본 논문에서는 달 전역에 걸쳐 항법 서비스를 제공하기 위한 달 탐사용 항법 위성군의 설계 방안을 제안한다. 최근 활발해지고 있는 세계적인 달 탐사 흐름에 발맞추어, 1단계(Phase 1)에서는 남극 지역 에 안정적인 항법 서비스를 제공하는 초기 위성군을 구축하고, 2단계(Phase 2)에서는 이를 기반으로 서비스 범위를 달 전역으로 확장한다. 달 궤도에는 다양한 섭동력이 작용하며, 이로 인해 궤도가 변화할 수 록 항법 서비스의 정확도는 크게 저하될 수 있으므로 궤도의 안정성이 매우 중요하다. 이에 본 연구에서는 지구 삼체중력의 영향을 고려한 Lunar Frozen Orbit을 기반으로, 타원 궤도와 원 궤도를 결합한 Hybrid Frozen Constellation을 제안한다. 제안된 위성군은 달 탐사의 핵심 지역인 남극에 대해 안정적인 항법 서비스를 제공함과 동시에, 상대적으로 적은 수의 위성으로 달 전역을 커버할 수 있는 효율적 인 구조를 갖는다. 본 연구에서는 달 표면 전역에서 우수한 위치 정확도를 확보하기 위해 다양한 위성 배치 및 궤도 위상 조합을 분석하였으며, 궤도 기하와 위성 간 위상 배열을 고려하여 항법 성능을 극대 화하 고 위성 수를 최소화하는 방향으로 설계를 수행하였다. 시뮬레이션 결과, 제안된 전체 위성군은 전체 표면에 걸쳐 98% 이상의 시간 동안 위치오차지수(PDOP)가 6 이하로 유지되어, GPS 수준의 신뢰도 있는 항법 서비스가 가능함을 확인하였다. 이를 통해 본 연구에서 제안한 달 항법 위성군은 향후 로봇 및 유인 달 탐사 임무를 위한 핵심적인 항법 인프라로 활용될 수 있음을 보여준다.

Orbit Design of Navigation Satellite Constellation for Global Lunar PNT

Jae Woong Hwang, Minjae Kang, Hojoon Jeong, Jaeuk Park, Changdon Kee*

This paper presents the design of a lunar navigation satellite constellation to provide global Positioning, Navigation, and Timing (PNT) services across the entire lunar surface. In response to the growing global momentum in lunar exploration, the proposed architecture follows a phased deployment strategy: Phase 1 establishes an initial constellation offering reliable navigation coverage over the lunar South Pole, while Phase 2 expands the service area to encompass the entire Moon surface. Given the diverse perturbations acting on lunar orbits, navigation accuracy can significantly degrade as orbital variations accumulate, highlighting the importance of orbital stability. To address this challenge, we propose a Hybrid Frozen Constellation that combines elliptical and circular orbit types, based on Lunar Frozen Orbits accounting for the influences of Earth 3rd-body effects. The proposed constellation ensures stable navigation performance in the South Pole region—critical for upcoming missions—while achieving global coverage with a relatively small number of satellites. To optimize positioning accuracy across the lunar surface, various satellite configurations and phasing strategies were analyzed. The constellation design carefully considers orbital geometry and phase alignment to maximize navigation performance while minimizing satellite count. Simulation results demonstrate that the proposed constellation maintains a Position Dilution of Precision (PDOP) below 6 for over 98% of the time across the entire surface, satisfying the reliability standards of terrestrial GPS systems. These findings suggest that the proposed constellation can serve as a foundational navigation infrastructure for future robotic and crewed lunar exploration missions.

Keywords: LNSS, frozen orbit, DOP

Speaker 황재웅 서울대학교