극한환경 세부 기술

2.3 기술동향분석

2.3.2 극한환경 세부 기술

저온에 따른 배터리 효율 저하 정도 ① 1차전지의 예: 알카라인 배터리

알카라인 전지는 저온 조건에 약하여 아래와 같은 용량 효율저하 현상이 발생함 - 영하 10℃에서 정격 용량(2500㎃h내외)의 약 60%로 감소

- 영하 20℃에서 정격 용량의 약 20%로 감소 ② 2차전지의 예: 리튬-이온 배터리

- 리튬-이온 배터리의 전해질 용액은 저온에서 전도성이 급격히 떨어지기 때문에 용량 손실과 수명저하 발생

- 온도와 DOD(Depth of discharge, 방전깊이)에 따른 배터리 사이클을 나타냄 (2차전 지는 배터리 사이클 수를 배터리 수명을 판단)

- 상온 25°C에서 DOD를 가장 작게 사용할 때 사이클이 가장 높으며, 10°C 아래로 온 도가 떨어지면 사이클이 급격히 감소하는 것을 확인 할 수 있음

❙그림 2-40❙ 온도와 DOD에 따른 배터리 사이클

나 저전력 통신기술

무선 센서는 데이터 수집을 위한 장치(환경센서)와 다른 노드들과의 통신에 사용되는 송 수신기(통신모듈), 이들을 제어하는 중앙처리장치로 이루어지고 각 부분들은 배터리로부 터 전력을 공급받음

센서 노드에 사용되는 총 에너지는 센서 노드의 각 부분에서 사용하는 에너지의 합으로 계산됨. 특히 무선통신에 에너지가 가장 많이 소모되며, 계산 및 다른 작업에 사용되는 에너지는 상대적으로 적으며, 센서 노드의 에너지를 효율적으로 이용하기 위한 저전력 통 신 기술 개발에 관심이 높아짐

❙그림 2-41❙ 무선 센서 노드 구조

❙그림 2-42❙ 센서 노드의 일반적인 에너지 소비

다 극한환경 무선통신 기술

국내에서 극한지 통신기술 개발은 한국해양연구원 부설극지연구소에서 2007~2008년

“극지 관측망용 무선통신에 관한 연구” 과제를 수행하였음

- 극지 수중음향통신 기술 개발(예, 수중 채널 모델링, 빔포밍 알고리듬 설계, 고속 빙 스위 핑 시스템 개발)을 수행함

- 이는 수중통신 환경만을 고려하여 개발된 기술로써, 극한지의 다양한 환경에 적용하기 어려움

국외에서 극한지 통신기술 개발은 북유럽 국가 중심으로 다양한 과제를 수행 중에 있지 만, 연구 성과의 제한된 성능 및 확장성으로 인해 활용 범위가 제한적임

- University of Kansas: Multi-link point to point protocol 기반 multi-channel Iridium system 및 Extended Wi-Fi (최대거리 8km) 기술 개발

❙그림 2-43❙ Multi-channel Iridium system 개념도

(a) Base station (b) Mobile vehicle

❙그림 2-44❙ Extended Wi-Fi 필드 실험

- Glacsweb project: University of Southampton에서 빙하 모니터링을 위해 센서 네트워 크를 구축함

- Arctic Climatology Sensor Network Prototype: University of Cincinnati를 중심으로 하여 극지 센서 네트워크 모니터링 프로젝트를 수행함

- MANA project: 덴마크 코펜하겐 대학 중심의 극한 지역 과학적 탐사 개선 프로젝트로써, 극한지역에서 Capoh system을 그린란드에 구축하여 환경 모니터링을 수행함

(a) Capoh 시스템 개념도 (b) Capoh base station

❙그림 2-45❙ MANA project

미국에서는 위성 없는 GPS 내비게이션 개발 중

- 미국방위고등연구계획국(DARPA)이 위성 없이 사용할 수 있는 GPS 내비게이션을 개발하 는 중

- GPS(Global Positioning System)는 지도 앱을 비롯해 다양한 서비스에서 사용자 위치 정보를 취득하는데 이용하는 위치 측정 시스템임. 내비게이션 역시 GPS를 이용하고 있지 만 DARPA는 인공위성 없이 쓸 수 있는 새로운 GPS를 개발 중

- DARPA가 개발 중인 새로운 GPS는 위성에 의존하지 않지만 간섭에도 강한 측위 시스템이 될 것이라고 함. 이 기술은 GPS를 사용할 수 없는 지역에서도 유효한 시스템 필요성에 따라 GPS를 대신해 시간과 위치를 측정할 수 있는 요구로 개발하게 됐다고 함

- 이 기술은 GPS 수준의 위치 정확도를 유지하면서도 군용 시스템을 위한 위치 정보와 시간

정보를 제공할 것이고 작지만 자기 보정 자이로스코프와 가속도계, 시계를 포함한 냉각

원자 간섭을 이용한 관성 측정 장치라고 함

남극세종기지에서 운용되는 통신장비

❙그림 2-46❙ 접시형 안테나

- 인공인성 송수신을 위한 접시형 안테나. 적도 상공에 떠있는INTELSAT 위성을 행하고 있기 때문에 수직에 가깝게 서 있음

- 시스템 본체는 라우터, 멀티 프렉서, 모뎀, 허브, UPS 등으로 구성됨

❙그림 2-47❙ 돔형 안테나

- 해사 위성 송수신을 위한 돔형 안테나는 연구동 건물 지붕에 세워져 있음 - 시스템 본체시스템 본체는 Telex, 팩스, 프린트, 전원공급기 등으로 구성됨

❙그림 2-48❙ HF 안테나(좌측)/HAM 본체

극한지의 다양한 무선통신 서비스 시나리오(예, 재난·구조, 원격 장비모니터링·제어, 대용 량 서비스, IoT 등)를 지원하기 위한 범용 통신 인프라 구축 및 극한지 환경 특화된 무선 통신 기술 개발이 필요함

극한 환경용으로 제작되고 있는 상용 무선 통신 장비의 operating temperature 범위는 -40° ~ +85°임

- 남극의 연평균 기온이 –55°, 최한월 연평균이 –70°인 만큼 기존의 상용 통신장비를 남극 에서 운용 할 수가 없음

- 따라서 최한월 및 극한 환경(예, 블리자드)에서도 안정적으로 네트워크 운용이 가능한 극 한지 통신장비 개발이 요구됨

국내외에서 다양한 형태의 이동형 기지국을 개발함

- 극한지의 제한적인 통신 인프라로 인해 극한지 무선통신 서비스를 제공하기 위한 이동형 기지국의 필요성이 크게 대두

- 하지만, 현재 개발된 장비들은 operating temperature 등의 문제로 인해 극한지에서 활 용이 불가능함

- 최한월 및 극한 환경(예, 블리자드, 크레파스)에서도 안정적인 이동 및 운용이 가능한 극 한지 특화된 스마트 이동형 기지국 기술 개발이 요구됨

(a) 배낭 기지국 (b) 드론 기지국

❙ 그림 2-49❙ 이동형 기지국의 예

❙그림 2-50❙ MUOS-5 위성

<참고 1> Lockheed Martin 5-MUOS Satellite Now Delivering UHF Communications After 2016 Launch Challenges

다섯 번째 MUOS (Mobile User Objective System) 위성이 작동하고 UHF (Ultra High Frequency)에 보안 통신을 제공한다고 록히드 마틴이 발표함 (2017.04.24.)

MUOS constellation의 마지막 인공위성은 2016 년 6월에 발사되었으며 궤도에 진입하면 서 추진 시스템에 문제가 있었지만 해군과 록히드 마틴의 엔지니어는 대체 추진을 통해 작동 궤도에 진입하였음. 2016 년 10 월 30 일까지 MUOS-5 위성은 태양 전지판과 안테 나를 배치했으며 2017 년 1월 19일에는 발사 후 궤도 테스트를 완료함

완전히 작동하면 MUOS는 안전한 고속 인터넷 프로토콜 기반 시스템을 통해 음성, 비디오 및

데이터를 동시에 사용하여 레거시 시스템에 비해 10배의 통신 기능을 제공하고 전 세계

지역으로 확대하여 극한지역으로 이동할 예정

<참고 2> Russian PolarStar

Gazprom Space Systems은 미래의 우주 모바일 브로드밴드 액세스 시스템 인 폴라 스타 (PolarStar)를 개발 중

- PolarStar 시스템의 주요 작업 중 하나는 모바일 및 북극 지역에 위치한 물체를 포함한 통신임

- 이 시스템의 기본은 궤도 위성 그룹

- 2012년 11월에 계획된 YAMAL-300K 3기의 위성이 성공적으로 발사되었음 적용 범위

- 러시아와 극지방의 총 영토 크기와 속도

- 이 위성은 다중 액세스의 경우 최대 10.0/2.0Mbps 및 개별 액세스의 경우 1.0/0.25Mbps 의 Ka 대역폭을 갖추고 있음. 시스템 최대 용량 속도는 1.5 - 2.0Gbps임

서비스

- 모바일 및 고정 된 개체에 대한 광대역 액세스 (고속 인터넷 액세스, 전자 메일, 전화 통

신, TV 및 라디오 수신

<참고 3> 해외 남극기지의 통신 현황

다른 나라의 남극기지 (예, 미국 맥머도 기지, 미국 아문센 스콧 기지, 일본 쇼와 기지) 모두 외부와의 음성통화 또는 외부 인터넷 망에 접속하기 위해 위성 통신 방식을 활용함 기지 내의 또는 기지 주변과의 음성통화를 위해서는 주로 VHF 통신을 주로 활용하고,

데이터 전송을 위해서는 위성 통신을 활용함

다양한 환경 센서의 정보를 단일화된 무선통신 기술을 통해 수집하고, 이를 통합 관리하 는 시스템의 활용이 미비함

① 미국 맥머도 기지

외부와의 음성통화 및 외부 인터넷 망 접속을 위해 Optus D1 위성을 활용함

Black Island 에 위치한 위성 안테나를 이용해 Optus D1 위성과 연결을 하며 최대 20 Mbit/s의 전송 용량을 제공함

Optus D1 위성 신호는 시드니에서 릴레이가 되어 인터넷 망에 연결

❙그림 2-51❙ McMurdo communications architecture for polar

environmental satellite data retrieval

② 일본 쇼와 기지

Shirase Glacier의 빙하의 이동의 주기적 모니터링을 위해서 이동하는 GPS 부이를 관찰 하고자 하는 빙하에 부착함

GPS 신호를 수신해서 부이 및 빙하의 위치 정보를 획득하고 부이에 부착된 센서로 추가 적인 환경정보를 획득하여 이를 이리듐 통신 (Iridium Short Burst Data Service) 통해 쇼와 기지에 전송함

(a) GPS 부이 시스템 (b) 모니터링 장소 및 GPS 부이의 위치

❙ 그림 2-52❙ Monitoring Ice Flow in the Downstream Region of the Shirase Glacier

③ 미국 아문센 스콧 기지

미 공군연구소, 미 해군, 록히드마틴사가 휴대기기 연결을 용이하게 하기 위해 이동사용 자위성통신 체계(MUOS)를 설계·제작·시험을 수행함

이 체계는 지상에 있는 미군들의 통신능력을 개선하기 위해 공중의 대형 기지국으로 설계 되었음. 기지국이 지상이 아닌 지구 상공 22,000마일 정지궤도위성에 있으며, 통신권역 을 전 세계로 확대하기 위해 4개 위성이 운용됨

이 체계에 대한 시험은 남극대륙에 있는 국립과학재단, 아문센 스콧 및 맥머도 기지에서

실시됨. 시험을 통해 휴대전화가 가용하지 않은 장소에서도 3G 무선 품질의 음성·텍스트·

데이터 전송이 가능할 수 있음을 입증함

❙그림 2-53❙ MUOS 위성 통신 체계

 

라 극한지 모바일 플랫폼 기술

극한지 모바일 플랫폼 시스템은 환경탐사 뿐만 아니라 오일·가스, 엔지니어링 분야, 극한 환경용 소재, 화학공정, 환경대응 등 다양한 분야가 유기적으로 연계된 융합분야로 영하 40~50℃ 의 혹한과 빙편 충돌 등 일반 상황보다 신뢰성 및 안전성이 더 요구되는 고부가가치 기술 분야임

국내 관련 분야 기술수준을 고려할 때 극한지 모바일 플랫폼 시스템의 발전은 극지 및 심해저 Track Record 추진이 가능하며, 에너지자원, 플랜트, 해상운송, 조선, 소재 산업 등에 상당한 파급효과를 기대할 수 있음

악기상(난류, 상승기류, 미세난류)이나 극한환경(온습도, 시계제한 등)에서의 모바일 플랫 폼 운용기술은 악기상에 의한 소형무인기 추락을 방지하고 안전비행을 위한 비행조종 및 제 어 기술 확보 가능

국가 기관 시스템 또는 활용사례 체계의 성격

미국 해양대기청

(NOAA)

통합해양관측시스템(US-IOOS) 인프라, 감시, 환경관측

국가해양데이터센터(NODC) 인프라

환경연구실 자료접속 프로그램(ERDDAP) 인프라

UAS 환경관측

Coast Watch/ Ocean Watch 인프라, 감시, 환경관측

유럽

유럽연합 MyOcean 인프라, 환경관측

유럽우주항공국 Copernicus project 감시, 환경관측

유럽해사안전국 해양유류유출 모니터링(CleanSeaNet) 감시, 환경관측 유럽항공안전국 RPAS Maritime Surveillance Service 감시

유럽우주국 DeSIRE 감시

노르웨이 유류유출 모니터링 감시, 환경관측

일본 해양자료센터 해양자료센터 인프라

중국 국가해양국 I-Ocean 디지털 해양 서비스 인프라

무인항공기 기반 해안 모니터링 감시

캐나다 해양수산청 Ocean Monitoring Workstation 환경관측

대만 환경보호부 무인항공기를 활용한 해양 감시 및 순찰 감시

❙ 표 2-13❙ 극한지 모바일 플랫폼 시스템 연관 활용 사례

* 다양한 악기상 조건에서의 소형무인기 비행 위험도 분석, 기상 환경 및 소형 무인이동체 시뮬레이션 환경 구축, 악기상 대처 제어기 설계 등