역사 1955년 - SOSUS / IUSS 시스템

[위종민]

냉전 시기 SOSUS와 IUSS에 관련된 내용을 찾다가 걸린 두 글의 챗GPT 번역본입니다. 이 분야도 냉전 끝나고 인력과 장비 감축이 많이 되긴 했네요. 

아래는 원문 문장·단락 순서 그대로, 누락 없이, 직역하되 한국어로 자연스럽게, 중립적 톤, 부가설명 없이 평문만 제시한 번역이야.



번역문

냉전: 음향 감시 시스템(SOSUS)의 역사

제2차 세계대전(WWII)의 종전은 소련과 미국 및 그 동맹국들 사이의 냉전의 시작을 보았다. 1950년 초까지, 미 해군은 소련 잠수함들이—제2차 세계대전 당시 독일의 최고 기술을 기반으로 한—미국 안보에 중대한 위협을 가한다는 것을 깨달았다. 소련 잠수함 위협을 논의하기 위해 여러 차례 비밀 기술 회의가 열렸다. 제2차 세계대전 동안 하버드 대학교의 수중음향 연구소장을 맡았던 프레더릭 헌트는, 미 해군이 SOFAR(SOund Fixing and Ranging) 채널을 이용해 잠수함이 내는 소음을 수백 마일 떨어진 거리에서도 탐지할 수 있다고 주장했다.

SOFAR 채널은 제2차 세계대전이 끝나갈 무렵 발견되었는데, 과학자들은 저주파 음향이 장거리를 이동할 수 있게 해주는 음향 채널이 해양에 존재한다는 사실을 깨달았다. 2차 대전 동안, 미 해군은 저주파·장거리 전송을 생존 도구로 사용하는 실험을 진행했다. 그 아이디어는 추락한 항공기나 침몰한 선박의 생존자들이 해양 음향 채널에서 폭발하도록 설정된 작은 폭약을 떨어뜨리는 것이었다. 여러 지점에 넓게 분포한 연안 청취 기지들에 도달하는 신호의 도착 시간을 이용해 구명정의 위치를 계산할 수 있었다(‘수중에서 소리를 어떻게 항법에 사용하는가?’ 참고). 이 프로젝트는 SOFAR라고 불렸고, SOFAR 채널이라는 이름도 여기서 유래했다.

첫 SOSUS 기지들은 바베이도스에서 노바스코샤까지 이어지는 북대서양 바다를 향한 거대한 반원형에 위치했다.

철저한 비밀 속에서, 1950년 말 미 해군연구처(ONR)는 아메리칸 전화전신회사(AT&T)와 그 제조 부문인 웨스턴 일렉트릭에 자금을 지원해, SOFAR 채널을 사용해 소련 잠수함을 탐지·추적하도록 설계된 해저 감시 시스템을 개발하게 했다. 초기 연구는 제저벨(Jezebel) 프로젝트라고 암호명 붙여졌다. 그 결과 탄생한 시스템은 당시 고도로 기밀이던 SOund Surveillance System(SOSUS)이라는 이름을 부여받았다. 이후 비밀이 아닌 명칭으로 ‘시저(Caesar) 프로젝트’라 불렸다.

놀라운 공학적 노력으로, 하이드로폰(수중음향센서) 배열이 해저 바닥에 배치되었다. 하이드로폰들은 해저 케이블로 해안의 신호 처리 센터, 즉 “해군 설비(NAVFAC)”라 불리는 곳에 연결됐다. SOSUS 대형 설치의 최초의 시제품—길이 1,000피트의 수평 선형 배열로, 수심 1,440피트 해저에 배치된 40개 하이드로폰—은 1952년 1월 바하마 엘류테라 섬 인근에 설치되었다. 배열이 미 잠수함을 탐지할 수 있음이 입증된 시험 후, 해군은 유사한 배열을 미국 동해안 전체에 설치하기로 결정했다.

2년 뒤, 해군은 이 시스템을 서해안과 하와이까지 확장하기로 결정했다. 초기 SOSUS 선형 배열들은 대륙붕 끝자락, 즉 깊은 바다를 향하는 지점에 설치되었다. 당시 케이블 길이는 150마일(241km) 미만으로 제한됐기 때문에, NAVFAC은 대륙붕 단차가 육지와 가장 가까운 해안 지점에 설치될 수밖에 없었다.

신호를 분석하기 위해, AT&T는 최근 음성 분석을 위해 발명된 장치인 음향 스펙트로그램을 개조했다. NAVFAC에 설치된 저주파 분석 및 기록(LOFAR) 장치는 저주파 수중음을 분석해 어떤 주파수가 존재하는지를 보여주도록 설계되었다. 잠수함이 만들어내는 독특한 음향 신호는 ‘LOFAR-그램’이라 불리는 출력에서 볼 수 있었다.

SOSUS 시스템은 냉전 초기의 소음이 심한 디젤 및 이후 핵 추진 소련 잠수함들을 탐지·추적하는 데 매우 성공적이었다. 초기 SOSUS 배열을 운용한 해군 병사들은 처음에는 정체를 알 수 없던 음향들도 탐지했다. 특히 하나의 미확인 음향은 “제저벨 괴물”로 불렸는데, 나중에 그것이 대왕고래와 참고래의 저주파 발성임이 밝혀졌다.

바렌츠해와 백해 기지에서 북대서양으로 들어오는 소련 잠수함의 수가 증가하자, 아이슬란드와 웨일스에도 NAVFAC이 추가로 설치되었다. 1970년대 중반까지 SOSUS 시스템은 20개의 NAVFAC, 두 개의 해양 시스템 사령부(COMOCEANSYSLANT 및 COMOCEANSYSPAC), 그리고 약 3,500명의 인원으로 구성되었다.

1980년대에는, 대서양 횡단 전화 케이블 기술과 유사한 개선된 케이블 기술 덕분에 배열을 NAVFAC에서 더 멀리 떨어진 곳에 위치시킬 수 있게 되었다. 예를 들어, 대서양과 카리브해 연안의 모든 기지는 Dam Neck 해군 해양 처리 시설(NOPF)로 대체되었다. 또한 고정 배열 네트워크는 길이 8,000피트가 넘는 예인 선형 배열을 탑재한 음향 감시선(SURTASS)에 의해 보강되었다. 고정 및 예인 배열을 포함한 전체 시스템은 통합 해저 감시 시스템(IUSS)이라 불렸다. 이 시스템은 1980년대 후반 11개의 NAVFAC/NOPF, 14척의 SURTASS 함정, 두 개의 해양 시스템 사령부, 약 4,000명으로 정점에 달했다.

결국 소련 정보기관은 SOSUS의 존재와 소련 잠수함을 장거리에서 추적하는 이 시스템의 놀라운 성능을 알게 되었고, 워커–휘트워스 스파이 조직이 제공한 정보도 있었다. 존 워커는 미 해군 준위이자 잠수함 통신 전문가로, 1968년부터 1985년 체포될 때까지 수많은 해군 메시지를 소련에 판매했다. 제리 휘트워스는 워커가 간첩 활동을 돕도록 영입한 또 다른 해군 통신 전문가였다. 러시아 해군은 자국 잠수함을 더 조용하게 만드는 방식으로 대응했다. 1980년대 말 냉전이 끝날 무렵에는, IUSS가 소련 핵잠수함을 장거리에서 탐지·추적하는 능력이 크게 감소했다. 최신 디젤-전기 잠수함은 더 조용하며 수동 청취로는 탐지가 더욱 어렵다.

냉전 종식과 기술 발전의 결합으로 시스템은 훨씬 축소되었다. 2010년까지 태평양에 있는 다섯 척의 SURTASS 함정, 두 개의 NOPF, 하나의 시스템 사령부, 약 1,000명만이 남았다.

냉전 동안에도, 미 해군은 소수의 해양학자들이 SOSUS 시스템을 연구 목적으로 사용하는 것을 허용했다. 가장 초기의 적용 중 하나는 부유체를 사용한 심해 해류의 속도와 방향 측정이었다. 부유체는 해류를 따라 이동하도록 설계되었고, 정기적으로 저주파 음향 신호를 전송했다. 음향 신호는 원래 SOSUS 하이드로폰 배열에서 수신되었고, 도달 시간을 이용해 부유체 위치를 계산했다. 이 부유체는 SOFAR 부유체라고 불렸다.

냉전 종료 이후, 미 해군은 민간 과학자들에게 더 많은 기초 연구 접근을 허용했다. 이 시스템은 1990년대 초반부터 해저 화산 폭발과 지진 연구에 사용되었다. 또한 해양 포유류와 그 발성 연구에도 사용되었다. 마지막으로, 넓게 분포한 음원과 SOSUS 수신기 사이의 이동 시간을 정밀하게 측정함으로써 대규모 해양 온도 변동을 측정하는 데 사용되었다.

감사의 말 Whitman, E. (2005). SOSUS: The “secret weapon” of undersea surveillance. Undersea Warfare. 7(2)에서 부분적으로 발췌·허가 하에 재편집됨.

추가 링크 How is sound used to find submarines? How is sound used to measure global climate change? How is sound used to study marine mammal distribution? How is sound used to study undersea earthquakes and volcanic eruptions? Hydrophone Arrays Hydrophone/Receiver Sound Surveillance System (SOSUS)

참고문헌 The Cable: IUSS-Caesar Alumni Association (n.d.). https://www.iusscaa.org/idn.htm Whitman, E. (2005). The “secret weapon” of undersea surveillance. Undersea Warfare, 7(2).



필요하면 다음 기사도 이어서 번역해줄게.

 

66년의 해저 감시

브라이언 태디컨 미 해군 대령, 커스틴 크록 미 해군 대위

2021년 2월 Naval History 제35권 제1호

66년 조금 넘는 시간 전에, 해군에서 가장 비밀스러운 집단 중 하나가 탄생했다. 이 집단의 구성원들은 “SOSUS”라는 암호명으로 불렸는데, 이는 “Sound Surveillance System(음향 감시 체계)”를 의미한다. 냉전의 새로운 최전선에서 그들의 임무는 단 하나였다. 잠수함을 찾아라(FIND SUBMARINES).

제2차 세계대전 동안 대륙 연안 해역의 해양 및 음향 환경에 관한 지식과 정보 부족은 잠수함 위협에 맞서려는 미 해군의 노력을 방해했다. 독일 해군이 대서양을 운용하는 방법에 대해 더 나은 정보와 이해를 갖고 있음은 분명했다. 그 결과 전쟁 이후 미 해군은 해류, 온도, 염분, 그리고 해양 환경을 구성하고 염수 내 음향 전파에 영향을 미치는 기타 요소들에 대한 더 상세한 정보를 제공하기 위한 해양 조사 프로그램을 지속적으로 유지해 왔다. 미 해군은 이 중요한 전장 공간에 대한 지식에서 다시는 타국에 뒤처지지 않겠다고 결심했다.

1950년 초, 해저전 위원회가 해군작전부차장에게 제출한 권고에 따라, 적 잠수함의 탐지·분류·위치결정을 목표로 하는 장기 프로그램인 “제저벨(Jezebel) 프로젝트”가 탄생했다.

제독들과 벨 연구소, 그리고 매사추세츠공과대학(MIT) 대표 사이의 회의는 대잠전의 장거리 측면을 연구하는 것으로 승인된 “하트웰(Hartwell) 프로젝트”라는 연구 그룹으로 이어졌다. 1950년 봄에 실시된 실험들은 잠수함이 저주파 스펙트럼에서 강한 소음을 방사한다는 사실을 드러냈다. 하트웰 프로젝트는 잠수함을 먼 거리에서 탐지하는 방법 개발에 도움이 될 저주파 음향의 중요한 세부 사항을 발견했다.

저주파(LOFAR) 종이 그램 저주파(LOFAR) 종이 그램 (필자 제공)

해군이 저주파 방사 소음에 대한 연구를 추진하고 추가 자금을 지원하기로 한 결정은 제저벨 프로젝트의 창설로 이어졌다. 1950년 12월, 해군연구처(ONR)는 웨스턴 일렉트릭 컴퍼니(WECO)에 계약을 부여해, 잠수함이 방사하는 저주파 음향을 탐지·식별하는 연구를 계속하고, 잠수함을 장거리에서 탐지·분류할 장비의 제작 및 설치를 위한 개발 작업을 수행하도록 했다.

해군 소위 조 켈리(Joe Kelly)의 감독 아래, 제저벨 프로젝트는 여섯 개 실험 기지에 대한 승인을 받았다. 1951년, 여섯 개 요소로 이루어진 배열이 바하마 엘류테라 섬에 설치되었다. 켈리 소위는 나중에 “SOSUS의 아버지”로 알려지게 된다. 이러한 실험 기지들은 “시저(Caesar) 기지”로 불리게 되었다. 원래의 여섯 개 시저 기지는 미국 동해 연안을 감시하는 임무를 부여받은 아홉 개로 늘어났다.

엘류테라 연구소 시험 배열 엘류테라 연구소 시험 배열 (필자 제공)

이들 기지의 장비를 운용하기 위해 해군은 플로리다 키웨스트에서 교육되는 “Sound Search Course 572(음향 탐색 과정 572)”를 개발했다. 이 과정은 기밀이었으며, 처음 이 기지들에 배치된 수병들의 인사기록조차 기밀이었다. 최초의 소나 조작수들이 기지에 도착했을 때, 그들에게는 경험도, 참고 자료도, 출판된 문헌도, 자문할 전문가도, 비교할 만한 기존 저주파(LOFAR) 그램도 없었다. 최초 분석관 중 한 명은 이렇게 말했다. “우리에겐 아무것도 없었고, 아무것도 몰랐고, 선(線)과 간격 등을 무엇이 만들어내는지, 어떻게 종이에 나타나는지 알지 못했습니다. 우리는 음악을 통해 배운 화음(harmonics) 개념을 떠올리며, 하나하나의 선을 보며 ‘무엇이 이걸 만들고 있는가?’를 생각해야 했고, 그 기원에 대한 이론을 스스로 세워야 했습니다.”

1954년 해군, WECO, 그리고 씨비(Seabees, 해군 공병대)는 시저 기지 10개를 추가로 개발·건설하는 승인(대서양 3개, 태평양 7개)을 받았다. 1954년 9월 18일, 푸에르토리코 라미 공군기지의 해군 시설(NAVFAC)이 최초로 취역했으며, 이는 SOSUS의 탄생으로 알려지게 되었다. 미 해군 SOSUS 감시망의 전 세계적 확장이 시작된 것이다.

시저 기지는 창문이 없는 건물로, 해저 수백에서 수천 마일 떨어진 곳에 위치한 하이드로폰에서 수신된 음향을 표시하는 녹음 장치들이 줄지어 놓여 있었다. 각 녹음 장치는 방향에 대응하는 별도의 빔에서 들어오는 음향을 표시했다. 분석관들은 각 녹음 장치의 신호를 분석하기 위해 기계 줄 사이를 오르내리며 걸어 다녔고, 이것은 “빔을 걷는다(walking the beams)”라고 불렸다. 하이드로폰에서 수신된 원시 데이터는 처리기를 거쳐 가변 전류로 변환된 뒤, “그램 라이터(gram writer)”라 불리는 녹음 장치에 표시되었다. 각 녹음 장치에는 큰 종이 롤이 장착되어, 화학 처리된 종이가 금속판 위를 아래에서 위로 스크롤되면서, 침도가 수평으로 종이 위를 동시에 움직이며 감지된 소음의 크기에 따라 서로 다른 강도로 종이를 태워, 하이드로폰이 수신한 음향을 표시했다. 오늘날 분석관들은 더 이상 이러한 작업을 직접 수행하지 않지만, “빔을 걷는다”는 표현은 여전히 근무실(watch floor)에서 사용되고 있다.

1972년 – NAVFAC 센터빌 비치 – “그램 라이터” 1972년 – NAVFAC 센터빌 비치 – “그램 라이터” (미 해군 박물관)

1960년대는 해저 감시의 개발과 성장을 목격한 시기였다. 시스템이 연이어 성과를 거두면서 새로운 NAVFAC들이 문을 열었다. 전 세계에 위치한 NAVFAC들을 관리하기 위해서는 두 개의 별도 지휘관—대서양 해양 시스템 사령관(Commander, Oceanographic Atlantic)과 태평양 해양 시스템 사령관(Commander, Oceanographic Pacific)—이 필요했다. 이 10년 동안의 주요 성과로는, 미국 본토 연안에서부터 영국까지 잠수함발사탄도미사일(SSBN) 잠수함 USS 조지 워싱턴(SSBN-598)을 추적한 것, 여러 척의 소련 디젤 및 핵잠수함을 추적한 것, 쿠바 미사일 위기 기간 동안 소련 폭스트롯급 잠수함에 대해 SOSUS 접촉 신호와 고정익 초계기의 접촉을 최초로 양성 상관한 사례 등이 있다.

USS 시레셔(SSN-593) USS 시레셔(SSN-593) (해군 역사 및 유산 사령부)

SOSUS는 조기 경보 감시 시스템으로 설계되었지만, 한 비극적인 해군 사고는 SOSUS가 또 다른 용도에도 유용하다는 점을 부각시켰다. 1963년, SOSUS 분석관들은 핵추진 공격잠수함 USS 시레셔(SSN-593)의 침몰을 탐지했다. LOFAR그램 분석을 통해 사고와 잔해의 정확한 위치가 특정되었다. 같은 10년 후반, 스킵잭급 잠수함 USS 스콜피온(SSN-589)과 소련 K-129에서 발생한 두 건의 똑같이 끔찍한 사고 이후에도 SOSUS는 유사한 역할을 수행했다. 두 잠수함 모두 치명적인 피해를 입고 침몰했다.

1970년대에는 육상 처리와 해저 시스템 모두에서 기술 업그레이드가 이루어졌다. 케이블 기술의 주요 발전은 NAVFAC들을 “슈퍼” NAVFAC으로 통합하는 것을 촉진했다. 이와 더불어, 미·캐나다 군은 뉴펀들랜드 아전티아 NAVFAC에서 공동 작전을 수행하게 되었다. 규모가 더 작고 오래된 시설들이 퇴역하는 동안, 최초의 슈퍼 NAVFAC은 웨일스 브라우디에서 취역했다. 슈퍼 NAVFAC들은 결국 해군 해양 처리 시설(NOPF)로 발전했다. 이러한 시설들은 소나 조작수와 전자 기술병들이 운용하다가, 이후에는 해양 시스템 분석 기술병(ocean systems technician analyst)과 해양 시스템 정비 기술병(ocean systems technician maintainer)이 두 직별을 대체했다.

1972년, 수상함이 긴 선형의 하이드로폰 배열을 예인하는 개념이 원거리 잠수함 탐지에 매우 효과적인 방법임이 입증되고 있었다. 해군은 이 방식이 SOSUS 고정 배열을 기동적으로 보강하는 수단이자, 전투함들의 소나 감시 범위를 확장하는 수단으로서의 가치를 인식했다. 해양 감시선(T-AGOS)은 고정 배열이 음향 범위를 제공하지 못하는 해역에서, 느린 속도로 긴 선형 하이드로폰 배열을 예인하도록 특별히 설계되었다.

1980년대에 들어서 SOSUS는 수천 명의 수병들과 다수의 고정 및 기동 시스템을 갖춘 공동체로 성장했다. SOSUS와 예인 배열 감시 센서 시스템(SURTASS)은 통합 해저 감시 시스템(IUSS)이라는 새로운 명칭 아래 통합되었다. 이 시스템은 광범위한 육상 자산 통합, “고정 분배 시스템(Fixed Distribution System)”이라는 이름의 새로운 시험 배열, 최초의 작전용 SURTASS 함정의 도입, 그리고 케이블 수리선 USNS 제우스(T-ARC-7)의 취역을 목격했다.

최초의 SURTASS 함정인 USNS 스톨워트(T-AGOS-1)는 1984년에 취역했고, 이어 콘텐더(T-AGOS-2)와 빈디케이터(T-AGOS-3)가 뒤를 이었다. 그 후 7년 동안 18척의 SURTASS 함정이 추가로 취역해, 함정과 배열 수리 시설의 필요성이 제기되었고, 이에 따라 버지니아 리틀크리크에 IUSS 작전 지원 센터(IUSS Operations Support Center)가 설립되었다.

기술이 빠르게 발전하면서, 감시 범위는 유지되는 가운데 시설들은 통합되었다. 음향 데이터를 하나의 중앙 시설로 전송할 수 있는 능력은 인력 소요를 줄였고, 규모가 더 작고 오래된 시설들이 폐쇄되는 결과를 낳았다. 해군 해양 처리 시설(NOPF) 댐넥과 NOPF 위드비 아일랜드는 모두 1980년대에 취역했으며, 31개 NAVFAC/NOPF 가운데 현재까지 운영 중인 것은 이 두 곳뿐이다.

1991년, 소련의 해체로 냉전이 종식되면서, 41년 간 비밀에 부쳐졌던 IUSS 임무는 기밀이 해제되었다. 1992년에는 SURTASS 함대가 또 한 걸음을 내딛었는데, 최초의 소형 수면적 쌍동선(SWATH) SURTASS 함정인 USNS 빅토리어스(T-AGOS-19)가 취역한 것이다. SWATH 선형은 함정이 저속으로 작전을 수행할 때 고해상 해역에서도 높은 안정성을 제공했다. SURTASS는 민간 선원들이 운항하지만, 그들은 음향 분석을 수행하지 않는다. 음향은 함정 내에서 분석되거나, 분석을 위해 육상 시설로 전송된다.

USNS 임페커블(T-AGOS-23) SWATH 선형 SURTASS USNS 임페커블(T-AGOS-23) (미 해군)

1994년, 대서양과 태평양의 해저 감시 사령부(Commands Undersea Surveillance, Atlantic and Pacific)는 퇴역하고, 버지니아 노퍽에 위치한 단일 중앙 지휘부—해저 감시 사령부(Commander, Undersea Surveillance)—로 통합되었으며, 이후 버지니아 댐넥으로 이전했다.

잠수함이 점점 조용해지고 탐지 거리가 줄어들고 있다는 인식과 함께, 해군은 능동 소나로 눈을 돌렸다. 해군은 저주파 능동(LFA)라는 새로운 시스템 연구를 승인했다. 수동 소나는 음원(source)이 수신기에 탐지될 만큼 충분히 큰 소음을 내야 한다. 능동 소나는 자체 신호를 발사하며, 이 신호가 목표물 표면까지 이동했다가 반사되어 수신기에 돌아온다. LFA는 일반 능동 소나보다 훨씬 낮은 주파수를 사용하므로 더 먼 거리를 이동할 수 있다. LFA 시험은 이후 12년 동안 계속되었다. 2003년, 해양 감시선 MV 코리 슈에스트(MV Cory Chouest)는 최초의 LFA 작전 자산이 되었다.

OT 특기(rating)는 1997년에 폐지되었고, 수상함 소나 기술병 특기가 IUSS 보직과 임무의 대부분을 담당하게 되었다. 잠수함 소나 기술병과 항공 전투체계 운용병은 남은 보직들을 채웠다. 특기 전환과 함께, IUSS 정규 교육의 수료 인원은 점차 줄어들었고, 2006년 잠수함 학습센터(Submarine Learning Center)에서의 정규 교육 파이프라인 폐지로 이어졌다.

태평양에서 중국의 새로운 위협이 부상하고 광범위한 탐색 구역이 요구되면서, 모든 SURTASS 함정은 태평양 함대로 전환되었다. USNS 임페커블(T-AGOS-23)과 USNS 에이블(Able, T-AGOS-20)은 2003년에 대서양 함대에서 태평양 함대로 전환되었다. 2015년까지 빅토리어스급 4척 중 3척은 LFA의 소형 버전인 CLFA(compact LFA)를 장착했고, 임페커블은 LFA를 장착했다. 각 SURTASS 함정에는 잠수함 TB-29 배열을 변형한 TL-29A 쌍선 배열이 장착되어 있다.

SURTASS 함정은 독특한 플랫폼인데, 탑승 수병(MILDET)은 전방 배치된 해군 전력으로서 함정에 승선해 있을 때에만 소나 장비에 접근할 수 있기 때문이다. MILDET는 워싱턴주 NOPF 위드비 아일랜드에서 거주하며 훈련을 받고, 함정을 만나기 위해 출발한 뒤 즉시 3~5개월간의 항해 작전에 돌입한다. 전방 배치 상태가 아닐 때 훈련할 장소가 없기 때문에, 태평양 잠수함 전력은 2012년 위드비 아일랜드에 최초의 고충실도(high-fidelity) 훈련 장비 설치에 투자했다. 이후 수년 동안 두 대의 추가 훈련 장비(총 세 대), 제어 모니터링 스테이션, 개선된 시뮬레이션 기능 등이 도입되었다.

SOSUS 배열의 주 기능은 잠수함 탐지이지만, 고래와 그들의 이동 경로, 그리고 지진 활동 추적과 같은 환경 관련 활용도 있다. 여러 기관 및 연구소와는 대체 혹은 이중 용도(partnership)가 존재한다. 국립해양대기청(NOAA) 태평양 해양환경연구소 산하 Vents 프로그램은 1990년 10월 위드비 아일랜드에서 정제된(sanitized) SOSUS 데이터에 대한 접근을 허가받았다. 이 연구는 특정 하이드로폰에서 나온 원시 아날로그 데이터와 NOAA 시스템을 결합해, 북동 태평양에서의 저수준 지진 활동과 북동 태평양 확장대(spreading centers)에서의 화산 활동을 지속적으로 모니터링했다.

IUSS 특화 교육을 강화하려는 움직임은 2014년에 본격화되었다. 잠수함 학습센터는 NOPF 위드비 아일랜드와 NOPF 댐넥과 같은 위치에 있는 학교에 소속된 잠수함 학습 시설 분detach를 통해 IUSS 교육 파이프라인을 재구축했다. 현재 11개의 정규 과정이 운영 중이며, 3개의 새로운 과정이 개발 중으로, IUSS 교육은 건전한 상태를 유지하고 있으며 앞으로도 임무 수행을 계속 지원할 것이다.

미래 능력 개발도 새로운 SURTASS 함정(TAGOS X) 개발과 함께 빠르게 진행 중이다. 또한 SURTASS 시스템의 전개형 버전인 원정 SURTASS(Expeditionary SURTASS, SURTASS E)가 두 차례 전개되었다. SURTASS E는 컨테이너 박스에 탑재되는 수동 감시 시스템을 제공한다. 모듈식 설계 덕분에 이 시스템은 거의 모든 평갑판 선박 후방에 설치할 수 있고, 언제 어디에서 작전할지에 있어 엄청난 유연성을 제공한다. 이와 더불어, 각종 선박에서 쉽게 전개할 수 있는 수많은 소형 시스템들이 개발 중이며, 이는 전개형 시스템군(Deployable Family of Systems, DSS)을 구성한다. 해양 감시 시스템 프로그램실(Maritime Surveillance Systems Program Office)은 전 세계에 신속 설치가 가능한 무인 전개형 DSS를 개발하고 있다. 이러한 시스템은 조용한 잠수함 확산에 비대칭적으로 대응할 수 있는 수단을 제공한다. DSS에는 심해 수동, 심해 능동, 기동 수동 및 능동 시스템이 포함된다. 현재 진행 중인 일부 프로젝트로는 글라이더, 변혁적 신뢰 음향 경로 시스템(Transformational Reliable Acoustic Path System), 심해 능동 분산 시스템(Deep-Water Active Distributed System), 센서를 탑재한 자율 원격 장치(sensor-hosted autonomous remote crafts) 등이 있다.

마지막으로, 조용한 현대 잠수함을 탐지하는 데 필요한 기준을 충족하도록 기존 해저 케이블을 업그레이드 및 교체하는 작업이 진행 중이다.

새 천년의 도래와 함께 IUSS는 새로운 도전의 시대를 맞이했다. 지난 60여 년 동안 이 공동체를 특징지어 온 적응력과 유연성을 입증하며, IUSS는 국가의 해양 감시 요구를 계속 충족시키고 있다.

https://dosits.org/people-and-sound/history-of-underwater-acoustics/the-cold-war-history-of-the-sound-surveillance-system-sosus/

The Cold War: History of the SOund SUrveillance System (SOSUS)

The Cold War: History of the SOund SUrveillance System (SOSUS)

The end of World War II (WWII) saw the beginning of the Cold War between the Soviet Union and the United States and its allies. By early 1950, the U.S. Navy realized that Soviet submarines, which were based on the best of German WWII technology, posed a grave threat to America’s security. Several secret technical meetings were held to discuss the Soviet submarine threat. Frederick Hunt, who was the head of Harvard University’s Underwater Sound Laboratory during WWII, argued that the U.S. Navy could use the SOFAR (for SOund Fixing and Ranging) channel to detect submarines at distances of hundreds of miles by listening for the noises that they generate.

The SOFAR channel had been discovered toward the end of WWII, when scientists realized that a sound channel exists in the ocean that allows low-frequency sound to travel great distances. During WWII, the U.S. Navy experimented with the use of low-frequency, long-range transmissions as a lifesaving tool. The idea was that survivors of a downed aircraft or sinking ship could drop a small explosive charge set to explode in the ocean sound channel. The arrival times of the signal at a number of widely-spaced, on-shore listening stations could then be used to calculate the position of the life raft (See How is sound used to navigate underwater?). The project was called SOFAR, giving the SOFAR channel its name.

The first SOSUS stations were sited from Barbados to Nova Scotia on a huge semi-circle looking out into the North Atlantic Ocean. Whitman, 2005.

Under a cloak of great secrecy, late in 1950, the Office of Naval Research (ONR) funded the American Telephone and Telegraph Company (AT&T) and its manufacturing arm, Western Electric, to develop an undersea surveillance system designed to detect and track Soviet submarines using the SOFAR channel. The initial effort was code-named Project Jezebel. The system that resulted was given the then highly classified name SOund Surveillance System (SOSUS). Eventually it was given an unclassified designation, Project Caesar.

In an extraordinary engineering effort, arrays of hydrophones were placed on the ocean bottom. The hydrophones were connected by underwater cables to processing centers located on shore called “Naval Facilities (NAVFACs).” The first prototype of a full-size SOSUS installation — a 1,000-foot-long horizontal line array of 40 hydrophones laid on the seafloor at a depth of 1440 feet — was deployed off the island of Eleuthera in the Bahamas during January 1952. After tests in which the array proved able to detect a U.S. submarine, the Navy decided to install similar arrays along the entire U.S. East Coast.

Two years later the Navy decided to extend the system to the West Coast and Hawaii as well. These early SOSUS line arrays were located at the edge of the continental shelf looking out into the deep ocean. At the time, cable lengths were limited to less than 150 miles (241 kilometers), and the NAVFACs therefore had to be located at coastal sites where the shelf break came closest to land.

In order to analyze the signals, AT&T adapted a device called a sound spectrogram, which had recently been invented to analyze speech sounds. The Low Frequency Analysis and Recording (LOFAR) instruments installed at the NAVFACs were designed to analyze low-frequency underwater sounds to show which frequencies were present. The distinctive sound signatures generated by submarines could then be seen in what were called LOFAR-grams.

On the left, NAVFAC Centerville Beach, 225 miles north of San Francisco, California. On the right, the SOSUS watch floor at NAVFAC Centerville Beach. Each LOFAR “gram-writer” produced a frequency vs. time display of the sound arriving at the array from a specific direction. Whitman, 2005.

The SOSUS system was very successful in detecting and tracking the noisy diesel and then nuclear Soviet submarines of the Cold War. The sailors operating the early SOSUS arrays also detected some sounds whose sources were at first unknown. One particular unknown sound was attributed to the “Jezebel Monster.” The sound was later found to be low-frequency blue and fin whale vocalizations.

As increasing numbers of Soviet submarines began entering the North Atlantic from bases in the Barents and White Seas, additional NAVFACs were established in Iceland and Wales. By the mid-1970s, the SOSUS system consisted of 20 NAVFACs, two Ocean Systems commands (COMOCEANSYSLANT and COMOCEANSYSPAC), and about 3,500 personnel.

SOSUS in the mid-1970s. The black stars represent NAVFAC sites; the two white stars represent the Ocean System Commands. Image courtesy IUSS-CAESAR Alumni Association (https://www.iusscaa.org/).

In the 1980s, improved cable technology, closely related to the technology used in trans-oceanic telephone cables, also allowed the arrays to be located farther from the NAVFACs. All of the coastal Atlantic and Caribbean sites were replaced by Naval Ocean Processing Facility (NOPF) Dam Neck, for example. In addition, the network of fixed arrays was augmented by acoustic surveillance ships deploying the Surveillance Towed Array Sensor System (SURTASS), which was a towed line array over 8,000 feet long. The overall system, including both the fixed and towed arrays, was called the Integrated Undersea Surveillance System (IUSS). The system reached its Cold War peak with 11 NAVFACs/NOPFs, 14 SURTASS ships, two Ocean Systems commands, and manned by approximately 4,000 personnel in the late 1980s.

IUSS in the late 1980s. The black stars represent NAVFAC or NOPF sites; the two white stars represent the Ocean System Commands. IUSS-CAESAR Alumni Association  (https://www.iusscaa.org/).

Eventually, Soviet intelligence learned of the existence of SOSUS and its remarkable success in tracking Soviet submarines at long ranges, with the help of information supplied by the Walker-Whitworth spy ring. John Walker was a U.S. Navy warrant officer and submarine communications expert who sold countless naval messages to the Soviets from 1968 to his arrest in 1985. Jerry Whitworth was another Navy communications specialist recruited by Walker to assist with his espionage activities. The Russian Navy responded by working to quiet their submarines. By the end of the Cold War in the late 1980’s, the ability of IUSS to detect and track Soviet nuclear submarines at long ranges had decreased significantly. Modern diesel-electric submarines are even quieter and more difficult to detect by passive listening.

The combination of the end of the Cold War and improved technology resulted in a much smaller system. By 2010, only two NOPFs, five SURTASS ships (all in the Pacific Ocean), a single system command, and about 1,000 personnel remained.

IUSS in 2010. The black stars represent NOPF sites; the one white star represents the Undersea Surveillance Command. IUSS-CAESAR Alumni Association https://www.iusscaa.org/. Image courtesy IUSS-CAESAR Alumni Association  (https://www.iusscaa.org/).

Even during the Cold War, the U.S. Navy allowed a small number of oceanographers to make use of the SOSUS system for research. One of the earliest applications was to measure the speed and direction of deep ocean currents using floats. The floats were designed to drift with the current and transmit low-frequency acoustic signals at regular intervals. The acoustic signals were originally received on the SOSUS hydrophone arrays and the arrival times were used to compute the float positions. The floats were called SOFAR floats.

With the end of the Cold War, the U.S. Navy permitted civilian scientists more access to the SOSUS system for basic research. The system has been used to study underwater volcanic eruptions and earthquakes since the early 1990’s. It has also been used to study marine mammals and their vocalizations. Finally, it has been used to measure large-scale ocean temperature variability by making precise measurements of the travel times between widely space sources and SOSUS receivers.

Acknowledgments
Adapted in part (with permission) from Whitman, E. (2005). SOSUS: The “secret weapon” of undersea surveillance. Undersea Warfare. 7(2).

Additional Links on DOSITS

• How is sound used to find submarines?
• How is sound used to measure global climate change?
• How is sound used to study marine mammal distribution?
• How is sound used to study undersea earthquakes and volcanic eruptions?
• Hydrophone Arrays
• Hydrophone/Receiver
• Sound Surveillance System (SOSUS)

References

• The Cable: IUSS-Caesar Alumni Association (n.d.). Retrieved from https://www.iusscaa.org/idn.htm (Click on “History”)

• Whitman, E. (2005). The “secret weapon” of undersea surveillance. Undersea Warfare, 7(2). Retrieved from www.public.navy.mil/subfor/underseawarfaremagazine/Issues/Archives/issue_25/sosus.htm (link no longer active)

https://www.usni.org/magazines/naval-history-magazine/2021/february/66-years-undersea-surveillance

In 1963, SOSUS analysts detected the sinking USS Thresher, seen here on the ocean floor.

Naval History and Heritage Command

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66 Years of Undersea Surveillance

By Captain Brian Taddiken, U.S. Navy and Lieutenant Kirsten Krock, U.S. Navy

February 2021

Naval History

Volume 35, Number 1

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Just over 66 years ago, one of the Navy’s most secretive communities began. Its members went by the code word SOSUS, which means “Sound Surveillance System.” A new front line in the Cold War, they had one mission: FIND SUBMARINES.

Lack of knowledge and information concerning oceanographic and acoustic conditions off the continental coasts hampered the U.S. Navy’s efforts against the submarine threat during World War II. It was apparent the German Navy had better information and a better understanding of how to use the Atlantic Ocean. Consequently, since the war, the U.S. Navy has maintained a continuous program of oceanographic surveys designed to provide more detailed information on currents, temperature, salinity, and other factors that comprise the oceanic environment and affect the transmission of sound in saltwater. The U.S. Navy was determined never to again lag behind others in its knowledge of this vital battlespace.

In early 1950, on the recommendation of the Committee on Undersea Warfare to the Assistant Chief of Naval Operations, Project Jezebel was born—a long-range program dedicated to the detection, classification, and localization of enemy submarines.

A meeting between admirals, Bell Telephone Laboratories, and a Massachusetts Institute of Technology representative resulted in Project Hartwell, a research group authorized to study the long-range aspects of antisubmarine warfare. Experiments conducted during the spring of 1950 revealed that submarines radiate strong sounds in the low-frequency spectrum. Project Hartwell discovered significant details of low-frequency sound, which would aid in developing a method for detection of submarines at great distances.

Low-Frequency (LOFAR) Paper Gram (Courtesy of the Authors)

The Navy’s decision to pursue and further fund the research of low-frequency radiated noise resulted in the creation of Project Jezebel. In December 1950, the Office of Naval Research awarded a contract to the Western Electric Company (WECO) to continue research in detecting and identifying the low-frequency sounds radiated by submarines and proceed with development work aimed at the manufacture and installation of equipment for detecting and classifying submarines at long ranges.

Under the supervision of Navy Lieutenant Joe Kelly, Project Jezebel received authorization for six experimental stations. In 1951, a six-element array was installed at Eleuthera Island in the Bahamas. Lieutenant Kelly later became to be known as “the Father of SOSUS.” The experimental stations would be referred to as Caesar stations. The six original Caesar stations had grown to nine, tasked with providing surveillance off the U.S. East Coast.

Eleuthera Laboratory test array (Courtesy of the Authors)

To operate the equipment in these stations, the Navy developed Sound Search Course 572, taught out of Key West, Florida. The course was classified; even the service records of the sailors who originally manned these stations were classified. When the first sonar operators arrived at their stations, they had no experience, no reference material, no publication library, no experts to call on, and no previous low-frequency (LOFAR) grams to compare. One of the original analysts said, “We had nothing, we knew nothing, we did not know what made the lines, spacing, etc., how they got to the paper, etc. We were taught harmonics in reference to music, we had to think about every line, what could be making it? And develop a theory about its origin.”

In 1954 Navy, WECO and the Seabees were authorized to develop and build ten additional Caesar stations, three Atlantic, seven Pacific. On 18 September 1954 Naval Facility (NAVFAC) Ramey Air Force Base Puerto Rico was the first commissioned; this became known as the birth of SOSUS. The worldwide expansion of U.S. Navy SOSUS coverage had begun.

Caesar stations were windowless buildings with rows of recorders displaying the sound received by hydrophones located hundreds to thousands of miles away on the ocean floor. Each recorder displayed a sound from a separate beam, correlating to a direction. Analysts would walk up and down the rows of machines analyzing the signals on each recorder; this became known as “walking the beams.” Raw data received by the hydrophones fed through processors, converted to varying electrical current and displayed on recorders referred to as gram writers. Each recorder was equipped with large spools of paper that would scroll bottom to top on a metal plate as styli scrolled in unison horizontally across chemically coated paper, burning the paper at varying intensities depending on how loud the detected noise was, thus displaying the acoustics received by the hydrophones. Even though analysts no longer physically perform these functions, the term “walking the beams” is still used on watch floors today.

1972 – NAVFAC Centerville Beach –“Gram Writers” (U.S. Navy Museum)

The 1960s witnessed the development and growth of undersea surveillance. New NAVFACs opened as the system had success after success. To manage the NAVFACs located throughout the world required two separate commanders—Commander, Oceanographic Atlantic, and Commander, Oceanographic Pacific. Some of the decade’s successes include: tracking the ballistic-missile submarine USS George Washington (SSBN-598) from the waters off the continental United States to the United Kingdom; tracking multiple Soviet diesel and nuclear submarines; and the first positive correlation of a SOSUS contact and fixed-wing patrol contact, made off a Soviet Foxtrot-class submarine during the Cuban Missile Crisis.

USS Thresher (SSN-593) (Naval History and Heritage Command)

SOSUS was designed as an early-warning surveillance system; however, a tragic naval accident highlighted yet another application to which SOSUS became useful. In 1963, SOSUS analysts detected the sinking of the nuclear-powered attack submarine USS Thresher (SSN-593). Analysis of the LOFARgrams pinpointed the exact location of the incident and the wreckage. Later in the decade, SOSUS played similar roles after two more equally horrific, incidents occurred with the Skipjack-class submarine USS Scorpion (SSN-589) and Soviet K-129. Both suffered catastrophic casualties and sank.

With the 1970s came technological upgrades in both shore processing and underwater systems. Major advancements in cable technology stimulated the consolidation of NAVFACs into “super” NAVFACs. In addition, U.S. and Canadian forces combined operations at NAVFAC Argentia, Newfoundland. While the smaller, older facilities decommissioned, the first super NAVFAC commissioned in Brawdy, Wales. Super NAVFACs ultimately became Naval Ocean Processing Facilities (NOPFs). These facilities were manned by sonar operators and electronic technicians until ocean systems technician analysts and ocean systems technician maintainers replaced both rates.

In 1972, the concept of towing a long line of hydrophones from a surface ship was proving to be a highly effective method of detecting submarines at long distances. The Navy recognized its value both as a mobile augmentation to the SOSUS fixed arrays and as a means of extending sonar coverage of combatant ships. Ocean surveillance ships (T-AGOS) were specifically designed to tow long-line hydrophone arrays at slow speeds, in areas where fixed arrays lacked acoustic coverage.

By the 1980s SOSUS had grown to a community of thousands of sailors and multiple fixed and mobile systems; SOSUS and the surveillance towed array sensor system (SURTASS) consolidated under a new name, the Integrated Undersea Surveillance System (IUSS). The system saw widespread consolidation of shore assets, a new test array named the “Fixed Distribution System,” arrival of the first operational SURTASS ships, and delivery of the cable repair ship USNS Zeus (T-ARC-7).

The first SURTASS ship, the USNS Stalwart (T-AGOS-1), was commissioned in 1984, followed by the Contender (T-AGOS-2) and Vindicator (T-AGOS-3). Over the next seven years, 18 SURTASS ships were commissioned, necessitating the need for a ship and array repair facility; thus, IUSS Operations Support Center was stood up in Little Creek, Virginia.

As technology rapidly advanced, facilities were consolidated, while coverage remained in place. The ability to transmit acoustic data to one centralized facility reduced manning requirements and led to smaller and older facilities closing. Naval Ocean Processing Facility (NOPF) Dam Neck and NOPF Whidbey Island both commissioned in the ’80s; of the 31 NAVFACs/NOPFs, they are the only two still in operation.

In 1991, as the Cold War came to a close with the dissolution of the Soviet Union, the IUSS mission was declassified after 41 years of secrecy. The SURTASS fleet took a step forward with the commissioning of the USNS Victorious (T-AGOS-19), the first Small Waterplane Area Twin-Hull (SWATH) SURTASS vessel, in 1992. The SWATH hull gave the vessel a high degree of stability in high seas while conducting operations at slow speeds. Civilian mariners operate SURTASS, however; they do not conduct acoustic analysis. Acoustics are analyzed on board or transmitted to a shore facility for analysis.

SWATH-Hull SURTASS USNS Impeccable (T-AGOS-23) (U.S. Navy)

In 1994, the Commanders Undersea Surveillance, Atlantic and Pacific, decommissioned and consolidated into one central command—Commander, Undersea Surveillance, located in Norfolk, Virginia, later relocating to Dam Neck, Virginia.

With the realization that submarines were becoming quieter and detection ranges decreasing, the Navy looked to active sonar. They approved research of new system called low-frequency active (LFA). Passive sonar relies on the source being loud enough to be detected by a receiver. Active sonar transmits its own signal; the transmission travels to an object’s surface, bounces off, and returns to the receiver. LFA uses a much lower frequency than standard active sonars, so it travels greater distances. LFA testing would continue over the next 12 years. In 2003, the ocean surveillance ship MV Cory Chouest would become the first LFA operational asset.

The OT rating was disestablished in 1997 and sonar technician surface rating filled the majority of the IUSS billets and duties. Submarine sonar technicians and aviation warfare systems operators filled in the remaining billets. With the rating conversion, the throughput for IUSS formal training dwindled, culminating the disestablishment of the formal training pipeline at the Submarine Learning Center in 2006.

With the emerging Chinese threat in the Pacific and its large search area, all SURTASS vessels were transferred to the Pacific fleet. USNS Impeccable (T-AGOS-23) and Able (T-AGOS-20) transferred from the Atlantic fleet to Pacific fleet in 2003. By 2015, three of four Victorious-class vessels were outfitted with a compact version of LFA (CLFA,) and the Impeccable is equipped with LFA. Each SURTASS vessel is outfitted with the TL-29A twin-line array, a variation on the submarine TB-29 array.

SURTASS vessels are unique platforms as their sailors (MILDET) only have access to the sonar equipment while on board in a forward-deployed naval force capacity. The MILDETs live and train out of NOPF Whidbey Island, Washington, deploy to meet the ship, and immediately deploy for three to five months of underway operations. With no place to train when not forward-deployed, the Pacific Submarine Force invested in the first high-fidelity trainer installed at Whidbey Island in 2012. Over the years, updates have included two more trainers (three in total), control monitoring stations, and improved simulation capability.

While SOSUS arrays’ primary function is detecting submarines, they also have environmental applications, such as tracking whales and their migration patterns, and seismic events. Alternate or dual-use partnerships exist with a number of agencies and institutions. The National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) Vents program at its Pacific Marine Environmental Laboratory was granted access to sanitized SOSUS data at Whidbey Island in October 1990. This study combined raw analog data from specific hydrophones with NOAA systems for continuous monitoring of the northeast Pacific Ocean for low-level seismic activity and detection of volcanic activity along the northeast Pacific spreading centers.

A push to reinvigorate IUSS-specific training occurred in 2014. Submarine Learning Center re-established IUSS pipeline training with submarine learning facility detachments at schoolhouses co-located with NOPF Whidbey Island and NOPF Dam Neck. With 11 formal courses being taught and three new courses in development, IUSS training is healthy and will continue to meet the mission.

Development of future capabilities are moving forward swiftly with a new SURTASS vessel (TAGOS X) under development. Also, a deployable version of the SURTASS system, called Expeditionary SURTASS (SURTASS E) has deployed twice. SURTASS E provides a passive surveillance system in containerized boxes. Modular in design, the system can be installed on the back of nearly any flat-decked ship providing tremendous flexibility for when and where to operate. Additionally, numerous small systems, easily deployed from any manner of ships are under development and comprise the Deployable Family of Systems (DSS). The Maritime Surveillance Systems Program Office is developing DSS that are unmanned deployable systems for rapid installation worldwide. These systems provide asymmetrical response to proliferation of quiet submarines. DSS includes deep-water passive, deep-water active, and mobile passive and active systems. Some current projects include gliders, the Transformational Reliable Acoustic Path System, the Deep-Water Active Distributed System, and sensor-hosted autonomous remote crafts.

Lastly, efforts are underway to upgrade and replace the existing underwater cables to bring them up to the standards needed to detect quiet, modern submarines.
 
The new millennium arrived and ushered in a new era of challenges for IUSS. Demonstrating the adaptability and flexibility that has characterized the community over the last 60-plus years, IUSS continues to meet the nation’s maritime surveillance requirements.