By Becky Ferreira, WIRED US

관광지를 천천히 이동할 때와 해외여행을 할 때와 같이 특정 지점에서 다른 지점으로 향하는 여정에서 위성 내비게이션 시스템을 사용한다면, “목적지에 도착했습니다”라는 로봇 안내원의 음성이 익숙할 것이다.

하지만 말 그대로 지구를 떠나 다른 곳으로 여행할 때는 어떨까? 가장 보편적인 위성 내비게이션 시스템인 GPS의 경로 안내 범위를 지구를 넘어선 우주까지 확장할 수 있을까?

달 주변에 GPS와 유사한 군집 위성 개발을 새로이 추진하는 작업에 참여한 복수 우주국에 따르면, 단순히 가능하다는 답변은 물론이고, 곧 가능하다는 답변을 할 수 있다. 미국 항공우주국(NASA)은 유럽, 일본과 협력하여 2020년 말 구축을 목표로 한 달 위성 내비게이션 컨셉을 개발 중이다. 2024년 7월, 중국국가항천국(CNSA)은 통신, 내비게이션 장비 21대를 발사하여 중국의 달 탐사 여정을 지원한다는 계획을 공개했다.

미국 표준기술연구소(NIST) 이론 물리학자 비주나스 파트라(Bijunath Patla)는 “그동안 지구에 존재하는 모든 통신, 내비게이션 기반 시설을 태양계 어디서든 활용하도록 변환하려는 작업이 추진되지 않았다. 이번에는 여러 국가와 기관이 우주 통신, 내비게이션 위성 기술의 도약을 생각한다”라고 말했다. 파트라는 달의 통신, 내비게이션 위성 기술 구축 노력의 운송 과정 연구 결과를 담은 논문을 게재했다.

통신, 내비게이션 위성 기술 노력은 사실상 지구의 모든 기반 시설을 지원하는 PNT(position, navigation, and timing) 시스템을 포함한 각종 첨단 장비 운송 실행 요구가 발생할 달 탐사 활동이 앞으로 몇 년 뒤 시행될 계획과 함께 급격히 활발하게 추진되기 시작했다. NASA는 아르테미스 달 탐사 미션으로 우주비행사의 달 남극 탐사 임무를 성공한다는 목표를 세웠다. 안정적인 통신 서비스와 정확한 위치 서비스가 필요한 목표이기도 하다. 중국도 2020년대에 유인 달 탐사를 진행할 계획이며, 각국 정부 기관과 기업도 조만간 달 표면에 탐사 로봇을 배치하고자 한다.

상업 우주 산업도 자원 채굴, 미중력 상태의 제조업, 과학 연구, 우주 관광 등 형성 초기인 달 탐사 경제가 급부상할 기회를 주시하고 있다. 과거 달 탐사는 커뮤니케이션과 위성의 기본적인 연계에 의존했으나 미래 달 탐사에는 자연 위성 전체 혹은 적어도 일부 영역에 신호를 보내기 적합한 위성 시스템이 필요할 것이다.

NASA의 달 PNT 시스템 및 표준 개발 작업을 이끄는 항공우주 엔지니어 셰릴 그램링(Cheryl Gramling)은 “GPS는 지구 경제의 중추가 되었다”라며, “농업, 안전, 구조, 경제, 채굴 산업 모두 GPS에 의존한다”라고 말했다.

달 경제를 구축하고자 한다면, 지구의 GPS 활용법과 비슷한 방식으로 GPS 신호를 지원할 기반 시설이 필요하다. 그램링은 달 위치 시스템을 갖춘다면, 착륙 시스템과 현지 자원 활용, 경로 계획 설정 등에 도움이 된다고 설명했다. 이어, “NASA 관계자끼리 미래에는 GPS 시스템의 도움을 받아 달의 스타벅스까지 이동하고는 모닝커피를 사게 될 것이라는 농담을 한다”라고 덧붙였다. 초기에는 아르테미스 달 탐사 임무의 목표에 맞추어 달 남극 통신, 내비게이션 지원에 주력할 계획이다. 달 표면 전체로 지원 범위를 확장하는 것은 장기 목표이다.
 
달 표면에서 도보로 달에 설립된 스타벅스 매장까지 이동한다는 꿈은 매력적이다. 하지만 달 GPS 시스템의 정상 작동을 보장하려면, 몇 가지 복잡한 난제를 해결해야 한다. 그 첫 단계는 “달의 시간은 몇 시인가?”라는 기본적인 질문의 답을 찾는 것이다. 사실, 간단하게 답을 찾을 수 있는 문제가 아니다. 달 탐사 임무는 항상 2주간 이어지는 달의 낮과 밤 주기를 고려한 상태에서 진행된다. 하지만 달에는 지구의 움직임과 함께 시계가 계속 움직이는 협정 세계시와 유사한 표준 시간이 없다.

정확한 시간 기록은 미국 GPS, 중국 베이더우(BeiDou), 러시아 글로나스(GLONASS), 유럽 갈릴레오(Galileo) 군집 위성을 포함한 위성항법(GNSS) 표준의 등장을 실현한 혁신의 핵심이다. 지구의 위치는 위성 신호가 지상 수신기로 전송되는 시간을 기준으로 계산한다. 1나노초 단위 시간 측정 오차는 거리 30cm 오차를 생성한다. 따라서 매우 높은 시간 정확도가 GNSS가 제공하는 정확한 지리적 위치 서비스의 기본이자 달의 미래 아날로그 시계의 핵심이다.

하지만 주목해야 할 부분이 있다. 시계는 지구보다 달에서 조금 더 빠르게 움직인다는 점이다. 달과 지구의 시계 움직임 차이는 질량이 큰 천체가 조금 더 느린 시간 흐름의 원인이 된다는 이론을 제시하는 일반 상대성 원리의 결과이다.

파트라는 달과 지구의 시계 이동 속도 문제를 직면하여 동료 물리학자인 닐 애쉬비(Neil Ashby)와 함께 지구와 달의 시계 간 속도 상쇄를 계산했다. 계산 결과는 2024년 8월, 천문학 저널(Astronomical Journal)에 게재되었다. 파트라와 애쉬비는 달의 시계가 지구 시계보다 매일 약 56마이크로초 더 빠르게 움직인다는 계산값을 공개했다. (이와 별도로 달의 상대적 움직임은 시계에 반대 효과를 불러와 시계의 움직임을 약간 늦춘다. 하지만 시계 속도를 높이는 중력 효과를 무력화할 정도는 아니다.)

파트라는 “지구의 훌륭한 시계는 우주의 나이인 140억 년 단위로 달의 시계와 1초간 오차가 발생한다”라고 전했다. 그러나 달의 시계는 지구 시계와 비교하면, 정확하지 않더라도 약 50년 단위로 1초간 더 느리게 움직인다. 이와 관련하여 파트라는 “범위를 비교하면, 큰 영향을 미치는 것이다”라고 말했다.

파트라와 애쉬비의 연구는 지구의 협정 세계시와 비슷한 표준 달 시간대 기반을 설명했다. 협정 세계시는 미래 궤도와 달의 지상 노드(ground node)가 정확한 PNT 서비스에 필요한 동기화된 시간에 연결하는 데 도움이 된다.

위성 여러 대와 특정 달 궤도선을 포함한 미래 달 위성 군집 위성의 정확한 구성은 아직 확정된 상태가 아니다. NASA와 유럽우주국, 일본 우주항공연구개발부(JAXA)는 상용화 기업 협력사가 참여한 GPS와 유사한 군집 위성 감독 프로젝트를 진행 중이다. NASA 달 통신 연계 및 내비게이션 시스템(Lunar Communication Relay and Navigation System), 유럽 우주국 문라이트 계획(Moonlight Initiative), JAXA 달 내비게이션 위성 시스템(Lunar Navigation Satellite System)으로 이루어진 프로젝트는 모두 루나넷(LunaNet)이라는 상호운용 프레임워크를 준수하도록 설계되었다.

그램링은 “루나넷을 거대한 우산으로 지칭한다. 루나넷은 상호운용 통신, 위치 확인, 내비게이션, 시간 서비스에 사용하는 표준을 정의한다. 현재 루나넷 상호운용성 사양 표준을 지정하고는 기술 문서를 작성하기 위한 대대적인 노력이 진행 중이다”라고 전했다.

이어, “미국 GPS, 유럽 갈릴레오, 러시아 글로나스 등이 있는 지구의 패러다임과는 매우 다르다. 루나넷은 구축 초기 단계에 있다. 따라서 현재 미국, 유럽, 일본은 루나넷 표준 개발에 협력해야 하며, 시스템 하나를 표준으로 지정해야 한다고 생각한다”라고 덧붙였다.

다시 말해, 미국과 유럽, 일본 우주국이 지금은 별도의 달 GPS 시스템 개발 프로젝트를 진행 중이지만, 궁극적으로 단일 운영체제로 통합할 계획이다. 유럽우주국의 문라이트 계획의 상세한 계획은 달 GNSS 군집 위성의 탄생 과정을 구상하는 데 도움이 된다.

현재 유럽우주국이 구상하는 바와 같이 문라이트 계획은 대형 통신 위성 1대와 소형 지정 내비게이션 위성 4대를 포함하여 위성 최소 5대로 구성되어, 위성을 특정 궤도에 배치하고는 달의 남극 통신, 내비게이션 시스템 지원을 최적화한다. 초기 설정 단계에서는 서비스 지원 영역에 PNT 시스템의 24시간 단위로 안정성과 예측이 가능한 15가지 시간을 제공하지만, 확장 가능성도 구상했다. 즉, 서비스 지원 범위 확장 혹은 더 복잡한 임무 지원 차원에서 위성을 추가로 배치할 수 있다는 의미이다.

유럽 우주국 문라이트 내비게이션 관리자인 하비에르 벤투라 트라베셋(Javier Ventura-Traveset)은 “문라이트 계획은 우주 탐사 분야의 놀라운 패러다임 변화를 선사할 것이다. 달 탐사를 매번 진행할 때마다 지구에서의 지원 상태 의존도가 높은 복잡한 통신, 내비게이션 시스템이 필요한 조건 대신, 미래에는 달 궤도에서 직접 광대역 통신 서비스와 GNSS와 유사한 내비게이션 시스템에 접근할 것이다. 시스템 지원 모두 상용화 공급사와의 서비스 접촉을 통해 이루어질 것이다”라고 설명했다.

중국이나 다른 국가의 기존 달 내비게이션 군집 위성 시스템 협력 정도나 달에서 지구와 유사하게 다양한 GNSS 군집 위성 버전을 사용할 가능성 등은 확실하지 않다. 2024년 여름, 중국 우주기술 아카데미(China Academy of Space Technology) 과학자 여러 명으로 구성된 연구팀이 GPS와 같은 군집 위성 개발 계획을 단계별로 설명한 연구 논문을 학술지 중국 우주과학기술에 게재했다.

벤투라 트라베셋은 “중국은 여러 국제 포럼을 통해 달 내비게이션 기반 시설 개발 관심을 표현했다. 2024년에는 달 통신 연계 위성인 작교-2(Queqiao-2) 위성을 발사했다. 유럽, 미국, 일본처럼 중국도 자체 달 내비게이션 군집 위성을 개발할 수도 있다. 중국은 일부 국제 학술 포럼에서 국제 상호운용성을 추진하는 데 관심이 있다는 점을 시사하기도 했다”라고 말했다.

달 GPS 시스템의 여러 경쟁 컨셉이 급격히 등장하여 일각에서는 최초의 달 GPS 확립을 위한 새로운 우주 경쟁에 진입했는지 의문을 품게 되었다. 그러나 그램링은 달 GPS 확립 목표가 우주 경쟁이 되지 않았다고 본다. 그램링은 “현재 여러 국가가 단기 목표 지원이 필요한 임무를 앞두고 있어 머리를 맞대고 협력국과 작업 중이라는 사실만 알고 있다. 현재 루나넷 연구에 협력 중인 국가는 달에서 제공하고자 하는 서비스와 협력하고자 하는 서비스 보장을 확신하는 데 주력하고 있다”라고 전했다.

2024년 8월, 파트라는 천문학계의 여러 문제를 중재하는 국제천문학협회에서 달의 시간과 달 PNT 시스템의 여러 요소 개발 협력을 강화하는 해결책에 찬성 투표한 사실을 지목했다.

파트라는 “적어도 시작 단계에서는 군집 위성이 더 저렴하면서 모두에게 이득이 될 것이다. 하지만 그 결과는 알 수 없다”라고 말했다.

** 위 기사는 와이어드US(WIRED.com)에 게재된 것을 와이어드코리아(WIRED.kr)가 번역한 것입니다. (번역 : 고다솔 에디터)

<기사원문>
Moon GPS Is Coming