달에서의 안전한 임무 수행과 지속 가능한 개발을 위해 NASA, ESA, JAXA 등 여러 기관이 위성 기반의 달 항법 시스템 (Lunar Navigation Satellite System, LNSS)을 구축 중이지만, 지상 감시 및 제어 인프 라 의 부재로 LNSS 단독 위치 정확도는 여전히 수십 미터에 머무를 것으로 예상된다. 본 연구는 착륙 단계에서 요구되는 수 미터급 수평 정확도와 서브 미터급 수직 정확도를 달성하기 위해 LNSS와 Ultra- Wideband (UWB) 기반 로버 네트워크 및 착륙선 전파고도계를 융합하였다. 유전 알고리즘으로 최적화한 로버 배치와 Extended Kalman Filter (EKF) 기반 협력 측위 (cooperative positioning)를 통해 로버 안테 나 위치 오차를 5 m 미만으로 줄였으며, DOP 기반 후처리를 적용한 장기간(30-150일)의 시뮬레이션을 통해 RMS 오차를 1 m 이하로 감소시켰다. 정제된 로버 좌표를 활용한 통합 필터는 착륙선에 대해 수평 RSS 오차 4–6 m, 수직 RSS 오차 0.5–1 m (3-시그마)를 달성해 NASA-ALHAT 및 ESA 기준을 모두 충족하였으며, 동일 후처리 기법 적용 이후 수평 오차는 1 m 미만, 수직 오차는 0.5 m 이하를 유지하였다. 보수 적으로 설정한 LNSS 공분산으로 수직 오차가 다소 증가할 수 있으나, 제안한 LNSS–UWB–전파고도계 통합 시스템은 정밀하고 안전한 달 착륙을 지원하며, 향후 적응형 공분산 조정과 필터 견고화로 성 능을 더욱 향상할 예정이다.

A Study on Integrated LNSS–UWB Network and Radar Altimeter Positioning for Precision Lunar Landing Support

Danim Jung, Euiho Kim*

Several space agencies—including NASA, ESA, and JAXA—are constructing a satellite-based Lunar Navigation Satellite System (LNSS) to support safe operations and sustainable development on the Moon; however, without ground monitoring and control infrastructure, standalone LNSS positioning accuracy is expected to remain on the order of tens of meters. To achieve the meter-level horizontal and sub- meter vertical accuracy required for lunar landing, this study fuses LNSS pseudoranges with an Ultra-Wideband (UWB) rover network on the lunar surface and a radar altimeter aboard the lander. A rover layout optimized by a genetic algorithm and an Extended Kalman Filter (EKF)-based cooperative positioning techniques reduce the rover-antenna position error to below 5 m. Subsequent dilution-of-precision (DOP) post-processing applied in extended 30–150-day simulations further lowers the root-mean-square (RMS) error to under 1 m. Using the refined rover coordinates, the integrated filter attains 3-sigma root- sum- square (RSS) errors of 4–6 m horizontally and 0.5–1 m vertically for the lander, satisfying NASA ALHAT and ESA landing-accuracy requirements. With the same post-processing, horizontal errors are further reduced to below 1 m and vertical errors to below 0.5 m. Although conservative LNSS covariance settings may slightly increase vertical error, the proposed LNSS–UWB–altimeter integration supports precise and safe lunar landing, and future work will introduce adaptive covariance tuning and filter-robustness enhancements to further improve performance.

Keywords: lunar navigation satellite system (LNSS), ultra-wideband (UWB) network, cooperative positioning, precision lunar landing

Speaker 정다님 홍익대학교