海洋探測“指揮家”

尉佳 馮京 王威 馬理新

在“一切皆可AI”的背景下，自動駕駛技術被給予了前所未有的關注。其實，自動駕駛技術早已被運用到海洋領域實現(xiàn)運行，甚至成為海洋探測的好幫手，在探測過程中起到至關重要的作用。

當海洋探測遇到自動駕駛

先進的海洋調(diào)查設備與調(diào)查方法為人類現(xiàn)代海洋科學的發(fā)展立下汗馬功勞。以物理聲學為基礎的多普勒聲速測量、單波束與多波束測深，單道與多道地震勘探更是走航（駕駛移動工具，在范圍內(nèi)邊行駛、邊檢測、邊反饋）式海洋探測大營中的“五虎上將”，這5位“大將”都是針對某一區(qū)域開展工作的。

?科考隊員在進行測線設計與輸入（供圖/尉佳）

?導航控制系統(tǒng)的自動計劃繪制過程

區(qū)域性的海洋探測工作需要先將調(diào)查區(qū)域網(wǎng)格化，然后調(diào)查船拖帶儀器、按照測線采集相關數(shù)據(jù)。那么，走航式海洋探測如何結合船舶自動駕駛？如何自動沿測線測量？何時自動轉向？如何等間距激發(fā)設備呢？這都需要我們的“指揮家”——海洋綜合導航系統(tǒng)進行統(tǒng)一安排。

探海之眼——全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)

那海洋探測中“指揮家”是怎么開展工作的呢？首先，我們需要介紹最基礎的系統(tǒng)——全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，簡稱GNSS）。它是利用多個衛(wèi)星對地球表面以及近地空間的任何地點開展三維坐標定位、測量運動速度以及時間信息的空基無線電導航定位系統(tǒng)。全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)離我們的日常生活很近，我們的手機時間，運動監(jiān)控以及常見的地圖都是基于它的功能。

?圖中橙紅色部分為水鳥，通過卡環(huán)固定在地震電纜上，利用線圈感應與地震電纜通信，它的作用是通過改變“翅膀”的角度以實現(xiàn)深度的變化，從而帶動電纜實現(xiàn)升降

圖為青島海洋地質研究所自主研發(fā)的多用途水面自主測量平臺，平臺可按照預先規(guī)劃的路徑，自主開展海底地形地貌、淺部地層結構、重磁場以及海流等探測任務，獲取有人船舶難以測量區(qū)域的數(shù)據(jù)（供圖/尉佳）

現(xiàn)如今，全球共有四大衛(wèi)星導航：美國的全球定位系統(tǒng)GPS，俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導航系統(tǒng)GLONASS，歐盟的伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)GALLIEO以及令國人自豪的中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)BDS。正是因為這些“天空之瞳”，才能夠全天候地為我們提供坐標、速度、時間等信息，讓自動走航式海洋探測成為現(xiàn)實。

在海上“畫格子”

區(qū)域海洋地質調(diào)查，首先需要將區(qū)域進行網(wǎng)格化?？瓶缄爢T需要進行測線設計工作，確定測線的方位角、測線起止點坐標、測線長度等信息。

導航控制系統(tǒng)可以顯示調(diào)查船周圍的漁船（圓形為調(diào)查船）

在鮮美的海產(chǎn)品挑動你的味蕾的背后，可能是科考隊員與漁船、漁網(wǎng)的“斗智斗勇”

船載導航控制系統(tǒng)能夠將測線信息轉化為特有的格式，結合海圖中出現(xiàn)的島嶼、浮標等障礙物的坐標信息，根據(jù)時間最優(yōu)化原理繪制航次計劃，包括施工順序、施工完成時間等，以提高海洋探測作業(yè)效率。

自動駕駛的“最強大腦”——實時計算

當船舶拖帶設備在測線上施工作業(yè)時，何時激發(fā)設備，何時存儲數(shù)據(jù)呢？以海洋多道地震探測手段為例，按照施工原則，海洋多道地震勘探的震源應每間隔固定距離完成激發(fā)與接收。但是由于船舶在海上的狀態(tài)就像搖曳的樹葉，根本無法用傳統(tǒng)的尺子測量距離，也就無法確定船舶走過的距離，但導航控制系統(tǒng)中的“最強大腦”——實時計算就能輕松解決這個問題。

顧名思義，實時計算就是導航系統(tǒng)對船舶與設備的當前坐標、速度、時間進行實時存儲并計算，確定船舶相對于上一個計算點前進了多少距離，用了多少時間，速度變化是多少。這需要導航系統(tǒng)具有超強的計算能力與判斷能力，時間誤差精度控制在毫秒級，距離誤差精度控制在亞米級。

多用途水面自主測量平臺可與母船協(xié)同作業(yè)，提高母船作業(yè)效率，是一種智能化程度高、安全高效的技術手段（供圖/尉佳）

科研人員在甲板上調(diào)試多用途水面自主測量平臺（供圖/尉佳）

除了實時計算前進距離的功能外，結合控制水鳥、定位尾標以及其他多道地震勘探的重要附件，導航系統(tǒng)能夠實時計算出拖帶電纜偏移測線的角度（專業(yè)術語為羽角），電纜在水中的方向與姿態(tài)，電纜的沉放深度以及各個控制附件距離船體的距離。

導航控制系統(tǒng)能夠全方位全自動地控制整個調(diào)查儀器的狀態(tài)，使得實驗室中的科考隊員隨時掌握儀器動態(tài)，及時判斷工作開展的程度與質量，確保整個工程高質量、高效率以及高精度的圓滿完成。

自動識別系統(tǒng)——讓定位監(jiān)控更機敏

大家見慣了城市道路中的車水馬龍，其實在海洋勘探工作區(qū)域中，尤其是近海區(qū)域，船舶的穿梭也很忙碌。與陸上車輛不同的是，船舶的體積與質量通常遠遠大于陸上的車輛，所以船舶在海上的安全制動距離要比陸地上汽車的制動距離大得多。

導航控制系統(tǒng)利用船舶自動識別系統(tǒng)發(fā)出的信號，清楚地定位出幾十海里范圍內(nèi)的所有船只，之后根據(jù)船舶的速度、航行方向、相聚距離，實時計算出周圍船舶是否處于安全范圍。當船舶進入風險范圍后，導航控制系統(tǒng)能夠主動提示船舶駕駛人員，提前做出高頻喊話、主動避讓，同時科考人員能及時判斷危險程度，提前做好設備的開關以及數(shù)據(jù)的保存。

通常情況下，大型船舶能夠及時溝通與避讓，最讓科考隊員們頭疼的是“星云密布”的漁船。漁船、漁網(wǎng)等障礙物時常會影響到海洋科考任務，在無法通過的區(qū)域，科考船只好改變計劃，偏離測線，這也給科學考察工作增加了時間成本。

全方位多手段協(xié)同作業(yè)示意圖（制圖/尉佳）

自動化航行新圖景——協(xié)同作業(yè)

現(xiàn)階段，國內(nèi)外已經(jīng)開發(fā)出雙船作業(yè)，主船利用聲學裝置，通過導航控制系統(tǒng)的設計規(guī)劃、實時計算、同步傳輸?shù)裙δ?，控制副船進行聯(lián)合協(xié)同海洋探測。隨著船舶自動化航行技術的提升，導航控制系統(tǒng)的精度能夠聯(lián)合多只無人船、無人機乃至無人潛器協(xié)同作業(yè)，構建“一主多副”的走航式海洋探測平臺集群，實現(xiàn)全方位、多角度、多手段以及多深度的聯(lián)合協(xié)同作業(yè)方式。

相信在不遠的將來，海洋探測導航控制系統(tǒng)能夠更加智能地替代科考人員完成更艱巨的科考任務。