달 복합 임무형 위성군 궤도설계 기반기술 및 핵심 난제 분석

1. 서론: 심우주 탐사 기반시설의 전략적 필요성

1.1 새로운 달 탐사 시대의 서막

과거 아폴로 시대의 "깃발과 발자국" 접근법을 넘어, 현재 전 세계 우주 탐사는 달 표면에서의 지속 가능하고 장기적인 유인 활동을 목표로 하는 새로운 패러다임으로 전환하고 있다.1 이러한 지속 가능성은 단일 임무 중심의 역량을 초월하는 견고하고 영구적인 인프라 구축을 필수적으로 요구한다.5 특히, 물과 얼음 형태의 자원 존재 가능성으로 인해 전략적 중요성이 부각되는 달 남극 지역에 대한 지속적인 탐사와 연구는 영구적인 통신 및 항법 커버리지를 필요로 하는 핵심 동인이다.3

 

이러한 시대적 요구에 부응하기 위해, 본 보고서는 달 궤도 복합 임무형 위성군의 궤도설계에 필요한 기반기술을 체계적으로 분석하고, 현재 기술적 난제들을 심도 있게 고찰하는 것을 목표로 한다. 이는 향후 독자적인 달 탐사 역량 확보를 위한 기초 연구의 초석을 다지는 데 기여할 것이다.

 

 

1.2 복합 임무 위성군 패러다임의 정의

달 위성군은 단순한 데이터 중계를 넘어, 세 가지 핵심 서비스가 융합된 복합 임무 수행을 목표로 한다. 이는 과거의 임무별 독립적인 시스템 설계에서 벗어나, 다수의 사용자가 공유하는 통합 인프라를 구축하는 개념으로의 근본적인 변화를 의미한다.

 

• 통신 (Communications): 지구, 달 궤도, 달 표면 자산 간의 지속적이고 광대역 통신 링크를 제공한다. 특히 지구에서 직접 통신이 불가능한 달의 뒷면(far side)과의 통신을 가능하게 하는 것은 핵심적인 기능이다.1
• 위치, 항법, 시각 (PNT, Positioning, Navigation, and Timing): 달 착륙선, 로버, 우주비행사를 위한 정밀하고 실시간적인 항법 정보를 제공하는 '달 GPS' 체계를 구축한다. PNT 서비스는 착륙 시 100미터, 표면 샘플 채취 시 10미터 이내의 높은 정확도를 요구한다.7
• 과학 및 상황인식 (Science and Situational Awareness): 위성군 자체가 과학 장비 탑재 플랫폼으로 활용될 뿐만 아니라, 우주 방사선 및 태양풍과 같은 우주 환경을 지속적으로 감시하여 유인 및 무인 자산의 안전을 보장하는 역할을 수행한다.2

 

과거 찬드라얀 5이나 LRO 6와 같은 탐사선들은 임무에 종속된 자체 통신 시스템을 사용했다. 그러나 향후 수십 개의 달 탐사 임무가 동시다발적으로 계획됨에 따라 4, 이러한 일대일 통신 방식은 지구 심우주 통신망(Deep Space Network, DSN)의 제한된 용량으로 인해 경제적, 물리적으로 지속 불가능하다.10 따라서 달 통신 및 항법 인프라를 개별 임무의 하부 시스템이 아닌, 다수의 사용자가 공유하는 일종의 '공공 유틸리티'로 전환하는 것은 필연적이다. 이러한 패러다임의 전환은 상업적 서비스 모델의 등장, 국제 상호운용성 표준의 확립, 그리고 점대점 링크가 아닌 네트워크 프로토콜 중심의 기술 설계를 요구하며, 달 탐사 경제의 근간을 이루는 전략적 변화를 추동하고 있다.

 

1.3 국제 아키텍처 프레임워크: LunaNet과 Moonlight

이러한 복합 임무 위성군 구축을 위해 국제 사회는 두 가지 핵심적인 개념적 프레임워크를 중심으로 협력하고 있다.

 

• NASA의 LunaNet: LunaNet은 단일 임무나 시스템이 아닌, 지상의 인터넷과 같이 상호운용성을 보장하기 위한 국제적으로 협력된 프레임워크로 정의된다.1 이 아키텍처는 상업 파트너와의 협력(LCRNS 프로젝트) 1, 단절 및 지연 환경에 강인한 DTN(Delay/Disruption Tolerant Networking)과 같은 표준화된 프로토콜 사용 16, 그리고 다수의 노드로 확장 가능한 네트워크 구축을 핵심 원칙으로 삼는다.8 달 궤도 우주정거장인 '게이트웨이(Gateway)'는 이 아키텍처의 핵심 초기 노드 역할을 수행할 예정이다.2
• ESA의 Moonlight 이니셔티브: 유럽우주국(ESA)이 주도하는 Moonlight 이니셔티브는 상업적인 달 통신 및 항법 서비스를 구축하기 위한 NASA의 병렬적이고 협력적인 프로젝트이다.3 이 계획은 민간 파트너십 모델을 기반으로 하며 3, 타원형 달 동결궤도(ELFO)와 같은 특정 궤도를 활용한 독자적인 위성군 설계를 포함하고 있다.3 궁극적으로 상업적 달 경제 생태계를 조성하는 것을 목표로 한다.14

 

1.4 대한민국의 달 탐사 비전과 본 연구의 의의

대한민국 역시 독자적인 우주 수송, 항행, 달 표면 탐사 기술 확보를 국가적 우주 탐사 목표로 설정하고 있다.21 성공적인 달 탐사를 위해서는 안정적인 통신 및 항법 인프라가 선결 조건이며, 이는 복합 임무형 위성군 구축의 필요성으로 직결된다. 따라서 본 보고서에서 다루는 궤도설계 기반기술 및 핵심 난제에 대한 분석은 대한민국의 독자적인 달 탐사 역량을 확보하고, 나아가 국제 달 탐사 프로그램에 기여하기 위한 필수적인 연구 단계라 할 수 있다.

 

2. 달-지구권 동역학 환경: 근본적인 도전 과제

2.1 이체 문제를 넘어서: 원형 제한 삼체 문제의 지배력

달 궤도 설계는 지구 궤도 위성 설계에 적용되는 익숙한 케플러의 이체 문제(two-body problem)로는 정확한 기술이 불가능하다. 달 궤도를 운동하는 위성은 달의 중력뿐만 아니라 지구와 태양의 중력에도 지배적인 영향을 받기 때문이다. 따라서 달 궤도 설계의 올바른 물리 모델은 삼체 문제(Three-Body Problem)이며, 이는 역사적으로도 지구-달-태양계를 통해 처음 연구되었고 일반적인 해석해가 존재하지 않는 것으로 알려져 있다.25

 

실용적인 궤도 설계를 위해, 두 개의 큰 질량체(지구, 달)가 원궤도로 운동하고 질량이 무시할 수 있는 제3의 물체(위성)가 이들의 중력장 내에서 운동하는 원형 제한 삼체 문제(Circular Restricted Three-Body Problem, CR3BP)가 핵심적인 해석 도구로 사용된다.25 CR3BP 모델은 대부분의 초기 조건에서 시스템이 혼돈(chaotic) 특성을 보임을 예측하며, 이는 위성의 궤도가 초기 조건의 미세한 변화에도 극도로 민감하게 반응하고 본질적으로 불안정함을 의미한다.26 따라서 달 위성군 설계자는 이러한 불안정성을 극복하거나 혹은 역으로 활용하는 고도의 전략을 수립해야 한다.

 

2.2 주요 섭동 요인과 그 영향

달 궤도의 불안정성을 가중시키는 주요 섭동 요인은 다음과 같다.

 

• 달의 불균일 중력장 (Mascons): 달의 질량은 균일하게 분포되어 있지 않으며, 특정 지역에 질량이 집중된 '매스콘(mascon)'이 존재한다.29 이 질량 집중은 특히 저궤도(Low Lunar Orbit, LLO)를 공전하는 위성에 강력한 중력 섭동을 가하여 궤도를 급격히 변형시키고 단기간 내에 달 표면에 충돌하게 만든다.29 이것이 장기 임무를 수행하는 위성군 노드로서 LLO를 사용하기 어려운 근본적인 이유이다.
• 제3체 중력 및 태양 복사압 (SRP): 태양(그리고 지구)의 중력은 장주기적으로 달 궤도를 변형시키는 지배적인 힘으로 작용한다.25 또한, 비중력 섭동인 태양 복사압(Solar Radiation Pressure) 역시 장기적인 궤도 유지에 반드시 고려해야 할 중요한 요소이다.33

 

이러한 섭동들은 단순히 극복해야 할 장애물만은 아니다. 달 탐사선 다누리가 사용한 탄도형 달 전이궤적(Ballistic Lunar Transfer, BLT)은 태양, 지구, 달의 중력 효과를 적극적으로 활용하여 연료 소모를 최소화한 대표적인 사례이다.22 또한, 저에너지 전이궤도는 라그랑주점을 경유하여 위성군을 배치하는 데 핵심적인 역할을 한다.35 이는 달 궤도 설계의 핵심이 복잡한 동역학 환경에 저항하는 것이 아니라, 그 환경을 이해하고 '중력의 흐름'을 이용하여 최소한의 에너지로 원하는 궤도에 도달하고 머무는 것임을 시사한다. 즉, 섭동은 궤도를 불안정하게 만드는 요인이자 동시에 저에너지 기동을 가능하게 하는 열쇠로서 이중적인 역할을 수행한다.

 

2.3 중력의 안식처: 라그랑주점과 안정/불안정 다양체

CR3BP 모델 내에는 중력이 평형을 이루는 5개의 라그랑주점(Lagrange Points, L1-L5)이 존재한다.25 이 중 지구와 달을 잇는 직선상에 위치한 L1, L2, L3 점은 불안정한 평형점이지만, 이 점들을 중심으로 헤일로(Halo) 궤도나 리사주(Lissajous) 궤도와 같은 준안정 궤도를 형성할 수 있다.10 특히 L2점은 달 뒷면을 지속적으로 관측할 수 있어 통신 중계에 이상적인 위치이며, L1점은 저에너지 궤도 천이를 위한 '중력 게이트웨이' 역할을 수행한다.10 이 라그랑주점과 관련된 안정 및 불안정 다양체(stable/unstable manifolds)는 최소한의 연료로 달 궤도에 진입하거나 이탈하는 경로를 제공하는 핵심적인 동역학 구조체이다.

 

3. 달 위성군을 위한 유효 궤도의 분류

달의 복잡한 중력 환경 속에서 장기간 임무 수행을 위해 여러 종류의 준안정 궤도들이 제안되었으며, 각각의 궤도는 고유한 장단점을 가진다. 미래의 달 위성군은 단일 종류의 궤도로 구성된 균일한 시스템이 아니라, 서로 다른 특성을 가진 궤도들을 조합하여 임무 요구사항을 최적화하는 하이브리드 아키텍처가 될 가능성이 높다.

 

3.1 게이트웨이의 궤도: 근직선 헤일로 궤도 (NRHO)

NRHO(Near-Rectilinear Halo Orbit)는 달 유인 우주정거장 '게이트웨이'의 운영 궤도로 선정되면서 가장 주목받는 궤도이다.

 

• 정의 및 특성: NRHO는 L1 또는 L2 헤일로 궤도군에 속하는 매우 이심률이 큰 타원 궤도로, 달 극지방에 매우 가깝게 근접 비행하며 거의 안정적인 특성을 보인다.2 게이트웨이는 약 7일 주기의 남측 L2 NRHO를 사용하며, 달 북극에 3,000 km까지 근접하고 남극 상공 70,000 km까지 멀어진다.2
• 장점: NRHO가 선정된 이유는 낮은 궤도 유지비용(연료 효율성), 지구와의 지속적인 통신 가시선 확보, 그리고 달 남극으로의 효율적인 접근성을 동시에 만족시키기 때문이다.19 이는 유인 및 무인 달 착륙 임무의 중간 기착지로서 최적의 조건을 제공한다.2
• 실증: 2022년 발사된 NASA의 CAPSTONE 임무는 NRHO의 궤도 안정성을 실증한 최초의 위성으로, 게이트웨이 운영을 위한 귀중한 실측 데이터를 제공했다.38

 

3.2 극지방 커버리지 특화 궤도: 동결 및 타원 궤도 (ELFO)

ELFO(Elliptical Lunar Frozen Orbit)는 달의 불균일 중력장에 의한 장주기 섭동을 최소화하도록 설계된 궤도이다. 이심률과 근월점 편각의 평균값이 거의 일정하게 유지되어 궤도의 방향이 달에 대해 '동결(frozen)'된 상태를 유지한다.35 이 특성 덕분에 ELFO는 원월점(apolune)에서 특정 지역을 장시간 관측할 수 있어, 전략적으로 중요한 남극 지역에 대한 지속적인 통신 및 항법 서비스를 제공하는 데 매우 유리하다.3 ESA의 Moonlight 이니셔티브는 ELFO를 핵심 궤도로 고려하고 있다.3

 

3.3 기타 주요 궤도군

 

• 헤일로 궤도 (Halo Orbits): L1, L2 라그랑주점 주위의 3차원 주기 궤도로, 특히 L2 헤일로 궤도는 달 뒷면과의 상시 통신을 위한 중계 위성 위치로 이상적이다.10
• 원거리 역행 궤도 (DRO, Distant Retrograde Orbits): 달에서 멀리 떨어진 매우 안정적인 대형 궤도이다. 궤도 진입은 어렵지만 높은 안정성 덕분에 장기 임무 자산에 매력적이다. 3-4개의 DRO 위성으로 구성된 위성군은 거의 전 지구적인 커버리지를 제공할 수 있다.41
• 저궤도 (LLO, Low Lunar Orbits): 낮은 통신 지연 시간과 높은 해상도의 관측이 가능하지만, 매스콘으로 인한 심각한 궤도 불안정성 때문에 상당한 궤도 유지 비용 없이는 장기 운영이 어렵다.31 단기 과학 임무나 하이브리드 위성군의 일부로서 제한적으로 활용될 수 있다.

 

3.4 위성군 설계 및 배치 전략

최적의 달 위성군 아키텍처는 단일 궤도군이 아닌, NRHO, ELFO, Halo, DRO 등 다양한 궤도를 조합한 하이브리드 위성군이 될 것이다. 예를 들어, NRHO의 게이트웨이가 지휘 및 허브 역할을 하고, ELFO 위성군이 남극 PNT 서비스를, L2 헤일로 위성이 뒷면 통신 중계를 담당하는 식의 역할 분담이 가능하다.7

 

이러한 복잡한 위성군을 구축하는 데 있어 가장 큰 기술적 난제 중 하나는 배치 전략이다. 다수의 위성을 각기 다른 궤도면에 배치하기 위해 여러 번의 발사를 하는 것은 경제적으로 비효율적이다. 이에 대한 해결책으로, 단일 발사체가 여러 위성을 싣고 L1 라그랑주점 근처의 저에너지 궤도로 진입한 후, 각 위성이 최소한의 추력으로 목표 궤도로 분산 배치되는 단일 발사 다중 위성 배치 전략이 활발히 연구되고 있다.37 이 기술은 달 위성군의 경제적 실현 가능성을 결정하는 핵심 요소이다.

 

표 1: 주요 달 궤도군 특성 비교

 

특성	저궤도 (LLO)	타원형 달 동결궤도 (ELFO)	근직선 헤일로 궤도 (NRHO)	헤일로 궤도 (L1/L2)	원거리 역행 궤도 (DRO)
고도/크기	50-200 km	수천 km (타원)	근월점: ~3,000 km 원월점: ~70,000 km	L1/L2점 중심 수만 km	수만 km (원형에 가까움)
주기	약 2시간	12-24시간	약 7일	11-15일	약 2주
안정성	매우 불안정	준안정 (섭동 최소화)	준안정 (거의 안정적)	불안정	매우 안정적
궤도 유지비용	매우 높음	낮음-중간	매우 낮음	중간-높음	매우 낮음
지구 통신	달에 의해 주기적 단절	거의 연속적 (궤도 설계에 따라)	연속적	연속적 (특히 L2)	연속적
달 커버리지	전역 (위성 수에 따라)	특정 지역 (주로 극지방) 장시간 체류	극지방 접근성 우수	특정 반구 (L1: 앞면, L2: 뒷면)	거의 전역 (극 일부 제외)
주요 활용 분야	고해상도 관측, 저지연 통신	극지방 통신/항법 중계	유인 우주정거장, 임무 허브	달 뒷면 통신 중계	장기 임무, 글로벌 커버리지
핵심 장점	근접성, 저지연	특정 지역 지속 커버리지	연료 효율, 남극 접근성, 지구 통신	달 뒷면 상시 통신	장기 안정성
핵심 단점	높은 궤도 유지비용	글로벌 커버리지 제한	높은 이심률, 긴 주기	높은 궤도 유지비용	높은 고도, 긴 지연시간

 

4. 영속성의 도전: 궤도 유지 및 추진 기술

달 궤도의 본질적인 불안정성은 위성군의 영구적인 운영을 위한 고효율 궤도 유지(station-keeping) 기술을 필수적으로 요구한다. 이는 위성군의 수명과 직결되는 가장 현실적인 문제이다.

 

4.1 피할 수 없는 비용: 델타-V 예산

Delta-V 예산은 임무 수행에 필요한 총 속도 변화량을 의미하며, 이는 곧 소모되는 추진제의 양과 직결된다.45 달 궤도, 특히 불안정한 헤일로 궤도를 유지하기 위한 연간 Delta-V 는 약 20 m/s에 달할 수 있으며 46, ARTEMIS 임무의 경우 궤도 천이와 유지를 포함한 전체 예산이 약 12-15 m/s로 극히 제한적이었다.48 이처럼 제한된 예산 내에서 10년 이상의 장기 임무를 수행하기 위해서는 추진제 효율을 극대화하는 것이 절대적으로 중요하다.

 

4.2 핵심 기반 기술: 저추력 전기추진 시스템

높은 궤도 유지 비용 문제를 해결할 핵심 기술은 저추력 전기추진(Electric Propulsion, EP) 시스템이다. 이온 엔진, 홀 추력기 등이 포함된 EP 시스템은 화학추진 방식에 비해 비추력(specific impulse, Isp)이 월등히 높아, 훨씬 적은 양의 추진제로 동일한 델타-V를 생성할 수 있다.9 100 kg급 위성에 10 kg의 연료와 20 mN급 추력기를 장착했을 때, LLO에서의 수명이 8일에서 100일 이상으로 연장되는 시뮬레이션 결과는 EP 시스템의 압도적인 효율성을 보여준다.44 달 궤도의 느리고 지속적인 섭동을 상쇄하는 데에는 화학추진의 순간적인 고추력보다 EP 시스템의 지속적인 저추력이 더 적합하고 효율적이다.34

 

결론적으로, NRHO나 ELFO와 같은 준안정 궤도를 장기간 활용하는 현대적인 달 위성군 전략은 고효율 저추력 EP 기술의 발전에 힘입어 비로소 실현 가능해졌다. 궤도 역학적 이점과 추진 시스템의 효율성은 분리해서 생각할 수 없는 상호 보완적인 관계에 있으며, 궤도 설계자는 임무 초기부터 추진 시스템 설계자와 긴밀하게 협력하여 시스템 전체를 최적화해야 한다.

 

4.3 첨단 궤도 유지 전략

단순히 고효율 추력기를 탑재하는 것을 넘어, 이를 제어하는 알고리즘의 정교함이 궤도 유지 비용을 결정한다.

 

• 최적 기동 계획: ARTEMIS 임무의 사례에서 볼 수 있듯이, 궤도 유지 기동의 위치와 방향은 Delta-V 비용에 극도로 민감하다. 불안정성을 증폭시키지 않기 위해, 기동은 궤도의 특정 지점(예: x-z 평면 교차점)에서 정밀하게 계산된 방향으로 수행되어야 한다.48
• 피드백 제어 법칙: 사전 계산된 기준 궤도를 따라가는 대신, 리야푸노프 안정성 이론에 기반한 비선형 피드백 제어와 같은 현대적인 접근법이 제안되고 있다.9 이 방식은 위성의 현재 상태를 실시간으로 피드백받아 자율적으로 최적의 제어 입력을 계산하므로, 예측하지 못한 섭동이나 오차에 강인한 대응이 가능하다. 또한, 엔진의 추력 포화(최대 추력 제한)와 같은 물리적 제약을 제어 법칙 내에 포함할 수 있다.9
• 표적화된 추력 방향: 궤도의 안정/불안정 다양체 방향을 고려하여 추력 방향을 정밀하게 제어함으로써 Delta-V 소모를 최소화하는 전략도 연구되고 있다.50

 

5. 네트워크 백본: 위성 간 통신 및 프로토콜

달 위성군은 각 위성이 지구와 개별적으로 통신하는 모델에서 벗어나, 위성 간 자율적인 네트워크를 형성해야 한다. 이는 통신 효율성과 네트워크 강인성을 확보하기 위한 필수적인 전환이다.

 

5.1 지상 의존성 탈피와 달-지구권 네트워크 구축

모든 위성이 지구와 직접 통신(Direct-to-Earth, DTE)하는 모델은 DSN의 용량 한계, 통신 지연, 그리고 달 뒷면 통신 불가라는 명백한 한계를 가진다.10 이에 대한 해결책은 위성 간 링크(Inter-Satellite Link, ISL)를 통해 위성들을 상호 연결하여 자율적이고 회복력 있는 우주 네트워크를 구축하는 것이다.51 이 네트워크는 데이터를 집계하고 효율적으로 라우팅하여 단일 링크의 부담을 줄이고 전체 시스템의 처리량을 극대화할 수 있다.16

 

5.2 기술적 선택: RF 대 자유공간 광(레이저) 통신

ISL의 물리 계층을 구현하는 데 있어 RF와 광통신은 핵심적인 기술적 선택지이다.

 

• RF ISL: 전통적인 방식으로 기술적 성숙도가 높지만, 데이터 요구량이 폭증함에 따라 대역폭 한계에 직면하고 있다.52
• 광(레이저) ISL: 차세대 고성능 솔루션으로, RF 대비 월등히 높은 데이터 전송률(Gbps ~ Tbps), 좁은 빔폭으로 인한 높은 보안성, 그리고 더 작은 크기, 무게, 전력(Size, Weight, and Power, SWaP) 요구사항이라는 장점을 가진다.13
• 광 ISL의 난제: 핵심 기술 난제는 수천 km 떨어진 두 위성 간의 링크를 유지하기 위해 극도로 정밀한 지향, 포착, 추적(Pointing, Acquisition, and Tracking, PAT) 기술이 요구된다는 점이다.55
• 기술 실증: NASA의 LLCD(달 궤도에서 622 Mbps), LCRD(1.2 Gbps 중계), TBIRD(LEO에서 100 Gbps)와 같은 성공적인 기술 실증 임무들은 광통신 기술이 충분히 성숙했음을 입증했다.15

 

표 2: RF 기반 ISL과 광(레이저) 기반 ISL 비교

 

특성	RF(전파) 시스템	광(레이저) 시스템
데이터 전송률	수백 Mbps ~ 수 Gbps	수 Gbps ~ 수백 Gbps (Tbps 잠재력)
대역폭	제한적 (주파수 할당 필요)	매우 넓음
SWaP	상대적으로 큼 (안테나 크기)	작고 가벼우며 저전력
빔 발산각 / 지향 요구사항	넓음 / 상대적으로 낮음	매우 좁음 / 극도로 높음 (μrad 수준)
보안성 (LPI/LPD)	낮음 (신호 감청 용이)	높음 (좁은 빔으로 인한 감청 어려움)
기술 성숙도	매우 높음	높음 (실증 완료, 상용화 단계)
지상 링크 시 대기 영향	상대적으로 강함	구름 등 기상 조건에 매우 민감

 

이러한 기술적 특성은 궤도 설계에 직접적인 영향을 미친다. 광 ISL의 정밀한 지향 요구사항은 위성군 내 위성들의 상대 거리와 속도가 PAT 시스템의 성능 한계 내에서 유지되도록 궤도 위상과 평면을 설계해야 함을 의미한다. 즉, 궤도 설계는 단순히 표면 커버리지나 연료 효율만을 최적화하는 문제를 넘어, 통신 네트워크 그래프의 연결성을 유지하는 것을 핵심 제약 조건으로 포함하는 다중 목표 최적화 문제로 확장된다.

 

5.3 단절 환경에서의 네트워킹: 번들 프로토콜

우주 공간의 긴 지연 시간과 잦은 링크 단절은 지상의 TCP/IP 프로토콜을 무용지물로 만든다.16 LunaNet은 이러한 환경에 대응하기 위해 DTN(Delay/Disruption Tolerant Networking) 기술과 그 핵심인 번들 프로토콜(Bundle Protocol, BP)을 채택했다.13 DTN의 핵심 개념은 '저장 후 전달(store-and-forward)'이다. 각 노드(위성)는 데이터 '번들'을 수신한 후, 다음 노드로의 링크가 가용해질 때까지 데이터를 저장했다가 전달한다. 이를 통해 종단 간 연속적인 경로가 없더라도 데이터의 무결성을 보장할 수 있다.16

 

6. 자율화를 향한 길: 첨단 항법 및 제어

달 자산의 수가 증가하고 임무가 복잡해짐에 따라, 지상 관제에 대한 의존은 시스템 확장성의 병목이 된다.10 자율 운영은 확장성, 회복탄력성, 그리고 실시간 의사결정을 가능하게 하는 필수적인 요소이다.

 

6.1 자율 항법 기술

위성이 지상의 도움 없이 자신의 위치를 파악하는 기술은 자율 운영의 기본이다.

 

• 위성 간 거리 측정 (Inter-Satellite Ranging): 통신에 사용되는 ISL을 항법에도 활용하여, 위성 간의 거리(range) 및 거리변화율(range-rate)을 측정한다. 이를 통해 위성군 전체가 각 구성원의 절대적, 상대적 상태를 집단적으로 결정할 수 있다.42
• LiAISON (Linked Autonomous Interplanetary Satellite Orbit Navigation): 이 방법은 삼체 문제의 비대칭적 중력장을 활용하여 오직 위성 간 측정 데이터만으로 각 위성의 절대 위치를 결정하는 획기적인 자율 항법 기술이다.42 외부 기준점 없이 항법이 가능하여 시스템의 자율성을 극대화한다.
• 첨단 상태 추정: 측정된 데이터는 동역학 모델과 융합되어야 정밀한 상태 정보가 된다. 확장 칼만 필터(Extended Kalman Filter, EKF)와 그 변형 알고리즘들은 위성 내에서 실시간으로 측정 데이터와 동역학 모델을 결합하여 위치, 속도, 시각 오차 등을 정밀하게 추정하는 핵심적인 역할을 수행한다.43

 

6.2 인공지능 및 기계학습의 역할

인공지능(AI)과 기계학습(ML)은 단순한 상태 추정을 넘어 지능적인 의사결정으로 자율성의 수준을 한 단계 끌어올린다.

 

• 온보드 AI 활용: AI는 자율 항법, 위험 감지, 데이터 분류(중요 데이터 우선 전송), 전력 및 메모리와 같은 자원 관리 등 다양한 작업에 활용될 수 있다.58 이를 위해서는 고성능 상용 프로세서(COTS)와 방사선에 강인한 우주용 프로세서 간의 성능 및 신뢰성 트레이드오프를 해결하는 것이 중요한 과제이다.66
• 강화학습(RL) 기반 궤도 제어: 강화학습은 복잡하고 동적인 제어 문제에 특히 유망한 접근법이다. RL 에이전트는 시뮬레이션 환경과의 상호작용을 통해 최적의 제어 정책을 스스로 학습한다. 이를 통해 궤도 유지, 충돌 회피, 그리고 다중 목표(예: 관측 임무와 자원 제약의 균형) 임무 계획과 같은 복잡한 문제를 해결하는 강인한 전략을 개발할 수 있다.59 특히, 위성군 전체의 협력적 행동을 제어하기 위한 다중 에이전트 강화학습(Multi-Agent RL, MARL)은 핵심 연구 분야로 부상하고 있다.68

 

이러한 자율 기술들은 강력한 선순환 구조를 형성한다. 정밀한 자율 항법은 더 복잡한 궤도 운영을 가능하게 하고, 이는 더 정교한 AI/RL 제어기 학습을 위한 데이터를 생성하며, 결과적으로 자율성의 수준을 더욱 향상시킨다. 즉, 자율성은 단일 기술이 아닌, ISL 기반 센싱(감각), 칼만 필터 기반 상태인식(뇌간), AI/RL 기반 의사결정(대뇌피질)이 유기적으로 결합된 하나의 생태계로 발전하고 있다.

 

7. 종합 및 향후 연구 방향

7.1 상호 의존적인 기술적 난제 종합

본 보고서의 분석을 통해 달 복합 임무형 위성군 궤도설계는 독립된 문제들의 합이 아닌, 여러 분야가 복잡하게 얽힌 단일 시스템 최적화 문제임이 명확해졌다. 핵심적인 트레이드오프 관계는 다음과 같다.

 

• 안정성 대 커버리지: DRO와 같이 안정성이 높은 궤도는 종종 ELFO나 LLO처럼 전략적으로 중요하지만 덜 안정적인 궤도에 비해 커버리지나 지연 시간 측면에서 불리하다.
• 자율성 대 복잡성: 완전한 자율성을 달성하기 위해서는 ISL, 온보드 프로세싱, AI 등 고도로 복잡한 기술이 요구되며, 이는 시스템의 복잡성, 비용, 그리고 리스크를 증가시킨다.
• 성능 대 비용: 광대역 통신(광 ISL), 정밀 항법, 장기 임무 수명(저추력 EP)과 같은 고성능 요구사항은 각 위성의 질량, 전력, 비용을 증가시킨다. 이는 견고한 커버리지를 위해 다수의 위성을 배치해야 하는 필요성과 균형을 이루어야 한다.

 

7.2 향후 연구 과제 및 기술적 공백

차세대 달 위성군의 성공적인 배치를 위해 다음과 같은 핵심 분야에 대한 집중적인 연구가 필요하다.

 

• 강인한 다중 에이전트 강화학습 (MARL): 분산된 위성군 관리를 위한 MARL 정책을 개발하되, 안전성이 검증 가능하고 시뮬레이션과 실제 환경 간의 차이(sim-to-real gap)를 극복할 수 있는 기술 연구가 시급하다.68
• 단일 발사 다중 궤도 배치 최적화: 복잡한 하이브리드 위성군을 효율적으로 배치하기 위해, 비행시간과 추진제 소모를 최소화하는 단일 발사 배치 궤적 설계 기술의 고도화가 필요하다.37
• 회복력 있는 네트워킹 및 라우팅: 지속적으로 변화하는 달 위성군의 네트워크 토폴로지에 동적으로 적응하고 노드 고장에 강인하게 대처할 수 있는 DTN 라우팅 프로토콜 개발이 요구된다.16
• 내방사선 AI 하드웨어: 복잡한 AI/ML 모델을 온보드에서 실행할 수 있는 고성능, 저전력, 내방사선 프로세서 개발 또는 COTS 하드웨어의 효과적인 오류 감내 기법 연구가 필수적이다.66
• PNT-통신 통합 시스템 설계: 정밀 항법을 위한 고정밀 거리 측정과 광대역 데이터 전송을 동시에 수행할 수 있는 통합 파형 및 하드웨어를 설계하여, 전자기 스펙트럼과 온보드 SWaP를 최적으로 활용하는 시스템 아키텍처 연구가 필요하다.11

 

이러한 기술적 난제들을 해결하는 것은 단순히 개별 기술의 발전을 넘어, 달을 인류의 지속 가능한 활동 영역으로 편입시키기 위한 필수적인 과정이다. 본 보고서에서 제시된 분석과 향후 연구 방향이 대한민국을 포함한 전 세계 우주 탐사 커뮤니티의 성공적인 달 위성군 개발에 기여하기를 기대한다.

 

 

참고 자료

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