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수중 드론의 가능성과 기회들

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글/MOUSER Electronics

드론이나 무인 항공기(unmanned aerial vehicle, UAV)는 지난 몇 년 동안 상당한 기대를 받았다. 이와 함께 언론의 부정적인 시선도 존재했습니다. 처음에 예로 든 부정적인 사례들이 그것이다.
긍정적 측면을 살펴보면, 배송 회사들은 사람이 접근하기 어려운 곳에 드론을 사용하여 수하물을 배송할 수 있을 것으로 기대한다. 긴급 서비스나 재난 구조 서비스 기관에서는 지진 같은 천재지변으로 인해 안전하게 도달하기 힘든 지역 또는, 붕괴 등의 위험이나 파손된 건물 등에 대한 조사에 드론을 이용할 수 있다. 뿐만 아니라 붕괴된 건물 밑에 매몰된 생존자의 구조 성공률을 높이기 위해, 스마트폰의 방출 신호나 사람의 체온을 포착하는 열 추적 장치를 운용하는 현장 구조대원들에 의해서도 드론이 사용될 수 있다. 부동산 전문가들은 도면 상의 대지에 대한 실제 모습을 드론을 사용해 촬영해서 토지 매입 희망자에게 보여주기도 한다. 드론이 없었다면 이러한 일들은 불가능하다.
이 모든 일들이 드론 제조사에게는 상당한 개발 기회를 제공하며, 드론 제조사들 역시 확장 가능한 시장 영역을 찾고 있다. 이들이 최종적으로 도전할 만한 영역인 우주 공간은 너무 멀게 느껴질 수 있지만 바다 같은 물 속 공간은 보다 현실적인 대상이다. 하지만 사람이 수중 생활에 최적화되어 있지 않은 것처럼, 드론 역시 마찬가지이다.

구조 활동이 요구되는 공간

바다는 매우 거친 환경이라 인명 구조 작업이 빈번하게 요구되는 공간이다. 레저용 선박이나 상선의 승객이나 승무원 같은 전통적인 해상 이용객에 대한 구조든 재난 재해에 따른 구조든 말이다.
영국의 싱크탱크인 ODI(Overseas Development Institute)의 발표에 따르면 오늘날 전세계 자연재해 발생 수는 30년 전보다 2배나 많은 것으로 집계됐다. 이들 중 많은 수가 육상뿐 아니라 해양에도 상당한 영향을 미친다. 쓰나미로 인해 항만이 손상될 수 있으며, 수중 구조물들 역시 수리가 필요할 수도 있다. 수중 드론은 재난 지역이나 오염원을 파악하는 데 있어 매우 중요한 역할을 한다.

대중화된 기술의 활용 가능성

공중 드론에 사용된 기술 중 상당수는 예를 들면 스마트폰 기술처럼 대중적인 상용 기술에 적용됐던 것들이다. 물 속에서는 이미지가 더 흐릿하게 보인다. 세계 인구의 80%가 물 가까이에 살고 있지만 기술적 측면에서 봤을 때 해상 환경은 육지 환경보다 상대적으로 덜 탐구가 이루어졌다. 바다는 외계 환경과도 같다. 수중 환경에서 광학 기술의 적용이 제한적인 것과 마찬가지로, 공중 드론에 활용되는 대다수의 기술들, 예컨대 모바일, 무선, GPS(위성 기반의), 레이더 등 역시 수중에서는 제한적이다.
제조사들이 공중 드론에 기술을 적용하기에 충분한 대역폭을 갖고 있다고 하더라도, 이를 수중에서 똑같이 적용할 수는 없다. 어떤 경우든, 전파는 물 속에서, 특히 바닷물처럼 소금기가 있는 물 속에서는 더욱 전송 특성이 제한적이다. 투과율은 주파수 대역이 낮을수록 더 좋지만, 가장 낮은 공용 주파수 대역 중 하나인 27MHz(CB(Citizen’s Band)와 HAM 무선용으로 사용되는 대역)의 경우도 도달 거리가 3미터 정도에 불과하다.
수중 환경에서 광학 기술의 적용이 제한적인 것과 마찬가지로, 공중 드론에 활용되는 대다수의 기술들, 예컨대 모바일, 무선, GPS(위성 기반의), 레이더 등 역시 수중에서는 제한적이다.
VLF(very low frequency) 및 ELF(extremely low frequency) 신호를 사용하면 수천 킬로미터 거리까지 전송이 가능하지만, 이를 위해서는 킬로미터 대 길이의 안테나가 필요한다. 수중 환경에서는 이들 외에도 실질적인 이슈들이 몇 가지 더 존재한다. 트랜스미터가 필요로 하는 전력 요건과 결부하면 원점에서 다시 시작해야 한다.
수중 드론은 많은 시장 기회와 가능성이 있지만 이를 구현하는 데에는 앞서 살펴본 바와 같은 많은 기술적 과제들이 존재한다.

수중 드론 설계의 과제와 해결 방안

기술의 발전과 규모의 경제에 힘입어 자율 비행 드론이 빠르게 성장하면서 공중 드론처럼 수중 드론 역시 가격이 낮아지고 대중화할 수 있겠다는 바람들이 생겨나고 있다. 언뜻 생각하기에는 이것이 별로 어려울 것 같지 않아 보이다. 무인 항공기(unmanned aerial vehicle, UAV)의 기본 원리들을 수중에서도 그대로 적용할 수 있을 것으로 생각되기 때문이다.
수중 드론이나 공중 드론이나 하는 일은 마찬가지이다. 둘 다 조종을 하고 3차원으로 움직여야 하며 조종하는 사람에게 데이터를 전송해야 한다. 수중 드론은 여기에 더해 부력을 활용할 수 있다. 다시 말해, 모터를 끄고 그 자리에 떠있을 수 있는 것이다. 이 점에서 통상적인 쿼드로터 드론보다는 무인 비행선에 가깝다.
공중 드론처럼 수중 드론 역시 가격이 낮아지고 대중화할 수 있겠다는 바람들이 생겨나고 있다. 하지만 애석하게도, 수중 드론을 설계하는 것은 그리 쉬운 일이 아닙니다. 오히려 엄청나게 어려운 과제들을 해결해야 한다. 우리가 당연하게 여기는 많은 내비게이션 기술이나 통신 기술을 수중에서는 사용할 수 없기 때문이다.
GPS, 모바일(3G, 4G 등), 와이파이, 레이더는 공중 드론을 작동하기 위해서 필수적인 기술들인데, 이런 기술들이 수중에서는 거의 쓸모가 없다. 광학적 내비게이션(LiDAR 등)과 통신 기술 역시 사용하기 어렵다. 물이 얼마나 깨끗한가에 따라서 고작해야 수십 미터의 거리로 제한적이기 때문이다. 또한, 공중에서는 사용할 수 있는 대역폭이 풍부한 데 반해, 수중 드론 개발자가 사용할 수 있는 전자기 스펙트럼 대역은 너무나 빈약하다.
무선 파장은 물 속에서는 잘 전달되지 못하며, 짠 바닷물 같은 전기 도체 속에서는 특히나 어렵다. 저주파는 고주파보다 침투성이 더 좋다. 하지만 대부분의 국가에서 공공 용으로 사용할 수 있는 가장 낮은 주파수는 27MHz(생활 무선(citizens band, CB)과 아마추어 무선용으로 잘 알려짐)인데, 이 대역에서의 수중 도달 거리는 3미터 미만이다.
저주파(very low frequency, VLF)와 극저주파(extremely low frequency, ELF) 신호는 도달 거리가 수백 킬로미터에서 수만 킬로미터에 이른다. 하지만 이들 주파수는 조종기에서 드론까지 단방향 통신에만 사용될 수 있다. 전력 소모가 큰 트랜스미터와 수 킬로미터 규모의 안테나가 필요하기 때문이다. 게다가, 파장이 길어지면 자연히 대역폭은 극히 낮아진다. 예를 들어 VLF의 경우, 수십 미터 거리에 대해 잘해야 초당 1~2kbyte에 불과하다.

음파를 이용하는 내비게이션과 통신

수중에서 자율 드론에 가장 적합한 통신 및 내비게이션 기술은 음파를 사용하는 것이다. 무선이나 빛과 달리, 소리는 수 킬로미터의 거리까지 물을 관통할 수 있다. 그래서 고래나 돌고래 같은 생물들이 수중에서의 내비게이션과 통신에 음파를 사용하는 것이다. 음향 기술을 사용한다고 하더라도, 신호의 확산, 낮은 대역폭, 높은 전력 소모는 여전히 해결해야 할 과제이다.
지금까지 출시된 가장 우수한 음향 수중 모뎀은 수십~수백 미터의 거리에 대해 20kbps 미만의 대역폭을 제공한다. 실시간 비디오 전송에 필요한 대역폭에는 한참 못 미치는 성능이다. 조종사는 수면 위에서 음향 신호를 통해서 드론을 조정하는데, 드론이 보는 것을 볼 수 없기 때문에 마치 눈을 감고 비행하는 모양새가 될 것이다.
음파는 통신 채널을 제공할 뿐만 아니라 내비게이션 수단도 제공한다. 소나(sonar)를 사용하면 저해상 이미지로 수천 미터의 거리까지 해저와 수중 물체들을 실시간으로 파악할 수 있다. 블루핀-21(Bluefin-21) 자율 무인 잠수정(autonomous underwater vehicle, AUV)은 실종된 말레이시아 여객기 MH370을 수색하는 데 사용됐는데, 음향 기술을 활용하여 해저 지형 파악뿐 아니라 관성 내비게이션 센서를 보조하는 데에도 사용되었다.
여기에 사용된 USBL(Ultra-short baseline) 시스템은 수면 바로 아래에 매달려 있는 비콘으로부터 주기적인 음향 신호를 방출한다. 이를 통해 비콘을 기준으로 한 드론의 위치를 파악할 수 있다. 시간을 가지고 거리를 계산하고, 소형 트랜스듀서 어레이를 사용해서 각도를 계산한다.
USBL은 수중 드론용으로 잠재력이 큽니다. 트랜스듀서 어레이가 드론에 탑재할 수 있을 만큼 충분히 작기 때문에, 드론이 비콘 신호만 가지고 자신의 위치를 계산할 수 있다.
USBL 같은 능동 소나 시스템과 관련해 최근에 한 가지 문제점이 보고됐다. 해양 생물에 영향을 미칠 수 있다는 것이다. 연구 결과에 의하면, 미 해군에서 사용하는 군용 소나 때문에 고래들이 물 밖으로 튀어 오르거나 영역을 이탈하는 일이 발생한다고 한다. 그러면 정상적인 새끼 양육이나 생식에 영향을 미칠 수 있다. 심하게는 너무 갑자기 물 밖으로 튀어 올라서 감압증이나 조직 손상을 일으킬 수 있으며 최악의 경우에는 죽음에까지 이를 수 있다.
다행스러운 점은, 수중 드론은 보통의 선박보다 크기가 작기 때문에 훨씬 더 낮은 전력의 소나를 사용할 수 있다는 것이다. 연구에 따르면, 고래들은 120dB 미만의 소리 세기는 의식하지 못한다. 소나 출력을 이 수준 아래로 유지하거나 소나 출력을 점진적으로 높여서 사전에 경고를 하는 것과 같은 신중한 조치를 취함으로써, 해양 포유동물에 영향을 미치는 위험성을 크게 줄일 수 있을 것이다.
수중 드론은 우리가 당연하게 여기는 통신이나 내비게이션 기술을 사용할 수는 없지만, 그 환경에 맞게 소리의 힘을 활용함으로써 우리가 익히 알고 있는 것과는 전혀 다른 환경에서 성공적인 수중 드론을 설계할 수 있을 것이다.