요약
해양을 관측하는 작업 중에서 무인자율수상체계를 활용한 관측은 장거리·원거리 이동하여 해양재난, 재해 발생 해역 관측 및 악천우에서도 관측이 가능해졌다. 그리고 제한된 관측 영역 외 광역의 해역에서 발생한 현상을 연계하여 종합적으로 분석하는 융합기술들이 개발되고 있다. Wave Glider는 대표적인 무인자율수상체계 중 하나로, 파도에 의한 상하 움직임으로 전진하며 장거리 기동이 가능하고 위성통신을 통하여 자율적으로이동하는 이동형 부이체계로 기존 관측의 한계를 극복하는 차세대 관측체계로 부각되고 있다. 본 연구에서는 2016년과 2017년 두 차례 중국 기원 저염분수 영향이 발생하는 하계에 제주를 포함하는 동중국해에서 관측을 수행하였다. 하계 동중국해 해역에서 발생한 고수온 현상과 저염분수와의 관계를 파악하기 위해서 광역(위성) 감시망과 국지적(Wave Glider) 감시망을 이용하여 관측을 수행했다. 그리고 동중국해에 영향을 준 태풍 또한 두 감시망에서 실시간 영향을 관측했다. 이것은 최근 개발되는 무인수상체계가 높은 내구성과 자율무인 체계로 인하여 다양한 해양환경에서 장기간 관측이 가능해지면서 다른 감시망과 연동하여 종합적이고 효율적인 관측체계를 구축하게 되었다.
1. 서론
해양을 관측하는 작업은 범 국가 차원의 해양/기상, 조선 해양산업, 해상안보 등 모든 분야에 걸쳐서 매우 중요하고 핵심적인 요소이다. 해양관측 체계 중에서 무인체계(Unmanned System)는 무인 장비들을 통합하여 운용하는 시스템의 통칭으로서 민간 분야에서는 무인생산 체계, 무인 제어 체계, 무인 관리 체계로 구분되며, 군사 분야에 활용되는 무인 체계를 무인 전투 체계라고 한다(http://dtims.dtaq.re.kr:8084/dictionary.do?method=main). 무인체계는 운용하는 공간에 따라 항공, 육상, 해상 무인체계로 분류되는데 항공무인체계는 무인항공기(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)로도 일컬으며, 육상 무인체계는 기존의 로봇 개념을 포함하고 이동능력이 있는 체계와 이동하지 않는 체계로 분류된다. 해상무인체계는 바다, 강 또는 수조와 같은 내수공간에서 운용되는 무인체계를 통칭하는 것으로서 수상에서 2차원적으로 움직이는 수상무인체계와 수중공간에서 3차원적으로 움직이는 수중무인체계로 세분화된다(Davis et al.,2002; Nam et al., 2014). 그리고 채택한 운용 방식에 따라 고속 단시간으로 운용되는 무인체계와 저속으로 장시간 운용 가능한 무인체계로 분류된다. 수상에서 운용되는 무인체계는 무인수상정(Unmanned Surface Vehicle,USV)으로 무인파력선(Wave Glider) 등이 있으며, 수중에서 운용되는 무인체계는 무인잠수정(Unmanned Underwater Vehicle, UUV)으로 수중글라이더(Underwater Glider) 등이 있다(Son, 2017).
최근 해양관측 분야에 있어서 많이 이용되는 무인화 시스템은 수중과 수상의 무인 플랫폼 형태로 매우 빠르게 진화되고 있다. 특히 배터리 기술의 발전은 장기간에 걸쳐 넓은 해역에서 무인 플랫폼을 이용하여 자율 이동식 해양관측이 가능하도록 발전하였다. 최근에는 장거리 이동과 동시 관측이 가능한 대형 플랫폼들이 개발되면서 계류부이 또는 ARGO 부이를 이용한 해양관측 분야를 대처할 수 있는 신기술로써 발전하고 있다.
2008년도 이후 기존의 프로펠러를 사용하는 체계에서 탈피하여 자연에 존재하는 파력을 이용하여 수개월간 수천 km의 장거리를 이동하는 무인자율해상체계가 등장하기 시작했다(Daniel et al., 2011; Morales Maqueda et al., 2016). 파력으로 추진되는 Wave Glider는 미국의 Liquid Robotics사(http://liquidr.com/)에서 개발되었고, 수면에 떠있는 부력체와 수중 7~8 m에 위치하는 글라이더로 구성되어 있다(Fig. 1a). 부력체는 전장 약 2 m, 전폭 0.6 m로서 축전지와 태양열 발전기, 위성통신, RF, CDMA 송수신체계가 설치되어 있으며, 수중에 위치하는 글라이더는 전장 0.4 m, 전폭 1.9 m의 프레임에 6개의 날개가 설치되어 있다. 자연에 존재하는 파력과태양열에너를 사용하므로 수개월 간 작동이 가능하다(Liquid Robotics, 2010; Daniel et al., 2011; Son, 2017). 특히 해양, 기상, 음향환경 관측센서와 영상정보를 수집할 수 있는 센서 등 다양한 센서를 동시에 탑재할 수 있다는 장점을 지니고 있다. 미국, 호주, 유럽 등 많은 나라에서 WaveGlider를 과학적 해양관측, 해양재난현장 대응, 전장환경감시 등 다목적으로 활용하고 있다(Daniel et al., 2011; Goebel et al., 2014; Lenain and Melville, 2014; Villareal and Wilson, 2014; Lancker and Baeye, 2015; Mitarai and McWilliams, 2016). 한국해양과학기술원은 국내 최초로 Wave Glider와 운영체계를 도입하여 부산항 및 제주도 서귀포 근해에서 각종 운영 실험을 수행하였고 그 중에서 2014년 태풍 ‘풍웡’ 내습 시 태풍에 근접하여 유의파고 3.5 m 이상의 악기상 환경 관측을 수행하였다. 또한 “북서태평양 태풍-해양 상호작용 연구” 수행을 위해 이사부 태풍/해양 프로그램 워크숍을 통하여 악천후에서 해양조사가 가능한 관측체계 개발연구 추진 중으로 기존의 Wave Glider를 개조하여 해양물리/생물/화학적 특성을 관측할 수 있는 장비 개발을 제안했다.
Fig. 1. (a) The payload system (Liquid Robotics, 2010) and (b) the operating system of Wave Glider. (c) Wave Glider web-based operation program. The yellow and red circle symbols indicated the known ships detected from AIS of Wave Glider. (d) Wave Glider photo using drone (Sep. 22, 2016).
현재 다양한 센서들이 장착된 Wave Glider를 보유한 기관이 없어, 임차를 통해서 관측을 수행하고 있어, 연구보다는 단순 관측에 비중이 크다. 그러나 최근 들어 Wave Glider의 유용성 및 활용성이 커지면서 연구 목적으로 운용되기 시작했고, 동해 및 동중국해에서 다양한 현상을 관측하고 분석하는 연구가 수행되고 있다. 본 연구에서는 Wave Glider의 전반적인 제원 및 성능에 대한 소개와 더불어, 2016년과 2017년 하계 동중국해에서 수행된 Wave Glider를 활용한 광역감시망과 국지적 감시망을 연계한 연구를 소개하고, Wave Glider를 활용한 관측의 특징에 대해서 기술하고자 한다.
2. Wave Glider 개발 현황 및 운용 사례
미국의 Liquid Robotics(http://liquidr.com/)사는 70~80년대 각광을 받아온 파력선 기술을 바탕으로 최초의 무인력선인 무인자율해상로봇 Wve Glider를 개발하였다(Fig. 1). Wave Glider는 태양광 발전을 하기 때문에 부이와 같이 상시 관측이 가능하고 동시에 자율 또는 제어이동이 가능하다(Table 1). Wave Glider는 미국에서 2009년부터 민간 및 국방 분야에 사용되기 시작하면서 다른 나라에서도 이런 시스템을 도입하기 시작했다. 영국은 Autonaut라는 무인파력선을 개발하고 시험에 성공하였고(http://autonautusv.com/), 다양한 장비를 장착하여 시험운영 중에 있다. 중국과 일본의 경우 2013년부터 학계를 중심으로 연구와 개발이 동시에 진행되고 있다(Tian et al., 2014; Terao and Sakagami, 2015).
Table 1. Liquid Robotics Wave Glider specifications for SV2 and SV3
Wave Glider는 처음 국방 분야에서 성능을 인정받아, 미국, 캐나다, 호주 등에서는 수상 및 수중감시 체계 구축을 위해 Wave Glider를 이용한 다양한 수중/수상 감시·정찰을 위한 플랫폼 개발에 중점을 두었다. 그래서 잠수함정, 수중 글라이더 등과 병행 운용함으로써 전체수중 공간에 대한 3차원적 감시 정찰 체계 구축을 시도하고 있다. 특히 수상선박 감시를 위하여 선박자동식별장치(Automatic Identification System, AIS), 광학센서(EO)등을 추가 장착하여 주변 영상자료를 동시에 확보하는 연구 진행하고 있다. 미국 해양경비대는 세관청과 공동으로 밀입국 선박 감시를 위한 Wave Glider 도입사업을 추진 중이고, 미 해군 해양사령부(해군대학)에서는 수중 음향정보 및 해양정보 수집용으로 운용 중이다. NATO는 이탈리아 시실리 근해에서 진행된 대잠전 훈련에서 Wave Glider와 수중 글라이더를 이용한 대잠 탐색/해양정보의 자료를 수집하는 훈련을 실시했다(Son,2017).
민간활용 분야는 2010년 미국 남해안에서 대규모 원유 유출 사고가 발생했을 때 Wave Glider와 위성을 연계하여 광범위한 해역에 대한 오염도를 측정하는 등 해난사고에 실질적으로 활용하였다. 그리고 가장 획기적인 시도는 태평양을 횡단하는 프로그램인 Trans-Pacific(Pac-X)을 구상하고 실행하여 Wave Glider를 미국 하와이에서 미국서부, 호주 그리고 일본까지 태평양을 횡단하는 관측을 시도했다(Villareal and Wilson, 2014). 이 기간에 다양한 해양현상을 관측하는데 성공했고, 대표적으로 태풍과 같은 악기상을 관측했다(Lenain and Melville,2014; Mitarai and McWilliams, 2016). Lenain and Melville(2014)는 Wave Glider의 자료를 이용하여 태풍 전/후의 해양 생산성 및 해양물리적 반응에 대한 연구를 수행했고, Mitarai and McWilliams(2016)는 풍에 의한 바람이 해양의 해류에 얼만큼 에너지를 제공하는지 분석했다. 그리고 Pac-X을 통해서 Wave Glider에서 관측된 해양/기상 자료와 위성자료의 비교를 통해 위성자료검보정 연구도 수행되었다(Goebel et al., 2014; Villareal and Wilson, 2014). 최근 연구논문에서는 Wave Glider을 활용하여 인간활동에 의해 유발된(해양 준설) 퇴적물 이동-확산을 모니터링한 연구도 수행되었다(Lanckerand Baeye, 2015). 그 이외에도 Wave Glider는 해상 부이 자료의 검보정을 목적으로 운용되기도 했다.
대한민국에서 Wave Glider의 최초 도입은 국방 분야에서 이루어졌고, 민간 활용을 위해서는 한국의 오션테크사(http://www.oceantech.co.kr/)에서 도입하여 대여 운영 중이며, 대학 및 연구소에서는 현재 구매 단계로 Wave Glider를 활용한 연구는 초기 단계이다. 한국해양과학기술원은 한반도 주변해역에 최적화된 Wave Glider 국산화 개발 및 이를 이용한 통합 해상/기상/음향 관측체계 구축 연구를 제안하기도 했지만, 기존의 수중 글라이더 개발 연구와 중복성 문제로 인하여 개발이 지연되고 있다(Son, 2017).
3. Wave Glider 작동원리, 제원 및 성능
Wave Glider의 기본 플랫폼(Fig. 1a, Table 1)은 해수면에 떠 있는 부력체, 파력을 추진력으로 변환하는 수중 날개, 수중 날개와 부력체를 연결하는 연결선으로 구성되어 있으며, 연결선의 길이는 해역 및 효율에 따라 변경 가능하다(일반적으로 4 m 또는 8 m 사용). 수중 날개에는 선수부에 방위센서와 후미부에 날개(rudder)가 장착되어, 항법 알고리즘에 의한 위치제어가 가능하다. Wave Glider의 추진 원리(Fig. 1b)는 파도에 의한 상하 움직임이 수중의 글라이더에 전달, 글라이더에 부착된 여러 날개의 양력으로 전진하고 수중 후미부에 장착된 날개를 조향하여 연결선으로 연결된 해수면 위의 부력체를 이동시킨다. 특히 파력의 힘으로 움직이기 때문에 별도의 연료 공급이 필요로 하지 않아 장거리 운용이 가능하다. Wave Glider의 속도 변화는 파도 진폭의 크기에 따라 변화되고, 사용자에 의해 속도를 변화시킬 수는 없고 오직 방향조정을 통해 위치조정이 가능하다. 그러나, 최근 Wave Glider 중 SV3 모델은 수중 날개 후미에 장착된 추진체(thrust)를 사용하면, 주위 환경에 따라 1.5 kts에서 2.3 kts까지의 속력 변화가 가능하다(Table 1).
Wave Glider의 기본 장착 센서로는, 부력체 안에 기록계 및 센서 운영에 소요되는 전기를 생산하는 태양광패널과 축전지가 구비되어 있다. 그리고 부력체의 위치, 속도, 방향을 계측하는 GPS와 풍향, 풍속, 대기압, 대기 온도 등을 계측하는 기상센서와, 이들을 기록, 전송하는 데이터 로거도 방수함체에 구현되어 있다(Fig. 1a). 최근에 개발 SV3의 경우 부력체 하부에는 표층해수의 환경을 관측하는 센서를 탈 부착할 수 있는 공간이 마련되어 있다. 본 연구에서는 수온, 염분, 엽록소-a, 탁도, 층별 유속과 유향, 파고와 파향 등을 관측하였고, 광학카메라 부착으로 영상 촬영을 시도하였다. 특히, 수중 날개부에도 센서를 장착할 공간과 인터페이스가 구비되어 있어, 표층과 아표층의 해양환경을 동시에 관측이 가능하다.
Wave Glider는 모델에 따라 부력체의 크기와 태양광 패널의 용량에서 차이가 있고(Table 1), SV3는 부력체의 크기가 SV2모델보다 크기 때문에, 태양광패널의 전기생산능력이나, 센서 탈부착 공간 및 부력이 크다. 그리고 상부 부력체의 길이가 80 cm더 길어졌고, 이를 통해 부력은 40L에서 93L로 53L가 늘어났고, 탑재 하중은 18kg에서 45 kg으로 27 kg 더 늘어났다(Son, 2017). 주변 해역의 수상선을 감시하기 위하여, 선박자동식별장치가 기본 장착되어 있어 접근하는 선박에 대해서 자동 회피가 가능하여 글라이더와 선박 충돌의 가능성이 줄어들었다(Fig. 1c).
태양광패널에서 만들어지는 전기는 센서 작동과 통신에만 이용하고, 제어 및 통신을 위한 축전지와 센서 운영을 위한 축전지는 별도로 구성하고 있다. 그리고 태양광패널의 축전이 장기간 동작되지 않아도 통신 및 위치 확인이 가능하게 구성되어 있다. Wave Glider의 상태 및 위치정보는 기본 5분 간격으로 이리듐 위성통신체계를 이용하여 관제시스템에 전송된다. Wave Glider의 이동에 대한 명령은 간단하게 웹에서 가능하며 관측 자료는 이리듐을 통해 웹 서버에 자동 저장된다. 관제용 SW는 제조사에서 제공하는 시스템을 이용하며(Fig. 1c), 웹베이스의 프로그램으로 어떤 환경에서도(윈도우,Mac, 안드로이드 등) 실시간 위치 확인이 가능하다. 통신 및 제어용 위성통신 이외에도, Wave Glider 비상 추적을 위한 GPS트랙커가 부착되어 있어 비상시에도 위치추적이 가능하게 설계되어 있다.
4. Wave Glider 활용한 동중국해 연구 사례
1) Wave Glider 운용
한국해양과학기술원 제주센터에서는 Wave Glider(Fig. 1d)를 이용하여 2016년과 2017년 하계에 제주 부근해역을 포함하는 동중국해에서 연속적인 표층해양환경 관측을 실시했다(Fig. 2). 첫 번째 관측은 2016년 8월19일부터 9월 22일까지 총 35일 동안 운용했고(Fig. 2a,2b), 두 번째 관측은 2017년 8월 20일부터 9월 20일까지 제주 주변 해역과 이어도 해양과학기지 주변 해역에서 31일간 운용되었다(Fig. 2c, 2d). 연구해역은 최대한 다양한 농도 변화를 관측 할 수 있는 해역으로 선정하였다. 예를 들면, 저온에서 고온, 저농도에서 고농도(엽록소-a, 탁도), 저염에서 고염 등과 같이 관측기간 동안 다양한 변화를 추적할 수 있는 해역을 선정했다. 왜냐하면 연구의 목적이 중국 기원 저염분수 분포 및 영향 분석이기 때문에 저염이 있는 해역과 그렇지 않은 해역 파악하여 차이를 이해하고자 했다. 제주 서귀포 주변 해역에서 진수된 Wave Glider는 제주 서쪽 해역(저염, 고농도 해역)을 먼저 관측을 하고 이후 진수된 해역으로 돌아와서 제주 동쪽 해역(고염, 저농도 해역)을 관측할 수 있도록 설정했다(Fig. 2).
Fig. 2. The spatial distribution in (a, c) salinity (psu) and (b, d) sea surface temperature (SST, ℃) during (a, b) Aug. 19-Sep. 22,2016 and (c, d) Aug. 21-Sep. 2, 2017.
관측 계획 설정 시 유의 사항을 몇 가지 정리 해보면,
1. 새로운 무인체계 장비이기 때문에 관할해역의 해양 경찰 및 해당 어촌계에 관련 내용을 공문으로 전달
2. 자율제어가 가능하지만, 주위 마을 어장 및 그물이 많은 해역은 최대한 조사 해역에서 배제
3. Wave Glider는 선박자동식별장치를 통해서 접근 선박을 회피할 수 있지만, 관측 시간 지연으로 선박의 항해가 많은 해역은 배제하는 것이 관측의 효율성을 높임
2) Wave Glider 활용 연구
Wave Glider의 탑재된 센서들 중에서 기상은 기압, 기온, 풍향, 풍속을 5분 간격으로 관측하여 위성통신을 통하여 전송되고, 해양은 Turner designs의 C3 센서에서 형광, 탁도와 용존유기물을 5분 간격으로 측정하고,Seabird의 CTD는 날개에 장착하여 아표층(8 m)의 수온과 염분 자료를 30분 간격으로 측정했고, 표층의 CTD는 자료의 보정을 위해 따로 설치하고 회수 후에 자료를 분석할 수 있다. 모션센서 및 ADCP(Acoustic Doppler Current Profiler)는 부유체 안에 설치되어 파고, 파향, 유속, 유향 등을 1시간 간격으로 전송한다. 부유체에는 위치 센서를 포함하고 있지만, 각 센서에도 위치센서가 내장되어 있어서 자료 전송 시 위치 자료도 같이 전송되고, 각 센서의 관측 및 전송 주기는 조정이 가능하다. 기본 자료는 실시간 위성 통신을 통해서 전송되고, 원시 자료는 연안 접근 시 CDMA를 통해서 전송하거나 Wave Glider 회수 후에 전체 자료를 다운로드 받을 수 있다.
본 연구에서 Wave Glider는 1~3 kts의 속력으로 표층 해양의 변화를 연속 실시간 관측을 수행하여, 다양한 목적에 활용할 수 있는 자료를 획득할 수 있었다.
1. 광역적(위성) 감시망과 국지적(Wave Glider) 감시망 연계하여 동중국해에서 중국 기원 저염분수의분포 자료(Fig. 2 and 3) 및 고수온 자료 제공(Fig. 4).
2. 광역적(위성 또는 모델) 감시망과 국지적(Wave Glider 또는 현장관측) 감시망 연계 악기상(태풍)관측 및 자료제공(Fig. 5).
동중국해는 북서태평양의 연해로 남쪽으로는 북서 태평양과 연결되고 북쪽에서 황해 및 동해와 연결되어있다. 동중국해의 해수 순환 특징은 북서태평양의 해수를 받아들여 황해와 동해로 공급해 주며, 또한 동중국해의 연안수를 동해와 북서태평양으로 이동시키고, 대륙사면 측에는 쿠로시오와 전선을 형성하고 있으며 대륙붕으로 올라오는 용승작용에 의해 상당한 양의 물질교환이 이루어지는 것으로 알려져 있다(Liu et al., 1992;Chen and Wang, 1999). 그러나 동중국해는 중국 장강에서 유출된 담수가 유입되면서 장강희석수(ChangjiangDiluted Water, CDW)을 형성하게 되고, 특히 하계에는 많은 양의 담수가 동중국해로 유입되면서 제주도를 포함한 광역의 해역으로 유입되면서 하계 동중국해의 해양환경에 영향을 주는 주요한 요인으로 작용하고 있다(Fig. 3; Son et al., 2010, 2012a, 2013). 특히, Park et al.(2011,2015)은 하계 동중국해에서 수온 상승은 기변화에 의한 영향도 있지만 장강희석수에 의해 수온이 상승한 것으로 보고했다.
Fig. 3. The climatological mean values of satellite-derived chlorophyll-a concentration (Chl-a, mg/m3), sea urface temperature(SST, ℃), salinity (psu) and wind direction in the East China Sea during summer season (June -August).
동중국해로 유입되는 담수가 가뭄이나 홍수 등과 같은 극한 현상에 의해 극명하게 달라지고 있는 상황에서 2016년과 2017년 중국 내륙에 홍수로 인하여 상당한 양의 담수가 동중국해로 유입되었다(Son, 2017). 그리고 동중국해에서는 고수온 현상도 같이 발생했다. 이런 시기에 Wave Glider 이용한 관측이 수행되었다(Fig. 2). 두 번의 관측시기 동안에 Wave Glider는 비슷한 시기에 제주 서귀포에서 진수하여 제주 서쪽 해역을 먼저 관측하고 이후 제주 남부를 거처 제주 서쪽 해역을 관측하고 다시 제주 남부로 돌아 왔다. 2016년 하계에 제주 서쪽해역에서는 저염분수(평균 ~28 psu)이면서 고온(평균~29℃)의 수괴가 관측되었고, 제주 동쪽 해역에서는 고염분수(평균 ~33 psu)이지만 수온은 서쪽보다 상대적으로 낮았다(평균 ~27℃). 2016년은 뚜렷하게 저염분수와 고수온과의 관계가 광역(위성) 및 국지적(Wave Glider) 관측에서 나타났다(Fig. 4). 2017는 중국 장강의 방류량이 2016년과 비슷했지만 뚜렷한 저염분수(평균~31 psu)와 고수온 현상이 발견되지 않았다(Fig. 2). 2016년 동중국해에 발생한 고수온 현상과 관련하여 Wave Glider에서 관측된 수온과 염분 자료에서(Figs. 2a, 2b4a), 관측 초기(제주 서쪽 해역)의 수온과 염분은 음의 상관관계를 나타냈다. 이것은 저염분에서 수온이 증가되고, 반대로 다른 해역(제주 남부 및 동쪽 해역)에서는 고염분에서 수온이 증가하는 일반적인 현상이 나타났다. 대마난류의 영향을 받는 해역보다 담수의 영향을 받는 해역에서 수온 상승은 높게 나타났고, 수온 변화도 염분과 음의 관계를 보이는 것은 담수의 영향이 수온 증가와 관계가 있는 것으로 판단된다(Son et al., 2010,2012b; Park et al., 2011, 2015). 구체적인 분석을 위해서 위성자료에서 추정된 수온과 염분(Son et al., 2012)의 공간적 자료를 분석한 결과(Fig. 4b-4d), 고수온 현상이 발견된 해역에서 저염분수가 확장되어 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 자세한 분석 및 연구가 필요하지만, 하계 동중국해에서 발생하는 고수온 현상은 중국에서 기인한 장강희석수가 유입되는 과정에서 해양의 성층화를 강화시키고 이것이 동중국해의 물리적 특성을 변화시키는 것으로 판단된다.
Fig. 4. (a) Comparison between salinity (psu) and sea surface temperature (℃) measured by Wave Glider during Aug. 19-Sep. 22, 2016. The 8-day mean values (Aug. 19-Aug. 26, 2016) of (b) sea surface temperature (℃) and (c) salinity(psu) estimated from MODIS Aqua and GOCI. (d) The relationship between sea surface temperature (℃) and salinity(psu) in the horizontal white line of black box (Fig. 4b and 4c).
Wave Glider는 이동형 부이지만 내구성이 높아서 이를 활용한 연구 중에 악기상(예: 태풍) 관측 연구가 최근에 많이 시도되고 있다(Lenain and Melville, 2014; Mitarai and McWilliams, 2016; http://www.yonhapnews.co.kr/bulletin/2017/09/20/0200000000AKR20170920117200061.HTML?input=1195m). 2016년에 Wave Glider 운용 기간 중에 2개의 태풍이 관측 변 해역에 간접 영향(13호 말로(Malou), 16호 말라카스(Malakas))을 미쳤고, 회수 후에는 18호 태풍 차바(Chaba)가 연구 해역을 관통했으나, 진로와 Wave Glider 이동거리간의 차이로 인하여 실제적인 관측은 이루어지지 못했다(Son, 2017). 2017년 하계는 운용 기간 중에 18호 태풍 탈림(Talim)이 관측 주변 해역을 서에서 동으로 관통하여 일본에 상륙했다. 이 시기에 제주 주변 해역에서 관측 중이던 Wave Glider를 접근해 오는 풍의 진로로 접근시켜서 폭풍권내의 유의파고 9.1 m, 최대풍속 25 m/s 그리고 기압 995 hPa의 악기상을 관측했다(Fig. 5).
Fig. 5. (a) Tracks of Wave Glider (red line) and Typhoon Talim (black line) from Sep. 13-Sep. 17, 2017. (b) Typhoon Talim photo from GOCI (Sep. 17, 2017). Environmental condition measured by Wave Glider during Typhoon Talim for (c) air pressure (hPa), (d) wind speed (kt), (e) significant wave height (SWH, m).
5. 전망
기존의 프로펠러를 사용하는 체계는 시/공간적인 제약을 받는 단점이 있었으나, Wave Glider는 주로 파력에너지를 주요 구동력으로 하여 수개월 간 수천 km의 장거리 운용이 가능한 무인자율해상체계로 연속적이고 실시간 해양환경을 원격으로 관측 할 수 있는 시스템이다. 탑재된 시스템은 통신, 위치확정 및 독자적인 항행 제어 능력을 보유하도록 함으로써 광범위, 원격 해양 표면 온도, 염도, 해류 및 해면 바람, 온도, 습도, 기압 등 환경 매개변수에 대한 실시간 측정을 실현했다. 이 무인체의 이동에 대한 명령은 간단하게 웹에서 가능하며 관측 자료는 위성 통신을 통해 웹 서버에 저장하게 된다. Wave Glider는 현재 기후변화, 수산자원관리, 생지화학, data gateway, 음향, 태풍, 쓰나미 경보 등의 다양한 자료 수집에 활용이 가능하다.
최근 미국을 비롯한 다양한 국가에서 Wave Glider을 포함하여 다양한 수중, 수상 및 위성을 연계하는 무인관측체계를 구상하고 구축 중에 있다. 초기의 무인관측체계는 유선 또는 무선을 이용하여 지속적이고 단순한 작업을 반복하는 체계에서 자동화제어방식이 개발되면서 단순 반복 수행은 가능하게 되었다. 그러나 새로운 환경에 대한 반응이 불가한 단순 제어 방식을 벗어나기 위해 자율제어방식이 개발되면서 변화하는 환경에 따라 운용자의 추가적인 도움 없이 자율적으로 운용이 가능해졌다. 그래서 최근 무인체계는 대부분 자율제어방식을 적용하여 특정작업을 유동적으로 수행하기 때문에 장애물 같은 난관을 자율적으로 극복한다. 최근에는 복잡한 빅데이타를 이용하여 종합적인 자료를 분석하거나 판단 및 결심을 지원하는 인공지능 체계를 이용한 제어방식에 대한 연구도 진행되고 있다.
초기 무인 플랫폼 연구는 미국을 중심으로 집중적인 투자와 개발이 이루어졌으나, 최근 영국, 일본, 중국 등에서도 관련 투자를 시작하고 있다. 연구개발된 각국의 무인 플랫폼을 이용한 해양관측 또한 무인화 해양탐사 자원을 상호 연계하고 표준화하기 위하여 기구 및 프로그램들이 제안되고 구체화되고 있는 추세이다(http://www.i-cool.org/).무인관측체계의 일부 체계는 악기상에서도 관측이 가능하기 때문에 해양환경 감시네트워크를 구축하여 인공위성, 상기 무인관측체계, 육상기지국을 합하여 3차원 관측체계를 구축하여 연속적이고 다목적의 자료를 실시간 제공함으로써 긴급한 사안에 대처하고 유실 없는 자료 제공을 시도하고 있다. 이러한 프로그램을 수행하기 위해 해양오염탐지, 해양, 기상, 음향환경 관측, 수상선박 및 잠수함 탐지, 정밀위치 사출, 수중통신 모뎀 등 핵심기술들에 대한 중점적인 연구들이 진행 중이다. 그리고 전세계적으로 이러한 무인체계는 다양한 방식과 개념으로 개발되면서 기존의 운용 개념을 탈피한 신개념의 무인체계가 지속적으로 개발되고 있어 특정 기준에 따라 분류하는 것은 더 이상 의미가 없어지고 있다.
사사
이 논문은 국립수산과학원 연구사업(R2018047)의 지원을 받아 수행된 연구결과와 2018년 해양수산부의 재원으로 한국해양과학기술진흥원의 지원을 받아 수행된 연구이고(종합해양과학기지 구축 및 활용연구, 국가 해양영토 광역 감시망 구축 기반연구), 한국해양과학술원의 재원으로 지원 받아 수행된 연구이고(PE99614), “해양환경모니터링” 과제에서 지원되었고, 한성대학교 교내연구비 지원(김상현)에 의해서 수행되었다. 그리고 본 연구를 위해 많은 도움을 주신 오션테크㈜ 홍성두 사장님을 비롯하여 이기욱, 문기돈, 김대현, 김승환 연구원님께 다시 한번 감사 드립니다.
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