“海鰩”波浪滑翔器研究進(jìn)展及發(fā)展思路

田應(yīng)元，吳小濤，王海軍，熊童滿，王華明，班 偉，吳文輝

（中國船舶重工集團(tuán)有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003）

0 引言

波浪滑翔器（Wave Glider）是一款能夠完全借助自然能源長周期運(yùn)行的波浪驅(qū)動水面無人航行器。波浪滑翔器主要由水面艇、掛纜、水下驅(qū)動單元、舵機(jī)、控制艙、用戶艙、太陽能板、任務(wù)載荷等組成。圖1為搭載海洋環(huán)境傳感器的波浪滑翔器系統(tǒng)的基本組成。

圖1 波浪滑翔器系統(tǒng)基本組成示意圖Fig. 1 System basic composition of wave glider

早在2005年，美國波浪滑翔器首席設(shè)計(jì)師Roger Hine為了跟蹤研究駝背鯨的生活習(xí)性，發(fā)明了最初的波浪滑翔器原型樣機(jī)，其能夠借助波浪的動力在海洋中長期跟隨鯨群進(jìn)行觀測取樣。2007年，Roger Hine及其同事成立了Liquid Robotics公司，專注于生產(chǎn)波浪滑翔器，并將應(yīng)用市場擴(kuò)展到科考、商業(yè)、環(huán)境保護(hù)以及特殊領(lǐng)域。2008年第1臺波浪滑翔器作為商品成功交付使用，標(biāo)志著美國的波浪滑翔器技術(shù)從研發(fā)走向成熟。自2009年開始，Liquid Robotics公司先后推出了2款商業(yè)化的波浪滑翔器SV2和SV3。這2款波浪滑翔器問世以來，受到外界的廣泛關(guān)注。2017年9月，美國公布了新一代波浪滑翔器，具備更大的作業(yè)半徑，增大了功率和負(fù)載空間，可搭載更多先進(jìn)傳感器，可在高海況和高緯度地區(qū)長期執(zhí)行海上監(jiān)視和環(huán)境觀測任務(wù)。美國波浪滑翔器已經(jīng)累計(jì)進(jìn)行了數(shù)萬公里海試，以及長達(dá)1年的連續(xù)航行實(shí)驗(yàn)。目前已經(jīng)銷售數(shù)百臺，在多個行業(yè)都有應(yīng)用[1-3]。

近年來波浪滑翔器已成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。由于波浪滑翔器在技術(shù)上的巨大創(chuàng)新，以及在特殊敏感領(lǐng)域的大量應(yīng)用，該項(xiàng)技術(shù)難以直接引進(jìn)。由于國外的技術(shù)封鎖，我國波浪滑翔器均為自主研發(fā)，起步相對較晚，無論在波浪滑翔器平臺技術(shù)，還是在隱蔽導(dǎo)控、綜合運(yùn)用，特別是在環(huán)境監(jiān)測、水下目標(biāo)探測、多傳感器載荷集成應(yīng)用技術(shù)等方面，與國外還存在一定差距。

國內(nèi)較早開展波浪滑翔器技術(shù)研究的有中國船舶重工集團(tuán)有限公司第七一〇研究所、國家海洋技術(shù)中心、哈爾濱工程大學(xué)、中國海洋大學(xué)、中科院沈陽自動化所等[4-8]。這些科研院所在波浪滑翔器技術(shù)領(lǐng)域開展了大量基礎(chǔ)研究，形成了較多原理樣機(jī)和試驗(yàn)成果，但目前成熟可用的產(chǎn)品還不多。中國船舶重工集團(tuán)有限公司第七一〇研究所研制的“海鰩”波浪滑翔器已完成了系統(tǒng)仿真、原理樣機(jī)研制、工程樣機(jī)研制及應(yīng)用研究，并結(jié)合應(yīng)用開展了一系列深度創(chuàng)新。圖2為中國船舶重工集團(tuán)有限公司第七一〇研究所研制的“海鰩”波浪滑翔器批量生產(chǎn)產(chǎn)品。

圖2 “海鰩”波浪滑翔器批量產(chǎn)品Fig. 2 Batch products of “Sea Ray”wave glider

波浪滑翔器技術(shù)不但需要研究影響其性能的科學(xué)問題，還需要關(guān)注實(shí)際海洋環(huán)境中長期運(yùn)行需要解決的工程問題。本文主要介紹了“海鰩”波浪滑翔器的最新研究進(jìn)展，并就波浪滑翔器主要關(guān)鍵技術(shù)及未來發(fā)展思路進(jìn)行初步探討，以供相關(guān)研究和應(yīng)用技術(shù)人員參考。

1 “海鰩”波浪滑翔器研究進(jìn)展

“海鰩”波浪滑翔器自2015年完成原理樣機(jī)研制后，2016年開始開展了大量海上性能試驗(yàn)及應(yīng)用研究，在平臺性能、可靠性及任務(wù)載荷搭載應(yīng)用上取得了一系列突破性進(jìn)展。

1.1 “863”結(jié)題考核試驗(yàn)

在國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）“波浪滑翔器無人自主海洋環(huán)境觀測系統(tǒng)”的資助下，中國船舶重工集團(tuán)有限公司第七一〇研究所自2014年開始波浪滑翔器的研制，其“海鰩”波浪滑翔器在2017年11月一次性通過國家科技部第三方見證海上試驗(yàn)驗(yàn)收。在黃海中部千里巖島周圍13 km范圍內(nèi)，繞島航行近80圈，歷時92 d，航行里程達(dá)3 242 km。實(shí)現(xiàn)了氣象參數(shù)（風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、氣壓、濕度）和水文參數(shù)（水溫、鹽度、剖面流速）等參數(shù)的測量。圖3為“海鰩”波浪滑翔器海上驗(yàn)收長航程試驗(yàn)岸站監(jiān)測畫面。

經(jīng)過海上實(shí)航試驗(yàn)驗(yàn)證，“海鰩”波浪滑翔器負(fù)載能力、航行速度、航行精度、定點(diǎn)錨泊精度、海洋環(huán)境探測功能等各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到或優(yōu)于指標(biāo)要求，代表了我國波浪滑翔器技術(shù)的最高水平。此后“海鰩”波浪滑翔器在國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃及其他項(xiàng)目支持下，陸續(xù)開展了多次海上長時間應(yīng)用，其性能和可靠性得到進(jìn)一步提升。該產(chǎn)品目前處于定型狀態(tài)，進(jìn)入批量生產(chǎn)及應(yīng)用示范階段。圖4為結(jié)題考核試驗(yàn)海試中的“海鰩”波浪滑翔器。

圖4 結(jié)題考核海試中的“海鰩”波浪滑翔器Fig. 4 “Sea Ray” wave glider in final examination sea test

“海鰩”波浪滑翔器整體技術(shù)水平處于應(yīng)用推廣階段，主要技術(shù)指標(biāo)與Liquid Robotics公司研制的第2代波浪滑翔器“SV”相當(dāng)。兩者主要技術(shù)指標(biāo)對比如表1。

表1 “海鰩”波浪滑翔器與“SV2”主要技術(shù)指標(biāo)對比Table 1 Comparison of main technical indicators between “Sea Ray” and “SV2”

1.2 主要應(yīng)用進(jìn)展

1）協(xié)同組網(wǎng)觀測試驗(yàn)。

2019年5月11-13日，國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“無人無纜潛水器組網(wǎng)作業(yè)技術(shù)與應(yīng)用示范”項(xiàng)目“海洋滑翔機(jī)改造與協(xié)作關(guān)鍵技術(shù)”課題在南海中東部海域開展了聯(lián)合組網(wǎng)協(xié)同觀測試驗(yàn)。本次試驗(yàn)由課題牽頭單位天津大學(xué)組織，子課題單位中國船舶重工集團(tuán)有限公司第七一〇研究所、國家海洋技術(shù)中心、中國海洋大學(xué)以及第三方監(jiān)理單位參加。主要開展了波浪滑翔器與水下滑翔機(jī)的聯(lián)合走航觀測、位置保持聯(lián)合觀測等試驗(yàn)，并對中國船舶重工集團(tuán)有限公司第七一〇研究所、國家海洋技術(shù)中心、中國海洋大學(xué)這3家單位研制的波浪滑翔器進(jìn)行了性能比測試驗(yàn)。中國船舶重工集團(tuán)有限公司第七一〇研究所研制的“海鰩”波浪滑翔器航行及位置保持性能優(yōu)異，樣機(jī)可靠性高，得到了行業(yè)專家的高度認(rèn)可。圖5為3家單位直線走航性能比測結(jié)果，上、中、下3條規(guī)劃水平直線長度為100 km，間距為30 km。其中2套“海鰩”波浪滑翔器參加比測試驗(yàn)，分別為中線和下線，綠色為往返實(shí)測航跡（本結(jié)果為試驗(yàn)組織方提供）。

試驗(yàn)期間，“海鰩”2號、“海鰩”3號、“海鰩”4號波浪滑翔器分別開展了21 d、46 d、17 d位置保持編隊(duì)定點(diǎn)觀測試驗(yàn)，位置保持軌跡如圖6所示。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，“海鰩”-2號波浪滑翔器連續(xù)15 h位置保持精度小于40 m，“海鰩”-3號波浪滑翔器連續(xù)14 h位置保持精度小于70 m，“海鰩”-4號波浪滑翔器連續(xù)17 h位置保持精度小于140 m。

圖5 直線走航性能比測結(jié)果Fig. 5 Performance comparison result of straight course

圖6 3套“海鰩”波浪滑翔器的位置保持軌跡Fig. 6 Position-holding trajectory of three “Sea Ray”wave gliders

圖7為“海鰩”-4號波浪滑翔器直線航行速度測試結(jié)果，30 km直線航速測試結(jié)果顯示，1 h平均速度大于1.5 kn，16 h平均航速1.04 kn。

“海鰩”-3號經(jīng)過了2019年4號臺風(fēng)“木恩”、5號臺風(fēng)“丹娜絲”、7號臺風(fēng)“韋帕”、9號臺風(fēng)“利奇馬”的考驗(yàn)，其中“木恩”臺風(fēng)經(jīng)過時最大浪高達(dá)6.6 m?！昂ｖ帯?2號經(jīng)過了“木恩”臺風(fēng)考驗(yàn)，“海鰩”-4號經(jīng)過了臺風(fēng)“丹娜絲”、“韋帕”、“利奇馬”的考驗(yàn)。臺風(fēng)期間，“海鰩”波浪滑翔器保持了良好的控位能力，連續(xù)12 h定點(diǎn)控位精度保持在300 m以內(nèi)。所有參試樣機(jī)整個試驗(yàn)過程均性能穩(wěn)定，功能完好。

圖7 “海鰩-4”波浪滑翔器的直線航行速度測試Fig. 7 Straight speed test of “Sea Ray-4” wave glider

2）通信定位組網(wǎng)試驗(yàn)。

2019年12月14日-2020年2月16日（受“新冠肺炎”疫情影響提前回收了樣機(jī)），中國船舶重工集團(tuán)有限公司第七一〇研究所與哈爾濱工程大學(xué)在南海中東部海域聯(lián)合開展了通信定位組網(wǎng)海上試驗(yàn)。本次試驗(yàn)主要開展了波浪滑翔器搭載聲學(xué)通信定位系統(tǒng)與水下節(jié)點(diǎn)進(jìn)行區(qū)域定點(diǎn)聯(lián)合通信定位試驗(yàn)。圖8為搭載聲學(xué)系統(tǒng)的“海鰩”波浪滑翔器。

該航次試驗(yàn)12月14日19時從湛江港出發(fā)，航行約480 km后到達(dá)東沙群島西南部海域，12月16日上午10點(diǎn)試驗(yàn)團(tuán)隊(duì)將波浪滑翔器在距離水下節(jié)點(diǎn)約220 km處布放。隨后波浪滑翔器自主航行，于12月25日21時進(jìn)入水下節(jié)點(diǎn)布放區(qū)域，開始沿以水下節(jié)點(diǎn)為中心，半徑3 km的圓航行。完成3 km半徑通信定位試驗(yàn)后又進(jìn)行了半徑1 km圓周航行，在作圓周運(yùn)動的同時，開展了水面水下聲學(xué)通信定位等相關(guān)測試。圖9為“海鰩”波浪滑翔器走航軌跡。

圖8 搭載聲學(xué)系統(tǒng)的“海鰩”波浪滑翔器Fig. 8 “Sea Ray”wave glider with acoustic system

圖9 “海鰩”波浪滑翔器的走航軌跡Fig. 9 Trajectory of “Sea Ray” wave glider

由于走航過程需要波浪滑翔器平臺以最短的時間到達(dá)目標(biāo)海域，走航的控位精度偏差設(shè)置較大（設(shè)置值2 km），實(shí)際控位精度在設(shè)置范圍以內(nèi)。

圖10是“海鰩”波浪滑翔器定點(diǎn)圓周走航軌跡，在連續(xù)繞圈走航測試中，系統(tǒng)的平均定位精度始終保持在200 m以內(nèi)，連續(xù)2 h的走航控位精度最高達(dá)到50 m以內(nèi)。走航過程中與水下節(jié)點(diǎn)保持穩(wěn)定的水聲通信和數(shù)據(jù)傳輸。本次試驗(yàn)，波浪滑翔器平臺搭載聲學(xué)通信定位載荷的區(qū)域航行控位能力得到充分檢驗(yàn)。

系統(tǒng)功耗方面，白天正常工作狀態(tài)下，聲學(xué)系統(tǒng)開機(jī)后電壓穩(wěn)定，能夠滿足聲學(xué)系統(tǒng)對電能的需求。臺風(fēng)過境期間由于無法正常充電，系統(tǒng)電壓略有下降，但未出現(xiàn)明顯降壓現(xiàn)象，能夠保證系統(tǒng)的用電安全。

圖10 “海鰩”波浪滑翔器的定點(diǎn)圓周走航軌跡Fig. 10 Trajectory of circular motion around a point

2 波浪滑翔器關(guān)鍵技術(shù)

波浪滑翔器作為一種新型創(chuàng)新度較高的水面無人航行器，其運(yùn)動原理、系統(tǒng)可靠性及使用維護(hù)等方面存在許多關(guān)鍵技術(shù)。只有突破并掌握這些關(guān)鍵技術(shù)，才有可能開發(fā)出可用、好用的波浪滑翔器產(chǎn)品。

2.1 水動力布局與流體動力和運(yùn)動仿真

波浪動能的轉(zhuǎn)化效率直接影響系統(tǒng)的運(yùn)動性能，因此對于波浪滑翔器合理的水動力布局至關(guān)重要。一旦水動力布局不合理，系統(tǒng)捕獲波浪動能的效率將顯著降低，將直接影響實(shí)際海況下風(fēng)浪流綜合影響的航行和控位性能，極易導(dǎo)致波浪滑翔器系統(tǒng)隨波逐流，成為價格昂貴的“表面漂流浮標(biāo)”。此外，在合理水動力布局的基礎(chǔ)上，水動力性能優(yōu)化和流體動力仿真需要考慮的因素包括系統(tǒng)的衡重及姿態(tài)配置、艇體的阻力性能、掛纜的長度，以及水下滑翔體翼板的翼型、投影面積、旋轉(zhuǎn)角度范圍、預(yù)緊力大小等。

波浪滑翔器是一個由水面艇體、水下滑翔體和連接兩者的柔性掛纜組成的復(fù)雜多體系統(tǒng)，系統(tǒng)在波浪環(huán)境下產(chǎn)生較復(fù)雜的耦合運(yùn)動。系統(tǒng)的運(yùn)動仿真需要考慮的因素較多，在運(yùn)動仿真方面，由于系統(tǒng)涉及相關(guān)聯(lián)的多剛體，因此相比于常規(guī)無人航行器要復(fù)雜很多。采用聯(lián)合仿真的方法對波浪滑翔器在水中的運(yùn)動進(jìn)行研究能充分利用單剛體研究成果，且通過適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)交換能實(shí)現(xiàn)多剛體耦合計(jì)算，模型和計(jì)算結(jié)果都能更好地反應(yīng)物理系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

波浪滑翔器系統(tǒng)建模的核心分為復(fù)雜計(jì)算和多體動力學(xué)兩部分。復(fù)雜計(jì)算部分由MATLAB求解，多體動力學(xué)部分由ADAMS求解。多體動力學(xué)計(jì)算平臺（ADAMS）負(fù)責(zé)根據(jù)剛體受力解算剛體的運(yùn)動學(xué)方程和動力學(xué)方程，得到剛體的位置、姿態(tài)、速度和角速度等信息。MATLAB根據(jù)剛體當(dāng)前的位置、姿態(tài)、速度、角速度等信息和控制參數(shù)，計(jì)算應(yīng)該施加給剛體的力和力矩。因此求解過程形成如圖11所示的閉合回路。

圖11 聯(lián)合仿真回路示意圖Fig. 11 Schematic diagram of co-simulation loop

流體動力與運(yùn)動仿真是研究波浪滑翔器原理的基礎(chǔ)，在波浪滑翔器研制初期具有一定的指導(dǎo)意義。但是復(fù)雜系統(tǒng)的仿真通常都對系統(tǒng)的物理和數(shù)學(xué)模型作了大量簡化處理，這些簡化處理很大程度上降低了復(fù)雜系統(tǒng)仿真的難度，但也會降低仿真結(jié)果的可信度。隨著研究的深入，仿真工作還應(yīng)結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果對數(shù)學(xué)和物理模型進(jìn)行修正和優(yōu)化，逐步完善影響仿真結(jié)果的關(guān)鍵因素并指導(dǎo)波浪滑翔器樣機(jī)研制和試驗(yàn)研究。

2.2 導(dǎo)航控制與路徑規(guī)劃

波浪滑翔器的導(dǎo)航控制需要與系統(tǒng)的運(yùn)動性能和環(huán)境參數(shù)匹配，才能夠達(dá)到最佳運(yùn)動效果和最小的規(guī)劃航路偏差。主要解決的問題有微動力下抗流導(dǎo)航和航路自動規(guī)劃、遙感信息提前輔助，人工判斷和干預(yù)等。

盡管波浪滑翔器始終處于水面，能夠保持與衛(wèi)星的通信，方便人工干預(yù)，其航路也可以提前由人工完整規(guī)劃好，但航路自動規(guī)劃仍是波浪滑翔器執(zhí)行遠(yuǎn)程任務(wù)必要的功能。人工提前規(guī)劃完整航路無法全面考慮海洋及氣象環(huán)境變化帶來的影響，并且人工不可能全天候?qū)Σɡ嘶杵鬟M(jìn)行航路干預(yù)，這既浪費(fèi)人力也不現(xiàn)實(shí)。航路自動規(guī)劃需要波浪滑翔器或者岸站系統(tǒng)結(jié)合初始規(guī)劃路徑和實(shí)際航路以及實(shí)時海洋溫度、流向、流速、風(fēng)向、風(fēng)速、波浪大小等因素進(jìn)行綜合判斷，自動計(jì)算出最佳航路。對于單套波浪滑翔器，因?yàn)榭赡苋鄙倨渲苓叺暮Ｑ蠛蜌庀笸綔y量信息，可根據(jù)波浪滑翔器當(dāng)前航速、航向、歷史航路及目標(biāo)航路，通過評估這些信息指導(dǎo)波浪滑行器實(shí)現(xiàn)航路自適應(yīng)追蹤并及時修正。當(dāng)然，航路自動規(guī)劃仍有必要借助遙感信息提前輔助，或者是人工判斷和干預(yù)。

2.3 跨域通信

通信可靠性是波浪滑翔器平臺自身航行控制以及完成任務(wù)必須具有的重要性能。波浪滑翔器水面與水下的特殊組合結(jié)構(gòu)使其具有作為跨域通信節(jié)點(diǎn)的天然優(yōu)勢。水面以上可通過衛(wèi)星、無線等與岸基或水面其他節(jié)點(diǎn)通信，水面以下可用水聲通信與水下固定和移動節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息傳遞。通過波浪滑翔器開展水面以上和水面以下信息交互有廣闊的應(yīng)用前景，如用波浪滑翔器為水下航行體或固定節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)，水下監(jiān)測網(wǎng)利用波浪滑翔器將采集的數(shù)據(jù)實(shí)時回傳等。

目前通信衛(wèi)星的數(shù)據(jù)傳輸速率較小，如北斗和銥星通信數(shù)據(jù)傳輸能力都非常有限。大數(shù)據(jù)量實(shí)時通信有著現(xiàn)實(shí)的強(qiáng)烈需求，天通衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)是我國自主建設(shè)的首個衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，隨著系統(tǒng)的成熟和完善，其海上通信業(yè)務(wù)可為波浪滑翔器提供寬帶通信的保障。為確保通信的可靠性，衛(wèi)星通信模塊可采用多種衛(wèi)星集成的方式，通信模式可選擇、可任意組合。由于波浪滑翔器水面以上部分較少，衛(wèi)星通信模塊露出水面的高度較小，高海況下艇體上浪對衛(wèi)星通信可靠性的影響還需要深入研究。

在波浪滑翔器水下滑翔體上搭載水聲換能器可進(jìn)行水聲通信，根據(jù)已有的海上試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，能夠可靠地與水下移動或固定節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信和數(shù)據(jù)傳輸。

2.4 能源獲取及管理

波浪滑翔器系統(tǒng)控制、通信及載荷等能源需求依靠蓄電池及太陽能充電滿足。由于能夠攜帶的蓄電池及太陽能板功率十分有限，一旦系統(tǒng)功耗較大且連續(xù)無光照天氣較多時，蓄電池及太陽能就難以滿足系統(tǒng)對能源的持續(xù)需求。

解決波浪滑翔器能源問題需從2方面入手：1）盡量多獲取補(bǔ)充能源；2）科學(xué)的能源管理。波浪滑翔器能源獲取除了盡可能提高太陽能板功率，還需要考慮其他能源的有效獲取，以滿足大功率載荷的用電需求。一種可能的方式是將掛纜在波浪中產(chǎn)生的張力部分轉(zhuǎn)化為電能。根據(jù)海上實(shí)測，掛纜的瞬時張力能夠達(dá)到幾十至幾百千克力。這樣大的張力轉(zhuǎn)化不僅能獲取可觀的額外電能，還能減小波浪對系統(tǒng)的沖擊力，有利于波浪滑翔器平臺的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和可靠性。但仍需要深入研究掛纜張力緩沖后對系統(tǒng)運(yùn)動性能的影響。在不需要考慮系統(tǒng)隱蔽性的情況下，還可以考慮在艇體上增加風(fēng)帆，風(fēng)帆可直接將風(fēng)力轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的推力，提高系統(tǒng)的航行速度和控位精度。風(fēng)帆的另一大好處還能提高系統(tǒng)的抗流能力，即在海流較大的海域?qū)崿F(xiàn)逆流前進(jìn)。風(fēng)帆的缺點(diǎn)是系統(tǒng)復(fù)雜度較高，自動控制技術(shù)難度大。極限海況下，風(fēng)帆如果不能折疊，還可能導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)動穩(wěn)定性降低，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)損毀，直接降低了系統(tǒng)的極限海況生存能力。其他方式如海洋化學(xué)能、生物能等在波浪滑翔器平臺上開展探索性研究也是十分有意義的。

能源管理可設(shè)計(jì)自適應(yīng)能源與功耗管理系統(tǒng)，動態(tài)統(tǒng)計(jì)每個傳感器的工作頻率，依據(jù)設(shè)備之間的相互關(guān)聯(lián)性，推算出整個系統(tǒng)功耗。同時，比對當(dāng)前電池剩余電量和太陽能板輸出功率情況，以此決定是提高還是降低傳感器的工作頻率。在這套機(jī)制中，用戶可以設(shè)定剩余能源“低”和“極低”兩個級別，在剩余能源到達(dá)“低”這個級別后，采取降低系統(tǒng)工作頻率、關(guān)閉部分傳感器等降低功耗的措施；當(dāng)?shù)竭_(dá)“極低”級別后，采取關(guān)閉所有傳感器并停止航向控制的措施，僅低頻率向岸站報(bào)告航位和電池電量等預(yù)警信息。

2.5 載荷適配性

波浪滑翔器平臺上可搭載聲、光、電、磁等任務(wù)載荷，能夠執(zhí)行包括海洋環(huán)境探測、跨域通信、目標(biāo)探測、監(jiān)視警戒等任務(wù)。波浪滑翔器平臺與任務(wù)載荷首先需要在尺寸、重量、電氣、能源等方面進(jìn)行匹配。對于有特殊使用要求的任務(wù)載荷，如較大長度的溫度鏈，長度會產(chǎn)生較大的拖曳阻力，底部的鉛魚外形和重量還需要保證拖曳過程中溫度鏈的鉛錘度和較小的阻力。搭載需要遠(yuǎn)離波浪滑翔器本體并柔性懸掛一定深度的聲學(xué)拖體時，聲學(xué)拖體的拖曳阻力對波浪滑翔器的影響需要評估并經(jīng)拖曳水池測試驗(yàn)證，同時波浪滑翔器平臺運(yùn)動產(chǎn)生的震動和噪聲對聲學(xué)載荷的影響也需要通過減阻隔振等措施進(jìn)行消除或降低。其他傳感器如氣象站在艇體上搭載的高度，既需要考慮最低高度的使用要求，還需要考慮支桿與艇體的連接強(qiáng)度，滿足生存海況下的樣機(jī)安全要求。

2.6 岸基顯控系統(tǒng)

波浪滑翔器海上作業(yè)根據(jù)不同任務(wù)的需求，搭載的儀器設(shè)備和傳感器種類龐雜、數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一。通常只能使用各廠商特有的工具分別導(dǎo)出和轉(zhuǎn)換原始數(shù)據(jù)，各種儀器的操作使用和科研數(shù)據(jù)的融合處理為科研引入額外的復(fù)雜度。

岸基顯控系統(tǒng)是波浪滑翔器和波浪滑翔器集群以及其他海洋無人平臺的信息收發(fā)、顯控和信息融合、決策中心，根據(jù)使用需求分為固定式和便攜式兩種。

岸基顯控系統(tǒng)具備同時接收、發(fā)送多組北斗、銥星等衛(wèi)星數(shù)據(jù)的能力，具有固定式和便攜式的接收岸站，能夠接入多種采用衛(wèi)星通信的深遠(yuǎn)海作業(yè)設(shè)備，如浮標(biāo)、表面漂流浮標(biāo)、水下滑翔機(jī)、UUV、無人艇、潛標(biāo)等。在地圖中統(tǒng)一顯示各接入設(shè)備的實(shí)時位置和航行軌跡，繪制設(shè)備回傳參數(shù)的實(shí)時/歷史曲線，在同一界面遠(yuǎn)程操控接入設(shè)備，配置參數(shù)。開放同其他設(shè)備的交互接口，能夠接入其他廠商的海洋設(shè)備。集成國內(nèi)外公開的海底地形數(shù)據(jù)、海洋遙感資料、船測數(shù)據(jù)、浮標(biāo)資料、氣象信息等。

岸基顯控系統(tǒng)綜合存儲多種類設(shè)備的多維度數(shù)據(jù)，結(jié)合對數(shù)據(jù)的匯總統(tǒng)計(jì)分析，構(gòu)建綜合信息平臺，用戶可以通過系統(tǒng)接口獲取統(tǒng)一格式的多種類的實(shí)時/歷史數(shù)據(jù)。圖12為“海鰩”波浪滑翔器的便攜式岸站系統(tǒng)。

圖12 “海鰩”波浪滑翔器的便攜式岸站系統(tǒng)Fig. 12 Portable shore station system of “Sea Ray” wave glider

2.7 輔助推進(jìn)

波浪滑翔器由波浪環(huán)境獲取的航速很低，3級海況以下速度低于1 kn，這樣的航速與很多海域的面流大小非常接近。在有海流的海區(qū)，當(dāng)海況較低、無法獲取足夠大的航速時，一旦波浪滑翔器的目標(biāo)航向與流向相對，波浪滑翔器就很難前進(jìn)，甚至?xí)雇瞬㈦S波逐流。當(dāng)遠(yuǎn)程航行需要跨越較大面流海區(qū)或在海流區(qū)進(jìn)行控位作業(yè)時，短時間的輔助推進(jìn)就很有必要。此種情況輔助推進(jìn)的速度不需要太高，推進(jìn)器工作的時間也較短，因此不需要太多額外能源，但輔助推進(jìn)仍需與系統(tǒng)運(yùn)動及能源進(jìn)行匹配。

2.8 布放、回收及應(yīng)急保障

無人平臺安全布放、回收和應(yīng)急保障功能已成為制約其應(yīng)用的一個關(guān)鍵因素。傳統(tǒng)的布放與回收模式效率低，難以適應(yīng)未來無人平臺/集群快速機(jī)動部署、安全回收需求。波浪滑翔器布放回收需重點(diǎn)突破集群快速布放、精確回收控制等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)波浪滑翔器平臺/集群快速、高精度布放，有效提高無人系統(tǒng)布放與回收成功率及任務(wù)可靠性。

波浪滑翔器盡管體積小、重量輕，但是一種復(fù)雜多體結(jié)構(gòu)，并且上下兩部分連接長度較長，不便于海上布放和打撈。直接整體吊布僅能在平靜海況下船舷較高的大船上實(shí)施，盡管人力輔助可在較小的船（如漁船）上分體布放，但在布放過程中極易發(fā)生碰撞或纏繞導(dǎo)致樣機(jī)或人員的安全事故。在一般海況下，采用簡易的輔助布放和打撈設(shè)備可實(shí)現(xiàn)波浪滑翔器的快速安全布放和打撈。采用簡易支架與可解脫捆扎帶，布放時首先將艇體與水下滑翔體捆扎在一起，整體吊放至水面后解脫捆扎帶即可。打撈時首先勾住艇體，起吊一定高度后，采用帶打撈繩的鉤掛工具順著掛纜下滑至水下滑翔體，勾住自鎖后起吊完成打撈。海況較好時，也可將艇體起吊后直接提拉掛纜，將水下滑翔體打撈上船。

海上作業(yè)不僅與氣象、海況有關(guān)，還受作業(yè)檔期等條件限制。一旦出海，如因海況較高等因素影響無法實(shí)施布放，將造成巨大的經(jīng)濟(jì)和科研損失。因此，波浪滑翔器的布放、打撈有必要解決較高海況下安全作業(yè)問題。當(dāng)海況較高時，吊布將十分困難，此時應(yīng)考慮整體推布。如采用可伸縮旋轉(zhuǎn)支架，將波浪滑翔器固定在支架上，手動或電動操作伸出船舷外并斜向下一體化推布入水。打撈時，由于水面目標(biāo)小難以發(fā)現(xiàn)，可在艇體上安裝無線示位裝置。

應(yīng)急保障方面，波浪滑翔器應(yīng)配備專用保障設(shè)備及通用檢測儀器，包括檢測設(shè)備、預(yù)置器、通信單元、總裝調(diào)試系統(tǒng)、專用工具等。其功能是檢查波浪滑翔器各模塊的功能和主要技術(shù)指標(biāo)，能將故障定位到功能置換件。要對波浪滑翔器系統(tǒng)操作技術(shù)人員進(jìn)行培訓(xùn)，確保應(yīng)急狀態(tài)下能夠快速恢復(fù)系統(tǒng)功能。

2.9 波浪模擬試驗(yàn)裝置

一般試驗(yàn)水池或湖上沒有可直接試驗(yàn)的波浪環(huán)境，海上的海況不受控制、海試成本過高、周期過長、試驗(yàn)可重復(fù)性較差。造波水池要么深度不夠，要么長度有限。同樣受試驗(yàn)成本過高的影響，在這些環(huán)境中，波浪滑翔器的性能測試難以得到準(zhǔn)確的量化參數(shù)。因此，在波浪滑翔器研制早期，波浪模擬試驗(yàn)裝置是一種非常必要且十分有效和低成本的試驗(yàn)輔助設(shè)備。波浪模擬試驗(yàn)裝置由卷揚(yáng)機(jī)、控制盒、輔助支架等組成，安裝在艇體上表面，由岸電提供電能。利用調(diào)整卷揚(yáng)機(jī)提升水下滑翔體的幅度和周期模擬各級海況下波浪滑翔器的運(yùn)動，并測試系統(tǒng)的各項(xiàng)性能參數(shù)，在測試過程中不斷調(diào)整波浪滑翔器系統(tǒng)的配置參數(shù)，如水上水下衡重、姿態(tài)角、掛纜長度、翼板轉(zhuǎn)角等，最終獲得設(shè)計(jì)狀態(tài)下的系統(tǒng)最佳配置。波浪模擬試驗(yàn)裝置不能完全模擬真實(shí)的海洋環(huán)境，但是可以提供標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)測試環(huán)境，操作方便、可重復(fù)性強(qiáng)、成本低，并且獲得的優(yōu)化參數(shù)同樣適用于真實(shí)環(huán)境下的系統(tǒng)狀態(tài)。圖13為采用波浪模擬試驗(yàn)裝置的“海鰩”波浪滑翔器湖上性能試驗(yàn)。

圖13 采用波浪模擬試驗(yàn)裝置的“海鰩”波浪滑翔器湖上性能試驗(yàn)Fig. 13 Lake test of “Sea Ray” wave glider with wave simulation test device

2.10 可靠性設(shè)計(jì)

可靠性是任何海洋工程裝備獲得應(yīng)用的關(guān)鍵，對于長期在海面惡劣環(huán)境中運(yùn)行的波浪滑翔器，可靠性尤為重要。

可靠性設(shè)計(jì)依據(jù)波浪滑翔器的壽命剖面，建立基本可靠性模型；依據(jù)任務(wù)剖面，建立任務(wù)可靠性模型。由于事件、時間、環(huán)境條件、組成單元和系統(tǒng)不同，分配的可靠性指標(biāo)也不同?？煽啃栽O(shè)計(jì)一般方法包括對失效率較高或重要的電子元器件、零部件以及關(guān)鍵機(jī)械連接部分的強(qiáng)度等進(jìn)行降額設(shè)計(jì)，防瞬態(tài)過應(yīng)力設(shè)計(jì)，元器件、零部件的選擇與控制等。波浪滑翔器可靠性設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)關(guān)注的幾個問題包括：1）長時間水密性和耐海水腐蝕及防污能力；2）掛纜、滑翔翼、舵機(jī)等機(jī)械運(yùn)動組部件波浪環(huán)境下沖擊和疲勞狀態(tài)長期工作的可靠性；3）電源系統(tǒng)長時間充放電的可靠性；4）數(shù)據(jù)存儲裝置頻繁讀寫的可靠性；5）其他電氣控制系統(tǒng)軟硬件的可靠性。

波浪滑翔器防腐防污方面，如果有過多海洋生物附著，將增大系統(tǒng)的阻力并直接影響系統(tǒng)的運(yùn)動性能。在關(guān)鍵部位（如水下滑翔體翼板或舵板上）附著海洋生物，還會導(dǎo)致系統(tǒng)捕獲波浪動能的功能喪失。圖14是經(jīng)過海上94 d連續(xù)可靠運(yùn)行的“海鰩”波浪滑翔器狀態(tài)。艇體水線以上部分噴涂了普通油漆，艇體底部及水下滑翔體翼板涂敷防污涂料，不銹鋼及掛纜無涂料。可以看出，有防污涂料的地方防海洋生物附著的效果非常明顯，但也存在海洋生物在翼板上下表面生長不均的情況。因此，還需要根據(jù)海洋生物在波浪滑翔器上的生長情況開展深入研究和試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖14 海上運(yùn)行94 d后的“海鰩”波浪滑翔器Fig. 14 “Sea Ray” wave glider after 94 days offshore operation

波浪滑翔器電子系統(tǒng)可靠性方面，需要考慮海面溫度、鹽度、濕度、氣溫、波浪沖擊等環(huán)境因素對電子元器件的影響，產(chǎn)品應(yīng)進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)。

3 波浪滑翔器發(fā)展思路

盡管波浪滑翔器有很多其他無人航行器無法比擬的優(yōu)秀特點(diǎn)，并具有廣泛的應(yīng)用前景，但它仍是一種有限能力的小型水面無人航行器。在實(shí)際應(yīng)用中，它還存在許多缺陷，如生存能力不強(qiáng)、搭載能力有限、無法快速隱蔽投送等。波浪滑翔器技術(shù)的進(jìn)步需要持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新。

3.1 安全隱蔽型波浪滑翔器研制

波浪滑翔器的致命缺陷是其水面低速航行的特點(diǎn)帶來的極低生存能力?！昂ｖ帯辈ɡ嘶杵髟陂L航程試驗(yàn)期間，多次遭到漁船非法打撈或被漁網(wǎng)意外拖掛破壞，在某次南海試驗(yàn)時還被某域外國家的漁船非法打撈。很大程度上，波浪滑翔器的續(xù)航能力取決于是否被人為破壞，而不是系統(tǒng)可靠性。因此，開發(fā)安全隱蔽型波浪滑翔器將具有十分重要的意義。一種可能的手段是在常規(guī)波浪滑翔器系統(tǒng)上增加自主警戒和應(yīng)急潛伏功能，利用聲、光、電、水聲探測并輔以AIS識別近距離水面船，當(dāng)確認(rèn)目標(biāo)逼近警戒距離后啟動海水泵為核心部件的大調(diào)節(jié)量快速浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，確保系統(tǒng)能夠在危險目標(biāo)靠近時快速穩(wěn)定下沉到安全深度。自主警戒及應(yīng)急潛伏帶來的技術(shù)問題是增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度，降低了系統(tǒng)有效載荷搭載能力，也可能降低系統(tǒng)的可靠性。同時，自主警戒和應(yīng)急潛伏技術(shù)在波浪滑翔器上的應(yīng)用還存在較多的技術(shù)難題，主要體現(xiàn)在自主警戒的虛警率和功耗、浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的小型化和減重、上浮下潛的深度和穩(wěn)定性控制、復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)及集成等。

3.2 人工智能在波浪滑翔器上的應(yīng)用

人工智能是未來波浪滑翔器能夠執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)需要的核心技術(shù)。與其他海上無人裝備類似，波浪滑翔器人工智能首先要解決的問題是環(huán)境感知。水面是一個相對復(fù)雜的環(huán)境，建立正常通訊往往并不容易。波浪滑翔器能夠自主決策，首先需要感知周邊狀態(tài)，識別水面和水下固定和移動目標(biāo)，這就需要有遠(yuǎn)程目標(biāo)探測以及近距離目標(biāo)精細(xì)識別的能力。有了這些能力，基本具備航路自主規(guī)劃和執(zhí)行任務(wù)的前提條件。

協(xié)同作戰(zhàn)是未來智能化戰(zhàn)爭中無人系統(tǒng)最重要的作戰(zhàn)能力。智能協(xié)同技術(shù)是通過一系列協(xié)同機(jī)制、方法與手段，將具有一定任務(wù)能力的無人系統(tǒng)與無人系統(tǒng)之間、有人系統(tǒng)與無人系統(tǒng)之間進(jìn)行智能編組，實(shí)現(xiàn)平臺、編隊(duì)、任務(wù)、指揮控制等不同層級協(xié)同能力的過程。通過無人系統(tǒng)智能協(xié)同技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)無人系統(tǒng)與編組內(nèi)其他成員的無縫連接，具備擴(kuò)大作戰(zhàn)范圍、實(shí)現(xiàn)能力互補(bǔ)、降低任務(wù)成本、發(fā)揮體系優(yōu)勢等優(yōu)點(diǎn)，最終達(dá)到作戰(zhàn)效能大幅提高的目的。為支持有人無人協(xié)同作戰(zhàn)、無人系統(tǒng)集群作戰(zhàn)、無人系統(tǒng)跨域協(xié)同作戰(zhàn)等典型協(xié)同作戰(zhàn)樣式，需要從人、平臺、系統(tǒng)3個要素間的內(nèi)在聯(lián)系出發(fā)，開展人-機(jī)自然交互與智能協(xié)同技術(shù)、有人-無人自主協(xié)同系統(tǒng)技術(shù)、無人集群系統(tǒng)技術(shù)、智能化作戰(zhàn)控制技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)研究。

單套波浪滑翔器的能力十分有限，多套波浪滑翔器集群協(xié)同作業(yè)是完成特定任務(wù)的必要條件。多波浪滑翔器以及波浪滑翔器與其他有人/無人平臺的集群和協(xié)同，也就是能將大量數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，科學(xué)合理地規(guī)劃航路與執(zhí)行任務(wù)。多套波浪滑翔器集群的協(xié)同控制能力是實(shí)現(xiàn)多平臺協(xié)同作業(yè)的基礎(chǔ)，編隊(duì)控制是多波浪滑翔器協(xié)作研究中的一類典型問題，也是許多協(xié)作問題的研究基礎(chǔ)。多波浪滑翔器編隊(duì)控制是一種聚集的特例，即多個波浪滑翔器聚集成預(yù)定的幾何配置隊(duì)形（編隊(duì)生成），并保持該聚集隊(duì)形（編隊(duì)保持）。多波浪滑翔器系統(tǒng)聚集成既定隊(duì)形后，再結(jié)合行為主義法和虛擬結(jié)構(gòu)法等方法，就可完成編隊(duì)避障、編隊(duì)圍捕等復(fù)雜的上層任務(wù)。因此，多波浪滑翔器編隊(duì)控制主要解決2個問題：1）編隊(duì)構(gòu)成/重構(gòu)，包括任務(wù)前編隊(duì)生成問題，遇到障礙時編隊(duì)的拆分、重建等問題，增加或減少波浪滑翔器的編隊(duì)重構(gòu)問題等；2）編隊(duì)保持，包括任務(wù)中編隊(duì)保持問題，在不同幾何形態(tài)間的編隊(duì)切換問題，保持幾何形態(tài)不變條件下的編隊(duì)收縮、擴(kuò)張、旋轉(zhuǎn)控制問題等。顯然，底層的編隊(duì)位置跟蹤和保持算法是完成上述高層任務(wù)的基本前提，目前，此類算法包括領(lǐng)航-跟隨法、基于行為法、虛擬結(jié)構(gòu)法、圖論法等，它們都是通過群體中個體間的信息溝通，建立控制策略，再對個體實(shí)現(xiàn)逐一控制來達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

3.3 波浪滑翔器快速隱蔽投送技術(shù)

在軍事應(yīng)用領(lǐng)域，裝備時效性非常重要，第一時間到達(dá)任務(wù)海區(qū)是完成作戰(zhàn)任務(wù)的首要條件。受波浪滑翔器自身的航行速度限制，依靠自己無法實(shí)現(xiàn)快速長途奔襲或陣地轉(zhuǎn)移。發(fā)展空投、潛布或UUV搭載布放的特種波浪滑翔器可有效解決快速隱蔽投送的問題。空投型需解決飛機(jī)掛載接口、空中減速、入水沖擊等問題。在海上作戰(zhàn)無人化發(fā)展的背景下，空投型波浪滑翔器應(yīng)重點(diǎn)發(fā)展適用于無人機(jī)空投的型號裝備，無人機(jī)空投還需解決系統(tǒng)輕量化、低阻封裝、可靠掛載等技術(shù)問題。潛布或UUV搭載布放應(yīng)解決一體化封裝搭載、水下密封耐壓、自動釋放展開等問題。

3.4 新型潛航器研發(fā)

由于傳統(tǒng)波浪滑翔器存在隱蔽性較差、抗自然和人為破壞的生存能力不強(qiáng)等問題，目前在軍事上僅應(yīng)用于可控區(qū)域的水下目標(biāo)跟蹤探測、導(dǎo)彈末端彈道測量等，無法實(shí)現(xiàn)軍事領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。借鑒傳統(tǒng)波浪滑翔器直接利用波浪能驅(qū)動的創(chuàng)新思想，開發(fā)一型不依賴自身能源的超長服役期和超遠(yuǎn)航程的潛水器，可實(shí)現(xiàn)新型潛水器多功能和多任務(wù)的軍事應(yīng)用，發(fā)揮巨大的軍事價值。同時，這種潛水器還適合大范圍測量水層和海底附近環(huán)境參數(shù)相關(guān)的海洋地理研究任務(wù)，在民用領(lǐng)域也能夠發(fā)揮巨大的作用。新型潛航器既具有傳統(tǒng)波浪滑翔器超強(qiáng)續(xù)航和可控位等優(yōu)點(diǎn)，也能夠規(guī)避傳統(tǒng)波浪滑翔器隱蔽性差、生存能力弱等缺陷。新型潛航器正常航行時能夠?qū)⒅黧w結(jié)構(gòu)沒入水面以下，具有隱蔽潛航、表面充電、大深度潛伏、快速隱蔽推進(jìn)等多運(yùn)動模式，同時具有水面目標(biāo)自主警戒和應(yīng)急潛伏功能。

新型潛航器需解決總體原理設(shè)計(jì)、關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證、體系化應(yīng)用等一系列難題。中國船舶重工集團(tuán)有限公司第七一〇研究所正在相關(guān)領(lǐng)域的資助下開展新型潛航器的研制，目前項(xiàng)目研究進(jìn)展順利。

4 結(jié)束語

“海鰩”波浪滑翔器作為國內(nèi)波浪滑翔器的典型代表，已完成了前期基礎(chǔ)研究和樣機(jī)的全方位考核試驗(yàn)，并經(jīng)過了多次海上長時間實(shí)際應(yīng)用的檢驗(yàn)，其性能和可靠性均在國內(nèi)領(lǐng)先，達(dá)到世界先進(jìn)水平。盡管“海鰩”波浪滑翔器的極限續(xù)航能力還未得到充分檢驗(yàn)，但已具備工程應(yīng)用和推廣的基礎(chǔ)，相信在各領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用中可以不斷完善波浪滑翔器平臺的功能并持續(xù)提升產(chǎn)品的性能。

用工匠精神打造一流的產(chǎn)品，用持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新引領(lǐng)波浪滑翔器技術(shù)的發(fā)展。中國船舶重工集團(tuán)有限公司第七一〇研究所波浪滑翔器技術(shù)團(tuán)隊(duì)將結(jié)合中國國情，研發(fā)出適用于我國近海、遠(yuǎn)洋并滿足不同任務(wù)要求的波浪滑翔器和新型潛航器精品，為我國海洋環(huán)境探測、海洋資源勘探開發(fā)以及海洋國土安全貢獻(xiàn)力量。