1. 서 론

속초해경 60 t급 경비정인 ‘72정’은 1980년 1월 23일 오전 5시 20분께 거진 동방 2.5마일 해상에서 경비 임무를 수행하던 중 200 t급 다른 경비정인 207함과 충돌해 침몰했다. 사고 후 해경함정, 해군함정과 수산청 지도선 및 어선 등 약 200여척이 충돌해역의 반경 50마일권을 1개월간 수색하였으나 구명벌 등 유실물만 인양되고 실종자 전원은 발견되지 못하였다(동해지방해양경찰청 2019). 이 사고로 배에 타고 있던 경찰관과 전투경찰 등 승조원 17명 전원이 사망한 것으로 추정되고, 모두 선체 내에 남아 있을 것으로 예상된다.

사고원인은 기상 불량과 항해 장비 고장에 따른 항로 착오로 추정되고 있으나, 지금까지 정확한 사고원인이 파악되지 않았다. 72정의 사고 위치는 당시 충돌함정인 207함의 승조원의 진술이 전부이다. 당시 207함의 승조원은 추정된 침몰위치를 거진항 동쪽으로 2.5 마일, 수심은 105 m 지점으로 38도 27분, 128도 31분으로 진술하였다. 사고 무렵인 1980년에는 선박의 위치를 알려주는 위성항법시스템으로 GPS (Global Positioning System)가 사용되고 있었다. 위성신호를 수신하여 위치를 측정하는 GPS는 위성시계, 위성궤도, 전리층, 다중경로 오차 등의 여러 취약점을 포함하고 있어서 10–30 m의 오차를 가지고 있었다(Kim 2003).

충돌 당시의 급박한 사정을 고려 시 알려진 사고 위치는 정확한 72정의 사고 지점이 아닐 가능성이 매우 크다. 39년째 순직한 승조원을 기다리는 유가족을 위해 또한 정확한 사고원인을 파악하기 위해서 72정의 수색 및 인양이 필요하다. 이를 위하여, 최신 지구물리학적 탐사방법을 이용한 해양조사가 요구된다. 따라서, 이번 연구의 목적은 심해에 침몰된 침선의 위치를 파악하기 위한 기존의 탐사방법을 검토하고 적절한 탐사방법을 제안하여, 실제 72정 탐사에서 효용성을 입증하는 것이다.

2. 재료 및 방법

침선탐색을 위한 탐사방법

해양경찰에서 제공한 72정의 제원은 길이 24 m, 포 5.5 m, 톤수는 60 t이다. 또한 일반 선박과 달리 무장을 위해 선수와 선미에 기관총 구경(Caliber) 30 mm, 구경(caliber) 50 mm가 1정씩 탑재되어 있다(Fig. 1).

Fig. 1.

General arrangement of No. 72 ship (Length, width, and weight of No. 72 ship is 24 m, 5.5 m, and 60 tons respectively. Unlike general ships, personal firearms are installed in the bow and stern)

침선을 찾기 위해서 먼저 해당구역의 탐사를 실시하여 후보목표물을 정해야 한다. 두번째로 후보 목표물이 우리가 찾는 침선 인지 확인해야 한다. 이를 위해 수행되는 조사방법은 광학적 탐사(optical survey), 음향학적 탐사(acoustical survey), 자력탐사(magnetic survey) 로 나뉜다.

광학적 탐사(optical survey) 에는 최근 개발된 물을 관통하는 레이저를 사용하여, 침선을 탐지하는 Bathymetric LiDAR (light detection and ranging) 시스템이 있다. Bathymetric LiDAR 시스템은 물을 투과할 수 있는 그린 레이저(515–520 nm)를 사용하여 항공에서 해저지형을 측량한다. 하천 수심측량에 활용할 경우 경제적이고 효율적으로 수면과 하상에 대한 연속적인 고해상도 지형정보 구축이 가능하다. 그러나 대상지역의 환경적 특성(탁도, 물결, 수심, 공기와 수중의 입자 및 기타 노이즈)에 따른 한계로 인해, 잔잔하고 맑은 물에서만 사용할 수 있다는 한계가 있다(Lee et al. 2021).

음향학적 탐사(acoustic survey)는 여러 변환기(MBES, SSS)를 통하여 팬 형태의 음원펄스를 방출하고, 반사되어 돌아오는 펄스의 시간과 방향을 측정하여, 해저면의 위치와 고도 및 해저면 영상을 측정하는 방법이다(Ødegård et al. 2016).

해저지형조사기(Multi-Beam Echo Sounders, MBES)는 연구선 선저에 주로 설치되고, 음향펄스를 이용하여 해저수심을 측량한다. MBES의 공간해상도는 수심이 증가하면 일반적으로 데이터 해상도의 품질이 저하되므로, 깊은 수심(100 m 이상)에서 멀티빔을 사용하여 침선을 탐지하기 어렵다(Ødegård et al. 2016). 측면주사소나(Side Scan Sonar, SSS)는 주로 연구선 뒤에서 견인되어 수행된다. 해양탐사에서 사용되는 음향펄스의 주파수는 100–1000 kHz 대역이고, 조사범위는 30–400 m이다. 해상도는 고주파를 사용할수록 증가하지만, 고주파의 감쇠로 인해, 조사범위가 줄어들게 된다. 그러므로 해저면에 침선을 탐지하기 위한 해상력을 유지하기 위해서는 고주파의(약 1000 kHz) 펄스를 낮은 고도(10 m 이하)에서 유지해야 한다(L3 Communications 2010). 그러나, 이를 위해서는 조사 폭이 줄어들게 되고, 조사선의 선속이 2–3 knot 이하로 느려지기 때문에 조사시간이 증가되어 조사 효율이 감소되는 단점이 있다.

자력탐사(magnetic survey, MAG)는 철에 의한 발생되는 자속밀도를 측정하여, 철로 만들어진 물체(침선, 파이프, 폭발물 등)를 탐지하는데 유용하게 사용되는 탐사 방법이다. 자기장의 강도(magnetic flux density)에 영향을 주는 가장 큰 요인은 이상체 자극의 세기와 이상체에서 자력계까지의 거리이다. 특히 어떤 자극이 만드는 자기장의 강도는 이상체에서 자력계까지 거리의 제곱에 반비례하므로 자력 탐사에서 이상체와 자력계까지의 거리는 매우 중요한 요인이 된다. 따라서 해저면의 자성물체를 탐사하기 위해서는 자력계를 해저면에 최대한 근접시키는 것이 매우 중요하다. 자력계의 낮은 고도를 유지하기 위해서는, 조사선의 선속을 낮게 유지시키고, 별도의 견인장비나 썰매형태의 장비를 자력계에 장착해야 한다. 그러므로 조사 시간이 증가와 조사효율이 감소되는 한계가 있다(Verboom et al. 2000).

이번 연구에서 제안하는 운용방법은 측면주사소나(Side Scan Sonar, SSS) 후미에 자력계(MAG)를 결합하는 이종 센서 결합 시스템이다. 10 m 길이의 결합케이블(integration cable)을 사용하여, 측면주사소나 후방에 자력계를 결합시키고, 측면주사소나의 예인케이블을 이용하여 2개의 센서를 함께 운용하는 방법이다(Fig. 2).

Fig. 2.

Schematic diagram and photograph of integrated SSS-Mag system (Integrated a side scan sonar and a magnetometer system has the advantage of obtaining both acoustic image and magnetic anomaly of undersea objects at the same time)

측면주사소나-자력계 결합시스템(SSS-MAG integration system)을 이용하여 침선을 탐지하기 위해서는 먼저 침선의 거리별 자속밀도를 고려하여 운용 고도를 결정할 필요가 있다. 그러기 위해서 72정의 직경 및 제원이 유사한 구형자성물체의 수직 자력 반응(Hz)을 아래 식을 이용하여 계산하였다(Telford et al. 1990).

Hz=43πR3Z0z32-(xz)2(1+(xz)2)52

여기서 R은 자기이상체의 반경, X는 N-S 방향의 거리, Z₀는 외부 수직 자기장 크기, Z는 자기이상체의 깊이이다. 침선을 직경 반경 5 m의 구체로 가정하고, K=1, F=50,000, 복각=50°, 거리를 30 m 로 가정하면, 수직자기성분은 약 170 nT 로 예상된다. 그러나, 동일한 조건에서 거리가 100 m 로 변경하게 되면, 수직자기성분은 약 5 nT 로 감소하게 되어, 탐지가 어렵게 되는 것을 알 수 있다. 그러므로 72정의 제원과 유사한 침선은 해저면에서 거리 30 m 이내에서 충분히 탐지가 가능할 것으로 예상되었다(Fig. 3).

Fig. 3.

Vertical magnetic anomalies of a spherical object (Modeling the magnetic anomaly of the object with the same parameters as No. 72 ship indicates that it can be detected at a distance of 30 m, but rarely at a distance of 100 m)

SSS-MAG 결합시스템(integration system)이 해저면 고도 약 30 m 에서 견인되면, 조사선이 비교적 빠른 속도로(5–6 knot) 운용될 수 있게 되어, 넓은 해저면의 물체를 비교적 빠르게 탐지할 수 있게 된다. 또한 측면주사소나의 주파수를 약 400 kHz로 설정시 적정 조사범위는 약 200 m로 넓어진다(L3 Communications 2010). 그러므로 SSS- MAG 결합시스템(integration system)은 넓은 조사범위의 빠른 해저면 영상조사와 추가적인 고도 유지 장치 없이 해저면의 자성물체를 동시에 탐지할 있는 장점을 제공하게 된다.

조사구역 및 사전조사

사고 당시 증언에 따르면 72정 선박의 위치는 거진항에서 동쪽으로 4.1 km 떨어진 지점으로 수심은 약 100 에서 120 m이며, 해저면은 주로 고운 모래 퇴적물로 덮여 있다(Fig. 4).

Fig. 4.

Survey area and candidate targets (Blue square represents survey area. Black star indicates the accident point and black triangle represents candidate targets)

1차 광역 조사구역은 사고 지점으로부터 반경 2마일 이내로 결정되었고, 해경에 의해 해저면영상조사(SSS)가 실시되었다. 광역 조사결과 해저면의 6개의 후보 물체가 탐지되었다(Table 1). 그러나 해저면영상조사에서 사용된 주파수는 100 kHz, 조사범위는 600 m 로 설정하여, 후보 물체의 품질이 저하되었다. 또한 후보 목표물의 침선 여부를 판단할 수는 없었다.

Table 1.

Acoustic images of candidate targets (It is difficult for the ship to identify due to the low resolution of the acoustic image performed in advance by the Korea Coast Guard)

Target	Image	Identification	Target	Image	Identification
01		unknown	04		rock
02		unknown	05		unknown
03		unknown	06		unknown

정밀조사 및 조사장비 제원

72정 침몰 사고 당시 마을의 어민들로부터 증언을 수집하였다. 사고 이후 현장 근처에서 저인망 훼손 사례가 발생했다는 증언을 토대로 사고 현장 인근에서 가장 가까운 01, 02번을 금번 조사 후보로 결정하였다.

해양지구물리조사는 해양과학기술원의 이어도호를 이용하여 이루어졌다. 지구물리조사는 해저면지형조사(MBES), 측면주사소나-자력계 결합시스템(SSS-MAG integration system), 해저면영상조사(고주파) 및 ROV (Remotely Operated Vehicle) 촬영으로 수행되었다. 고주파 해저면영상조사는 자력계에 결합되었던 측면조사소나(SSS, Klein 3900)가 이용되었다. 연구선 및 조사장비의 정확한 위치는 연구선에 설치된 연구선 자동항해정보 시스템(Differential GPS and SEAPATH system) 에서 제공되었고, 사용된 좌표계는 UTM north 52 Zone을 이용하였다.

해저면영상조사 및 SSS-MAG 결합시스템의 수중 위치를 얻기 위하여, IXSEA 사의 수중위치추적시스템(Ultra- Short Base Line, GAPS system)을 이용하였다. 조사구역은 후보 01, 02번을 모두 포함하는 구역으로 설정되었다. 조사측선은 남-북 방향으로 6개, 측선 간격 100 m 이고, 측선 길이는 약 1.1 km 이다. 해저면 정밀지형 자료는 이어도호에 설치된 Kongsberg 사의 EM710 MBES system을 운용하여 얻어졌다. EM710 MBES system 은 최대 운용 수심이 최대 1500 m 이고, 800개의 빔(dual, 0.5˚ × 1˚)을 최대 140˚ 까지 방사하여 해저면의 수심 취득이 가능한 장비이다(Maritime 2009).

조사구역의 해저면과 후보 01, 02번의 음향이미지는 측면주사소나(SSS, klein 3900)을 이용하였다. 소나의 사용주파수는 400 kHz, 소나의 조사 범위는 100 m로 설정하고, 30 m 고도에서 운용되었다. 자력탐사는 10 m 결합케이블을 이용하여 해저면 영상조사기 뒤에 연결 후, 2가지 장비를 함께 운용하였다. 자력계는 Marine Magnetics사의 Seaspy 자력계이고, 민감도는 0.01 nT로써 총자력값을 측정한다(Magnetics 2007). 지자기값은 대한민국에서 여름에 약 100 nT 정도의 범위에서 매일주기적으로 변화한다. 이유는 태양의 영향으로 전리층내 전자 밀도가 변화면서 지구 자기장에 영향을 주기 때문이다. 이를 보정하기 위해 조사구역 근처에 고정된 고정된 장소에서 지자기 값을 측정하여, 일변화 보정에 사용하였다.

자료처리

이번 연구의 조사 설계, 조사선 항적유도 모두 하이팩(Hypack) 프로그램으로 운용되었다. 해저지형자료는 CARIS 프로그램을 이용하여 격자간격 1 m의 해저지형자료와 Geotiff 이미지, 해저영상자료는 CARIS 프로그램을 이용하여 해상도 0.1 m의 후보 별 음향이미지와 조사구역의 모자이크(mosaic) 이미지를 생산하였다. 자력자료는 1초 간격의 총자력값을 하이팩 프로그램에서 기록하였다. 총자력값의 일변화 및 국제표준자력값(International Geomagnetic Reference Field, IGRF 2020) 보정을 적용하여, 후보 별 자기이상값(magnetic anomaly)을 산출하였다(Pozza et al. 2004). 각 탐사별 결과는 GeoTIFF 이미지로 변환하여, 하이팩 프로젝트에 중첩되게 비교 분석을 실시하였고, 후보 목표물의 침선 가능성을 종합적으로 판단할 수 있게 하였다.

3. 조사결과

해저지형조사

해저지형조사(MBES)를 통하여, 조사구역의 정밀해저지형을 파악하였다(Fig. 5). 조사구역의 수심은 전체적으로 서에서 동으로 가면서 수심 80 m에서 120 m로 깊어지는 경향을 보이고 있고, 북동쪽에는 해저면에서 3–4 m 높이로 노출암반이 드러나 있다. 사전조사에서 확인된 후보 01번의 길이는 약 25 m, 02번의 길이는 약 20 m로 나타났다(Fig. 6). 2개의 물체 모두 길이가 72정의 제원과 유사하지만, 침선 여부를 파악할 수 없었다. 이는 수심이 깊은 지역에서 해저지형조사를 통한 침선의 확인에 한계성을 보여주는 것이다.

Fig. 5.

Bathymetric map of the survey area (The water depth of the survey area is about 80–120 m. A length and width similar to a ship were found in two places)

Fig. 6.

Cross-section of target 01 and 02 (The lengths of the two candidates are observed to be 20–25 m, making it difficult to determine which is ship NO. 72)

SSS-MAG 결합시스템(integration system)

Fig 7은 조사구역의 해저면 영상 이미지 도면(mosaic)와 후보 01, 02번의 영상 이미지를 보여주고 있다. 해저면 정밀지형조사와 같이 북동측에 노출암반이 보이고, 조사구역 중앙에 인공어초 2개(4 × 4 m) 및 남동측에 인공어초 1개(8 × 8 m)가 발견되었다. 사용된 주파수가 400 kHz로 증가된 금번 조사가 해경이 실시한 사전조사에 비해, 해상도가 증가된 이미지를 확보할 수 있게 하였다. 그러나, 후보 01, 02번 모두 윗면과 아래면이 선박의 좌현, 우현처럼 길고 평행한 모습을 보이고 있었다. 또한 왼쪽은 선수, 오른쪽은 선미와 유사한 형상을 보이고 있었다. 그러므로 현재 400 kHz 주파수의 영상 이미지로는 후보들의 침선 여부를 판단하는데 한계가 있었다.

Fig. 7.

Mosaic image of the survey area and acoustical image of target 01 and 02 (The acoustic images (400 kHz) of the candidate show a similar appearance to the ship)

Fig 8은 SSS-MAG 결합시스템에서 얻은 자기이상을 보여주고 있다. 전체적인 자기이상 분포는 남에서 북으로 올라가면서 -65 에서 -55 nT 범위 내에서 점진적으로 증가하고 있다. 후보 02번에서 자기이상이 약 100 nT 가 나타나고 있지만, 01 번과 노출암반 주변에서는 특이한 자기이상이 나타나지 않고 있다. 이는 후보 02번이 철성 물질로 이루어진 것을 의미하고, 또한 수직 자력 반응 모델링 결과와 유사하므로 72정일 가능성이 매우 크다고 볼 수 있다.

Fig. 8.

Magnetic anomaly map of the survey area (Showing strong magnetic anomaly, the candidate 02 is expected to have a high possibility of ship)

해저면영상조사(고주파)

앞선 조사에서 자기이상을 보여주고 있는 후보 02번의 정밀한 음향 영상을 얻기 위해 고주파 해저면 영상조사를 실시하였다. 해저면 영상 조사에 사용된 주파수는 900 kHz, 조사범위는 40 m 이고, 견인 고도는 약 5 m를 유지하였다. 해저면영상조사(고주파)에서 얻은 수중 선체의 이미지와 72정의 선체 길이와 폭이 유사하고, 선체 구조물의 배열이 동일하였다. 특히, 고주파 음향영상에서 72정의 주요 특징인 선미에 개인화기 방어막(원형구조)와 엔진 케이싱(casing, 사각형구조)이 확인되었다. 침선 좌측 부분에 다수의 그물이 확인되었는데, 이는 사고 이후 그물이 훼손되었다는 어민의 증언과 일치하는 것이다. 일반 어선에 탑재되지 않는 개인화기 방어막이나 엔진 케이싱의 특이한 4각형 구조를 보아 후보 02번이 72정일 가능성이 매우 높을 것으로 예상되었다(Fig. 9).

Fig. 9.

The comparison of (a) general arrangement of ship No.72, and (b) acoustical Image (a: G.A of ship No.72, b: acoustical image of target 02, c: fishing nets caught in a wreck)

ROV 조사

후보 02번의 72정 여부를 최종 판단하기 위해서 ROV 를 투입하여, 광학적 이미지를 획득 하였다. 침선은 거의 원형 그대로 해저면에 위치해 있었다. 그러나 시계 불량 및 다량의 그물로 접근이 제한되어 선수에 부착된 72정 표시를 확인할 수 없었다. 외관의 모습으로 사고 원인을 파악하는 것은 불가능하였지만, ROV 영상자료에서 함미 포대 거치대, 선수 모양, 선체 주변 그물 등이 육안으로 확인 되었다. 따라서 종합적인 조사를 통하여 이번에 발견된 후보 02번을 침몰된 72정으로 판단하였다(Fig. 10).

Fig. 10.

The comparison of ROV optical images of target 02 (a, b) and general arrangement of ship No.72 (c) (a: optical Image of bow No.72, b: a cannon holder at the stern, c: G.A of ship No.72)

4. 결론 및 토의

최신의 지구물리 방법을 이용하여, 침몰 39년 만에 속초 72정을 발견하였다. 탐색 단계는 해저지형 측량 및 해저면영상조사를 이용한 후보 선정, SSS-MAG 결합시스템(integrated system)을 이용한 철성 물질 탐지, 고주파의 해저면 정밀조사를 이용한 후보의 음향학적 이미지(acoustical image) 취득 후 최종적으로 ROV 를 이용한 침선 식별 순으로 구성되었다. 이러한 지구물리학적 방법을 적용하여 해저면의 침선을 효율적으로 확인할 수 있음을 보여주었다. 그러나, 저주파 해저영상조사와 해수면에서 운용되는 자력탐사 및 해저지형조사는 수심이 깊어질수록 해저면에 침선과 거리가 증가되게 되므로, 탐지 결과물의 해상도가 낮아지게 되었고, 이에 따라 정확한 침선 여부를 식별하는데 한계가 있었다. SSS-MAG 결합시스템은 수심이 깊은 지역에서도, 넓은 지역의 음향학적 이미지와 자기 이상을 동시에 취득하여, 철로 만들어진 침선을 단기간 내에 탐지가 가능하다는 점을 입증하였다. 결론적으로, 이번 연구에서 제시한 SSS-MAG 결합시스템은 앞으로도 발생할 해상사고에서, 침몰된 선박의 위치를 수색할 수 있는 유용한 탐색방법으로 기대할 수 있을 것이다. 현재 해경은 72정 수색 후 2023년 인양을 위해서 관련예산을 정부에 요청하였다. 가능한 빠른 인양으로 72정의 사고원인을 규명하고, 실종자를 수습하여 유가족에게 위로가 되기를 바란다. 향후 미확인 해저면 물체를 효과적으로 식별하기 위한 다양한 해양지구물리 탐사 방법의 융합 연구가 필요하며, 관련 탐사 기술 발전의 지속적인 관심이 필요하다.