主要海洋環(huán)境因素對(duì)水下航行器航行影響分析

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1538.TP.20150326.1013.001.html

主要海洋環(huán)境因素對(duì)水下航行器航行影響分析

王奎民

(中國(guó)人民解放軍海軍駐錦州地區(qū)軍事代表室，遼寧 錦州 121000)

摘要：分析總結(jié)了水下航行器的自身結(jié)構(gòu)、環(huán)境和任務(wù)的特點(diǎn)以及復(fù)雜海洋環(huán)境對(duì)航行器的安全造成的威脅。從海流干擾、海水透明度、躍層及海洋內(nèi)波等水文環(huán)境要素的形成原理及其對(duì)航行器的影響等方面，分別總結(jié)了各主要海洋環(huán)境因素對(duì)水下航行器航行狀態(tài)的有利與不利影響，同時(shí)避免各要素直接或間接造成的各種不利影響的方法，結(jié)合航行器自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和任務(wù)需求，充分利用海洋環(huán)境因素，可以使航行器在安全性、經(jīng)濟(jì)性、操縱性以及作戰(zhàn)能力等方面有較大的增強(qiáng)和改善。提出根據(jù)不同任務(wù)對(duì)海洋環(huán)境因素做威脅權(quán)值評(píng)估，并根據(jù)其威脅度，在自主航路規(guī)劃過程中適當(dāng)修訂航線。通過仿真驗(yàn)證了該方法對(duì)航路準(zhǔn)確定和安全性的提高。

關(guān)鍵詞：水文環(huán)境；水下航行器；海流干擾；海水透明度；躍層；海洋內(nèi)波

DOI:10.3969/j.issn.1673-4785.201503006

中圖分類號(hào)：TP391文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：2015-03-04. 網(wǎng)絡(luò)出版日期：2015-03-26.

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51179038).

作者簡(jiǎn)介：

中文引用格式：王奎民.主要海洋環(huán)境因素對(duì)水下航行器航行影響分析[J]. 智能系統(tǒng)學(xué)報(bào)， 2015, 10(2): 316-323.

英文引用格式:WANG Kuimin.Influence of main ocean environments on the navigation of underwater vehicles[J]. CAAI Transactions on Intelligent Systems, 2015, 10(2): 316-323.

Influence of main ocean environments on the

navigation of underwater vehicles

WANG Kuimin

(Navy Military Representative Office in Jinzhou, Jinzhou 121000, China)

Abstract：This paper analyzes the characteristics of underwater vehicle's configuration, environment and missions, and the menace of complex ocean environment. The advantage and disadvantage of the main ocean environmental factors to the navigation states of underwater vehicles, as well as the methods for avoiding all kinds of disadvantageous influences caused by all kinds of factors are concluded. The main areas consist of current disturbance, seawater transparency, thermal layer and ocean internal wave. The vehicle enhancement and improvement in the performance of security, economy, maneuverability and operational performance can occur by combining the configuration characteristic of underwater vehicle and the mission requirements. This paper proposes to assess the threat weight of the ocean environmental factors according to different missions based on the degree of threat and underwater vehicle modified route in its autonomous sailing. Finally, the simulation proved that the method increases the accuracy and safety of its route.

Keywords：hydrological environment; underwater vehicle; current disturbance; seawater transparency; thermal layer; ocean internal wave

通信作者：王奎民. E-mail:wangkuimin2014@163.com.

海洋占據(jù)地球70%的面積并且蘊(yùn)含著豐富的生物資源、海洋礦物資源等。因此，對(duì)海洋的民用甚至軍事上的利用成為各種爭(zhēng)奪的焦點(diǎn)。水下航行器作為勘測(cè)和開發(fā)海洋資源最有效的工具被各國(guó)重視。水下航行器以其水下隱蔽航行作戰(zhàn)、靈活機(jī)動(dòng)以及極強(qiáng)的水下攻擊力而著稱，經(jīng)常被應(yīng)用在探測(cè)、偵查、跟蹤甚至水下作戰(zhàn)。其航行環(huán)境主要包括地理環(huán)境和水文環(huán)境。其中，地理環(huán)境主要指海底地形、障礙物等，構(gòu)成了水下航行器航行的下邊界；水文環(huán)境包括海流、潮流、潮汐、內(nèi)波、躍層、透明度、海水溫度、海水密度、鹽度、聲速等，它們會(huì)影響水下航行器的航行安全和隱蔽性。眾所周知，安全性是水下航行器執(zhí)行任務(wù)的基礎(chǔ)，隱蔽性是對(duì)水下航行器執(zhí)行任務(wù)的基本要求。而海洋中影響水下航行器安全性、隱蔽性的要素眾多，如果不考慮這些要素，輕則會(huì)使水下航行器偏離航線、延長(zhǎng)任務(wù)執(zhí)行時(shí)間；重則使水下航行器失去控制，造成重大損失[1-3]。復(fù)雜的水文環(huán)境要素不僅給水下航行器的航行作戰(zhàn)帶來機(jī)遇也帶來了挑戰(zhàn)。本文以水下航行器為對(duì)象，重點(diǎn)探討海流、透明度、躍層、內(nèi)波等水文環(huán)境要素對(duì)水下航行器航行安全的影響。

文章主要通過分析海流、透明度、躍層和內(nèi)波等主要海洋環(huán)境因素的成因和影響，以便在航路規(guī)劃的過程中更好地利用海洋環(huán)境有利的因素，避開或減少不利的因素。增強(qiáng)水下航行器在復(fù)雜海洋環(huán)境下的綜合能力。

1水下無(wú)人航行器及數(shù)學(xué)模型

本文以典型的流線型水下無(wú)人航行器作為研究對(duì)象，AUV的主體為回轉(zhuǎn)體。其中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)包含水平舵、方向舵、主推以及輔推等。

因航行器在水中通過海水與舵角的作用力矩進(jìn)行各種運(yùn)動(dòng)，所以復(fù)雜的海洋環(huán)境對(duì)海水與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的作用產(chǎn)生復(fù)雜的非線性變化。對(duì)航行器的安全形勢(shì)起到很不利的影響。建立船體坐標(biāo)系及固定坐標(biāo)系如圖1所示。

圖1　船體坐標(biāo)系及固定坐標(biāo)系 Fig.1　Body coordinate and fixed coordinate systems

水下航行器的數(shù)學(xué)簡(jiǎn)化模型為

式中：M、C(v)、D(v)分別表示慣性矩陣、科羅拉力矩陣以及阻尼矩陣。τ、τd分別為舵角產(chǎn)生的力力矩以及海洋環(huán)境擾動(dòng)產(chǎn)生的力和力矩。

為了仿真的需要，建立水下航行器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型。

舵對(duì)航行器航行運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的力和力矩是很復(fù)雜的,通常情況下水下航行器的舵作用力,只考慮舵產(chǎn)生的阻力、力矩和升力。同時(shí)忽略他們之間的耦合作用影響。舵的模型可以描述為

其中，各系數(shù)按照國(guó)際拖曳水池會(huì)議(ITTC)標(biāo)準(zhǔn)。

推進(jìn)器的模型可以描述為

式中：n表示螺旋槳的轉(zhuǎn)速，CT、a為常數(shù)，Td、Ta分別為期望與實(shí)際推力。

2各種海洋環(huán)境因素的分析

2.1海流對(duì)水下航行器航行的影響

海流亦稱洋流，是指海洋中海水以相對(duì)穩(wěn)定的速度，沿一定的方向做大規(guī)模的非周期性運(yùn)動(dòng)。其可以分為風(fēng)海流、渦流、潮汐流、表層流及深層流等不同形式，其流動(dòng)方向有水平方向，也有垂直方向。一般海流的大小和方向都是隨季節(jié)的變化而不同，隨溫度、鹽度的升降而異。海流是水下航行器在水下執(zhí)行任務(wù)過程中最大的影響因素，因?yàn)楹Ａ鞯膹V泛存在并且局部地區(qū)的海流不確定性，對(duì)航行器的影響非常巨大。從自主控制角度來看，充分利用結(jié)合海流的方向、流速、作用在航行器上的力和力矩，將這些因素作為自主規(guī)劃的約束條件是航行器自主化水平的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。從運(yùn)動(dòng)控制角度來看，海流作為擾動(dòng)項(xiàng)，是必須在運(yùn)動(dòng)過程中消除的因素。所以通過對(duì)海流的建模實(shí)現(xiàn)在控制過程中利用或者抵消海流的干擾是非常重要的智能方法。

海流的數(shù)學(xué)模型可以簡(jiǎn)單描述為

目前對(duì)海流建模主要以定常流為主。在一個(gè)方向以固定流速，海流直接影響水下航行器的水下定位以及航速、航向等機(jī)動(dòng)性能，主要表現(xiàn)在3個(gè)方面[4-11]：

1)影響水下航行器航行的經(jīng)濟(jì)性

如果航行器可以通過掌握的海流和潮流的信息和規(guī)律，利用海流對(duì)航行器本身造成的有利推力，并綜合航行器所執(zhí)行的任務(wù)中的路徑要求和規(guī)劃，可以大大節(jié)省航行器自身攜帶的能源的消耗。增大水下航行器的續(xù)航力，并且在充分利用海流的情況下，航行器可以借助海流對(duì)水下航行器的作用加快航行器的航行速度。如圖2中，5個(gè)航行器航行方向與海流夾角中，航行器1是最為經(jīng)濟(jì)的，航行器2是為浪費(fèi)燃料。結(jié)合航行器在航路規(guī)劃過程中各任務(wù)對(duì)時(shí)間和路線的要求不同，選擇不同的與海流夾角，這樣最大的優(yōu)化利用海流。

圖2　海流環(huán)境下航行器航行方向 Fig.2　The heading of underwater vehicles under ocean current

2)影響水下航行器航行的安全性

水下航行器在海流流速較大的海區(qū)航行時(shí)，容易使水下航行器失去控制。當(dāng)航行器與海流之間的夾角接近90°時(shí)，即所謂的“橫流”，如圖2中航行器3所示，海流對(duì)航行器本身造成的偏航力矩最大，這樣航行器為了修正航跡而消耗的能源最大，如果航路規(guī)劃過程中航線出現(xiàn)與海流垂直的通過重新設(shè)計(jì)航路，以保證航路方向矢量與海流方向矢量保持銳角，同時(shí)在任務(wù)允許的范圍內(nèi)要盡量避開此海流區(qū)域。在航路規(guī)劃過程中，有效利用航行路線與海流構(gòu)成有效夾角，以此來實(shí)現(xiàn)任務(wù)效果與安全性的綜合最優(yōu)是水下無(wú)人航行器智能化和自主化的重要指標(biāo)。

3)影響水下航行器航行的隱蔽性

水下航行器執(zhí)行隱蔽任務(wù)時(shí)，例如，通過敵方控制的海峽、反潛封鎖區(qū)等，為避開敵方聲吶設(shè)備的搜索和探測(cè)，可通過利用深層流進(jìn)行漂航以此來增加水下航行器的隱蔽性。另外，黑潮流域的海洋背景噪聲比一般海域的噪聲要高很多，因此處在這種環(huán)境中的水下航行器噪聲不易被敵方偵查到，從而增強(qiáng)了自身的隱蔽性。

2.2透明度對(duì)水下航行器活動(dòng)的影響

透明度是海水中能見程度的一種量度，表示了光線在海水中透射的深度。不同海域海水透明度的分布是不一樣的。大洋中懸浮物較少，海水透明度較大，一般可達(dá)40～50m；與之相反，近海沿線水中懸浮物較多，能見度一般約10～30m；江河入?？诘貐^(qū)水中泥沙含量比較大，海水透明度可能小到1～2m。此外，相同海區(qū)不同時(shí)間海水的透明度也會(huì)因會(huì)海水溫度等因素產(chǎn)生透明度變化。在無(wú)人航行器航路規(guī)劃時(shí)，根據(jù)任務(wù)對(duì)安全和隱蔽性的要求等級(jí)來決定海水透明度在航路規(guī)劃過程中的影響權(quán)重。例如，水下航行器的任務(wù)是布雷任務(wù)則隱蔽性是非常重要的航性指標(biāo)，所以在航路規(guī)劃的過程中，要充分考慮海水透明度的因素，增加自主規(guī)劃時(shí)的考慮權(quán)重。因此，為了保證水下航行器的隱蔽性，應(yīng)根據(jù)待規(guī)劃海區(qū)的歷史資料，讓規(guī)劃的航路盡量避開水色低、海水透明度高的海區(qū)[12]。

圖3　海水透明度隨時(shí)間變化曲線 [18] Fig.3　The changing of ocean transparency with time

2.3躍層對(duì)水下航行器活動(dòng)的影響

海洋躍層將影響其附近海域的溫度、鹽度、密度、聲速等性質(zhì)的循環(huán)，在海水的垂直面上，其嚴(yán)重影響溫度、鹽都、密度、聲速等海洋要素的性質(zhì)的變化規(guī)律。這樣海洋躍層就使得上下兩邊的海水各主要要素的性質(zhì)有很大的不同。研究海水躍層的變化規(guī)律，對(duì)水下航行器活動(dòng)、水聲探測(cè)和水下通信等均有重要意義[12]。

圖4　躍層示意圖 Fig.4　Sketch of thermal layer

2.3.1密度躍層對(duì)航行器的影響

密度躍層的遠(yuǎn)近對(duì)內(nèi)波載荷的大小有較大的影響，荷載會(huì)隨著躍層的遠(yuǎn)近發(fā)生變化。離躍層越近所受荷載越大，相反，荷載越小。最大內(nèi)波荷載與靜水壓力大小處于同一數(shù)量級(jí)，所以該影響不得不著重考慮。但是同一深度下內(nèi)波荷載沿著水下航行器經(jīng)緯兩方向的變化趨勢(shì)大體相同[14]。

密度躍層對(duì)水下航行器活動(dòng)影響很大。當(dāng)密度躍層上方海水的密度小而躍層下方的海水密度大時(shí)，海水的密度差就會(huì)導(dǎo)致海水產(chǎn)生對(duì)水下航行器的浮力急劇減小的作用，俗稱“海中斷崖”。它會(huì)使進(jìn)入此區(qū)域中的水下航行器突然因浮力不足而急速下沉，當(dāng)密度躍層上方海水的密度大而躍層下方海水的密度小時(shí)，這時(shí)的海水密度差就會(huì)與前面相反，產(chǎn)生對(duì)水下航行器的浮力突然變大的作用，俗稱“液體海底”。這2種因密度躍層造成的現(xiàn)象嚴(yán)重威脅到水下航行器的航行安全。

2.3.2聲速躍層對(duì)航行器的影響

目前主要的海洋探測(cè)都是以聲音作為主要媒介。所以聲速是一個(gè)非常重要的水文環(huán)境要素，它同時(shí)決定著聲的傳播路線以及所有其他的聲學(xué)現(xiàn)象。聲速在傳播時(shí)會(huì)向速度更慢一側(cè)發(fā)生折射。因海洋海水的自身物理特性的分布情況所決定，可以使聲音傳播速度造成較大變化的區(qū)域叫聲速躍層[17]。通常情況下聲速躍層是由溫度、鹽度、壓強(qiáng)的不均勻造成的。聲速躍層的存在會(huì)使以聲納為代表的水聲探測(cè)設(shè)備出現(xiàn)探測(cè)盲區(qū)而無(wú)法工作，對(duì)水下航行器之間的通信和對(duì)敵探測(cè)有非常明顯的影響。

在聲速躍層的區(qū)域里，聲速梯度的傳播方向在深聲道的上下層中是相反的。在深聲道的上層，聲波的傳播將向深聲道的方向發(fā)生偏移，使得聲波無(wú)法直接穿越聲速躍層，在該區(qū)域發(fā)射的聲納信號(hào)不易探測(cè)到躍層之下的目標(biāo)，也就是說潛入躍層以下的水下航行器被發(fā)現(xiàn)的可能性大為減小，增強(qiáng)其隱蔽性。在深聲道區(qū)域，聲波信號(hào)的聲強(qiáng)較大，可以傳播到很遠(yuǎn)的距離，水聲設(shè)備在該區(qū)域的使用效果較好。因此，航行在深聲道中的水下航行器將可以探測(cè)到距離很遠(yuǎn)的目標(biāo)，增強(qiáng)了探測(cè)能力。另一方面，通過利用水聲躍層對(duì)水聲探測(cè)信號(hào)的影響，水下航行器可以根據(jù)自身的不同任務(wù)要求利用周邊的水文環(huán)境增加自身的隱蔽性或者增加自身攜帶的水聲感知設(shè)備的探測(cè)能力。因?yàn)槁暡ㄔ趶?fù)雜水文環(huán)境下發(fā)生特殊變化是隨著區(qū)域變化而有很大不同，所以水下航行器在執(zhí)行任務(wù)時(shí)需要結(jié)合自身任務(wù)的需求，選擇路線需要經(jīng)過的最有利區(qū)域。

2.3.3溫度躍層對(duì)航行器的影響

溫度躍層為水溫垂直變化較快的水層，可分為2類：1)主溫躍層，也成為永久溫躍層，該溫度躍層常年位于較深的大洋中，且隨季節(jié)變化較??；2)季節(jié)性溫躍層，該溫度躍層一般位于臨近大陸的邊緣海，從春季產(chǎn)生加強(qiáng)，到夏季達(dá)到最強(qiáng)，秋季又開始減弱，冬季消失[15]。溫度躍層影響水聲的傳播，如圖5和圖6所示，對(duì)聲吶探測(cè)水下目標(biāo)概率影響很大。所以有利于水下航行器的隱蔽性。熟悉并利用溫度躍層可以有效的躲避敵人的探測(cè)和偵查。

與水聲躍層相似，對(duì)水聲的正反兩面干擾，可以根據(jù)水下航行器任務(wù)的不同充分利用其特性。溫躍層中水聲變化的相關(guān)參數(shù)對(duì)水下航行器的隱蔽性、搭載水下武器、航路規(guī)劃等方面都是至關(guān)重要的。

2.4內(nèi)波對(duì)水下航行器活動(dòng)的影響

內(nèi)波是一種因海水運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的海洋要素, 它是因?yàn)楹Ｑ髢?nèi)部的海水密度不同，造成不同密度之間的水層之間產(chǎn)生一種自發(fā)的波動(dòng)。內(nèi)波對(duì)聲速的影響如圖7所示。內(nèi)波的存在像海面的波浪一樣普遍。只要海水穩(wěn)定的分成不同的密度層，同時(shí)再有擾動(dòng)源的存在，內(nèi)波就會(huì)隨之產(chǎn)生。它導(dǎo)致等密度面的波動(dòng),使聲速的大小和方向發(fā)生改變,內(nèi)波對(duì)聲吶設(shè)備的影響極大,充分利用內(nèi)波有利于水下航行器在水下的隱蔽。

圖5　 春季聲速隨溫躍層的變化 [16] Fig.5　The velocity changing with the thermocline varying in spring

圖6　 夏季聲速隨溫躍層深度變化 [16] Fig.6　The velocity changing with the thermocline varying in summer

圖7　內(nèi)波影響下不同位置的擾動(dòng)聲速刨面 [19] Fig.7　The velocity planning surface with influence of internal waves at different positions

1)內(nèi)波對(duì)水下航行器的不利影響

內(nèi)波是海洋中的一大隱患，對(duì)水下航行器航行有著較大的影響。尺度較小的內(nèi)波會(huì)使航行其上的水下航行器產(chǎn)生顛簸，易對(duì)航行器殼體及其附屬結(jié)構(gòu)造成損失。內(nèi)波荷載作用在水下航行器表面上的壓力是不均勻的，極端場(chǎng)合下，巨大的內(nèi)波甚至可以把水下航行器托出水面或拽下海底。水下航行器在執(zhí)行任務(wù)時(shí)，應(yīng)盡量避免將規(guī)劃的航路經(jīng)過此區(qū)域。

2)內(nèi)波對(duì)水下航行器的有利影響

內(nèi)波中的高頻隨機(jī)內(nèi)波對(duì)水下航行器航行隱蔽性有著一定的幫助。內(nèi)波使聲速的方向和大小都發(fā)生脈動(dòng),因而影響著聲吶設(shè)備的探索偵查能力,故有利于水下航行器的隱蔽而使敵方的監(jiān)聽遇到困難。高頻隨機(jī)內(nèi)波在波動(dòng)的過程中會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲。因此在該海域活動(dòng)的水下航行器，其發(fā)動(dòng)機(jī)等噪聲會(huì)因高頻隨機(jī)內(nèi)波的存在在內(nèi)波區(qū)域內(nèi)傳遞時(shí)快速衰減，甚至水下航行器自身的噪聲可以完全被內(nèi)波的噪聲完全掩蓋住，從而增加了水下航行器的隱蔽航行[13]。在水下航行器執(zhí)行隱蔽偵查任務(wù)時(shí)，可以通過利用這種內(nèi)波區(qū)域降低了水聲偵測(cè)被發(fā)現(xiàn)的概率，增加了水下航行器的隱蔽性以及安全性。

3水下航行器對(duì)水文要素的利用與躲避

在海洋環(huán)境下，水文環(huán)境要素是水下航行器不可避免的影響因素。而水下航行器在海洋執(zhí)行任務(wù)的過程中，航路的規(guī)劃需要根據(jù)任務(wù)的目的不同，在自主制定航路時(shí)也要對(duì)不同的海洋水文環(huán)境因素參考的權(quán)重也不同，如表1所示，近岸巡邏任務(wù)是在近海岸的水文環(huán)境下進(jìn)行巡邏任務(wù)，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)近岸任務(wù)，并且無(wú)需考慮隱蔽性，安全性是該任務(wù)的第一要求，近岸情況下海流比較復(fù)雜，所以可以按表中所示的權(quán)重分配。又例如港口偵查，該任務(wù)以航行器的隱蔽性作為第一需求，所以海水的透明度作為最需要考慮的水文要素。如果任務(wù)是海底偵查，則海流的因素影響較小，而內(nèi)波和躍層則是比較大的影響因素。

表1海洋水文因素在各任務(wù)中參考威脅權(quán)重

Table 1The threaten weight of ocean factors in different missions

任務(wù)海流透明度躍層內(nèi)波近岸巡邏4132海底搜索2143港口偵查3421遠(yuǎn)程調(diào)度4321

因文章考慮因素的原因只列舉4項(xiàng)，可根據(jù)海洋環(huán)境數(shù)據(jù)擴(kuò)展該表格。

本文采用啟發(fā)式搜索算法A*算法, A*算法由已知代價(jià)和估計(jì)代價(jià)共同組成了代價(jià)函數(shù)。函數(shù)形式為

式中:n為待擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)，則g(n)表示實(shí)際代價(jià)；h(n)表示估計(jì)代價(jià)。這樣,f(n)就表示從起點(diǎn)經(jīng)由點(diǎn)n到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的最小代價(jià)路徑的估計(jì)值.

使命任務(wù)要求水下航行器能夠根據(jù)地形的不同情況進(jìn)行回避，使航行器所受到的海洋威脅度最小，并保證有足夠的能量完成全部使命。因此代價(jià)函數(shù)要考慮威脅、地形障礙等因素，同時(shí)還要盡量縮短航程，減少航行時(shí)間。實(shí)際代價(jià)函數(shù)表示為

式中:Tg(ni,nj)為平均威脅強(qiáng)度；Dis(ni,nj)為航路距離；Hig(ni,nj)為平均航行高度，α1、α2、α3為權(quán)值系數(shù)且α1、α2、α3>0。

4仿真驗(yàn)證

本文以淺海定常海流作為海流對(duì)象。在受海洋環(huán)境因素影響下的路徑規(guī)劃過程中，以A*算法為自主控制方法。假設(shè)水下航行器收到海流，內(nèi)波，躍層等因素的影響，并且以相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行路徑規(guī)劃及最優(yōu)化。仿真1是基于海洋環(huán)境因素威脅度的自主水下航行器航路規(guī)劃，如表1所示，以參考威脅權(quán)值為海流為2，透明度為1，躍層為4，內(nèi)波為3的海底偵查任務(wù)為例。其中，增加了海底敵方的偵聽設(shè)備，在避開這些設(shè)備的同時(shí)，利用或避免海洋環(huán)境因素的干擾，制定安全、最優(yōu)的航行路徑。

如圖8所示，圖中等高線分別代表內(nèi)波，躍層等海洋水文條件的強(qiáng)度，因任務(wù)在水下較深地區(qū)，仿真中透明度近似恒定值，海流為定常流。航行器在優(yōu)先避開最大威脅偵測(cè)設(shè)備的前提下，根據(jù)海洋環(huán)境因素改變自己的航行路線，避開了強(qiáng)度最大的躍層區(qū)域，避免航路過于繞遠(yuǎn)，浪費(fèi)能源，采取了從內(nèi)波值較弱的區(qū)域穿過去。

圖8　水文環(huán)境干擾下自主航路規(guī)劃 Fig.8　The autonomous sailing rout under the disturbance of ocean environment

圖9為三維視角下的航路規(guī)劃圖，圖中的峰值狀物體表示該點(diǎn)的海洋內(nèi)波與躍層的強(qiáng)度。峰值越高表示強(qiáng)度越大。此圖可明顯看出，航行器在威脅度權(quán)值的參考作用下，首先避開了3個(gè)偵測(cè)設(shè)備的危險(xiǎn)區(qū)域，并且尋得內(nèi)波與躍層影響最小路線，在最后的偵測(cè)設(shè)備附近，因內(nèi)波與躍層的關(guān)系，航行器選擇越過此點(diǎn)，避免過于繞遠(yuǎn)而浪費(fèi)能源。最終抵達(dá)終點(diǎn)。

仿真2是近岸巡邏任務(wù),參考威脅權(quán)值為海流為4，透明度為1，躍層為3，內(nèi)波為2，此次仿真通過采用威脅權(quán)值與不采用做一個(gè)對(duì)比。圖10為未采用威脅權(quán)值的航路規(guī)劃及誤差，圖中陰影部分為島嶼，輪廓線包圍區(qū)域?yàn)楹Ａ?，淺黑輪廓線表示海流較小的區(qū)域，深黑輪廓線表示海流較大的區(qū)域，從圖中可以看出，因躲避島嶼，水下航行器選擇安全性最高的航線，選擇遠(yuǎn)離島嶼，這樣航線就處于海流較強(qiáng)的區(qū)域的距離比較長(zhǎng)，對(duì)航行器的航行精度影響較大。

圖9　三維水文環(huán)境干擾下自主航路規(guī)劃 Fig.9　The 3-D autonomous sailing rout under the disturbance of ocean environment

圖10　未采用威脅權(quán)值的航路規(guī)劃及誤差 Fig.10　The sailing planning and error without threaten weight

圖11　采用威脅權(quán)值的航路規(guī)劃及誤差 Fig.11　The sailing planning and error with threaten weight

圖11采用了威脅度權(quán)值的航路規(guī)劃方法。因外側(cè)深藍(lán)色區(qū)域的海流較大，威脅權(quán)值較高，則航行器的路線更多的選擇處于海流較小的區(qū)域。同時(shí)，因?yàn)楹Ａ鞯挠绊懴鄬?duì)較小，從而保證了航線的精確性。

5結(jié)束語(yǔ)

海洋環(huán)境是水下航行器安全航行以及執(zhí)行完成任務(wù)的重要影響因素，對(duì)復(fù)雜海洋環(huán)境因素的了解可以有效的提高航行器的續(xù)航能力，操縱性，甚至是作戰(zhàn)能力。除了上文提到的海流，透明度，躍層和內(nèi)波外，復(fù)雜的海洋歡迎還包括海底地理環(huán)境，生物因素以及磁場(chǎng)等眾多因素。每一個(gè)因素都可以成為增強(qiáng)航行器性能的利器，但沒有充分考慮到的海洋環(huán)境因素也可以是導(dǎo)致航行器任務(wù)失敗甚至威脅自身安全的隱患。所以在現(xiàn)有海洋科學(xué)的研究基礎(chǔ)上，水下航行器的設(shè)計(jì)，制造，任務(wù)作業(yè)等過程都要充分考慮海洋環(huán)境因素的影響。這樣可以大大提高航行器的經(jīng)濟(jì)性，安全性，操縱性、作戰(zhàn)性能以及一些其他的相關(guān)性能。

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王奎民，男，1971年生，高級(jí)工程師，博士，主要研究方向水下航行器控制與仿真。