSS 수신기는 관성 측정 장치(IMU), 시각 주행 거리계(visual odometry), 레이저/레이더 고도계 등 다른 센서들과의 데이터 융합을 통해, GNSS 신호가 약하거나 없는 환경에서도 위치를 추정할 수 있는 능력을 확보한다.69

 

6.4 지원 기술

PNT 생태계는 다음과 같은 기반 기술들에 의해 뒷받침된다.

 

• 고정밀 중력장 모델: GRAIL 임무를 통해 생성된 GRGM1200A와 같은 고정밀 달 중력장 모델은 위성의 궤도를 수 cm 수준으로 정확하게 예측하고 결정하는 데 필수적이다. 이는 결국 사용자에게 방송되는 궤도 정보의 정확도로 직결된다.70
• 광통신: RF 통신을 보완하여 대용량 데이터를 고속으로 전송할 수 있는 잠재력을 가지고 있으며, 미래 달 통신 인프라의 중요한 부분이 될 것으로 예상된다.4

 

달 PNT 시스템은 독립적인 위성들의 집합이 아니라, 각 부문이 긴밀하게 상호 작용하는 '시스템의 시스템(System of Systems)'으로 이해해야 한다. 위성 자체는 생태계의 한 부분에 불과하다. 시스템의 진정한 성능은 정밀한 궤도 정보를 제공하는 지상 부문, 시간 전송 기술로 보정되는 시계를 탑재한 우주 부문, 그리고 사용 가능한 모든 데이터를 융합하는 고급 필터를 갖춘 사용자 부문 간의 원활한 상호작용과 데이터 흐름에서 비롯된다. 따라서 달 PNT의 성공은 단일 구성 요소의 완벽함보다는, 이러한 상호 의존적인 부문들 간의 인터페이스와 데이터 흐름의 강건성에 달려 있다.

 

표 5: 달 PNT 생태계를 구성하는 핵심 기술

 

부문	핵심 기술	역할 및 기능	주요 과제
지상 부문	심우주 통신망(DSN), K-대역 링크, 의사위성(Pseudolite)	위성 추적, 궤도 결정, 시각 동기, 항법 메시지 업로드, 지역 서비스 증강	달 표면 지상국 구축, 지구-달 간 통신 지연
우주 부문	소형 위성(SmallSat), 고성능/저전력 원자시계, 고이득 안테나	PNT 신호 생성 및 방송, 시간 전송을 통한 자체 시각 보정	SWaP 제약, 궤도 안정성 확보, 방사선 내성
사용자 부문	고감도 수신기, 칼만 필터, 센서 융합 알고리즘	위성 신호 수신 및 처리, 동적 모델과 융합하여 최종 PNT 해 생성	미약 신호 수신, 간헐적 데이터 처리, 다양한 센서 통합
지원 기술	고정밀 중력장 모델(GRAIL), 광통신, 상대론적 시간 변환	정밀 궤도 예측, 대용량 데이터 전송, 시간 척도 간의 정확한 변환	모델 정확도 향상, 신기술의 우주 검증

 

제7장 정밀 달 PNT의 영향: 응용 분야와 미래 전망

강력하고 정밀한 달 PNT 인프라의 구축은 단순히 기술적 성취를 넘어, 달 탐사와 활용의 모든 측면을 근본적으로 변화시킬 잠재력을 가지고 있다. 이 장에서는 정밀 PNT가 열어갈 새로운 가능성과 미래 전망을 탐구한다.

 

7.1 현지 자원 활용(ISRU) 및 건설

지속 가능한 달 기지를 건설하기 위해서는 현지 자원을 활용하는 것이 필수적이다. 정밀 PNT는 이러한 활동의 효율성과 안전성을 극대화하는 핵심 요소이다.

 

• 자원 탐사 및 채굴: VIPER 로버와 같은 임무는 달 남극의 얼음과 같은 자원의 분포를 정밀하게 매핑해야 한다. 정밀 PNT는 로봇이 목표 지점을 정확히 찾아가고, 채굴된 자원의 위치와 양을 기록하며, 효율적인 채굴 경로를 계획하는 데 필수적이다.74
• 건설 및 인프라 구축: 달 표토(regolith)를 소결(sintering)하여 착륙 패드나 도로를 포장하고, 거주 모듈을 조립하며, 각종 인프라를 정렬하는 작업에는 센티미터 수준의 정확도가 요구된다.6 이러한 고정밀도는 전역적인 위성항법만으로는 달성하기 어려우며, LRNTS(Lunar Regional Navigation Transceiver System)와 같은 지역 증강 시스템이나 반송파 위상 기반의 cRTK(carrier-phase Real-Time Kinematic) 기법을 통해 국지적으로 구현될 수 있다.74

 

7.2 로봇 및 유인 탐사

정밀 PNT는 로봇과 인간 탐사의 범위를 확장하고 안전성을 높인다.

 

• 자율 주행 및 탐사: 로버가 지구 관제소의 개입을 최소화하고 장거리를 자율적으로 주행하기 위해서는 자신의 위치를 실시간으로 정확하게 아는 것이 중요하다.69 이는 탐사 효율을 극대화하고, 통신 지연으로 인한 문제를 해결한다.
• 승무원 안전: 선외 활동(EVA) 중인 우주 비행사에게 신뢰할 수 있는 위치 정보를 제공하여, 시각적 특징이 거의 없거나 영구 음영 지역과 같은 위험한 환경에서도 길을 잃지 않도록 보장한다.1
• 정밀 기동: 착륙선, 궤도선, 로버 간의 정밀 착륙, 랑데부, 도킹 작전을 안전하고 효율적으로 수행할 수 있게 한다. 이는 복잡한 물류 및 조립 임무의 기본 전제 조건이다.5

 

7.3 과학적 발견

PNT 인프라는 과학 연구의 질과 범위를 한 단계 끌어올린다.

 

• 데이터의 시공간적 정확도 향상: 모든 과학 장비의 측정 데이터와 채취된 샘플에 정밀한 시각 정보와 지리적 위치 정보(geo-referencing)를 부여하여 데이터의 가치를 높이고, 여러 임무에서 얻은 데이터를 정확하게 비교 분석할 수 있게 한다.
• 새로운 과학 연구: PNT 신호 자체를 과학적 도구로 활용할 수 있다. 위성 신호가 달의 희박한 대기나 플라스마 환경을 통과할 때 발생하는 변화를 분석하여 달 환경을 연구하거나, 시계의 미세한 변화를 측정하여 일반 상대성 이론을 검증하는 등의 새로운 연구가 가능해진다.36

 

7.4 미래: 화성과 그 너머를 향한 디딤돌

달 PNT 인프라 구축은 달 자체를 위한 것을 넘어, 더 먼 우주로 나아가기 위한 중요한 시험장이자 운영 모델이다. ESA의 MARCONI(Mars Communication and Navigation Infrastructure) 구상과 같이, 달에서 해결된 자율 항법, 시각 동기, 상호운용성 등의 과제들은 화성과 같은 더 먼 목적지에 PNT 시스템을 구축하는 데 직접적으로 적용될 수 있다.27 달은 인류가 행성 간 인프라를 구축하고 운영하는 방법을 배우는 귀중한 경험을 제공할 것이다.

 

결론

새로운 달 탐사 시대의 서막에서, 독립적이고 정밀한 PNT 인프라의 구축은 더 이상 선택이 아닌 필수 과제가 되었다. 본 보고서에서 분석한 바와 같이, 지구의 GNSS를 달에서 활용하는 것은 초기 개념 증명에는 성공했지만, 신호 강도, 위성 기하, 서비스 범위의 근본적인 한계로 인해 지속 가능한 달 활동을 지원하기에는 역부족이다.

 

이러한 도전에 대응하기 위해 NASA의 LunaNet과 ESA의 Moonlight와 같은 국제적인 프로그램들이 추진되고 있다. 이들은 경쟁 관계가 아닌, 상호운용 가능한 표준(LNIS, AFS)을 기반으로 협력하는 연합적 아키텍처를 지향한다. LunaNet이 '달의 인터넷'과 같은 개방형 프레임워크를 제공한다면, Moonlight는 이 프레임워크 위에서 작동하는 상업적 서비스 제공자로서, 달 경제 생태계의 활성화를 목표로 한다.

 

기술적으로, 달 PNT 시스템 설계는 지구와는 다른 독특한 과제에 직면한다. 제3체 섭동이 심한 궤도 환경에서는 ELFO와 같은 안정적인 궤도를 선택하고, MOEA와 같은 첨단 최적화 기법을 활용하여 성능과 비용의 균형을 맞추는 것이 중요하다. 또한, 일반 상대성 이론에 따른 시간 흐름의 차이는 '달 협정시(LTC)'라는 새로운 시간 척도의 확립을 요구하며, 이는 달 거버넌스의 초석이 될 것이다.

 

이러한 시스템은 단순히 궤도 위성만으로 구성되지 않는다. 정밀한 궤도 정보를 제공하는 지상 부문, 저비용 고효율을 추구하는 우주 부문(소형 위성, 시간 전송 기술), 그리고 미약한 신호를 처리하고 다양한 센서 정보를 융합하는 사용자 부문이 유기적으로 결합된 '시스템의 시스템'이다. 고정밀 중력장 모델과 같은 지원 기술의 발전 역시 이 생태계의 성능을 좌우하는 핵심 요소이다.

 

궁극적으로, 달 PNT 인프라의 구축은 ISRU, 로봇 건설, 자율 탐사, 과학 연구 등 미래 달 활동의 모든 측면을 가능하게 하는 기폭제가 될 것이다. 이는 단순한 기술 프로젝트를 넘어, 인류가 지구를 넘어 지속 가능하고, 다수의 참여자가 공존하며, 경제적으로 자립 가능한 문명을 건설하기 위한 근본적인 디딤돌이다. 달에서 PNT 네트워크를 성공적으로 구축하고 운영하는 경험은, 인류가 화성을 비롯한 더 넓은 태양계로 나아가는 길을 밝혀줄 것이다.

 

참고 자료

1. LunaNet - NASA Network for the Moon - Spatiam Corporation, 7월 18, 2025에 액세스, https://www.spatiam.com/blogs/blog_003.html
2. Design Considerations of a Lunar Navigation Satellite System with Time-Transfer from Earth-GPS, 7월 18, 2025에 액세스, https://www.ion.org/publications/abstract.cfm?articleID=18021
3. Standard for Coordinated Lunar Time (LTC) - collectSPACE: Messages, 7월 18, 2025에 액세스, http://www.collectspace.com/ubb/Forum39/HTML/000529.html
4. 6G at {"1"/"6"}⁢g: The Future of Cislunar Communications The authors are with the Department of Electrical and Computer Engineering, at the University of Maryland, College Park, MD, 20742, USA. Emails: {sahanl, stavros, pmitra, ulukus}@umd.edu. - arXiv, 7월 18, 2025에 액세스, https://arxiv.org/html/2407.16672v1
5. Multi-Objective Design of a Lunar GNSS - NAVIGATION, 7월 18, 2025에 액세스, https://navi.ion.org/content/69/1/navi.504
6. Full article: New concept for lunar construction: integration of Earth-based cement and lunar resources in the era of low-cost space transportation, 7월 18, 2025에 액세스, https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/12269328.2025.2528669?src=
7. LUNAR IN-SITU RESOURCE UTILIZATION: RESULTS FROM INTERNATIONAL LUNAR ARCHITECTURE WORKING GROUP, 7월 18, 2025에 액세스, https://www.globalspaceexploration.org/wordpress/wp-content/uploads/IAC61/IAC-10.A5.1.7-Lunar-ISRU.pdf
8. 유럽의 독자적 위성 항법 시스템 - 갈릴레오 - 사이언스타임즈, 7월 18, 2025에 액세스, https://www.sciencetimes.co.kr/?p=225361
9. The Challenges of Lunar Navigation, 7월 18, 2025에 액세스, http://media.pipeline.pubspoke.com/files/issue/329/PDF/pipelinepubJune2025_A9.pdf?rng=191457058
10. Weak GNSS Signal Navigation on the Moon - Nebula Public Library, 7월 18, 2025에 액세스, https://nebula.esa.int/sites/default/files/neb_study/1161/C4000107097ExS.pdf
11. Across the Lunar Landscape - Exploration with GNSS Technology - Inside GNSS - Global Navigation Satellite Systems Engineering, Policy, and Design, 7월 18, 2025에 액세스, https://insidegnss.com/across-the-lunar-landscape-exploration-with-gnss-technology/
12. (PDF) Weak GNSS signal navigation to the moon - ResearchGate, 7월 18, 2025에 액세스, https://www.researchgate.net/publication/261706570_Weak_GNSS_signal_navigation_to_the_moon
13. The Lunar GNSS Receiver Experiment (LuGRE) - NASA Technical Reports Server, 7월 18, 2025에 액세스, https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20220002074/downloads/LuGRE_ION-ITM_2022_Draft8_Submitted_ConferenceProceedings.pdf
14. Architectures and Technology Investment Priorities for Positioning, Navigation, and Timing at the Moon and Mars - IPN Progress Report, 7월 18, 2025에 액세스, https://ipnpr.jpl.nasa.gov/progress_report/42-237/42-237A.pdf
15. Why it is so difficult to navigate to the moon - Lange-Electronic, 7월 18, 2025에 액세스, https://www.lange-electronic.com/en/blog-gb/gnss/gnss-simulation-en/why-it-is-so-difficult-to-navigate-to-the-moon
16. Science Objectives and Investigations for the Lunar GNSS Receiver Experiment (LuGRE) - NASA Technical Reports Server, 7월 18, 2025에 액세스, https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20240012279/downloads/ION_GNSS_2024_ScienceInvestigations_Paper_v1.pdf
17. NASA uses GPS on the moon for the first time | Popular Science, 7월 18, 2025에 액세스, https://www.popsci.com/science/blue-ghost-gps-moon/
18. 달에서 GPS 신호가 잡힌다…자율주행도 되겠는데? - 한겨레, 7월 18, 2025에 액세스, https://www.hani.co.kr/arti/science/science_general/1185795.html
19. GPS/GNSS at cis-lunar and the Moon; what exactly did LuGRE do, and how did it do it?, 7월 18, 2025에 액세스, https://space.stackexchange.com/questions/68058/gps-gnss-at-cis-lunar-and-the-moon-what-exactly-did-lugre-do-and-how-did-it-do
20. NASA successfully receives GPS signals on the Moon - Universe Space Tech, 7월 18, 2025에 액세스, https://universemagazine.com/en/nasa-successfully-receives-gps-signals-on-the-moon/
21. Science Objectives and Investigations for the Lunar GNSS Receiver Experiment (LuGRE), 7월 18, 2025에 액세스, https://www.researchgate.net/publication/384951770_Science_Objectives_and_Investigations_for_the_Lunar_GNSS_Receiver_Experiment_LuGRE
22. Does the Moon really need its own atomic clocks and timescales, separate from those used on and around Earth?, 7월 18, 2025에 액세스, https://space.stackexchange.com/questions/68059/does-the-moon-really-need-its-own-atomic-clocks-and-timescales-separate-from-th
23. The Relatively Messy Problem with Lunar Clocks - Eos.org, 7월 18, 2025에 액세스, https://eos.org/articles/the-relatively-messy-problem-with-lunar-clocks
24. Lunar Time | Broadcast - Pioneer Works, 7월 18, 2025에 액세스, https://pioneerworks.org/broadcast/lunar-time-elise-cutts-moon
25. (PDF) Lunar time in general relativity - ResearchGate, 7월 18, 2025에 액세스, https://www.researchgate.net/publication/385057469_Lunar_time_in_general_relativity
26. eos.org, 7월 18, 2025에 액세스, https://eos.org/articles/the-relatively-messy-problem-with-lunar-clocks#:~:text=Using%20Einstein's%20theory%20of%20general,help%20future%20lunar%20missions%20navigate.
27. NASA to Develop Lunar Time Standard for Exploration Initiatives, 7월 18, 2025에 액세스, https://www.nasa.gov/solar-system/moon/nasa-to-develop-lunar-time-standard-for-exploration-initiatives/
28. Lunar Time in General Relativity - Bohrium, 7월 18, 2025에 액세스, https://www.bohrium.com/paper-details/lunar-time-in-general-relativity/1045945154642378758-108491
29. Lunar Timekeeping: What is it? SPACE ESSENTIALS - NeurAstra, 7월 18, 2025에 액세스, https://neurastra.eu/lunar-timekeeping-what-is-it
30. Coordinated Lunar Time (LTC) - PMF IAS, 7월 18, 2025에 액세스, https://www.pmfias.com/coordinated-lunar-time/
31. A Brief on Lunar Coordinated Time - Open Lunar Foundation, 7월 18, 2025에 액세스, https://www.openlunar.org/publications/a-brief-on-lunar-coordinated-time
32. Lunar time in general relativity | Phys. Rev. D - Physical Review Link Manager, 7월 18, 2025에 액세스, https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevD.110.084047
33. To the Moon: Viasat Selected to Design Lunar Orbiting Satellite System Alongside Telespazio, 7월 18, 2025에 액세스, https://www.viasat.com/news/latest-news/corporate/2025/to-the-moon-viasat-moonlight-telespazio/
34. Moonlight - Telespazio, 7월 18, 2025에 액세스, https://www.telespazio.com/en/business/space-programmes/moonlight
35. NASA's Lunar Communications and Navigation Architecture, 7월 18, 2025에 액세스, https://www.nasa.gov/wp-content/uploads/2024/01/lunar-communications-and-navigation-architecture.pdf?emrc=f1a91a
36. LunaNet: Empowering Artemis with Communications and Navigation Interoperability - NASA, 7월 18, 2025에 액세스, https://www.nasa.gov/humans-in-space/lunanet-empowering-artemis-with-communications-and-navigation-interoperability/
37. LunaNet: Crafting the Navigation and Connectivity Framework for Lunar Exploration's Next Era | The Aerospace Corporation, 7월 18, 2025에 액세스, https://aerospace.org/article/lunanet-crafting-navigation-and-connectivity-framework-lunar-explorations-next-era
38. International Coordination and Cooperation on LunaNet Spectrum - NASA Technical Reports Server (NTRS), 7월 18, 2025에 액세스, https://ntrs.nasa.gov/citations/20240011047
39. The Design of a Flexible, Interoperable Navigation Signal for Future Lunar Missions, 7월 18, 2025에 액세스, https://www.ion.org/publications/abstract.cfm?articleID=19961
40. The Future of Lunar Communication and Navigation: LunaNet's Augmented Forward Signal and Interoperability Standards - New Space Economy, 7월 18, 2025에 액세스, https://newspaceeconomy.ca/2024/09/02/the-future-of-lunar-communication-and-navigation-lunanets-augmented-forward-signal-and-interoperability-standards/
41. Flexible Data and Frame Synchronization Structure for the LunaNet PNT Signal, 7월 18, 2025에 액세스, https://www.ion.org/publications/abstract.cfm?articleID=19661
42. Moonlight Initiative - Wikipedia, 7월 18, 2025에 액세스, https://en.wikipedia.org/wiki/Moonlight_Initiative
43. ESA Moonlight - ESA CSC - European Space Agency, 7월 18, 2025에 액세스, https://connectivity.esa.int/esa-moonlight
44. ESA's Moonlight Program to create 400000 km data network between Earth and Moon, 7월 18, 2025에 액세스, https://timesofindia.indiatimes.com/science/esas-moonlight-program-to-create-400000-km-data-network-between-earth-and-moon/articleshow/114458060.cms
45. lunar pathfinder & moonlight - UNOOSA, 7월 18, 2025에 액세스, https://www.unoosa.org/documents/pdf/icg/2022/ICG16/WG-B/ICG16_WG-B_05.pdf
46. Lunar Node-1: Demonstrating Autonomous Navigation on the Moon - Inside GNSS, 7월 18, 2025에 액세스, https://insidegnss.com/lunar-node-1-demonstrating-autonomous-navigation-on-the-moon/
47. LunaNet Signal-In-Space Recommended Standard - Augmented Forward Signal (LSIS - AFS) VOLUME A - NASA, 7월 18, 2025에 액세스, https://www.nasa.gov/wp-content/uploads/2025/02/lunanet-signal-in-space-recommended-standard-augmented-forward-signal-vol-a.pdf
48. Lunar Navigation Satellite System Design for In-Space Rescue Applications - Cloudfront.net, 7월 18, 2025에 액세스, https://d1io3yog0oux5.cloudfront.net/_8262fdad44f1cd49a130dbedf3f7a705/draper/db/2545/24074/document/LNSS_Design_for_In_Space_Rescue_Applications_ION_ITM_DRAFT_2.2.23.pdf
49. Multi-Objective Design of a Lunar GNSS - NAVIGATION, 7월 18, 2025에 액세스, https://navi.ion.org/content/navi/69/1/navi.504.full-text.pdf
50. Study of Proposed SIS Monitoring Strategies for a Lunar Navigation System - MDPI, 7월 18, 2025에 액세스, https://www.mdpi.com/2673-4591/88/1/47
51. Use of GNSS for lunar missions and plans for Lunar In-Orbit Development - ResearchGate, 7월 18, 2025에 액세스, https://www.researchgate.net/publication/341543710_Use_of_GNSS_for_lunar_missions_and_plans_for_Lunar_In-Orbit_Development
52. Satellite Constellation Design for a Lunar Navigation and Communication System, 7월 18, 2025에 액세스, https://navi.ion.org/content/70/4/navi.613
53. A Case Study Analysis for Designing a Lunar Navigation Satellite System with Time-Transfer from Earth-GPS - arXiv, 7월 18, 2025에 액세스, https://arxiv.org/pdf/2201.00761
54. Dilution of Precision-Based Lunar Navigation Assessment for Dynamic Position Fixing, 7월 18, 2025에 액세스, https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20070036657/downloads/20070036657.pdf
55. Constellation Design Considerations for Smallsats - S3VI - Small Spacecraft Systems Virtual Institute, 7월 18, 2025에 액세스, https://s3vi.ndc.nasa.gov/ssri-kb/static/resources/Constellation%20Design%20Considerations%20for%20Smallsats.pdf
56. Methodology for optimizing a Constellation of a Lunar Global Navigation System with a multi-objective optimization algorithm - Nottingham Repository, 7월 18, 2025에 액세스, https://nottingham-repository.worktribe.com/OutputFile/15935539
57. 중국, 달 궤도에 21기 군집위성 구축 추진... 2030년 전후 완성 목표 - 산경투데이, 7월 18, 2025에 액세스, https://www.sankyungtoday.com/news/articleView.html?idxno=47164
58. A Case Study Analysis for Designing a Lunar Navigation Satellite System with Time Transfer from the Earth GPS, 7월 18, 2025에 액세스, https://navi.ion.org/content/70/4/navi.599
59. Optimal Design of Satellite Constellation Configurations with Mixed Integer Linear Programming - arXiv, 7월 18, 2025에 액세스, https://arxiv.org/html/2507.09855v1
60. 위성 항법 시스템 이해: GPS 및 그 이상 - FlyPix AI, 7월 18, 2025에 액세스, https://flypix.ai/ko/blog/satellite-navigation-systems/
61. Navigation Integrity for Lunar Applications | Activities Portal - European Space Agency, 7월 18, 2025에 액세스, https://activities.esa.int/4000145711
62. Fault-Free Integrity of Urban Driverless Vehicle Navigation with Multi-Sensor Integration: A Case Study in Downtown Chicago, 7월 18, 2025에 액세스, https://navi.ion.org/content/71/1/navi.631
63. Precise Positioning and Timekeeping in a Lunar Orbit via Terrestrial GPS Time-Differenced Carrier-Phase Measurements | NAVIGATION, 7월 18, 2025에 액세스, https://navi.ion.org/content/71/1/navi.635
64. (PDF) Positioning and Velocity Performance Levels for a Lunar Lander using a Dedicated Lunar Communication and Navigation System - ResearchGate, 7월 18, 2025에 액세스, https://www.researchgate.net/publication/360377113_Positioning_and_Velocity_Performance_Levels_for_a_Lunar_Lander_using_a_Dedicated_Lunar_Communication_and_Navigation_System
65. navigation performance analysis and trades for the lunar gnss receiver experiment (lugre) - NASA Technical Reports Server (NTRS), 7월 18, 2025에 액세스, https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20220010106/downloads/AAS_2022_LuGRE_Analysis_STRIVES_v2.pdf
66. Lunar Communications and Navigation Architecture.pdf - NASA Technical Reports Server, 7월 18, 2025에 액세스, https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20230016359/downloads/Lunar%20Communications%20and%20Navigation%20Architecture.pdf
67. atlas - fundamental techniques, models and algorithms for a lunar radio navigation system, 7월 18, 2025에 액세스, https://nebula.esa.int/sites/default/files/neb_tec_studies/3297/public/ATLAS_Executive_Summary.pdf
68. Moon Sensor Station to Improve the Performance of Lunar Satellite Navigation Systems, 7월 18, 2025에 액세스, https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC12196964/
69. LCNS Positioning of a Lunar Surface Rover Using a DEM-Based Altitude Constraint - MDPI, 7월 18, 2025에 액세스, https://www.mdpi.com/2072-4292/14/16/3942
70. Lunar Gravity Field: GRGM1200A - PGDA - NASA, 7월 18, 2025에 액세스, https://pgda.gsfc.nasa.gov/products/50
71. PDS Geosciences Node Data and Services: GRAIL - Washington University, 7월 18, 2025에 액세스, https://pds-geosciences.wustl.edu/missions/grail/
72. LUNAR RECONNAISSANCE ORBITER ORBIT DETERMINATION ACCURACY ANALYSIS S. Slojkowski(1) - NASA Technical Reports Server, 7월 18, 2025에 액세스, https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20140008968/downloads/20140008968.pdf
73. Precise orbits for the lunar navigation system: challenges in the modeling of perturbing forces and broadcast orbit representation - ResearchGate, 7월 18, 2025에 액세스, https://www.researchgate.net/publication/370414762_Precise_orbits_for_the_lunar_navigation_system_challenges_in_the_modeling_of_perturbing_forces_and_broadcast_orbit_representation
74. Conceptual Navigation and Positioning Solution for the Upcoming Lunar Mining and Settlement Missions Based on the Earth's Mining Experiences: Lunar Regional Navigation Transceiver System - MDPI, 7월 18, 2025에 액세스, https://www.mdpi.com/2075-163X/13/3/371
75. In-Situ Resource Utilization Gap Assessment Report - the International Space Exploration Coordination Group, 7월 18, 2025에 액세스, https://www.globalspaceexploration.org/wordpress/wp-content/uploads/2021/04/ISECG-ISRU-Technology-Gap-Assessment-Report-Apr-2021.pdf
76. Lunar ISRU-Presentation to LSIC 7-20_V2, 7월 18, 2025에 액세스, https://lsic.jhuapl.edu/uploadedDocs/focus-files/524-Presentation%20from%20ISRU%20Monthly%20Meeting%20-%202020%2007%20July.pdf
77. How do you trust centimeter level accuracy positioning? - Inside GNSS - Global Navigation Satellite Systems Engineering, Policy, and Design, 7월 18, 2025에 액세스, https://insidegnss.com/how-do-you-trust-centimeter-level-accuracy-positioning/
78. Lunar Communication and Navigation Satellite Systems - Stanford NAV Lab, 7월 18, 2025에 액세스, https://navlab.stanford.edu/research/LunarPNT
79. Moonlight Programme: Conservation Initiatives II UPSC CSE - IAS Gyan, 7월 18, 2025에 액세스, https://www.iasgyan.in/daily-current-affairs/moonlight-programme