지난 10년간 달 탐사에 대한 관심이 증가하면서, 달에서의 안전한 임무 수행과 지속적인 개발을 지원하기 위해 정밀하고 신뢰할 수 있는 위치, 항법 및 시각정보 (Positioning, Navigation and Timing, PNT) 서비스가 요구 되고 있다. 이에 따라 NASA, ESA 등 여러 우주 기관은 위성 기반의 달 항법 시스템인 Lunar Navigation Satellite System (LNSS)을 구축하기 위한 프로그램을 진행 중이며, 협력적 서비스 아키텍처를 위해 LunaNet Interoperability Specification (LNIS)을 도입하고 있다. 그러나 이러한 국제적인 노력에도 불구하고, 달 착륙 임무는 착륙 정밀도, 통신 지연, 데이터 전송 문제, 운용 수명 및 자원 제약 등으로 인해 여전히 어려운 도전 과 제로 남아 있다. 특히 착륙 정밀도는 임무의 복잡성 수준에 따라 달라지며, NASA와 ESA는 이에 대한 요구 사항을 정해 두었다. 제안된 LNSS를 활용할 경우 연착륙 시 필요한 항법 정확도를 충족할 수 있어 유용한 자원 이 될 수 있지만, 달 환경에서는 감시나 제어를 위한 지상국이 없기 때문에 LNSS의 성능이 지구의 위성항법시스템 (Global Navigation Satellite System, GNSS)보다 훨씬 낮을 것으로 예상되며, 이는 안전한 우주선 착륙 을 위한 NASA의 Autonomous Landing and Hazard Avoidance Technology (ALHAT) 프로젝트 및 ESA의 요구 사항을 훨씬 초과하게 된다. 본 연구에서는 달 착륙 지원을 위해 LNSS 및 GNSS에 Ultra-Wideband (UWB) 기반 측위 네트워크를 결합하여 탐사선의 위치 정확도를 분석하였다. UWB 네트워크의 성능은 네트워크의 배치와 UWB 안테나의 좌표 정밀도에 크게 의존하므로, 달 남극부에 최적화된 UWB 네트워크 배치 도출을 위해 radio frequency (RF) 신호 전파 패턴과 정확도 요구 사항을 고려한 유전 알고리즘을 활용하였다. 또한, LNSS, GNSS 및 UWB 네트워크를 활용한 협력 위치결정(cooperative positioning) 기법을 적용하여 UWB 네트워크 를 구성하는 안테나의 위치 불확실성을 줄였다. 시뮬레이션 기반 분석 결과, 최적의 UWB 네트워크와 LNSS 및 GNSS의 융합은 우주선 착륙 정확도를 크게 향상시킬 수 있으며, 특히 최대 수평 위치 정확도가 0.7 m (3- 시그마)를 달성하는 것을 확인하였다.

A Study on UWB-Based Positioning Network for Supporting Precise Lunar Landing

Danim Jung, Euiho Kim*

Over the last decade, interest in lunar exploration has grown significantly, increasing the demand for precise and reliable Positioning, Navigation, and Timing (PNT) services to support safe missions and sustainable development on the Moon. To address this need, the National Aeronautics and Space Agency (NASA), the European Space Agency (ESA), and other space agencies are working on programs to establish a satellite- based Lunar Navigation Satellite System (LNSS) and are implementing the LunaNet Interoperability Specification (LNIS) to create a collaborative service architecture. However, despite these international efforts, lunar landing missions remain challenging due to landing precision, communication delays, data transmission issues, operational lifespan, and resource constraints. Landing precision is particularly crucial, varying with mission complexity, and NASA and ESA have established specific requirements in this area. While the proposed LNSS can meet the necessary navigational accuracy for soft landings, its performance is expected to be significantly lower than Earth’s Global Navigation Satellite Systems (GNSS) due to the absence of ground stations for monitoring or control in the lunar environment. This exceeds the requirements for NASA’s Autonomous Landing and Hazard Avoidance Technology (ALHAT) project and ESA’s standards for safe spacecraft landings. In this study, we propose a positioning system combining LNSS and GNSS with an Ultra-Wideband (UWB) network to support lunar landings and analyze the resulting improvements in spacecraft positioning accuracy. Since UWB network performance mainly depends on network layout and the coordinate precision of UWB antennas, genetic algorithms were employed to optimize UWB network deployment for the lunar south pole region, considering RF signal propagation patterns and accuracy requirements. Additionally, a cooperative positioning technique using LNSS, GNSS, and the UWB network was applied to reduce the position uncertainty of UWB network antennas. Simulation-based analysis demonstrates that the fusion of the optimized UWB network with LNSS and GNSS can significantly enhance spacecraft landing accuracy, achieving a maximum horizontal positioning accuracy of 0.7 meters (3-sigma).

Keywords: lunar navigation satellite system (LNSS), UWB network, precise positioning, lunar landing

Speaker 정다님 홍익대학교