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연구정보

Korea Institute of Ocean Science & Technology

관할해역에 대한 해저케이블형 해양관측시스템 구축 관련 국제동향

  • 조회 : 8595
  • 등록일 : 2015-08-28
관할해역에 대한 해저케이블형 해양관측시스템 구축 관련 국제동향.pdf 바로보기
관할해역에 대한 해저케이블형 해양관측시스템 구축 관련 국제동향
 

 

관할해역이란 연안국이 주권과 배타적 관할권을 행사하는 내수, 영해, 접속수역, 배타적 경제수역 및 대륙붕을 아우르는 해역을 말한다. 관할해역관리는 곧 해양영토 관리로 경제, 사회, 정치 등 우리나라 주권이 미치는 부속도서 및 배타적 경제수역을 타국 선박의 불법적인 침범행위로부터 보호하기 위한 제반 사항을 포함하며 조기에 불법행위를 탐지하여 국가적인 손실을 사전에 차단하고 해양영토를 보호해야 한다는 점은 아무리 강조해도 지나치지 않을 것이다. 
접경 지역인 남해(이어도 해역), 동해(독도 해역)는 중국 어선이나 적국의 침투가 예상되는 지역인 만큼 불법행위 및 괴선박 침투를 실시간으로 감시할 수 있는 기능을 강화해야 한다. 또한 국가정책 수립 및 수행에 필요한 지구온난화 과정 모니터링, 수산자원 이동경로 모니터링, 쓰나미, 해저지진 및 특이 기상현상 등 자연재해 모니터링 등으로부터 중요한 자료를 실시간으로 수집?분석하여 배포함으로써 국민의 삶의 질을 향상하는 데 기여할 수 있을 것이다.
기존의 해양영토 관리를 위한 관측망 시스템은 점(point) 조사에 국한되어 있는데, 이러한 점 조사는 주로 육지 및 연안에서 이뤄지며, 해양관측부이는 해수유동, 물성 등의 단편적인 모니터링이 주기능이다. 그러나 이러한 감시체계의 효과를 극대화시켜 운용하기 위해서는 수상, 수중, 해저면에서 다각적인 조사가 필요한 시점이다. 

KIOST 관련 연구사업 소개 
2011년 12월 12일, 인천시 옹진군 소청도 남서방 87km 해역에서 실시된 중국어선 나포 작전 중 중국 선원이 휘두른 흉기에 해경 1명이 사망하고 1명이 부상 당하는 사건이 발생했다. 연안국의 주권을 행사할 수 있는 관할해역에서 발생된 이 사건으로 인해 공동 어로구역에서 레이더와 AIS시스템을 활용하여 월경하는 중국 어선단의 불법 어로를 감시해야 할 필요성이 대두되었다. 선박 모니터링 기술 개발은 해상 교통 문화와 선박의 운항환경을 개선하고 충돌 및 해양오염사고 방지에도 기여할 수 있다. 
기존의 점(point) 조사를 벗어나 광역(regional)에서 실시간으로 해양환경 및 선박을 모니터링하려면 관할 해역의 주요 해상거점에서 해양환경의 변화를 정밀한 시간단위로 실시간 관측할 수 있는 기술이 필요하다. 이를 위해 안정적인 관측과 통신이 가능하도록 해양관측부이 기술을 개선해야 한다. 구체적으로는 실시간 관측시스템을 설치하여 장기적이고 광역적 해양관측자료를 획득하는 한편, 세계적인 IT 기술을 보유한 우리나라의 MT & IT 융합을 통해 신기술융합 해양관측시스템을 구축하여 산업적으로 활용해야 할 것이다.
이 기술을 이용하면 관할해역의 주요 어장에 대한 해양환경 자료를 획득하여 수산 자원을 확보하는데 지원이 가능하고, 주요 해역의 어류회유로를 파악하고 보호대책을 수립함으로써 수산자원을 확보할 수 있다. 또한 주요 해역의 해저관측케이블에 장착된 해양/음향 자료를 장기적으로 모니터링하여 수중이동체를 실시간으로 감시하는 등 군사적으로도 활용할 수 있을 것이다. 

바다의 현재 모습을 오롯이 담아내는 센서 
상시적인 모니터링을 위해 개발된 기술들은 다양하다. 대표적인 기술인 해저 음향케이블은 해안 1km 이내에 설치하여 주변 소음을 측정한다. 설치 및 회수가 가능하도록 유연한 구조를 가지는 동시에, 매설 시에도 정상 동작이 가능하도록 해저환경에 대응하여 내해수성, 내수압성, 내수밀성을 갖게 설계 및 제작되었다. 해저 음향케이블의 21개 채널에서 수신된 음향신호는 연결 함체에서 광신호로 변환된 후 광케이블을 통해 음향신호 수신시스템으로 전달된다. 
파고/수온센서 케이블은 해안 1km 이내에 설치하여 실시간으로 파고 및 수온을 측정하도록 설계됐다. 음향케이블과 마찬가지로 자유로이 이동할 수 있고 해저에서도 정상 작동이 가능하도록 바닷물에 강하도록 제작했다.

 

 

그림1. 실시간 음향 케이블 관측 프로그램을 이용한 선박소음의 방향성 탐지
그림1. 실시간 음향 케이블 관측 프로그램을 이용한 선박소음의 방향성 탐지

 

 

그림2. 시간에 따른 파고 변동의 공간적 분포 재현

그림2. 시간에 따른 파고 변동의 공간적 분포 재현

 


선박 추적의 핵심은 레이더와 AIS다. 두 가지 방법으로 수집된 정보를 데이터베이스화하고 모듈 단위로 서로 연계하여 운영함으로써 선박 추적 정보를 통합 운영할 수 있다.
기존의 해양관측용 부이를 활용할 수도 있다. 기존 부이에 부이내부방향센서, 부이위치감시기(watch-dog)와 부이 위치자료를 송신할 수 있도록 이리듐 통신모듈을 설치하면 부이가 상시적으로 바다의 물리적 상태를 전송 가능하다. 이와 별도로 해양 물리환경을 관측하기 위하여 초음파유속계(ADCP), 기상관측 센서, 파랑관측 센서, CTD, 클로로필 센서를 설치하였다. 
이러한 센서들은 2012년~2013년, 국가관할해역의 해양환경 및 수상과 수중의 이동물체를 탐지하기 위한 실시간 모니터링 관측시스템 구축을 목적으로 경북 울진군 동해연구소 연안해역에 시범적으로 적용된 바 있다(그림 1). 한편 다년에 걸친 연구사업(2012~2014)을 통해 시제품의 기계적 강도와 수밀성을 향상시켰으며, 실시간 가시화 프로그램을 개선했다.

 

 

그림3. 울릉도 해역에 설치한 해양 관측시스템 모식도

그림3. 울릉도 해역에 설치한 해양 관측시스템 모식도

 

주요 국제동향

미국 NOAA, 캐나다 등 해양선진국은 해양관측부이를 이용한 연안 해양환경 상시 감시망을 운영하여 해양환경의 장기변동을 예측하고 평가하는데 직접적으로 활용하고 있다.

미국에서는 국립과학재단(NSF) 의 후원으로 '08 년부터 '22년까지 6천억원을 투입하는 대규모 해양관측 프로그램 OOI(Ocean Observatories Initiative) 를 수행 중이며, 해양 및 해저의 물리, 화학, 생물, 지질 환경요소를 관측하기 위해 센서가 장착된 관측망을 구축하였다. 이는 전 지구적·3차원 다중 관측시스템으로 기존의 관측시스템과 차별된다. 캐나다의 경우, 벤쿠버 연안에 해저관측네트워크 프로그램(Neptune)을 가동 중이다.

EU는 2007년부터 지구환경과 안전을 감시하기 위하여 유럽 주변 바다 전체를 연결하는 해저고정관측망 구축 (ESONET) 사업을 2.2억 유로 규모로 추진 중이며, 유럽해사안전청 (EMSA) SAR 위성 2기와 AIS를 이용하여 선박 및 오염을 감시하고 있다(매년 약 1 천억원 예산).

중국은 해양정보 실시간 모니터링, 지진과 해일 등에 관련된 데이터 수집, 항해 및 군사분야에 활용하기 위해 「동중국해 해저관측 네트워크」를 5년 내에 구축할 예정이며, 2단계에 남중국해에도 확대 설치할 계획을 가지고 있다.

미국, 캐나다, 독일, 노르웨이 등은 위성 및 통신기반기술을 통해 밀입국선박 및 불법어로를 감시하고 있으며, 연안 감시를 위해 레이더와 AIS 를 활용하고 있다. 탐지기술은 개발이 거의 완료되었으나 인식기술은 현재 초기 단계이고, 광역 감시를 위해 미국과 독일 등에서는 HF 레이더 연구개발도 많이 이루어지고 있다 .

 



해양 통합관측 및 관리기술 

그림4. Seaweb 모식도

그림4. Seaweb 모식도


Seaweb 프로젝트는 미 해군이 광범위한 연안지역을 실시간으로 감시할 수 있는 수중음향 네트워크 구축을 목표로 1998년부터 현재까지 지속적으로 연구를 수행하고 있다. 이 프로젝트는 미 해군 SNWSC1가 주축이 되고 관련업체(Delphi Comm., Benthos)와 연구소(WHOI2)가 참여하고 있다. PLUSNet 4는 서태평양 연안에서 디젤 엔진을 탑재한 조용한 잠수함을 탐지하고 추적하기 위한 수중음향 네트워크 구축 사업으로, 2005년 5월 ONR5 지원 하에 펜실베이니아 주립대학 주관으로 연구소, 산업체, 대학, 군 등 총 12개 기관이 참여한 가운데 시작되었다. 이 연구는 2008년 5월에 완료되었으며, 총 2,770만 달러의 사업비가 투입되는 대규모 사업이었다.         
    

 

그림5. PLUSNet 모식도
                        
                        
                        

그림5. PLUSNet 모식도


1998년에 MIT9와 MBARI10가 주축이 되고 ONR의 사업비 지원으로 시작된 AOSN11은 실시간 해양관측 네트워크로서 장기간에 걸쳐 넓은 해양에 대한 종합적인 자료를 수집하기 위하여 수중에서 AUV/Glider 및 각종 고정센서 노드들을 무선 네트워크로 연결한다. 채집된 데이터를 육상의 실험실에 실시간으로 전송하기 위한 네트워크를 구축하는 것을 목표로 시작된 이 사업은 2000년에 AOSN II, 그리고 2006년부터는 AOSN III 프로젝트가 지속적으로 수행되고 있다.
    
    
    
    

 

그림6. AOSN 모식도
                        
                        
                        
                        

그림6. AOSN 모식도


NEPTUNE12은 센서 지정, 명령, 제어 등을 비롯하여 파일전송, 데이터 스트리밍, 비디오 스트리밍 등, 수중에서 인터넷에 연결할 수 있는 고속 광대역 통신 플랫폼을 제공하기 위한 해저 관측기지용 네트워크이다. 1998년 NOPP13에서 NEPTUNE에 대한 타당성 연구가 있었으며, 2000년 NSF14의 지원으로 WHOI에서 NEPTUNE의 통신부분에 대한 과제를 수행하였다.
    
    
    
    
    
    

 

그림7. NEPTUNE의 배치 위치(왼쪽)와 구동 모식도(오른쪽)
                        
                        

그림7. NEPTUNE의 배치 위치(왼쪽)와 구동 모식도(오른쪽)


해저음향케이블을 이용한 환경탐지 기술 
국외의 국방용 음향 시스템 연구현황 및 기술 수준은 대부분 국가안보에 관련되어 있어 대외적으로 알려진 사항은 극히 일부분에 불과하다. 국내의 음향탐지 시스템은 주로 수중표적 탐지 및 연안 항만방어 시스템 구축 분야에 응용되어 운영되고 있는 것으로 알려지고 있다. 그러나 외국 선진국과는 달리 특정 연안지역에 한정되어 있어 해양영토 관리 측면에서 활용하기는 불가능한 상황이다. 
미국과 유럽연합(EU)은 연안해역 해저에 설치된 각각의 IER, SOSUS와 같은 국방용 광역 감시망을 운용하여 해양영토 관리에 활용하고 있다. 일본의 경우에도 광역 해양영토 감시체계가 운용되고 있으나, 이에 대한 대외적인 자료는 발표되고 있지 않다. 
해양 선진국에서 운용중인 해양 광역감시 체계는 자국의 EEZ를 중심으로 운용되고 있으며, 대상해역에서 관측되는 연속적인 실시간 자료는 외형적으로 순수 해양환경 연구에 활용되고 있으나, 최종 자료결과는 해양영토 관리에 직접적으로 이용되고 있다. 

 

그림8. OOI 해저관측 케이블

그림8. OOI 해저관측 케이블

 


 


지진 관측기술 
지진관측은 지구내부를 이해하고 지진발생 현황과 지진으로 인한 유해성/위해성 연구를 목적으로 수행한다. 지진관측은 주로 육상에 지진관측기를 설치하여 수행되고 있어, 지구표면의 3분의 2를 차지하는 해저의 지하구조와 해양에서 발생하는 지진의 규모, 시간, 장소 등 지진발생 현황, 그 원인 및 결과에 대한 이해는 매우 미비한 실정이다. 그러나 일단 지진자료를 해저에서 관측할 수 있는 여건이 확보된다면, 육상에 비하여 인위적 잡음이 적으므로 양질의 자료를 기대할 수 있다. 
해저면 지진계(OBS21)는 해저에서 지진을 관측하기 위한 장비이다. 종류를 구분해보면, 일정 기간 해저에서 데이터를 수록한 후 수거되는 자기부상식 해저면 지진계와 해저케이블을 이용해 전원을 공급하고 데이터를 전송하는 온라인/실시간 관측 해저면 지진계가 있다. 이 두 종류의 지진계는 상호 보완적으로 운영되는 경우가 많다. 케이블식 해저 지진계는 실시간 전원공급과 자료의 송수신이 자유롭기 때문에 실시간 지진감시를 위해서 반드시 필요하지만, 설치 초기비용이 막대하게 투입되며 일단 설치되면 관측점 이동이 어렵다는 취약점이 있다. 이에 반해 자기부상식 지진계는 케이블식 해저지진계에 비하여 투자비용이 매우 저렴하고 이동이 용이한 장점이 있는 반면, 실시간 지진감시가 불가능한 단점이 있다. 그러므로 케이블식 지진계를 설계하는 과정에서 최적의 관측점을 선택하고, 관측 예정지역의 주변잡음 상태를 파악하며, 관측소 설치 시 기대효과를 검증해야 한다. 그리고 지진관련 연구목적으로 자기부상식 지진계를 설치/운영하는 것이 반드시 필요하다. 

 

그림9. 해저면 지진계(OSB)

그림9. 해저면 지진계(OSB)

 

 

해양관측 부이 응용 기술 
2005년 2월 벨기에 브뤼셀에서 개최된 제3차 지구관측정상회의에서 인류의 이익을 위해 포괄적, 통합적 그리고 지속적으로 지구를 관측하기 위한 지구관측시스템(GEOSS22)의 10년 실행계획이 채택되어 지구관측시스템이 실행단계에 도달했다. GOOS의 주요 임무는 해양관련 문제들을 다루기 위해 체계적으로 해양자료를 취득하고 전파하는 통합 네트워크를 개발하여 정부, 기업, 과학계, 일반 국민이 요구하는 해양정보를 제공하는 시스템을 구축하는 것이다.

 

그림10. GOOS 프로그램

그림10. GOOS 프로그램


ARGO25 사업은 세계기상기구(WMO26) 및 국가간 해양과학위원회(IOC)의 국제공동 프로그램으로 시공간적인 해양의 수온, 염분 및 해류를 실시간에 준하여 감시하고 체계적으로 관측하고 있다. 우리나라에서는 기상청 국립기상연구소와 한국해양과학기술원이 참여하고 있다. 
ARGO 플로트는 일정한 수심까지 잠수하도록 설계되어 그 수심에서 해류를 따라 일정기간 표류하다가 플로트 내부의 동력에 의해 표층으로 부상하면서 수온과 염분을 연속적으로 관측하고, 기록된 모든 정보를 ARGO 위성에 송신한다. 플로트에서 관측된 자료는 ARGO 센터로 보내져서 즉시 자료처리 과정을 거친 후 ARGO 사업 참여국가에 GTS30, FTP31, e-mail 등 다양한 방법으로 전송된다. 
    

 

그림11. ARGO 부이 관측 시스템(왼쪽)과 ARGO 부이 위치(오른쪽)

그림11. ARGO 부이 관측 시스템(왼쪽)과 ARGO 부이 위치(오른쪽)


 

ARGO 사업의 목적은 전 지구에 대한 실시간 해양 감시망 구축, 해양 상층부 열교환량 및 열용량 분석, 해양/대기 예측모델의 초기자료 확보, 해양역학 모델 및 자료동화 시스템 검증이다. ARGO 자료는 기후예측 모델의 초기조건, 위성에서 관측된 해양자료 검증, 해양에서 기후변화에 영향을 주는 인자를 밝히는데 활용되고 있다.

 

인공위성 이용 해수면 탐사 기술 
인공위성을 이용한 해수면 탐사는 선박이나 항공기를 이용하는 직접탐사 방식에 쓰이는 시간과 비용을 절감하기 위한 한 방법으로 사용된다. 인공위성을 이용한 원격탐사는 단일촬영으로 비교적 넓은 영역의 이차원 데이터를 얻을 수 있으며, 같은 영역을 주기적으로 관측할 수 있어 그 결과를 분석하면 관심영역의 목표물을 상시 감시할 수 있다.
해수면 탐사로 얻고자 하는 정보는 크게 인공정보와 자연정보로 구분할 수 있다. 인공적인 정보는 인공위성이 관측한 영역 내에서 활동하는 수상 및 수중 이동체에 관한 정보(수상 및 수중 이동체의 위치, 속도, 진행방향, 제원 등)와 해양오염 인자에 대한 감시활동(수상 오염물질 유출 등)이 있다. 자연정보로는 해당 감시영역 해수면의 물리적인 특성을 감시하는 것으로 해상풍, 파랑, 해류, 내부파의 물리적인 특성과 시간에 따라 변화하는 값 등이 있다. 근래에는 인공위성 촬영 데이터에서 얻을 수 있는 내부파의 특성을 이용하여 수중 이동물체를 확인하는 수준에까지 도달하고 있다. 
위성데이터를 이용하여 수상 및 수중 이동체의 정보를 추출하는 기술은 현재 여러 국가에서 개발 중이거나 실무에 적용하기 시작하는 단계로, 수상 및 수중 이동체의 안전은 물론 오염사고에 대비할 수 있는 가장 효율적인 방법 중의 하나로 인식되고 있다. 수상 및 수중 이동체 정보분석에는 광학위성 데이터와 레이더위성 데이터를 이용한다. 가장 이상적인 방법은 광학 데이터와 레이더 데이터를 동시에 이용하여 분석하는 것으로, 현재 이 두 가지 종류의 위성 데이터를 동시에 사용하면 관심영역의 수상 및 수중 이동체 식별확률이 90% 이상에 이른다. 
수상 및 수중 이동체 식별과 함께 중요하게 고려되는 사항은 수상 오염물질 유출과 같은 해상오염을 감시하는 것이다. 해난사고는 조기에 발견하여 방재활동을 수행해야 하는데, 이를 위한 주요 수단으로 해양위성을 활용한 감시가 선택되고 있다. 주기적으로 관측된 위성 데이터를 분석하면 오염원, 오염의 확산방향 및 면적 등을 산출할 수 있다. 또한 이들 오염원의 이동은 해수면의 물리적인 특성인 해상풍, 해류, 조류 등에 따라 변화하므로 해수면의 물리적인 특성도 동시에 분석해야 하기 때문에 이에 대한 연구도 진행되고 있다. 
해외의 수상 및 수중 이동체 감시 기술은 주로 선진국과 바다로 둘러싸인 국가를 중심으로 발전해오고 있다. 레이더 데이터를 이용하여 수상 및 수중 이동체의 위치를 파악하는 분야의 연구가 가장 활발하고, 그 외 속도, 항적, 운항정보와 부가정보 탐지 분야에 대한 연구를 수행하고 있다. 노르웨이는 ESA32의 위성을 이용하여 수상 및 수중 이동체 탐지를 수행 중이며, 캐나다는 자체 보유하고 있는 RADARSAT33 위성을 이용하여 해수면 감시모듈을 개발하였다. 호주와 뉴질랜드와 같은 국가는 농림부, 이민국, 환경부, 연방경찰 등의 수요를 충족시키기 위해서 수상 및 수중 이동체 정보 및 해수면 정보를 제공하고 있다. 일본도 자체 보유중인 위성을 이용하여 레이더 데이터로부터 수상 및 수중 이동체의 위치, 항적, 유출된 수상 오염물질의 특성을 원격으로 탐지하는 알고리듬 연구를 수행 중이며, 제3기 과학기술기본계획(2006~2012)년에 해양 불법침입 탐지기술 개발 항목이 반영되어, 본격적으로 해수면을 감시하고 있는데, 주된 감시 대상은 한국과 북한의 수상 및 수중 이동체일 것으로 추정된다. 

 


KIOST 연구사업에 미치는 영향 
해양과학기술원은 ‘관할 해역의 과학적 관리기반 구축’, ‘해양자원 개발이용’, ‘해양환경보전’, ‘해양 안전운송 기술 개발’ 등의 미션(Mission)에 부합된 연구를 진행하고 있다. 본 연구는 우리 기술원의 미션 중 하나인 '관할 해역의 과학적 관리기반 구축‘에 부합되므로 이에 따른 다각적인 연구 활동이 필요하다. 실시간 해양환경 모니터링 기술은 한국해양과학기술원의 고유 기능 중 해양환경 관리와 보전을 위한 기술개발의 핵심 기술이며, 선박모니터링 시스템 구축을 통해 관할해역의 실시간 감시체계 마련에 기여하고 있다. 해저케이블 설치 등 해양환경에 대한 다각적인 연구 활동을 실시하고 획득한 자료는 MT & IT의 융합 기술로 실시간으로 연구자에게 보내져 관할 해역에 대한 체계적인 이용 및 관리방안을 제시 할 수 있다. 향후 해저관측케이블을 설치, 운용이 가능한 해역은 울릉도-독도 간 해역이 가장 적합하다고 판단되며, 다양한 목적(해양환경 관측, 수중감시, 지진관측 등)을 위해 설치 및 운용할 필요가 있다. 

 

그림12. 울릉도-독도 해저관측케이블 설치 모식도

그림12. 울릉도-독도 해저관측케이블 설치 모식도

 

 


최복경 해양안전연구센터 센터장

 

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국제협력부
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051-664-9055
최종수정일 :
2021-02-17