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이미지 캡션: NASA의 "Lunar Network" 아키텍처는 달 근처에서 항법 및 통신 서비스를 제공할 수 있습니다.

천양 특파원

새로운 달 탐사 및 개발 계획이 대중화되면서 달 항법 시스템 구축 제안도 의제에 올라 있다. 7월 14일 홍콩 사우스차이나모닝포스트(South China Morning Post)의 보도에 따르면 중국 과학자들은 최근 달 전체를 서비스할 수 있는 베이두 항법 시스템과 유사한 통신 및 항법 별자리를 구축하기 위한 설계 계획을 제안했다. 이전에는 미국, 유럽, 일본 모두 자체 달 항해 계획을 제안했습니다. 그렇다면 달 항법 시스템을 구축하는 데 있어 어려운 점은 무엇입니까?

중국 학자들이 달 항해 계획을 제안하다

사우스차이나모닝포스트(South China Morning Post)는 지난 6월 중국 우주과학과 기술(China Space Science and Technology) 저널에 게재된 논문을 인용해 중국 연구진이 중계통신, 달항법, 별자리 건설, 유지비용 등 다양한 지표를 종합적으로 고려해 21개 방안을 제안했다고 전했다. 위성으로 구성된 달 근처 우주 항법 별자리는 달에서의 장기, 고밀도 인간 탐사 활동을 위한 장기, 고정밀 항법을 제공하는 것을 목표로 합니다.

사우스차이나모닝포스트(South China Morning Post)는 현재 지구 표면이나 지구 근접 우주 공간에는 미국의 GPS(Global Positioning System), 중국의 베이두(Beidou) 위성 항법 시스템, 유럽의 '갈릴레오(Galileo)' 위성 항법 시스템, 러시아의 'GLONASS' 위성이 주로 사용되고 있다고 밝혔다. 내비게이션 시스템은 전 세계 사용자에게 전천후 고정밀 측위 및 내비게이션 서비스를 제공합니다. 이러한 글로벌 위성 내비게이션 시스템은 일반적으로 수 미터의 정확도를 지닌 20~35개의 위성으로 구성됩니다. 사용자는 최소 4개의 위성의 신호 조합을 사용하여 정확한 위치를 파악하고 시간 정보를 얻을 수 있습니다.

중국 과학자들이 제안한 달 표면 항법 계획도 이와 비슷하다. 항법을 위해서는 동시에 목표물을 볼 수 있는 위성이 4개 이상 있어야 한다. 보고서에 따르면, 이 연구에서는 3단계에 걸쳐 달 전체의 항해를 점진적으로 실현할 수 있는 달 근처 우주 별자리 건설 경로도 제안했다. 중국 연구팀은 후속 연구가 궤도 매개변수 최적화 기술을 결합하여 보다 체계적인 달 항법 솔루션을 형성할 것이라고 밝혔습니다.

보고서는 구체적인 건설 일정을 제시하지는 않았지만 중국의 달 탐사 프로젝트 예비 계획과 국제 달 과학 연구 기지 계획이 이전에 발표됐다고 언급했다. 중국은 2030년 이전에 우주비행사를 달에 보낼 계획이며, 기본적으로 완전한 기능과 기본 지원 요소를 갖춘 국제 달 과학 연구 기지가 2년 전에 건설되었으며 달 남극을 핵심으로 하며 2045년까지 확장 버전이 건설될 예정입니다.

미국, 유럽, 일본은 모두 달 항해 계획을 제안했습니다.

최근 몇 년 동안 달에 가까운 우주 별자리 구축이 항공우주 연구에서 뜨거운 주제가 되고 있습니다. 달 탐사 및 개발 활동이 점점 더 많아지면서 달 항법 시스템을 구축하겠다는 아이디어도 끊임없이 제안되고 있다. 미국 '아르테미스' 유인 달 착륙 프로그램의 항법 요구 사항을 충족하기 위해 2020년 미국 항공 우주국(NASA) 제트 추진 연구소의 과학자들은 계산 후 GPS 위성 신호가 380,000km 떨어진 달 근처에 있다는 것을 확인했습니다. 달 궤도에 있는 우주선은 5~13개의 GPS 위성의 신호를 수신할 수 있으며 위치 확인 정확도는 200~300미터라고 합니다.

그러나 달 표면에서 대규모 탐사 및 개발 활동을 수행하려면 이러한 위치 정확도로는 충분하지 않습니다. 일본 항공우주탐사국(JAXA)의 보고서에 따르면 38만㎞ 떨어진 달 근처 지구 근처에서 운용되는 지구위성항법시스템의 신호세기는 지상 신호세기의 1/30에 불과하다. 달 자체, 이러한 항법 신호는 달의 반대편에서 수신할 수 없습니다. 동시에 달 표면은 분화구로 덮여 있으며 지구에서 오는 약한 항법 신호는 언덕과 분화구 가장자리에 의해 쉽게 차단됩니다. 따라서 지원을 제공하려면 특수 중계 통신 위성이 필요합니다. 중국은 이미 2018년과 2024년에 발사된 Queqiao-1 및 Queqiao-2 위성을 통해 달 통신 중계에 성공한 경험을 보유하고 있으며 여러 달 탐사 임무에 대한 중계 통신 지원을 제공했습니다.

2020년 NASA는 달 표면과 근처에서 우주비행사와 우주선 간의 통신 요구를 충족할 수 있고 우주비행사와 탐사선이 달 표면에서 통신할 수 있도록 하는 "Artemis" 프로그램을 지원하기 위해 "Lunar Network" 아키텍처를 제안했습니다. 위치와 시간 정보를 얻기 위해 달 표면을 방문합니다. 이 때문에 NASA는 2022년 1월 '달 통신 중계 및 항법 시스템'을 출시했으며 달 궤도에서 작동하는 여러 위성을 발사할 계획이다. 2022년 6월 28일 미국의 '캡스톤' 탐사선이 발사됐다. 마이크로파 크기의 탐사선은 "세계 최초의 달 항법 위성"으로 평가되며, 그 임무 중 하나는 미래 임무의 위험을 줄이기 위해 새로운 항법 기술을 검증하고 테스트하는 것입니다.

유럽은 또한 달 통신 서비스에 대한 계획을 진전시키고 있습니다. 2021년 유럽우주국(ESA)은 '문라이트(Moonlight)' 계획을 발표해 2027년경 지속 가능한 달 공유 통신 및 항법 시스템(LCNS) 구축을 제안하고, 2025년 최초의 '루나 패스파인더(Lunar Pathfinder)' 발사를 계획하고 있다. 타원형 동결 궤도에서의 검증.

2022년 일본 JAXA는 달 타원궤도에 8개의 위성을 배치해 달 남극 지역의 탐지기에 중계 통신과 항법 및 측위 서비스를 제공할 계획인 '달 항법 위성 시스템(LNSS)'도 제안했다.

달 항법 시스템을 구축하는 것은 쉽지 않습니다

지구 근처에는 이미 4개의 주요 글로벌 항법 및 위치 확인 시스템이 있지만 이를 달 표면으로 "이동"하는 것은 쉽지 않습니다. NASA 웹사이트에 따르면 달 항법 시스템 구축에 가장 먼저 영향을 미치는 것은 음력 문제다. NASA의 최근 계산에 따르면 상대성 이론의 '시간 팽창' 효과에 따르면 지구 표면의 시간과 비교했을 때 달 표면의 시간은 지구의 하루당 57.5마이크로초 더 빠르며 심지어 달 표면의 시간도 더 빠른 것으로 나타났습니다. 달의 궤도와는 다릅니다. 전역 항법 및 위치 확인 시스템의 타이밍 정확도가 마이크로초 수준에 도달했다는 점을 고려하면 음력 시간의 이러한 영향을 무시할 수 없습니다. 그리고 달에는 현재 독립적인 시간 표준이 없습니다. 각 국가의 달 탐사 프로그램은 자체 시간 척도를 사용하고 이를 "협정 세계시"로 변환합니다. 그러나 달 탐사 활동이 늘어나면서 달 시간 기준이 일치하지 않는 문제가 점점 더 심각해지고 있습니다. 2022년 11월, 글로벌 우주 기관 및 학술 기관의 대표자들이 유럽 우주국의 유럽 우주 연구 및 기술 센터에 모여 음력 시간을 정의하는 방법에 대한 권장 사항 초안을 작성했습니다. 국제도량형국 시간부 국장 파트리치아 타베라는 공식적인 음력 시간이 정해지지 않으면 국가 우주기관과 민간 기업이 자체 계획에 따라 행동할 것이라고 말했다.

둘째, NASA는 4개의 주요 지구 항법 및 측위 시스템이 지구 측지 관측 시스템(GGOS)을 기반으로 한다고 밝혔습니다. 이를 통해서만 통합되고 조정된 지구 표면 좌표와 고도를 얻을 수 있습니다. 그러나 현재 달 표면에 확립된 유사한 지리적 좌표계는 없습니다‌. 미국 국립지리정보국(NGA)이 관련 측량 작업을 추진하고 '달 기준 시스템(LRS)'을 구축하고 있지만 이를 위해서는 많은 양의 관측 데이터가 필요하다. NASA는 가까운 미래에 Artemis 프로그램에서 역할을 할 것으로 기대하지 않는다는 점을 인정했습니다.

또한, 달 항법 계획의 구체적인 구현은 달 자체의 모양과 질량에도 영향을 받습니다. 예를 들어, Queqiao-2 중계성은 달의 불규칙한 모양과 구조로 인해 달 주위를 도는 커다란 타원형의 얼어붙은 궤도를 채택하고 있으며, 달 가까이 비행하는 우주선은 달의 중력, 그들의 비행 궤도는 편차가 발생하기 쉽습니다.

미국, 유럽, 일본의 달 항법 프로그램이 상호 협력을 통해 달 항법 강화 서비스를 제공하고 국제 표준을 구축할 계획이라는 점은 주목할 만하다. 미국과 유럽도 2024년부터 달의 위치를 ​​계산하기 위해 지구 탐사선에서 방출되는 약한 위성 항법 신호를 시범적으로 사용할 예정이다. ▲