일본산업뉴스요약

Nikkei X-TECH_2024.4.19

월면 경제권
'월면용 GPS'를 일본, 미국, 유럽이 표준화
JAXA는 약점을 극복할 수 있는 독자적 기술 개발

2030년대의 달의 표면 및 근방에 대한 본격적인 탐사·개발 활동을 위해 2020년대 후반부터 세계 각국의 우주기관 등이 통신·측위 인프라를 제안해 개발을 추진하고 있다.

‘월면용 GPS(Global Positioning System)’라고도 불리는 월면 전체에서 이용할 수 있는 측위 시스템에 대해 미항공우주국(NASA)과 유럽우주기관(ESA), 우주항공연구개발기구(JAXA)가 공동으로 ‘LANS(Lunar Augmented Navigation Service)’라고 불리는 표준 책정에 착수하고 있다.

현재, NASA는 ‘LCRNS(Lunar Communications Relay and Navigation Systems)’, ESA는 ‘Moonlight 계획’ 하에 ‘LCNS(Lunar Communication and Navigation System)’, JAXA는 ‘달 측위 위성 시스템(LNSS: Lunar Navigation Satellite System)’이라고 하는 독자적 프로젝트를 각각 진행하고 있다.

각 프로젝트에서는 전용 측위 위성을 달 주회 궤도에 배치하는 것을 목표로 한다. LANS에서는 각각의 위성이 표준화된 ‘AFS(Augmented Forward Signal)’라는 신호를 발신. 달 표면에서 활동하는 탐사 차량(로버) 등이 AFS 수신기를 탑재하면 규격의 차이에 관계 없이 위치 정보를 얻을 수 있게 된다.

LANS는 NASA와 ESA가 공동으로 추진하고 있으며, 2023년에 JAXA도 참여가 인정받은 측위·통신 등 국제표준 프레임워크 '루나넷(LunaNet)'의 한 요소이다. AFS는 루나넷의 호환성을 담보하기 위한 사양 ‘LNIS(LunaNet Interoperability Specification)’에서 정의되고 있는 신호 형식 중 하나이다. 어디까지나 송신 신호의 형식을 규격화한 것으로, 송신하는 궤도 및 시각 정보의 정밀도 등은 규정되어 있지 않다.

LCRNS와 LCNS는 모두 이하의 방법으로 달 주회 궤도상에 있는 위성의 위치 정보를 특정한다(궤도 결정). 우선, 지구상에 배치된 직경 수십 미터급의 대형 안테나에서 달 궤도상의 위성을 향해 전파를 보낸다. 위성이 그 전파를 다시 보내면 지상의 대형 안테나로 수신해 위성까지의 거리를 산출. 그 데이터를 축적하는 동시에 궤도 계산을 종합해 궤도 결정을 하고, 그 데이터를 위성에 보낸다.

GPS가 지상을 향해 송신하고 있는 것과 같이, 이들 위성은 월면을 향해 스스로의 위치 정보와 스스로가 탑재하고 있는 원자시계에 의한 정확한 시간 정보(정기적으로 업로드가 필요)를 송신한다. 수신기가 탑재된 로버 등은 달 주회 궤도상의 4기 이상의 위성으로부터 전파를 수신하게 되면 정확한 위치정보를 얻을 수 있다.

NASA는 LCRNS 위성 1호기를 2025년 이후, ESA는 LCNS 위성의 1호기를 2027년에 발사할 예정이다. 초기에는 수자원 탐사가 이루어지는 달의 남극을 주로 커버하게 된다.

-- GPS의 누설 전파를 활용 --
한편, JAXA의 LNSS는 NASA나 ESA의 방식과는 전혀 다르다. 미국의 GPS나 유럽의 갈릴레오(Galileo) 등의 지구 전용 GNSS(Global Navigation Satellite System)의 ‘누설 전파’를 달 주회 궤도상에서 포착해 온보드로 위치를 특정하는 세계 최초 기술의 실용화에 도전한다.

GNSS는 지표면을 향해 전파를 발신하지만, 전파는 퍼지는 성질이 있기 때문에, 전파의 ‘아랫단’은 누설 전파가 되어, 멀리 달 주변까지 닿는다. 그것을 4기 이상의 위성을 통해 포착할 수 있게 되면, 달 주회 궤도상에서의 위치 특정이 가능하게 된다.

JAXA가 GNSS의 누설 전파를 활용하는 배경에는 일본에 직경 수십 미터급의 대형 안테나가 2곳에만 설치되어 있다는 사정이 있다. 구미의 경우, 미국, 유럽, 오스트레일리아에 각각 복수의 대형 안테나가 배치되어 있어 지구가 자전하고 있어도 항상 달과 통신이 가능하지만, 일본은 그렇지 않다. LNSS는 어떻게 보면 일본이 가진 약점을 극복하는 기술이라고 할 수 있다. JAXA는2028년 LNSS 위성 1호기 발사를 목표로 하고 있다.

LNSS는 내각부의 우주개발 이용 가속화 전략 프로그램(스타더스트 프로그램) '월면 활동을 위한 측위·통신기술 개발'에서 JAXA로부터 위탁을 받은 위성개발 스타트업 아크엣지스페이스(ArkEdge Space)를 중심으로 한 컨소시엄이 개발을 추진하고 있다. 이 컨소시엄에는 KDDI와 KDDI종합연구소, 미쓰비시프리시전 등이 이름을 올리고 있다.

스타더스트 프로그램은 2021년에 개시되어 2023년까지 아키텍처와 위성의 개념을 검토. GNSS의 고감도 수신기, LNSS 신호 발신기, 원자시계 등 페이로드에 대한 검토를 추진해 왔다. 올해부터는 실제로 무게 100 kg 전후의 소형 위성 개발을 개시할 예정이다.

아크엣지스페이스의 가키하라(柿原) 첨단연구개발부 부장에 따르면, “LNSS 위성의 궤도 결정 정밀도 10~20m를 목표로 한다. 그리고 월면에서의 위치 정밀도는 40m가 목표이다”라고 한다. 서비스 대상 지역은 당초, 수자원 탐사가 시행되는 남위 75도 이남(以南), 서비스 기간은 10년이라고 한다.

-- 전파 강도는 지상의 1/400 --
LNSS의 주요 과제는 2가지 있다. 첫 번째는 달 주회 궤도상에서 포착할 수 있는 GNSS의 전파가 매우 약하다는 것. 전파의 강도는 거리의 제곱에 반비례하기 때문에 달 주변에서의 전파 강도는 지상의 1/400이다. 이 때문에 고감도 GNSS 수신기와 안테나 설계가 중요해진다. 이것은 JAXA가 담당한다.

다른 하나는 달 주변에서 GNSS 위성이 지구를 주회하는 고도 약 2만km의 궤도까지의 거리가 매우 멀어 LNSS 위성에서 보면 거의 같은 방향에서 복수의 GNSS의 전파가 날아 온다는 점이다. 이로 인해 기존의 GNSS와 같은 계산 방법으로는 정밀도가 낮아지기 때문에 계산 방법을 고안해야 할 필요가 있다고 한다.

2028년에 실시할 계획인 LNSS의 실증에서는 이하의 3가지 점을 테스트한다. (1)GNSS의 누설 전파를 수신한 위성의 위치·시간 특정에 대한 검증 (2)LNSS 수신기를 탑재한 월면 착륙기(랜더)에 의한 LNSS 위성으로부터의 신호 수신 검증 (3)NASA의 LCRNS 위성·ESA의 LCNS 위성을 사용한 LANS 호환성 검증이다. (3)의 경우, 2028년에 NASA의 복수의 LCRNS 위성과 ESA의 1기의LCNS 위성이 달 궤도상을 주회하고 있을 것이기 때문에 그것들을 이용할 계획이다.

하지만, LNSS에 대해서는 “아직 아무도 달 주변에서 GNSS의 누설 전파를 수신한 적이 없다. 이론상으로는 가능하지만, 자세한 정보는 아직 없다”(가키하라 부장)라고 한다.

 NASA는 올해, ESA가 2026년에 실시할 예정인 달 탐사 미션에서 GNSS의 누설 전파를 달의 주변이나 표면에서 수신할 수 있는지에 대한 실증을 시행할 예정이다. 이러한 실증을 통해서 LNSS의 실현성이 보이게 될 것이다.

 -- 끝 --

Copyright © 2020 [Nikkei XTECH] / Nikkei Business Publications, Inc. All rights reserved.