[논문]무인해상자율로봇(Wave Glider)을 이용한 해양관측 현황

손영백; 모태준; 정섬규; 황재동; 오현주; 김상현; 유주형; 조진형

doi:10.7780/kjrs.2018.34.2.2.9

무인해상자율로봇(Wave Glider)을 이용한 해양관측 현황
Status of Ocean Observation using Wave Glider 원문보기

대한원격탐사학회지 = Korean journal of remote sensing, v.34 no.2 pt.2, 2018년, pp.419 - 429

손영백 (한국해양과학기술원 제주특성연구실) , 모태준 (한국해양과학기술원 해양방위연구센터) , 정섬규 (한국해양과학기술원 해양방위연구센터) , 황재동 (국립수산과학원 해양 기후생태계연구센터) , 오현주 (국립수산과학원 해양 기후생태계연구센터) , 김상현 (한성대학교 공과대학 기계시스템공학과) , 유주형 (한국해양과학기술원 해양위성센터) , 조진형 (한국해양과학기술원 해양방위연구센터)

초록
AI-Helper

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 자율적으로 이동하는 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.

Abstract ▼ AI-Helper

An unmanned autonomous maritime surface system can move the vehicle to the areas for observing the ocean accidents, disasters, and severe weather conditions. Detection and monitoring technologies have been developed by the converging of the regional and local surveillance system. Wave Glider, one of the autonomous maritime surface systems, is ocean-wave propelled autonomous surface vehicle and controlled using Iridium satellite communication. In this study, we carried out two-time Wave Glider observations for 2016 and 2017 summer in the East China Sea that the area was influenced by low-salinity water. We observed the sea surface warming effect due to the low-salinity water using the regional (satellite) and local (Wave Glider) surveillance system. We also monitored the effect of the typhoon and understood the change of the ocean-atmosphere environments in real-time. New unmanned surface system with autonomous system and high endurance structure can measure comprehensively and usefully a long observation in complicated ocean environments because of connecting with other surveillance systems.

주제어

표/그림 (4)

그림 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).
표 Table 1. Liquid Robotics Wave Glider specifications for SV2 and SV3
그림 Fig. 2. The spatial distribution in (a, c) salinity (psu) and (b, d) sea surface temperature (SST, °C) during (a, b) Aug. 19-Sep. 22, 2016 and (c, d) Aug. 21-Sep. 2, 2017.
그림 Fig. 3. The climatological mean values of satellite-derived chlorophyll-a concentration (Chl-a, mg/m³), sea surface temperature (SST, °C), salinity (psu) and wind direction in the East China Sea during summer season (June -August).

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

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.
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 저염분수의 분포 및 영향 분석이기 때문에 저염이 있는 해역과 그렇지 않은 해역을 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.

제안 방법

1. 광역적(위성) 감시망과 국지적(Wave Glider) 감시망 연계하여 동중국해에서 중국 기원 저염분수의분포 자료(Fig. 2 and 3) 및 고수온 자료 제공(Fig. 4).
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.
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).
최근에 개발된 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.
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 Glider를접근해 오는 태풍의 진로로 접근시켜서 폭풍권내의 유의파고 9.1 m, 최대풍속 25 m/s 그리고 기압 995 hPa의 악기상을 관측했다(Fig. 5).
왜냐하면 연구의 목적이 중국 기원 저염분수의 분포 및 영향 분석이기 때문에 저염이 있는 해역과 그렇지 않은 해역을 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).
기존의 프로펠러를 사용하는 체계는 시/공간적인 제약을 받는 단점이 있었으나, Wave Glider는 주로 파력에너지를 주요 구동력으로 하여 수개월 간수천 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. 이무인체의 이동에 대한 명령은 간단하게 웹에서 가능하며 관측 자료는 위성 통신을 통해 웹 서버에 저장하게 된다.

대상 데이터

본 연구에서 Wave Glider는 1~3 kts의 속력으로 표층 해양의 변화를 연속 실시간 관측을 수행하여, 다양한 목적에 활용할 수 있는 자료를 획득할 수 있었다.
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.
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.
, 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.

성능/효과

, 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.
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).

후속연구

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.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	해양관측 체계 중 무인체계의 의미는?	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.
	수중에 위치하는 글라이더의 장점은?	, 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.
	해상무인체계의 의미와 구분은?	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.

참고문헌 (21)

Chen, C.T.A. and S.L. Wang, 1999. Carbon, alkalinity and nutrient budgets on the East China Sea continental shelf, Journal of Geophysical Research, 104(9): 20675-20686.

상세보기
Daniel, T., J. Manley, and N. Trenaman, 2011. The Wave Glider: enabling a new approach to persistent ocean observation and research, Ocean Dynamics, 61: 1509-1520.

상세보기
Davis, R.E., C.C. Eriksen, and C.P. Jones, 2002. Autonomous Buoyancy-driven Underwater Gliders, In: Griffiths, G. (eds), The Technology and Applications of Autonomous Underwater Vehicles, pp. 37-58, Taylor and Francis, Philadelphia, USA.
Goebel, N., S. Frolov, and C.A. Edwards, 2014. Complementary use of wave glider and satellite measurements: Description of spatial decorrelation scales in Chl-fluorescence across the Pacific Ocean, Methods in Oceanography, 10: 90-103.

상세보기
Lancker, V.V. and M. Baeye, 2015. Wave glider monitoring of sediment transport and dredge plumes in a shallow marine sandbank environment, PLOS ONE, 10(6): e0128948.

상세보기
Lenain, L. and W.K. Melville, 2014. Autonomous surface vehicle measurements of the ocean's response to tropical cyclone Freda, Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 31(10): 2169-2190.

상세보기
Liquid Robbotics, 2010. Wave Glider (Model 08) User Manual (Version 2.41), http://liquidr.com/, Accessed on Jul. 5, 2016.
Liu, K.-K., G.-C. Gong, C.-Z. Shyu, S.-C. Pai, C.-L. Wei, and S.-Y. Chao, 1992. Response of Kuroshio upwelling to the onset of the northeast monsoon in the sea north of Taiwan: Observations and a numerical simulation, Journal of Geophysical Research, 97(C8): 12511-12526.

상세보기
Mitarai, S. and J.C. McWilliams, 2016. Wave glider observations of surface winds and currents in the core of Typhoon Danas, Geophysical Research Letters, 43: 11312-11319.

상세보기
Morales Maqueda, A.M., N.T. Penna, S.D.P. Williams, P.R. Foden, I. Martin, and J. Pugh, 2016. Water surface height determination with a GPS wave glider: a demonstration in Loch Ness, Scotland, Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 33(6): 1159-1168.

상세보기
Nam, S., Y.-B. Kim, J.J. Park, and K.-I. Jang, 2014. Status and prospect of unmanned, global ocean observations network, The Sea, Journal of the Korean Society of Oceanography, 19(3): 202-214 (in Korean with English abstract).
Park, T., C.J. Jang, J.H. Jungclaus, H. Haak, W. Park, and I.S. Oh, 2011. Effects of the Changjiang river discharge on sea surface warming in the Yellow and East China Seas in Summer, Continental Shelf Research, 31(1): 15-22.

상세보기
Park, T., C.J. Jang, M. Kwon, H. Na, and K.Y. Kim, 2015. An effect of ENSO on summer surface salinity in the Yellow and East China Seas, Journal of Marine Systems, 141: 122-127.

상세보기
Son, Y.B., 2017. Development of converging technology and data validation using remote sensing and wave glider, Korea Institute of Ocean Science & Technology, BSPE 99454-1128-2 (in Korean with English abstract).
Son, Y.B., C.J. Jang, and S.-H. Kim, 2013. Seasonal difference in linear trends of satellite-derived chlorophyll-a in the East China Sea, Ocean and Polar Research, 35(2): 147-155 (in Korean with English abstract).

원문보기 상세보기
Son, Y.B., J.H. Ryu, J.H. Noh, S.J. Ju, and S.-H. Kim, 2012a. Climatological variability of satellitederived sea surface temperature and chlorophyll in the south sea of Korea and East China Sea, Ocean and Polar Research, 34(2): 201-218 (in Korean with English abstract).

원문보기 상세보기
Son, Y.B., W.D. Gardner, M.J. Richardson, J. Ishizaka, J.-H. Ryu, S.-H. Kim, and S.H. Lee, 2012b. Tracing offshore low-salinity plumes in the Northeastern Gulf of Mexico during the summer season by use of multispectral remote-sensing data, Journal of Oceanography, 68(5): 743-760.

상세보기
Son, Y.B., T. Lee, D.-L. Choi, S.-T. Jang, C.-H. Kim, Y.H. Ahn, J.H. Ryu, M. Kim, S.-K. Jung, and J. Ishizaka, 2010. Spatial and temporal variations of satellite-derived 10-year surface particulate organic carbon (POC) in the East China Sea, Korean Journal of Remote Sensing, 26(4): 421-437 (in Korean with English abstract).
Terao, Y. and N. Sakagmi, 2015. Design and development of an autonomous wave-powered boat with a wave devouring propulsion system, Advanced Robotics, 29(1): 89-102.

상세보기
Tian, B., J. Yu, A. Zhang, F. Zhang, Z. Chen, and K. Sun, 2014. Dynamics analysis of wave-driven unmanned surface vehicle in longitudinal profile, IEEE OCEANS, Taipei, Apr. 7-Apr. 10, pp. 1-6.
Villareal T.A. and C. Wilson, 2014. A comparison of the Pac-X Trans-Pacific wave glider data and satellite data (MODIS, Aquarius, TRMM and VIIRS), PLOS ONE, 9(3): e92280.

상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증