KR20090069535A - 수중-수상 연계 통신 플랫폼 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수중-수상 연계 통신 플랫폼에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수상에서 승조원이 탑승함이 없이 자율적으로 운항하거나 혹은 고정된 위치를 유지하면서 수중탐사선단과 모선 혹은 수중탐사선단과 육상제어실과의 통신을 중계하는 수중-수상 연계 통신 플랫폼에 관한 것이다.

심해탐사, 자율무인잠수정, 수중탐사선단

Description

수중-수상 연계 통신 플랫폼{unmanned surface vehicle to support AUV fleet}

본 발명은 수중-수상 연계 통신 플랫폼에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수상에서 승조원이 탑승함이 없이 자율적으로 운항하거나 혹은 고정된 위치를 유지하면서 수중탐사선단과 모선 혹은 수중탐사선단과 육상제어실과의 통신을 중계하는 수중-수상 연계 통신 플랫폼에 관한 것이다.

1. 서언

지구의 71퍼센트는 바다이고 지구의 60퍼센트는 1천5백미터 이상인 심해이다. 심해는 엄청난 자원의 보고이며 지구과학의 많은 문제에 대한 해답의 실마리를 제공할 것으로 기대된다. 하지만 심해는 수심 10미터 증가에 1기압씩 압력이 증가하여 수심 6천미터에서는 6백기압이 작용하는 초고압 극한 조건이 된다. 게다가 바다는 수시로 변하여 빛과 전파가 수중을 통하기 어려우므로 육상에서 통용되는 기술이 수중세계에 직접 적용될 수 없다. 우주개발이 실현되는 첨단 과학기술로도 심해는 미지 세계로 남아 있다.

심해탐사를 위하여 여러 나라가 끊임없이 도전하였고 가시적인 성과를 일부 분 얻었다. 무인잠수정은 심해탐사와 심해환경 조사를 위하여 심해 현장에 실제로 투입되어 시료를 채취하고 분석하는 필수적인 핵심장비이다. 이들은 현재 첨단기술이 접목된 무인잠수정과 해양계측장비 개발에 열중하고 있다.

2. 심해무인잠수정의 활용분야

일반적으로 2백미터 이상의 깊은 바다에는 햇빛이 전달되지 못한다. 따라서 심해에는 생명체가 살기 힘든 환경이며 5백미터 이상의 수심에서는 생명체가 거의 없는 것으로 알려져 왔다. 하지만 심해에도 우리에게 익숙한 형태의 심해생물을 비롯하여 희귀한 생명체들이 사는 것이 심해탐사로 밝혀졌다. 해양생물학자들은 이러한 생명체가 열악한 환경에서 어떻게 생존하며 생태계를 형성하고 있는가에 대한 연구를 수행하고 있다.

일례로 심해에는 열수분출구가 해저 화산대를 따라 곳곳에 산재해 있다. 열수분출구에서 솟아나는 먹구름 형태의 용출수는 350도 이상으로 뜨겁다. 이 주변에 새우, 게, 조개와 함께 관벌레가 대단위 군락을 이루며 산다. 관벌레에는 열수분출구에서 나오는 황화물을 화학적으로 분해하여 영양분을 공급하는 박테리아가 공생한다. 통상적으로 70도 이상에서는 박테리아가 살 수 없으나 이 박테리아는 열을 차단하는 물질이 있었다. 심해생물학자들은 유인잠수정과 무인잠수정을 이용하여 지금까지 밝혀지지 않았던 새로운 생명체를 약 500여종 발견하였다. 이들은 유전자 분석을 통하여 심해생물의 게놈 지도를 만들고 있으며, 고온에 견디는 박테리아를 연구하여 신물질 개발과 의학, 생물학, 생명공학에 활용하는 연구에 박차를 가하고 있다. 또한 인류의 생성기원에 관한 연구와 우주의 다른 행성에서도 화학합성에 의해서 생명체가 존재할 가능성에 대한 연구가 진행 중이다.

해양지질학자들은 해저지각구조를 연구하고 해저지하자원을 탐사하고 해저지각 이동량을 계측하여 지진발생을 예측한다. 심해무인잠수정은 해저면을 시추하여 시료를 얻고 로봇팔을 이용하여 케이블을 해저에 매설하고 해저암석을 채취하기도 한다. 지금까지 해저 지하자원의 매장량 추정은 원격으로 탐사되었으나 정밀한 측정을 위해서는 무인잠수정이 필요하다. 무인잠수정은 해저면에 근접해서 초정밀 중력계로 미소중력변화를 측정하여 자원 매장량을 정확히 추정할 수 있다.

또한 심해무인잠수정은 해저에 침몰한 선박의 발굴에도 활용된다. 영화로도 잘 알려진 비운의 타이타닉호가 대서양에서 침몰한 후 73년이 지난 1985년에 다시 세상에 알려지기까지는 해양탐사기술과 잠수정기술이 발전하였기에 가능하였다. 미국 후즈홀 해양연구소의 로버트 밸러드 박사는 썰매 형태의 아르고라는 무인잠수정에 해저를 관측할 수 있는 수중음향탐지기와 카메라를 설치하고, 길게 늘어뜨린 케이블에 아르고를 연결하고 예인하는 방법으로 해저를 관측하여 3810미터 해저에 숨어 있는 타이타닉호를 발견하였다. 또한 밸러드 박사는 유인잠수정과 유인잠수정에서 발진하는 제이슨 주니어라는 소형의 원격조종 무인잠수정을 이용하여 타이타닉호의 선실 내부까지 정밀하게 탐사하였다.

3. 무인잠수정의 발전현황

최초의 무인잠수정은 1953년 드미트리 레비코프가 제작한 것으로 케이블이 연결된 무인잠수정 푸들이다. 1966년에 비행기 사고로 해저에 분실한 원자폭탄을 회수하고 1968년 침몰한 구소련 잠수함을 찾아 인양하면서 심해탐사장비와 잠수정 기술이 급속도로 발전하였다. 중동전쟁의 여파로 촉발된 석유파동을 겪으면서 70년대 말부터 연근해의 해저유전이 개발되었으며, 이와 더불어 해저작업이 가능한 상업용 무인잠수정 개발이 이루어지기 시작하였다. 80년대에는 컴퓨터 기술의 발전에 힘입어 무인잠수정의 기능이 다양화되었다. 이 시기에 자체 지능을 보유한 무인잠수정이 출현하였다. 미국을 비롯하여 프랑스, 영국, 캐나다, 일본, 러시아, 노르웨이, 스웨덴, 이태리, 독일, 호주, 중국 등이 무인잠수정을 개발하기 시작하였으며, 최근에는 6천미터 심해를 탐사하는 다양한 형태의 무인잠수정이 선보였다.

미국 우즈홀 해양연구소(WHOI)는 90년대 초반에 6천미터를 탐사할 수 있는 심해무인잠수정 Jason과 Medea를 개발한 이후에 2002년에 6천5백미터 수심을 탐사할 수 있는 Jason Ⅱ를 개발하였다. 일본해양연구센터(JAMSTEC)는 마리아나 해구를 조사할 목적으로 1997년에 1만1천미터 수심을 탐사할 수 있는 심해무인잠수정 Kaiko를 개발하였다. 한편, 프랑스 해양연구소는 1997년에 6천미터급 작업용 무인잠수정 Vitor6000을 개발하였다.

우리나라는 선진해양국에 비하여 무인잠수정 개발에 늦게 뛰어 들었다. 하지만 세계최고의 선박건조기술을 바탕으로 해양장비기술과 무인잠수정 기술을 꾸준히 발전시키고 있다. 국내에서 무인잠수정은 1993년에 한국해양연구원이 해저탐사를 위한 무인잠수정 CROV300을 개발한 것이 처음이다. (주)대우조선해양이 1996년에 해저를 탐사할 수 있는 자율항해무인잠수정 Okpo6000을 개발하였고, 한국해양연구 원이 1997년에 수중항주체의 제어시스템 연구를 위한 시험용 자율항해무인잠수정 보람호를 개발하였다. 2003년에는 민군겸용으로 사용할 수 있는 반자율항해 무인잠수정 SAUV가 한국해양연구원과 (주)대양전기 공동으로 개발되었다.

4. 수중탐사선단의 항법과 통신 제어

여러 대의 자율무인잠수정을 이용한 수중탐사선단은 국내에서는 그 전례를 살펴보기가 힘들다. 외국의 경우 수중탐사선단이 운용되고 있는 경우가 있기는 하나, 아직 항법 및 통신 문제로 기초 수준에 불과하다. 모선에서 위치 및 통신이 지원되지 않는 경우 자율무인잠수정 단독 오퍼레이션 가능 시간은 약 8시간으로 그 이후에는 항법 누적 오차로 인해 임무 수행이 불가능해진다.

수중탐사선단의 항법과 통신을 위하여 기존에는 자동 위치 기능을 갖는 모선(자동 위치 유지 기능을 가진 선박의 경우 대체로 용선료가 고가임. 예를 들면, 온누리호 1000만원/일)을 대여하여 탐사선단의 위에서 모선이 따라가면서 탐사선단의 위치를 제공해 주어야 하므로, 모선의 용선료 비용이 상당히 부담되고 있다. 또한, 모선을 탐사선단의 지원 기능을 위하여 사용할 경우 비용 이외에도 은닉성 측면에서도 불리한 면이 있다. 한편, 수중 음향 통신과 수상 RF 통신을 연계하는 장비에는 프로세서를 탑재한 부이도 있을 수가 있으나, 해양 탐사선단의 경우 넓은 영역을 탐사해야 하기 때문에 자체적인 운항 성능을 가지지 못한 단순한 수중과 수상의 연계는 적용 범위가 수중 통신의 가능 거리에 의해 제약된다고 볼 수 있다.

따라서 자율 운항 능력과 자동 위치 유지 기능을 갖는 전혀 새로운 차원의 수중-수상 연계 통신 플랫폼의 개발이 요청되고 있는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 자율 운항 능력과 자동 위치 유지 기능을 갖는 전혀 새로운 차원의 수중-수상 연계 통신 플랫폼을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 기타 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 이는 본 발명의 청구범위에 기재된 사항 및 그 실시예의 개시 내용뿐만 아니라, 이들로부터 용이하게 추고할 수 있는 범위 내의 수단 및 조합에 의해 보다 넓은 범위로 포섭될 것임을 첨언한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 수상에서 승조원이 탑승함이 없이 자율적으로 운항하거나 혹은 고정된 위치를 유지하면서 수중탐사선단과 모선 혹은 수중탐사선단과 육상제어실과의 통신을 중계하는 수중-수상 연계 통신 플랫폼으로서, 수중에서의 통신 및 위치 추적 시퀀스를 제어하기 위한 수중통신모뎀; 수상에서의 통신 및 위치 추적 시퀀스를 제어하기 위한 20cm급 GPS 및 안테나; 및 모선과의 통신을 수행하기 위한 RF 안테나 및 무선랜 안테나를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 수중-수상 연계 통신 플랫폼을 제시한다.

본 발명에 따른 수중-수상 연계 통신 플랫폼이 도입되면 모선의 용선료 비용이 필요 없게 되므로 경제적·효율적인 탐사가 가능해진다. 또한, 본 발명에 따른 수중-수상 연계 통신 플랫폼의 경우 파랑 중에서 사용될 수 있으며, 소형이기 때문에 비밀스러운 임무에 단독 혹은 탐사선단과 연계하여 투입이 가능하다. 또한, 본 발명에 따른 수중-수상 연계 통신 플랫폼은 넓은 영역을 탐사해야 하는 해양 탐사선단의 수중-수상 통신 연계가 가능하다.

본 발명의 다른 효과는, 이상에서 설명한 실시예 및 본 발명의 청구범위에 기재된 사항뿐만 아니라, 이들로부터 용이하게 추고할 수 있는 범위 내에서 발생할 수 있는 효과 및 산업 발전에 기여하는 잠정적 장점의 가능성들에 의해 보다 넓은 범위로 포섭될 것임을 첨언한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.

본 발명에 따른 수중-수상 연계 통신 플랫폼은 촬영한 이미지를 무선 통신을 통하여 모선에 전송함으로써 모선에서 운항 상황을 실시간으로 모니터링 할 수 있도록 하는 카메라를 추가로 장착하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 수중-수상 연계 통신 플랫폼은 해저면의 초음파 영상 을 촬영할 수 있는 측면주사소나를 추가로 장착하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 수중-수상 연계 통신 플랫폼은 야간에도 고화질 영상의 취득이 가능하도록 하는 적외선 카메라를 추가로 장착하는 것이 바람직하다.

이하에서는 본 발명에 따른 수중-수상 연계 통신 플랫폼이 자율적으로 운항하거나 혹은 고정된 위치를 유지하면서 수중탐사선단과 모선 혹은 수중탐사선단과 육상제어실과의 통신을 중계하는 과정에 대하여 상세히 설명한다(도 1 및 도 2 참조).

수중탐사선단의 위치 추적은 장기선(Long base line)을 이용하여 각각 이루어진다. 이때 여러 대의 자율무인잠수정의 위치를 추적하기 위해서는 수중 음향 신호 간에 간섭을 방지할 필요가 있는데, 이를 위하여 수중-수상 연계 통신 플랫폼에 탑재되어 있는 수중통신모뎀을 사용하여 위치 추적 시퀀스를 제어한다.

자율무인잠수정은 각기 추적된 스스로의 위치를 계산하여 수중에 송출(broadcasting)한다. 수중-수상 연계 통신 플랫폼에서는 송출된 자율무인잠수정의 위치를 수중-수상 연계 통신플랫폼에 탑재된 수중통신모뎀을 통하여 수집하여 수중탐사선단의 위치 중심을 계산하고, 그 위치 중심의 상부에 수중-수상 연계 통신 플랫폼이 위치하도록 자동위치유지 및 자율운항 제어를 수행한다.

수중-수상 연계 통신 플랫폼에서는 수중탐사선단의 중심부 위치 및 각 자율무인잠수정의 위치를 RF 통신을 사용하여 모선에 보고한다. 모선에서는 약속된 시나리오대로 자율무인잠수정 탐사선단이 잘 움직이고 있는지를 모니터링 한다.

모선에서는 모니터링 과정에서 이상이 발생하거나 새로운 임무를 부여할 필요가 있을 경우 RF 통신을 통하여 새로운 명령을 수중-수상 연계 통신 플랫폼에 전송한다. 수중-수상 연계 통신 플랫폼은 이를 수신하여 다시 수중통신모뎀을 통하여 수중에 송출함으로써 각 자율무인잠수정에게 다른 임무를 수행하라는 프로토콜을 전송한다. 각 자율무인잠수정은 프로토콜 수신 후 프로토콜에 맞는 임무를 수행한다.

한편, 본 발명에 따른 수중-수상 연계 통신 플랫폼은 쌍동선의 형상을 갖는 것이 바람직하다(도 3 및 도 4 참조). 왜냐하면, 쌍동선은 양 측면에 위치한 두 개의 주추진기에서 동일한 추력을 발생시켜 뛰어난 직진 성능을 유지할 수 있을 뿐만 아니라 양 측면에 위치한 두 개의 주추진기에서 서로 반대의 추력을 발생시켜 제자리에서의 원활한 회전이 가능하게 할 수도 있어, 본 발명에 따른 수중-수상 연계 통신 플랫폼의 운항 및 통신 성능을 보다 향상시킬 수 있기 때문이다.

도 5에는 본 발명에 따른 수중-수상 연계 통신 플랫폼의 모형으로 직진 성능 테스트를 하는 장면이, 도 6 및 도 7에는 본 발명에 따른 수중-수상 연계 통신 플랫폼의 모형으로 회전 성능 테스트를 하는 장면이 나타나 있는데, 실시예에서는 쌍동선 형상을 갖는 수중-수상 연계 통신 플랫폼이 직진 성능이나 회전 성능의 면에서 모두 뛰어남을 확인할 수 있었다.

또한, 본 발명에 따른 수중-수상 연계 통신 플랫폼은 수면 위 몸체가 방수가 될 수 있도록 밀폐된 형상을 갖는 것이 바람직하다(도 3 및 도 4 참조). 왜냐하면, 본 발명에 따른 수중-수상 연계 통신 플랫폼은 파랑 중에서도 사용될 수 있어야 하므로, 이 경우 수중-수상 연계 통신 플랫폼에 장착된 각종 통신 장비가 물에 의하여 손상되는 것을 방지할 필요가 있기 때문이다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 수중-수상 연계 통신 플랫폼이 작동하는 상황에 대한 개념도이다.

도 2는 본 발명에 따른 수중-수상 연계 통신 플랫폼의 작동 원리 및 기능을 나타내는 블럭도이다.

도 3은 본 발명에 따른 수중-수상 연계 통신 플랫폼의 형상을 나타내는 사시도이다.

도 4는 본 발명에 따른 수중-수상 연계 통신 플랫폼의 형상을 나타내는 General Arrangement이다.

도 5는 본 발명에 따른 수중-수상 연계 통신 플랫폼의 모형으로 직진 성능 테스트를 하는 장면이다.

도 6은 본 발명에 따른 수중-수상 연계 통신 플랫폼의 모형으로 회전(제자리에서 회전, Pure rotation) 성능 테스트를 하는 장면이다.

도 7은 본 발명에 따른 수중-수상 연계 통신 플랫폼의 모형으로 회전(직진구동 중 회전, Turning) 성능 테스트를 하는 장면이다.

Claims (6)

1. 수상에서 승조원이 탑승함이 없이 자율적으로 운항하거나 혹은 고정된 위치를 유지하면서 수중탐사선단과 모선 혹은 수중탐사선단과 육상제어실과의 통신을 중계하는 수중-수상 연계 통신 플랫폼으로서,

   수중에서의 통신 및 위치 추적 시퀀스를 제어하기 위한 수중통신모뎀;

   수상에서의 통신 및 위치 추적 시퀀스를 제어하기 위한 20cm급 GPS 및 안테나; 및

   모선과의 통신을 수행하기 위한 RF 안테나 및 무선랜 안테나

   를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 수중-수상 연계 통신 플랫폼.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 수중-수상 연계 통신 플랫폼은,

   촬영한 이미지를 무선 통신을 통하여 모선에 전송함으로써 모선에서 운항 상황을 실시간으로 모니터링 할 수 있도록 하는 카메라를 추가로 장착하는 것을 특징으로 하는 자율운항 무인선.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 수중-수상 연계 통신 플랫폼은,

   해저면의 초음파 영상을 촬영할 수 있는 측면주사소나를 추가로 장착하는 것 을 특징으로 하는 자율운항 무인선.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 수중-수상 연계 통신 플랫폼은,

   야간에도 고화질 영상의 취득이 가능하도록 하는 적외선 카메라를 추가로 장착하는 것을 특징으로 하는 자율운항 무인선.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 수중-수상 연계 통신 플랫폼은,

   쌍동선의 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 자율운항 무인선.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 수중-수상 연계 통신 플랫폼은,

   수면 위 몸체가 방수가 될 수 있도록 밀폐된 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 자율운항 무인선.

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