달 탐사 및 착륙을 위해 여러 기술들이 개발되고 있다. 대표적인 방법으로 지형 비교항법 (Terrain Relative Navigation, TRN), 심우주통신 기반 항법 (DSN-based Radio Navigation), Global Navigation Satellite System (GNSS) 활용 등이 존재한다. 그러나 각각의 방법은 고가의 장비가 필요하거나 측위 범위가 제한되고 낮은 측위 정확도를 갖는다는 한계점이 존재한다. 이러한 한계점을 극복하기 위 해 초소형 위성을 활용하여 달에 직 접 항법 시스템을 구축하는 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 달에서 항법 시스템을 구축 시 활용할 수 있는 궤도에 대한 예비설계를 진행하였다. 달 항법 시스템은 달 주변 근처 를 도는 항법 위성들과 L2 point 주변 을 움직이는 주 위성으로 구성된다. 항법 위성은 지구의 GNSS 위성과 동일한 역할을 수행하고 주 위성은 시각 동기를 위한 지구와의 통신을 수행한다. 항법위성 궤도 설계 시 달의 불 규칙적인 생김새 (shape irregularity)로 인한 영향으로 인해 지구와 달리 중력포텐셜의 J2항뿐만 아니라 C22항에 의한 효과까지 고려해야 한다. 주 위성 궤도 설계 시에는 주 위성이 달로부터 멀어지기 때문에 달의 중력뿐만 아니라 지구 중력의 영향까지 고려해야 한다. 따라서 지구, 달, 위성에 대한 3체 문제를 통해 궤도를 설계해야 한다. 본 논문에서는 달 항법시스템을 구축하기 위해 필요한 항법위성과 주위성의 궤도 설계 를 진행하였다. 지구와 다른 달의 환경을 고려하여 시뮬레이션을 통해 궤도 설계를 진행하였다.

Preliminary Design of Orbit for Lunar Navigation Satellite System

Hojoon Jeong, Jaeuk Park, Junwon Song, Min Seok Kang, Junesol Song, Changdon Kee*

Several technologies are being developed for lunar exploration and landing. Representative methods include Terrain Relative Navigation (TRN), DSN-based Radio Navigation, Global Navigation Satellite System (GNSS), etc. However, each method has limitations in application. TRN or DSN methods have limitation in that expensive equipment is required or the positioning range is limited. The method using GNSS has poor positioning accuracy due to weak signal strength. Therefore, Research to build a navigation system directly on the moon using a cube satellite is in progress to overcome those limitations. In this study, preliminary design of orbits that can be used when constructing a navigation system on the moon was conducted. The Lunar Navigation Satellite System (LNSS) consists of navigation satellites orbiting around the moon and a main satellite moving around the moon and L2 point. The navigation satellite performs the same role as the Earth’s GNSS satellite, and the main satellite communicates with the Earth for time synchronization. Unlike the Earth, due to the effect of the moon’s shape irregularity, in order to design the orbit of the navigation satellite, it is necessary to consider the effect of the gravity potential term C22 as well as the J2 term. Since the main satellite is far from the moon compared to the navigation satellite, it is necessary to consider not only the gravity of the moon but also the effect of the earth’s gravity when designing the orbit of the main satellite. Therefore, the orbit must be designed through the three-body problem between the Earth, the moon, and the main satellite. In this paper, the orbits of navigation satellites and main satellite needed to build a LNSS system were designed. The orbit design was carried out through simulation considering the environment of the moon, which has different characteristics from the earth.

Keywords: LNSS, orbit, NRHO, ELFO

Speaker 정호준 서울대학교