김종한 연구실의 핵심 연구 주제는 항공우주 비행체의 유도제어와 궤적 최적화이다. 특히 우주발사체, 재사용 발사체, 유도탄, 무인기와 같은 고속·고기동 비행체를 대상으로 제한된 연료, 추력, 시간, 안전 제약조건을 만족하면서 임무 성능을 극대화하는 제어 알고리즘을 개발한다. 연구실은 단순한 안정화 제어를 넘어, 실제 비행 환경에서 요구되는 정밀 종말 유도, 충돌 회피, 연착륙, 자세 제어, 교전 기하 설계까지 포함하는 통합 문제를 다룬다. 방법론 측면에서는 컨벡스 최적화, 순차 컨벡스 최적화, first-order optimization, ADMM, proximal gradient와 같은 계산 효율적인 최적화 기법을 적극 활용한다. 이러한 접근은 비선형 동역학과 비컨벡스 제약이 존재하는 실제 항공우주 문제를 임베디드 환경에서도 처리 가능하도록 만드는 데 강점이 있다. 연구실의 학술 발표와 프로젝트에서는 powered descent guidance, 최적 충돌 회피 궤적, 최적 천이 궤적, 위성 자세 명령 산출, 발사체 연착륙 유도 등 다양한 응용 사례가 확인되며, 이는 이론적 최적제어를 실제 비행 시스템 수준으로 연결하려는 연구 방향을 보여준다. 이 연구는 차세대 발사체 재사용, 달·화성 탐사선 착륙, 군집 비행체 운용, 국방 분야 정밀 유도 시스템 등에서 직접적인 활용 가능성이 높다. 특히 재사용 발사체의 고기동 연착륙 기술, 고신뢰 유도 알고리즘, 실시간 재계획 능력은 향후 국내 우주 수송체계의 경쟁력과도 밀접하게 연결된다. 따라서 본 연구 주제는 항공우주 시스템의 안전성, 경제성, 자율성을 동시에 향상시키는 기반 기술로서 의미가 크다.

연구실은 미래 우주탐사와 재사용 발사체 운용을 위한 자율비행 기술 개발에 중점을 두고 있다. 수행 프로젝트를 보면 화성 대기 진입-감속-착륙(EDL), 달·화성 탐사, 우주자원 활용, 정밀 천측 항법, 추력기 기반 제어, 재사용 발사체 연착륙 등 우주 임무의 전 주기를 아우르는 연구가 진행되고 있다. 이는 단순한 이론 연구를 넘어, 실제 우주 임무에서 요구되는 복합 동역학과 극한 환경 대응 기술을 포괄적으로 다루는 연구실의 특징을 보여준다. 구체적으로는 화성 탐사를 위한 열방호 시스템, 초음속 낙하산, 역추진, EDL 안정성 같은 진입·하강·착륙 핵심 기술과 함께, 발사체의 수직이착륙 유도, 궤적 재설계, 엔진 점화 폐루프 HILS 기반 검증 기술이 연구된다. 또한 군집 위성의 최적 배치, 우주비행체 재진입 가능 영역 분석, 동력 하강 유도 문제 등도 발표 주제로 확인되어, 우주 시스템 운용 최적화와 자율 판단 알고리즘 개발이 중요한 축을 형성하고 있음을 알 수 있다. 이런 연구는 우주비행체가 사전 계획된 명령만 수행하는 수준을 넘어, 비행 중 상태 변화와 외란에 적응하는 자율 시스템으로 진화하는 데 기여한다. 이 분야의 성과는 장기적으로 국내 우주탐사 역량 강화와 우주산업 생태계 확대에 중요한 기반이 된다. 재사용 발사체는 발사 비용 절감과 발사 빈도 증가를 가능하게 하며, 행성 착륙 기술은 심우주 탐사와 자원 활용의 핵심 요소다. 연구실의 접근은 유도항법제어, 시스템 설계, 시뮬레이션, 하드웨어 검증을 연계함으로써 실제 적용 가능한 우주 자율비행 기술의 완성도를 높인다는 점에서 높은 연구적·산업적 가치를 가진다.

김종한 연구실은 다수의 비행체가 네트워크를 형성하며 임무를 수행하는 상황에서 필요한 분산 제어와 협업 최적화 문제도 활발히 연구한다. 대표 논문인 협력 제어 문제의 explicit solution 연구는 네트워크화된 시스템에서 정보 흐름 구조를 고려한 최적 제어 해를 제시하며, 분산 시스템의 제어기 구조를 이론적으로 설명했다. 이는 다수 무인기, 군집 위성, 협업 유도무기와 같이 중앙 집중식 제어가 어려운 시스템에서 매우 중요한 기반 이론이다. 학술대회 발표 주제에서도 다수 무인기 협업 임무를 위한 속도 프로파일 산출, 임무 할당, 최적 충돌 회피, 생존성 고려 임무영역 배정, 군집 위성의 최적 종말 배치 등 협업 시스템 관련 연구가 반복적으로 나타난다. 연구실은 ADMM, consensus 기반 알고리즘, 분산 first-order method 등을 사용해 계산 부담을 분산시키면서도 전체 시스템 성능을 확보하는 접근을 취한다. 이러한 방법은 개별 비행체가 제한된 정보와 연산 자원만으로도 집단 차원의 임무 목표를 달성하게 해 준다. 이 연구는 미래 항공우주 시스템의 운영 패러다임 변화와 직결된다. 군집 드론, 다중 위성, 유무인 복합체계는 향후 정찰, 통신, 탐사, 물류, 국방 분야에서 핵심 전력이 될 가능성이 높다. 따라서 협업 비행체 제어와 분산 최적화 연구는 단순한 알고리즘 개발을 넘어, 복수 플랫폼이 유기적으로 연결되는 차세대 자율 시스템의 핵심 기술로 평가할 수 있다.