NASA 심우주 통신망(DSN)의 아키텍처, 기술적 과제 및 대한민국의 KDSN 구축과 상호운용성 분석

I. 서론: 심우주 통신망 (Deep Space Network)의 정의와 임무

NASA의 심우주 통신망(Deep Space Network, DSN)은 지구 궤도를 넘어 달, 화성 및 태양계의 가장 먼 곳까지 탐사하는 로봇 우주 탐사선을 지원하기 위해 구축된, 세계에서 가장 크고 민감한 과학 통신 시스템이다.1 DSN은 단순한 안테나의 집합이 아니라, 미 캘리포니아 패서디나에 위치한 NASA 제트추진연구소(JPL)의 행성간 네트워크 관리국(Interplanetary Network Directorate, IND)이 관리하고 네트워크 운영 통제 센터(NOCC)를 통해 24시간 운영하는 국제적인 거대 전파 안테나 배열이다.2

 

 

DSN의 핵심 임무는 심우주 탐사선과의 양방향 통신 링크를 확립하고 유지하는 것이다. 이는 세 가지 핵심 기능(TT&C)을 포함한다:

 

1. 원격 측정 (Telemetry): 탐사선이 수집한 과학 데이터(이미지, 측정값)와 탐사선의 건강 상태(온도, 전력 상태)를 수신한다.4
2. 추적 (Tracking): 탐사선의 속도와 거리를 정밀하게 측정하여 궤도를 정확히 파악하고 항법을 지원한다.4
3. 명령 (Command): 지구의 관제 센터가 탐사선에 궤도 수정, 과학 장비 작동 등 임무 수행을 위한 지시를 전송한다.2

 

이 외에도 DSN은 안테나 자체를 거대한 과학 장비로 활용하여 전파 천문학(Radio Astronomy) 연구나 소행성 및 행성의 형태와 내부 구조를 파악하는 레이더 천문학(Radar Astronomy) 관측도 수행한다.1

 

DSN의 필요성은 심우주 통신이 직면한 극단적인 물리적 한계에서 비롯된다. 전파 신호의 세기는 '자유 공간 경로 손실(Free-space path loss)' 원리에 따라 전파 거리의 제곱에 반비례하여 급격히 약해진다. 사용자 질의에서 언급된 보이저 1호(Voyager 1)는 이러한 한계를 보여주는 대표적인 사례이다. 2025년 기준, 보이저 1호는 지구로부터 약 253억 km (약 169 AU) 떨어진 성간 우주에 있다.5 이 거리에서 보이저 1호가 탑재한 약 23와트(W) (가정용 냉장고 전구 수준) 출력의 송신기가 보낸 신호는 6, DSN의 70미터 안테나에 도달할 때쯤이면 1 아토와트(attowatt, 10^{-18} W) 미만 6, 혹은 10^{-19} W 수준으로 감쇠한다.7

 

이처럼 극도로 미약한 신호는 지구의 배경 잡음과 거의 구별이 불가능하다. 또한 이 신호는 빛의 속도로 이동함에도 불구하고 지구까지 도달하는 데 편도 22.5시간 이상이 소요된다.6 이러한 극한의 조건(미약한 신호, 긴 지연 시간) 속에서 의미 있는 데이터를 수신하기 위해, 보이저 1호의 현재 데이터 전송 속도는 초당 160비트(bps)로 극도로 제한된다.9

 

따라서 DSN의 설계 철학은 인터넷과 같은 지상 통신망의 '최대 대역폭(Bandwidth)' 확보가 아니다. DSN의 최우선 목표는 우주의 극미약한 '속삭임'을 배경 잡음 속에서 구별해 낼 수 있는 '최대 민감도(Sensitivity)'를 확보하는 것이다. DSN은 하드웨어(안테나), 글로벌 로지스틱스(지상국 배치), 소프트웨어(신호 처리, 스케줄링)가 결합된 고도로 복잡한 유기적 시스템이며 4, 수십 개의 국제 임무 간 한정된 자원을 배분하고 11, 수신된 미약한 신호를 해석 가능한 데이터로 '복원'하는 전 과정을 책임지는 포괄적인 인프라이다.

 

II. DSN의 글로벌 물리적 아키텍처: 24시간 태양계 감시 체계

DSN은 심우주 탐사선과의 '24시간 7일, 365일' 연속적인 통신을 보장하기 위해 1, 전 세계 3곳의 지상국(Complex)으로 구성된다. 이 3곳은 지구의 경도를 기준으로 약 120도 간격으로 전략적으로 배치되어 있다.2

 

1. 골드스톤 (Goldstone, GDSCC): 미국 캘리포니아 주 바스토우 인근 (북위 35° 25′ 36″ 서경 116° 53′ 24″).3
2. 마드리드 (Madrid, MDSCC): 스페인 마드리드 외곽 (북위 40° 25′ 53″ 서경 4° 14′ 53″).3
3. 캔버라 (Canberra, CDSCC): 호주 캔버라 인근 (남위 35° 24′ 05″ 동경 148° 58′ 54″).3

 

이러한 120도 간격의 기하학적 배치는 지구의 자전이라는 물리적 제약을 극복하기 위한 핵심 엔지니어링 솔루션이다. 화성이나 목성처럼 멀리 떨어진 탐사선은 지구 하늘에서 매우 느리게 움직이므로, 특정 탐사선의 가시성은 주로 '지구의 자전'에 의해 결정된다. 즉, 지구가 자전함에 따라 특정 지상국에서는 탐사선이 지평선 아래로 지게 된다.

 

120도 배치는 이 문제를 '핸드오버(Handoff)'를 통해 해결한다. 지구는 24시간에 360도를 자전하므로, 3개의 기지국을 120도 간격으로 배치하면 이론적으로 8시간씩 교대로 탐사선을 추적할 수 있다. 한 DSN 사이트(예: 캔버라)에서 탐사선이 지평선 아래로 가라앉기 시작할 때쯤, 이미 다른 사이트(예: 마드리드)에서는 그 탐사선이 지평선 위로 떠오른다. 이 시점에 두 기지국은 동시에 탐사선 신호를 수신하여, 캔버라에서 마드리드로 통신 링크를 끊김 없이 이양한다.1 이러한 연속 통신 능력은 화성 궤도 진입(Mars Orbit Insertion)이나 행성 근접 비행(Flyby)처럼 단 몇 분의 통신 두절도 임무 실패로 이어질 수 있는 '임무 핵심 이벤트(Mission Critical Events)' 동안 필수적이다.

 

또한, DSN 지상국 부지는 단순히 경도만 맞춘 것이 아니라, 지상에서 발생하는 미약한 전파 간섭(Radio Frequency Interference, RFI)조차 차단하기 위해 특별한 지형에 의도적으로 격리되어 건설되었다. DSN은 10^{-19} W 수준의 신호를 감지해야 하므로 7, 수 km 밖의 휴대폰, TV 송출 신호 등은 DSN 수신기에게는 압도적인 '소음'이다. 이 때문에 3곳의 DSN 시설은 모두 인구 밀집 지역에서 멀리 떨어진 사막(골드스톤)이나 자연 보호 구역(캔버라) 3에 위치하며, "전파 주파수 간섭을 차단하는 데 도움이 되도록 반산악 지형의 그릇(Bowl-shaped) 모양 지형"에 자리 잡고 있다.12 주변의 언덕과 산이 지상에서 오는 RFI를 막아주는 자연적인 '전파 방패(RF shield)' 역할을 하여, DSN의 극단적인 민감도를 유지할 수 있게 한다.

 

[표 1] NASA DSN 3대 지상국 현황 및 주요 안테나 구성

 

지상국 명칭	위치	좌표	현지 운영 파트너	주요 안테나 구성
골드스톤 (GDSCC)	미국 캘리포니아 주, 바스토우	북위 35° 25′ 36″ 서경 116° 53′ 24″ 3	Peraton (NASA JPL 계약) 3	1 x 70m, 3+ x 34m BWG 3
마드리드 (MDSCC)	스페인, 마드리드	북위 40° 25′ 53″ 서경 4° 14′ 53″ 3	ISDEFE (스페인 국방부/INTA 자회사) 3	1 x 70m, 1+ x 34m BWG 3
캔버라 (CDSCC)	호주, 캔버라	남위 35° 24′ 05″ 동경 148° 58′ 54″ 3	CSIRO (호주 연방정부 과학산업연구기구) 3	1 x 70m, 1+ x 34m BWG 3

 

III. DSN 안테나 하위망(Subnets) 기술 심층 분석

DSN은 단일 유형의 안테나가 아닌, 서로 다른 목적과 성능을 가진 안테나들의 '하위망(Subnets)'으로 구성된다. 각 지상국은 최소 4개 이상의 안테나 스테이션을 보유하며 2, 이 중 핵심은 70미터와 34미터 구경의 안테나이다.3

 

3.1 70미터 안테나 하위망 (The Sensitivity Kings)

각 DSN 지상국에는 거대한 70미터(230피트) 직경의 안테나(DSS-14, DSS-43, DSS-63)가 1기씩 배치되어 있다.3 이 70m 안테나는 DSN이 보유한 자산 중 "가장 크고 가장 민감한(largest and most sensitive)" 안테나이다.15 이들의 압도적인 집광 면적(약 3,850 m^2  15)은 서론에서 언급된 보이저 1, 2호와 같이 수십억 km 떨어진 탐사선의 극미약 신호를 수신하는 데 필수적인 역량을 제공한다.15

 

골드스톤의 70m 안테나(DSS-14)는 "화성 안테나(Mars Station)"라는 별명으로도 불리며, 1966년 매리너 4호(Mariner-4)의 화성 근접 비행 데이터를 수신하기 위해 건설되었다.14 또한 아폴로 11호의 달 착륙 당시 "한 인간에게는 작은 발걸음..."이라는 역사적인 신호를 수신한 안테나이기도 하다.15

 

70m 안테나의 역사는 '임무가 기술을 견인'한 대표적인 사례를 보여준다. 이 안테나들은 원래 64미터 직경으로 건설되었다.14 하지만 1980년대, 태양계를 벗어나 해왕성으로 향하는 보이저 2호(Voyager 2) 임무가 계획되자 NASA는 심각한 기술적 난관에 부딪혔다. 해왕성의 극미약 신호를 수신하기에는 기존 64m 안테나의 감도가 부족했던 것이다. 이에 따라 1982년부터 1988년까지 3기의 64m 안테나는 모두 "보이저 2호의 해왕성 조우를 지원하기 위해 감도를 높일 목적"으로 70미터 직경으로 확장되었다.14 이 업그레이드 덕분에 인류는 1989년 해왕성과 그 위성 트리톤의 생생한 이미지를 받을 수 있었다.

 

그러나 70m 안테나는 그 거대한 크기와 무게(약 2,700톤) 15, 그리고 반세기가 넘는 운영 기간으로 인해 심각한 노후화와 유지보수 문제에 직면해 있다.8 DSN 마드리드 지상국의 70m 안테나에서 발생한 베어링 균열 문제는 16 이러한 거대 구조물을 유지하는 데 따르는 막대한 비용과 기술적 어려움을 상징적으로 보여준다.

 

3.2 34미터 안테나 하위망 (The Modern Workhorses)

DSN 네트워크의 현대화와 용량 증대를 이끄는 주력 안테나는 70m보다 훨씬 많은 수의 34미터(112피트) 안테나이다.3 특히 최근에 건설된 34m 안테나들은 '빔 도파관(Beam Waveguide, BWG)'이라는 혁신적인 기술을 채택했다.15

 

BWG 안테나의 작동 원리는 다음과 같다. 안테나의 주 반사판과 부 반사판에서 반사된 신호는 안테나 접시 중앙에 고정된 무거운 수신기(초점 상자)로 가는 대신 19, 안테나 중앙의 구멍을 통해 아래로 보내진다. 그 후, 안테나의 회전축을 따라 설치된 5~7개의 정밀한 거울(Mirrors)이 전파 빔(Beam)을 반사하며 '유도(Guide)'하여, 안테나 구조물 하단의 고정된 '지하 페데스탈 룸(Pedestal room)'으로 신호를 전달한다.17

BWG 기술의 가장 큰 혁신은 안테나의 '감도' 자체가 아니라 '운영 효율성'과 '미래 확장성'에 있다.

 

1. 유지보수 및 안정성: 기존 안테나(70m 또는 34m HEF)는 무겁고 민감한 수신기와 초저온 냉각 장비를 안테나 접시와 함께 움직여야 했다. BWG 설계는 이 모든 민감한 전자 장비(초저온 냉각 저소음 증폭기, LNA 등)를 "기후가 제어되는 지하 장비실"에 안전하게 배치할 수 있게 한다.15 이는 장비의 안정성을 높이고 유지보수를 극도로 단순화시킨다.15
2. 유연성 및 확장성: 지하의 넓은 페데스탈 룸에는 여유 공간이 많아 "추가적인 거울과 피드(Feed, 수신기)를 설치하여 다중 주파수 대역을 쉽게 적용"할 수 있다.20 즉, 안테나 자체를 건드리지 않고도 S-band, X-band, Ka-band 수신기를 동시에 장착하거나 21, 향후 광통신(Optical) 장비를 추가하는 등의 업그레이드가 매우 용이하다.

 

NASA는 DSN의 미래 전략으로, 노후화되고 값비싼 70m 안테나를 더 큰 안테나로 교체하는 대신, 고효율의 34m BWG 안테나를 지속적으로 신설하고(2025년 골드스톤 DSS-23, 2028년 캔버라 DSS-33 등) 18, 이들을 '배열(Arraying)'하여 70m의 감도를 능가하는 방향으로 네트워크를 진화시키고 있다. 이는 '분산된 34m 안테나 배열'이 '중앙집중식 70m 안테나'보다 더 저렴하고 유연하며, 안테나 1기가 고장 나도 네트워크 전체는 유지되는 '신뢰성' 높은 솔루션이라는 NASA의 전략적 판단을 반영한다.8

 

[표 2] DSN 70m 안테나와 34m BWG 안테나 핵심 성능 비교

 

구분	70미터 안테나 (예: DSS-14)	34미터 BWG 안테나 (예: DSS-35)
직경	70 미터 (230 피트) 3	34 미터 (112 피트) 3
핵심 가치	최고의 민감도 (Sensitivity) 15	운영 유연성 및 확장성 15
핵심 기술	거대 구경 (64m에서 70m로 확장) 14	빔 도파관 (Beam Waveguide, BWG) 18
전자장비 위치	안테나 접시 중앙의 초점 (Focal Point) 19	지하 페데스탈 룸 (Pedestal Room) 15
주요 임무	보이저 2호 해왕성 조우 14, 성간 탐사선 통신 15	Ka-대역 통신, 다중 임무 지원, 네트워크 용량 증대 18
미래	노후화로 인한 유지보수 문제 심각 8	DSN Aperture Enhancement Project의 핵심 자산 8

 

IV. 심우주 통신의 물리적 한계와 DSN의 기술적 솔루션

DSN의 근본적인 과제는 탐사선의 제한된 송신 출력(수십 와트) 7과 극심한 경로 손실(R^2)을 극복하고, 수신단에서 극도로 낮은 신호 대 잡음비(Signal-to-Noise Ratio, SNR)를 확보하는 것이다.7 DSN은 이 문제를 해결하기 위해 지상국의 모든 기술적 역량을 동원한다.

 

4.1 주파수 대역의 진화 (S-band → X-band → Ka-band)

DSN은 국제전기통신연합(ITU)이 심우주 연구(지구에서 200만 km 이상)용으로 할당한 S-대역(약 2 GHz), X-대역(약 8 GHz), Ka-대역(약 32 GHz)의 주파수를 주로 사용한다.3

 

기술의 진화에 따라 DSN이 사용하는 주 주파수 대역도 점차 상향되어 왔다. 1960년대 초기 임무들은 S-대역을, 1977년 발사된 보이저(Voyager)는 X-대역을 운영에 본격 사용했으며 3, 2005년 화성 정찰 궤도선(MRO)과 2009년 케플러(Kepler) 우주 망원경 이후 임무들은 Ka-대역을 주 하향링크(Downlink)로 사용하기 시작했다.3

 

DSN이 더 높은 주파수(Ka-대역)로 이동하는 주된 이유는 동일한 안테나 크기에서 더 높은 '이득(Gain)'을 얻어 더 많은 데이터를 수신하기 위함이다. 안테나 이득(G)은 주파수의 제곱(f^2)에 비례한다. 따라서 X-대역(8GHz)은 S-대역(2GHz)보다 동일 안테나에서 16배(12dB)의 이득을, Ka-대역(32GHz)은 X-대역(8GHz)보다 16배(12dB)의 이득을 추가로 얻는다.3 또한 Ka-대역과 같은 고주파수 대역은 ITU가 할당한 "대역폭(Bandwidth)" 자체가 더 넓어, 한 번에 더 많은 데이터를 전송(고속 통신)할 수 있다.3 미래 화성 유인 탐사에서 요구되는 100 Mbps급의 고속 통신은 25 Ka-대역이나 광통신 없이는 불가능하다.

 

하지만 Ka-대역으로의 이전은 높은 기술적 정밀도를 요구한다. 파장이 짧기 때문에(32GHz의 파장은 약 9mm) 우주선은 지구를 더욱 정밀하게 조준해야 하며, 지상의 안테나 표면 역시 1cm 미만의 오차로 극도로 매끄럽게 유지되어야 한다.3 또한 Ka-대역은 "비(rain)"에 민감하여 26, 지상국에 폭우나 폭설이 내릴 경우 신호가 감쇠하거나 두절될 수 있다.

 

[표 3] 심우주 통신 주파수 대역(S/X/Ka)별 특성 및 용도

 

구분	S-Band (약 2 GHz)	X-Band (약 8 GHz)	Ka-Band (약 32 GHz)
주파수	~ 2 GHz 3	~ 8 GHz 3	~ 32 GHz 3
주요 용도	초기 임무, TT&C (명령 및 비상 통신) 3	표준 임무 데이터 수신 (예: 보이저) 3	고속/대용량 데이터 수신 (예: MRO, 케플러) 3
장점	넓은 빔 폭(포인팅 쉬움), 기상 영향 적음	S-Band 대비 높은 이득과 대역폭	최고의 이득과 광대역 (데이터 전송률 극대화) 3
단점	낮은 이득, 좁은 대역폭 (저속) 3	S-Band 대비 높은 기술 요구	매우 정밀한 포인팅 필요, 기상(비, 눈) 영향에 민감 3

 

4.2 G/T 극대화: DSN 민감도의 핵심 척도

심우주 통신 링크의 성능(데이터 수신율)을 결정하는 지상국의 핵심 성능 지표는 G/T (G over T)이다. 이는 '안테나 이득(G, Gain)'을 '시스템 잡음 온도(T, System Noise Temperature)'로 나눈 값(단위: dB/K)이다.28 DSN의 모든 기술은 G를 최대화하고 T를 최소화하는 데 집중된다.

 

4.2.1 G (안테나 이득) 극대화 방안

 

1. 거대 구경: 70m 안테나를 사용하여 물리적인 신호 수집 면적(Aperture)을 극대화한다.15
2. 안테나 배열 (Antenna Arraying): DSN의 가장 강력한 기술 중 하나로, 여러 대의 안테나를 전자적으로 결합하여 마치 하나의 거대한 안테나처럼 작동하게 만든다.

• 사례 (보이저 2호 해왕성): DSN은 보이저 2호의 해왕성 조우 당시, 캔버라 70m/34m 안테나를 호주 파크스(Parkes) 64m 망원경과 마이크로파 링크로 연결하여 30, 수신 면적을 거의 두 배로 늘려 데이터 속도를 2배로 높였다.30
• 사례 (VLA): 더 나아가 골드스톤 70m 안테나를 뉴멕시코의 VLA(Very Large Array, 27개의 25m 안테나 배열)와 결합하여 30, 70m 단독 대비 수신 능력을 5.6dB(약 4배) 향상시켰다.30
• 이는 DSN이 NASA 자산에만 의존하지 않고, 전 세계의 전파 망원경을 '배열'하여 지구 전체를 하나의 거대한 안테나처럼 활용하는 '네트워크의 네트워크' 전략을 사용함을 보여준다.

 

4.2.2 T (시스템 잡음) 최소화 방안

안테나가 10^{-19} W의 신호를 모아도, 수신기 자체가 발생하는 열(Thermal) 잡음이 이 신호를 덮어버리면 통신은 불가능하다. 따라서 T(시스템 잡음 온도)를 최소화하는 것이 G/T의 핵심이다.

 

1. 지형적 차폐 (RFI): 2장에서 언급했듯이, '그릇 모양' 지형에 위치하여 지상의 인공 잡음(Man-made noise)을 원천 차단한다.12
2. 초저온 냉각 저소음 증폭기 (Cryogenically Cooled LNA): DSN은 안테나가 모은 신호의 첫 번째 증폭기(LNA)를 6~12 켈빈(K), 즉 절대영도(0K)에 매우 가깝게 냉각시킨다.7 이를 위해 기존에는 액체 헬륨을 사용하는 메이저(Maser) 증폭기를 사용했으나, 최근에는 유지보수가 더 쉽고 성능이 뛰어난 HEMT(고전자이동도 트랜지스터) 기술로 교체되었다.30 이 HEMT로의 업그레이드만으로 약 0.5dB의 성능 향상을 얻었는데, 이는 미약한 신호를 다루는 심우주 통신에서는 엄청난 향상이다.30

 

4.3 고급 신호 처리 (잡음 속 신호 복원)

G/T를 극대화해도 신호는 여전히 잡음(Noise)보다 약할 수 있다.32 DSN은 고급 신호 처리 기술을 사용해 잡음 속에 묻힌 신호를 복원한다.

 

1. 협대역 루프 (Narrow Loop Bandwidth): DSN의 '고급 수신기(Advanced Receiver)'는 파이오니어 10호 추적 시 0.1Hz ~ 0.5Hz의 극도로 좁은 캐리어 루프 대역폭을 사용했다.33 이는 수신기가 10초(0.1Hz의 역수) 동안 변하지 않는 안정적인 신호만 '신호'로 인정하고, 그보다 빨리 변하는 것들은 '잡음'으로 간주하여 버리는 기술이다.
2. 억압 반송파 (Suppressed-Carrier Mode): DSN의 '블록 V 수신기(BVR)'는 보이저 2호에서 이 모드를 지원했다.30 전파 신호는 데이터를 싣는 '반송파(Carrier)'와 실제 '데이터(Subcarrier)'로 구성되는데, 탐사선은 전력의 상당 부분을 이 '반송파' 생성에 소모한다. '억압 반송파' 기술은 이 반송파를 제거하고, 탐사선의 한정된 전력(예: 23W) 전부를 실제 '데이터' 비트에만 집중시키는 기술이다.30 이는 탐사선의 제한된 자원을 극도로 효율적으로 사용하는 방법이다.

 

V. DSN의 운영 현황과 당면 과제

DSN은 지난 60여 년간의 성공적인 임무 지원을 통해 그 가치를 입증했지만, 현재 두 가지 심각한 운영상의 위기에 직면해 있다.

 

1. 네트워크 포화 상태 (수요 과다):

DSN은 현재 NASA의 40개가 넘는 임무뿐만 아니라, Artemis 프로그램을 포함한 달 탐사 임무, 그리고 유럽우주국(ESA), 일본우주항공연구개발기구(JAXA) 등 약 30개국의 국제 파트너 임무까지 지원하고 있다.8 NASA 감사관실(OIG)은 2023년 보고서 등에서 DSN의 '수요 과다(Oversubscription)' 문제를 심각하게 지적했다. OIG에 따르면, DSN에 대한 임무들의 통신 요구 시간은 실제 DSN이 공급 가능한 안테나 시간을 "때때로 40% 초과"한다.8

 

이는 DSN 네트워크에 심각한 '병목 현상(Bottleneck)' 또는 '트래픽 잼'이 발생하고 있음을 의미한다.8 미래의 Artemis 유인 달 탐사 8, 유인 화성 탐사, 달 기지 건설 등은 현재 DSN의 용량으로는 감당할 수 없는 더 높은 데이터 전송률(>100 Mbps)과 더 많은 통신 시간을 요구할 것이다.25

 

2. 인프라 노후화 및 예산 문제:

DSN의 핵심 자산인 70m 안테나들은 1960년대에 건설되어(64m 기준) 14 노후화가 매우 심각하다.8 OIG는 Artemis I 임무 중 발생한 일시적 통신 두절이 "유지보수 지연과 하드웨어 노후화"로 인한 DSN의 문제였음을 지적했으며 8, 마드리드 70m 안테나의 '베어링 균열' 문제 16 역시 이러한 노후화의 심각성을 보여준다.

 

NASA는 이러한 문제를 해결하기 위해 'Deep Space Network Aperture Enhancement Project' (DSN 개구부 향상 프로젝트)를 통해 노후 안테나를 신규 34m BWG 안테나로 교체/신설하고 있다.8

 

DSN이 겪고 있는 '수요 과다'와 '노후화'라는 이 두 가지 심각한 문제는, 역설적으로 NASA가 DSN을 독자적으로 운영하는 대신, 유럽(ESA), 일본(JAXA) 및 대한민국(KASA)과 같은 기술적으로 검증된 파트너 기관의 심우주 안테나와 '네트워크를 공유(Cross-Support)'해야 할 강력한 동기가 된다. DSN이 40%의 초과 수요를 겪고 있다면 11, NASA 임무 운영자들은 DSN 시간을 확보하기 위해 치열한 경쟁을 벌여야 한다. 이 병목 현상을 해결하는 가장 빠르고 경제적인 방법은 신규 안테나 건설과 더불어 8, 이미 존재하는 다른 국가의 DSN급 안테나 시간을 '교환'하거나 '구매'하는 것이다. NASA가 ESA, JAXA와 상호 지원 협정(Cross-Support Agreement)을 맺는 이유가 바로 여기에 있다.34

 

VI. 대한민국의 심우주 통신: DSN 활용과 KDSN 구축

우리나라에서도 DSN을 사용할 수 있으며, 그 방식은 (1) NASA DSN과의 협력을 통한 활용과 (2) 대한민국 독자 자산(KDSN) 구축이라는 두 가지 측면에서 이미 성공적으로 이루어지고 있다.

 

6.1 파트너십: 다누리(KPLO) 임무와 DSN 활용

한국항공우주연구원(KARI)은 대한민국 최초의 달 궤도선 '다누리(KPLO)' 임무(2022년 8월 발사) 36를 준비하며, 임무 초기 및 달 궤도 진입 등 핵심 단계에서 DSN의 지원이 필수적이었다.

 

이에 KARI와 NASA는 2016년 다누리(KPLO) 프로그램에 대한 협력 협정을 체결했다.37 이 협정은 일방적인 지원이 아닌, 명확한 '상호 교환(Give-and-Take)'에 기반했다. NASA는 KPLO 임무의 성공을 위해 "DSN 서비스와 항법 지원(navigation support)"을 제공하는 대가로, KARI는 NASA가 개발한 핵심 과학 탑재체인 "섀도캠(ShadowCam)"을 다누리호에 탑재(onboarding)해 주었다.37 이는 KARI에게는 임무 성공률을 극대화할 수 있는 세계 최고 수준의 DSN 네트워크를 확보하고 37, NASA에게는 저비용으로 달의 영구음영지역을 촬영할 핵심 장비를 달 궤도에 보내는 38 '윈-윈' 전략이었다.

 

실제 운영에서도 KARI의 비행 역학(FD)팀은 NASA JSC(존슨 스페이스 센터) 비행 운영국(FOD)과 긴밀한 파트너로 협력했다.37 KARI 항법팀은 DSN의 추적 측정 파일 인터페이스(OscarX) 등을 통해 데이터를 수신했으며 39, DSN이 제공한 데이터의 정밀도(거리 측정 불확실성 약 0.5m)는 KARI의 예상을 뛰어넘는 우수한 품질이었다.39 이 임무는 "우주탐사 분야에서 한-미의 최초의 협력이자 매우 성공적인 사례"로 평가받고 있다.40

 

6.2 독자 자산: 대한민국 심우주 지상국 (KDSN / KDSA) 구축

대한민국은 NASA DSN에만 의존하지 않고, 미래의 독자적인 달 착륙선 및 화성 탐사 41를 위한 독자적 심우주 통신 능력을 확보하기 위해 '심우주 지상국'(일명 KDSN, 안테나 자체는 KDSA - Korea Deep-Space Antenna) 구축 사업을 추진했다.41

 

• 물리적 배치 및 사양: KDSN은 경기도 여주시 SK브로드밴드 여주위성센터 부지 내에 건설되었다.42 핵심 자산은 직경 35미터(m)의 거대 안테나 1기이다.42
• 완공 및 운영: 2020년 12월 35m 주 반사판 상량식을 가졌으며 42, 2022년 3월 완공을 목표로 구축되었다.43 다누리 발사(2022년 8월) 27 이전에 성공적으로 완공되어 임무에 즉시 투입되었다.
• 기술적 특징: 여주 35m 안테나(KDSA)는 DSN의 노후한 70m급이 아닌, 현대적인 34m BWG 안테나의 기술적 사양과 매우 유사하게 설계된 '미래 지향적' 자산이다. KDSN 35m 안테나는 DSN의 34m 안테나와 동일한 "BWG(빔 도파관) 타입"으로 건설되었다. 이를 통해 "무겁고 복잡한 장치(고출력 증폭기(HPA), 초저온 LNA)를 1층 기반 시설에 배치"할 수 있는 장점을 그대로 구현했다.27 이는 3.2절에서 분석한 NASA 34m BWG 안테나의 설계 철학(페데스탈 룸에 장비 배치)과 정확히 일치한다.
• 주파수 대역: KDSA는 다누리 임무를 위해 S-대역(TT&C용)과 X-대역(임무 데이터 수신용)을 지원하며, BWG 타입의 특성상 향후 Ka-대역 확장도 용이하게 설계되었다.27

 

KDSN(KDSA)은 다누리 임무의 핵심 지상국 역할을 성공적으로 수행했다.42 특히 KDSN은 단순한 '달 통신용' 안테나를 넘어, 그보다 훨씬 먼 '진짜 심우주' 통신 능력을 다누리 임무를 통해 성공적으로 검증했다. 다누리는 달로 직행하지 않고, 연료를 아끼기 위해 지구-태양 L1 라그랑주 점(지구로부터 약 155만 km)까지 비행하는 BLT(탄도형 달 전이) 궤적을 이용했다.27 KDSA는 "지구로부터 가장 멀리 떨어진 L1 지점(약 155만 km)에서 KPLO와의 통신을 유지"하는 데 성공했다.27 이는 달까지의 거리(약 38만 km) 43보다 4배 이상 먼 거리로, ITU의 심우주 정의(200만 km) 3에 근접하는 성과이다. 이 성공은 KDSN이 향후 화성 탐사 41의 기반이 될 수 있는 강력한 '심우주 통신' 능력을 보유했음을 실증한 것이다.

 

[표 4] 대한민국 여주 심우주 안테나(KDSA)와 NASA DSN 34m 안테나 기술 사양 비교

 

구분	대한민국 KDSA (여주 35m)	NASA DSN (34m BWG)
직경	35 미터 42	34 미터 3
안테나 기술	빔 도파관 (BWG) 타입 27	빔 도파관 (BWG) 타입 18
지원 주파수 (다누리 기준)	S-Band (TT&C), X-Band (데이터 수신) 27	S-Band, X-Band 3
향후 확장성	Ka-Band 확장 용이 (BWG 설계) 27	Ka-Band 운영 중 (BWG 설계) 3
상호운용성 표준	CCSDS 표준 준수 (다누리 임무 수행) 39	CCSDS 표준 필수 요구 47

 

VII. 결론: KASA-NASA 시대의 상호운용성 및 미래 전망

2024년 5월 대한민국 우주항공청(KASA)이 출범함에 따라 48, 한국과 미국 간의 우주 협력은 KARI라는 연구기관 대 NASA의 관계에서 '국가 우주청 대 국가 우주청'의 관계로 격상되었다. KASA 출범 직후, 양국은 "우주 탐사, 과학 및 항공 분야 협력 증진을 위한 공동 성명서"에 서명했다.48

이 보고서의 분석은 이 공동 성명서의 핵심 함의를 명확히 보여준다.

 

1. NASA의 필요 (The Problem): 5장에서 분석했듯이, NASA DSN은 임무 수요가 가용 시간을 40% 초과하는 심각한 '병목 현상(Oversubscription)'과 '인프라 노후화'에 직면해 있다.8
2. 한국의 역량 (The Solution): 6장에서 분석했듯이, 대한민국은 DSN 34m BWG와 기술적으로 완벽히 호환되는 27 35m BWG 안테나(KDSN)를 성공적으로 구축했으며, 155만 km 심우주 통신 능력을 실증했다.27

 

DSN의 '병목 현상'과 KDSN의 '검증된 성능'은 양국이 미래에 '상호 네트워크 지원(Cross-Support)' 파트너가 될 완벽한 조건을 형성한다. KASA-NASA의 새 공동 성명서가 "한국의 심우주 안테나 활용(utilization of Korea's deep space antenna)"을 포함한 잠재적 협력을 논의할 것이라고 명시한 것 48은 단순한 외교적 수사가 아니다. 이는 NASA가 DSN의 과부하를 분산시키기 위해 아시아-태평양 지역의 신규 파트너(KASA)를 확보하려는 전략적 움직임이자, KASA가 자국의 차기 탐사(달 착륙선, 화성 탐사선) 41를 위해 DSN의 지원을 안정적으로 확보하려는 상호 필요가 일치한 결과이다.

 

이러한 '상호 네트워크 지원'(NASA가 JAXA, ESA와 맺은 협정 34과 유사한)이 가능한 기술적 전제 조건은 '국제 표준'이다. NASA DSN과 한국 KDSN이 서로의 탐사선을 지원할 수 있는 이유는, 두 기관이 모두 CCSDS(우주 데이터 시스템 자문 위원회, Consultative Committee for Space Data Systems)라는 국제 표준을 준수하기 때문이다. DSN 설계 핸드북(810-007)은 DSN을 사용하려는 모든 임무 고객에게 "다른 우주국 네트워크와의 상호운용성을 위해" CCSDS 표준을 준수할 것을 "요구(required)"한다.47 KARI는 다누리 임무를 통해 DSN과의 CCSDS 표준 인터페이스를 성공적으로 검증했다.39

 

결론적으로, 대한민국은 다누리 임무를 통해 NASA DSN을 성공적으로 활용했으며, 동시에 DSN과 기술적으로 호환되는 독자적인 35m 심우주 안테나(KDSN)를 구축하고 그 성능을 입증했다. DSN이 심각한 '수요 과다' 문제에 직면함에 따라, KDSN은 향후 NASA DSN의 글로벌 네트워크에 연동되어 NASA의 임무를 지원하고(예: DSN의 안테나 점검 시 백업 역할), 그 대가로 한국의 차기 심우주 탐사 임무(달 착륙, 화성 탐사)에 DSN의 지원을 확보하는 '상호운용성 파트너'로 기능할 것이다. 이는 CCSDS라는 국제 표준 위에서 KASA-NASA 시대 양국 우주 탐사 성공의 핵심 전략이 될 것이다.

 

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