國產(chǎn)水下滑翔機2014年南海海試實驗數(shù)據(jù)分析

任 強，于 非，李 碩，俞建成，司廣成

（1.中國科學(xué)院海洋研究所 環(huán)境工程中心，山東 青島 266071；2.中國科學(xué)院沈陽自動化研究所，遼寧 沈陽 110000）

國產(chǎn)水下滑翔機2014年南海海試實驗數(shù)據(jù)分析

任 強1，于 非1，李 碩2，俞建成2，司廣成1

（1.中國科學(xué)院海洋研究所 環(huán)境工程中心，山東 青島 266071；2.中國科學(xué)院沈陽自動化研究所，遼寧 沈陽 110000）

水下滑翔機（Underwater Glider）是將浮標(biāo)、潛標(biāo)技術(shù)以及水下機器人技術(shù)相結(jié)合并依靠自身浮力和重力作為推進方式的一種新型海洋調(diào)查系統(tǒng)。文中詳細(xì)介紹了中國科學(xué)院自動化研究所研制的水下滑翔機的組成部分及其工作方式和原理，并對2014年6月南海海試的數(shù)據(jù)進行了分析。結(jié)果表明，Glider的下降和上升速度主要分布在0.1～0.2m/s之間，占整體分布的85%以上；該速度分布對獲取高質(zhì)量的數(shù)據(jù)提供了極大保障。單剖面完成時間以及出入水的水平距離主要受滑翔機的預(yù)設(shè)浮力以及俯仰角的變化以及洋流的影響。獲取的高分辨率溫鹽數(shù)據(jù)結(jié)果表明，Glider發(fā)現(xiàn)了南海表層存在的一個中尺度暖渦過程，并就該暖渦分析了其鋒面結(jié)構(gòu)。海試總體結(jié)果表明，國產(chǎn)Glider的各項性能指標(biāo)已經(jīng)能夠滿足在深海海域?qū)崿F(xiàn)無人值守的長時間自主海洋調(diào)查。

水下滑翔機；性能；暖渦

隨著科學(xué)技術(shù)的進步和國民經(jīng)濟的發(fā)展，海洋探測已成為研究全球大氣、海洋及其相互作用關(guān)系的基本研究手段，海洋觀測設(shè)備由此日新月異地發(fā)展，在此基礎(chǔ)上研制各種先進的調(diào)查儀器，更好地應(yīng)用于海洋學(xué)研究。

目前西方國家的先進海洋設(shè)備如水下滑翔機[1-3]、AUV等設(shè)備早已應(yīng)用于全球大洋觀測，由于此類設(shè)備在深海海洋探測中的重要性，中國科學(xué)院沈陽自動化研究所自主開展水下滑翔機的研制工作[4]。2014年6月，國產(chǎn)水下滑翔機正式開始深海海試工作，各項測試指標(biāo)正常且獲取了大量的高精度和高分辨率數(shù)據(jù)，標(biāo)志著我國自主設(shè)計研制生產(chǎn)的水下滑翔機取得突破性進展。國產(chǎn)Glider的研制成功打破了國際上的長期封鎖，為我國海洋探測技術(shù)的發(fā)展以及海洋科學(xué)研究提供了重要的裝備支持，標(biāo)志著海洋探測從大量科技人員現(xiàn)場調(diào)查獲取資料的時代邁向無人值守的時代，從根本上節(jié)約了人力、時間以及物質(zhì)成本。此類海洋裝備的應(yīng)用極大地豐富了海洋調(diào)查方式，同時其工作的優(yōu)異性能獲取的高質(zhì)量數(shù)據(jù)等也為我國的海洋科學(xué)研究提供基礎(chǔ)支持。

海洋中尺度過程[5-6]遍布全球，且對全球大洋環(huán)流、氣候等產(chǎn)生重要的影響。傳統(tǒng)中尺度過程的觀測主要借助于Argo浮標(biāo)以及海面衛(wèi)星高度計等系統(tǒng)。其中Argo浮標(biāo)受限于系統(tǒng)無動力，無法實現(xiàn)自主航行，只能被動隨洋流移動，因而無法對中尺度過程等海洋現(xiàn)象實現(xiàn)自主觀測，而Glider的靈活自主性對實現(xiàn)中尺度過程、內(nèi)波[7-8]等海洋現(xiàn)象觀測有很大幫助。

1 國產(chǎn)水下滑翔機介紹

1.1 國產(chǎn)水下滑翔機系統(tǒng)組成

水下滑翔機（Glider）是將浮標(biāo)、潛標(biāo)技術(shù)以及水下機器人技術(shù)相結(jié)合，依靠自身浮力和重力作為推進方式的一種新型海洋調(diào)查系統(tǒng)。中國科學(xué)院沈陽自動化研究所研制的水下滑翔機（圖1）系統(tǒng)主要由艏部艙段、姿態(tài)調(diào)節(jié)艙段、傳感器艙段以及艉部艙段等組成。其中艏部艙段主要有高度計、壓力傳感器等；姿態(tài)調(diào)節(jié)艙段主要有俯仰調(diào)節(jié)驅(qū)動裝置、電池組以及控制模塊等；傳感器艙段主要搭載如CTD、溶解氧、葉綠素濁度計、艙內(nèi)濕度檢測等探測傳感器（其溫鹽深傳感器型號采樣的是美國seabird公司生產(chǎn)的SBE49）；艉部艙段主要包括浮力調(diào)節(jié)裝置（油囊）、轉(zhuǎn)向裝置、拋載裝置（用于緊急情況下出水、定位系統(tǒng)（GPS、銥星和無線電模塊）等。其系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示，工作深度最大為1000m，正常航行速度為0.5 kn/h，最大可達1.0 kn/h，內(nèi)置電池續(xù)航時間為30 d以上，2014年在南海海試最遠(yuǎn)航行距離達到了1 000 km以上。

圖1 水下滑翔機實物圖

表1 國產(chǎn)水下滑翔機技術(shù)指標(biāo)

1.2 滑翔機工作原理

滑翔機按照預(yù)定的路線和轉(zhuǎn)向點進行自動連續(xù)剖面測量以及航行，在母船甲板通過無線電輸入位置和坐標(biāo)等信息。圖2為其工作模式簡圖，它的主要工作原理是通過浮力和俯仰角的調(diào)節(jié)，以控制滑翔機的上升和下降?；铏C漂浮在水面的狀態(tài)中艉部通訊天線露出水面，本體與水面呈80°左右的傾角（艏部朝下），在下降的過程中，通過驅(qū)動泵抽出油囊中的油使滑翔機體積浮力變小，同時電池組改變位置調(diào)整俯仰角，此階段為下降浮力及俯仰角調(diào)整期，在此期間由于俯仰角的調(diào)節(jié)速度較慢，滑翔機的傾角過大而水阻較小，因此在開始下降的初始時期下降速度較大，其最大速度能達到0.9m/s，一般此階段在30～60m內(nèi)完成。在俯仰角調(diào)整到預(yù)定角度之后，滑翔機與水平面傾角變小，水平翼受水體阻力大，速度下降趨于一個穩(wěn)定值約為0.2m/s。滑翔機艏部裝有高度計探頭，如果到達設(shè)定離底閾值，系統(tǒng)自動采取措施停止下降以防止觸底，其重新調(diào)整電池組位置以及給油囊充油使浮力大于重力開始上升狀態(tài)。到達水面后，艉部天線出水發(fā)送GPS位置，系統(tǒng)根據(jù)出入水的GPS位置自動計算出矢量偏移即粗略估計流速大小和流向，因此在下一次下降過程中調(diào)整艉舵使其按照預(yù)定的航線進行工作。系統(tǒng)也可設(shè)定為不需要出水連續(xù)完成剖面測量，經(jīng)多個剖面后再出水發(fā)送位置和數(shù)據(jù)等信息，在這種模式下有利于節(jié)省能量以及滑翔機自身的安全。

圖2 水下滑翔機工作模式

2 實驗工程數(shù)據(jù)分析

中國科學(xué)院沈陽自動化研究所研制的水下滑翔機于2014年6月在南海海南島東南部進行了海試試驗(圖4)，本次試驗設(shè)置了4個轉(zhuǎn)向點，滑翔機實際路線依次為AB—BC—CD—DE—EB—BF，返回到BC線段中的F點，共完成了剖面數(shù)127個，航路總里程為500 km左右。

圖3 海試實驗區(qū)域及路線圖

2.1 滑翔機實際速度分布

圖4為實測滑翔機單個剖面的下降和上升速度情況，圖中顯示了滑翔機速度的變化過程及其水下工作模式特征。

圖4 滑翔機剖面速度

2.2 下降及上升速度統(tǒng)計

圖5為滑翔機的速度統(tǒng)計分布情況，圖5(a)為各個剖面滑翔機下降最大速度及其對應(yīng)的深度分布圖，最大速度分布在0.75～1.1 m/s之間而其對應(yīng)的深度在20～60m之間，主要是在40m左右，其平均最大速度和平均深度分別為0.85 m/s和45 m，在此深度之間滑翔機完成了俯仰角、油泵以及尾舵角的調(diào)節(jié)。圖5(b)則是整個海試實驗過程中滑翔機下降和上升過程速度的統(tǒng)計分布圖，處于0.1～0.2m/s之間的速度占整體分布的85%以上，處于0.2～0.3m/s之間的速度占比相對較小，只有10%左右，而0～0.1 m/s之間的速度占比僅為4%，其中速度大于0.3 m/s的分布幾乎可以忽略。從下降和上升速度的分布來看，滑翔機總體速度在0.1～0.2 m/s內(nèi)，且速度變化也較均勻，穩(wěn)定均勻并且處在合適期間的剖面速度對于獲取高質(zhì)量的數(shù)據(jù)提供了保障。

圖5 速度分布情況

2.3 剖面工程數(shù)據(jù)

全航程為127個剖面，對每組剖面的航向角、剖面完成時間以及水平距離進行統(tǒng)計對比（圖6），圖6(a)為系統(tǒng)預(yù)定航向角和實際航向角序列圖。圖中可以看到兩者基本一致，在ABCDEF等轉(zhuǎn)向點處航向角變化明顯，說明滑翔機按照預(yù)定的點航行路線無偏差。圖6(b)為單組剖面完成時間和水平距離序列圖，左側(cè)縱坐標(biāo)為時間，右側(cè)縱坐標(biāo)為水平距離。圖6(c)為滑翔機預(yù)設(shè)的俯仰角和浮力大小圖。統(tǒng)計結(jié)果可以看到完成下降和上升的單個剖面所需時間總體變化不大，時間約為200～240min之間，平均時間為220 min，而出入水位置距離變化較大，為2.5～6 km之間，平均距離為4 km左右。

圖6 剖面工程數(shù)據(jù)

對于完成第60～80個剖面所需時間相對偏大，水平距離相對于全部剖面來說相對偏小，曲線呈先減小后增加的V字形走勢（圖中虛線框）。從圖6（c）可以看出在第60個剖面的時間點上設(shè)定的浮力從350 N減小到300 N，凈浮力的減小使沿滑翔機軸線的速度減小，在俯仰角不變的情況下水平速度和垂直速度也變小，從而使滑翔機的上升剖面時間增加和水平距離減小。同時也可看到在第73個剖面時間點上（對應(yīng)的是水平距離V字形低值點）滑翔機的預(yù)設(shè)俯仰角從22°變成了25°，俯仰角變大使滑翔機上升下降過程整體受到的水阻力變小，滑翔機沿軸向速度增加即水平速度和垂直速度增加，剖面完成時間減?。ê臅r曲線可以看出來該點時間的突變），同時水平距離又開始增加。因而在這些剖面區(qū)間內(nèi)，滑翔機的預(yù)設(shè)浮力以及俯仰角的變化是完成剖面所需時間以及出水水平距離均出現(xiàn)一定波動的原因，加上海洋中實際洋流的影響，因此兩者的波動受各方面因素疊加影響。

3 實驗數(shù)據(jù)及初步分析

圖7（a）為獲取的全航程共127個剖面溫度三維分布情況。圖7（b）為單剖面溫鹽情況。從圖中可知上下剖面的溫鹽基本重合，無異常值以及數(shù)據(jù)抖動情況出現(xiàn)，說明Glider在工作剖面模式下獲取的數(shù)據(jù)資料具有非常高的穩(wěn)定性及精度，能夠滿足科研需求。

圖7 剖面溫度分布

南海主要受東亞冬夏季風(fēng)影響而使其上層環(huán)流出現(xiàn)明顯的季節(jié)變化特征。冬季東北季風(fēng)的盛行使南海的表層呈氣旋式環(huán)流結(jié)構(gòu)，而在夏季則變成受從印度洋而來的西南季風(fēng)影響而使表層環(huán)流呈反氣旋式。南海海區(qū)地形復(fù)雜，各種復(fù)雜海洋現(xiàn)象如中尺度渦以及內(nèi)波等發(fā)生概率較大。中尺度過程主要包括渦旋、上升流和鋒面等海洋現(xiàn)象，同時它的出現(xiàn)一般對應(yīng)的是海平面的劇烈變化[9-11]。

本文利用衛(wèi)星高度計資料分析Glider海試期間南海海平面高度異常（SLA）。圖9為6月18日的平均海表高度異常分布情況，圖中顯示在6月18日南海表層存在2個正的SLA中心，其最大高度異常值為25 cm，渦中心范圍約為60 km。此現(xiàn)象對應(yīng)的是中尺度的暖渦過程，2個暖渦分布為西南—東北方向。暖渦中心西北方向為鋒面區(qū)域。

Glider海試期間18日路徑（圖中實線處）為東南—西北走向，其正好位于該暖渦鋒面區(qū)。圖10為Glider所獲取的6月18日溫度分布圖（取上表層250m）。從圖中可以看出暖渦鋒面區(qū)溫度等值線分布規(guī)律為從左至右傾斜，即呈西部高溫等值線抬升而東部高溫等值線下壓走勢，西部表層30℃溫度等值線最大值位于15m左右，而東部表層30℃等值線則位于到30m處。表層100m以上等值線下壓較為明顯，而100 m以下等值線下壓趨勢減弱，在16℃等值線仍然存在微弱的下凹現(xiàn)象，說明觀測到的暖渦垂直尺度大概為200 m左右，考慮到該區(qū)域處于暖渦較邊緣位置，因而得到的暖渦垂直尺度較小，而越靠近暖渦中心其垂直尺度越大。北半球暖渦特征主要表現(xiàn)為反氣旋式順時針轉(zhuǎn)動，暖渦中心表層暖水下沉。以上現(xiàn)象均與北半球暖渦特征相對應(yīng)，說明Glider在海試期間完整地觀測到一次中尺度暖渦過程并對暖渦結(jié)構(gòu)有準(zhǔn)確描述。

圖9 海平面高度異常

圖10 溫度斷面

4 結(jié)論

在2014年6月的南海深海海試過程中，國產(chǎn)水下滑翔機按照預(yù)定設(shè)計的路線自主工作，出水后整套系統(tǒng)通過精密配合完成航向的修正調(diào)整、姿態(tài)矯正、浮力設(shè)定等功能，并通過衛(wèi)星向接收終端發(fā)送數(shù)據(jù)，其工作方式有利于科研人員隨時監(jiān)控系統(tǒng)的工作狀態(tài)，同時在應(yīng)急模式下能夠拋棄壓載裝置實現(xiàn)自主上浮，從最大程度上保障儀器自身安全。本次海試共行進水平里程為500 km，完成剖面數(shù)位128個，平均下潛深度達到1 100m。對其獲取的數(shù)據(jù)并結(jié)合衛(wèi)星高度計資料進行綜合分析，發(fā)現(xiàn)了6月南海北部存在的南海中尺度暖渦過程，并對其鋒面的溫鹽結(jié)構(gòu)有非常精細(xì)的描述。海試結(jié)果表明國產(chǎn)Glider的各項性能指標(biāo)已經(jīng)能夠滿足在深海海域?qū)崿F(xiàn)無人值守的長時間自主海洋調(diào)查，同時能夠精確地觀測到中尺度過程等重大海洋現(xiàn)象。這為今后我國深海先進海洋裝備的研制打下堅實的基礎(chǔ)，積累豐富的經(jīng)驗，同時也能極大地促進我國海洋基礎(chǔ)科學(xué)的研究。

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Analysis on the Experimental Data Acquired from the Sea Tests for Domestic Underwater Glider in the South China Sea in 2014

REN Qiang1,YU Fei1,LIShuo2,YU Jian-cheng2,SIGuang-cheng1
1.R&D Center of Marine Environmental Engineering and Technologies,Institute of Oceanology,Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071,Shandong Province,China; 2.Shenyang Institute of Automation,Chinese Academy of Sciences,Shenyang 110000,Liaoning Province,China

Underwater glider is a new kind of system for oceanographic survey,which combines the technologies of buoy,subsurface buoy and underwater robot.It relies on its own buoyancy and gravity as propulsive forces. This paper introduces the components and the basic principles of the underwater glider developed by the Institute of Automation,Chinese Academy of Sciences in detail,and analyzes the data obtained from the glider tested in the South China Sea in June 2014.The results show that the falling and rising speeds of the glider are distributed mainly between 0.1 m/s and 0.2 m/s,accounting formore than 85%of the total distribution.This kind of speed distribution ensures the acquisition of high-quality data.The completion time of single profile and the horizontal displacementwhen the glider enters and leaveswater aremainly affected by the presupposed buoyancy and pitch angle variation of the glider aswell as ocean currents.High-resolution thermohaline data reveal the fact that the glider discovers a mesoscale warm eddy process on the surface layer of the South China Sea and analyzes its frontal surface structure.The overall results of the sea tests show that all the performance indicators of domestic underwater glider are able tomeet the requirement of unattended and independent oceanographic survey in deep waters for long period.

underwater glider;performance;warm eddy

P715.5

A

1003-2029（2017）01-0052-06

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.01.010

2016-05-19

中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項資助項目（XDA11040201）;國家自然科學(xué)基金委員會—山東省人民政府聯(lián)合資助海洋科學(xué)研究中心項目（U1406401）；國家自然科學(xué)基金委員會—創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金資助項目（41421005）

任強(1989-),男，碩士研究生，主要從事物理海洋學(xué)研究。E-mail：rqiocas1989@163.com