水下滑翔機(jī)原理與應(yīng)用

方爾正 周子凌 桂晨陽(yáng) /文

水下滑翔機(jī)(Underwater Glider,UG)是一種水下機(jī)器人，它通過調(diào)整自身浮力來實(shí)現(xiàn)升沉，通過調(diào)整兩翼的凈浮力和姿態(tài)角來獲得推進(jìn)力，實(shí)現(xiàn)水下滑翔并收集水下信息。它具有能源利用效率高、噪音低,大范圍、長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)進(jìn)行海洋環(huán)境觀測(cè)與探測(cè)的優(yōu)勢(shì)，適用于“中尺度”及以上甚至部分“亞中尺度”的物理海洋現(xiàn)象觀測(cè)、生態(tài)環(huán)境調(diào)查和海洋安全保障等工作。水下滑翔機(jī)為海洋大數(shù)據(jù)分析、數(shù)值預(yù)報(bào)等重要應(yīng)用領(lǐng)域提供了現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)。水下滑翔機(jī)在軍事和國(guó)防領(lǐng)域也發(fā)揮著重要作用。

水下滑翔機(jī)的研究?jī)?nèi)容涉及水下無人平臺(tái)結(jié)構(gòu)與水動(dòng)力、水下定位與導(dǎo)航、自主控制、動(dòng)力推進(jìn)、任務(wù)載荷、任務(wù)自適應(yīng)規(guī)劃、數(shù)據(jù)傳輸與通信、目標(biāo)自主探測(cè)與跟蹤、目標(biāo)屬性自主判別及共性基礎(chǔ)技術(shù)等領(lǐng)域，是國(guó)際上研究的熱點(diǎn)。水下滑翔機(jī)屬于水下無人平臺(tái)自主探測(cè)的研究領(lǐng)域，其在環(huán)境觀測(cè)型水下滑翔機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)上,綜合考慮了平臺(tái)電磁兼容性及聲學(xué)特性,搭載聲學(xué)傳感器及信號(hào)處理系統(tǒng),具備海洋環(huán)境噪聲采集、水聲信號(hào)采集、聲紋記錄、數(shù)據(jù)處理及上浮通信等功能,可用于完成敏感海域或拒止區(qū)域移動(dòng)目標(biāo)自主探測(cè)、跟蹤、屬性判別和信息回傳等任務(wù)。

國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外早在20 世紀(jì)90 年代初就開展了水下滑翔機(jī)的研究工作，美國(guó)一直是該技術(shù)的先驅(qū)者和領(lǐng)導(dǎo)者。1989 年，美國(guó)的Henry Stommel 首次提出“水下滑翔機(jī)”的概念。1991 年,美國(guó)Teledyne Webb Research(TWR)公司研制成功首臺(tái)Slocum 水下滑翔機(jī)，目前，已成為應(yīng)用最為廣泛的水下滑翔機(jī)產(chǎn)品之一。目前國(guó)外水下滑翔機(jī)的最大設(shè)計(jì)巡航里程已達(dá)10000 千米,美國(guó)Slocum 水下滑翔機(jī)早在2009 年就連續(xù)航行221 天,航程達(dá)7409.6 千米，完成了橫渡大西洋的任務(wù)。隨著水下滑翔機(jī)單體技術(shù)的成熟和多機(jī)協(xié)同觀測(cè)、網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展，美國(guó)從20世紀(jì)90 年代開始建立自主海洋采樣網(wǎng)（Autonomous Ocean Sampling Network,AOSN），并 進(jìn) 行 了一系列技術(shù)升級(jí)和應(yīng)用試驗(yàn)。水下滑翔機(jī)的網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)已納入綜合海洋觀測(cè)系統(tǒng)（Integrated Ocean Observing System,IOOS）網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃。2010 年5 月7 日，葡萄牙研究人員在西太平洋勞盆地(Lau Basin)北部部署了一架裝有水聽器的Slocum 水下滑翔機(jī)，用于監(jiān)測(cè)西馬塔(West Mata)的海底火山，記錄聲波振幅隨距離變化的情況，并證明了地質(zhì)變化將使該地區(qū)噪聲水平上升。2013 年5 月，葡萄牙阿爾加維大學(xué)在葡萄牙海岸部署了配備SR-1 水聽器的Slocum 用于探測(cè)水下噪聲。結(jié)果表明，該方法能在時(shí)間和空間尺度上有效地檢測(cè)水下噪聲。2018 年4 月，美國(guó)海軍海洋局(Naval Oceanographic Office)實(shí)現(xiàn)同時(shí)協(xié)同控制50 臺(tái)水下滑翔機(jī)實(shí)施水下環(huán)境預(yù)測(cè)，正計(jì)劃同時(shí)部署100 臺(tái)水下滑翔機(jī)集群作業(yè)（目前可能已經(jīng)完成,但未見可信報(bào)道）；歐洲水下滑翔機(jī)觀測(cè)網(wǎng)(European Gliding Observatories,EGO)已陸續(xù)布放了超過300臺(tái)水下滑翔機(jī)執(zhí)行各種海洋觀測(cè)任務(wù)，實(shí)時(shí)采集大西洋海域內(nèi)海洋剖面數(shù)據(jù)信息等。水下滑翔機(jī)協(xié)作與編隊(duì)觀測(cè)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于國(guó)際上幾乎所有重要的海洋觀測(cè)系統(tǒng)和海洋觀測(cè)計(jì)劃中。

搭載水聽器的Slocum

Xray 和Zray 水下聲學(xué)滑翔器

美國(guó)斯克里普斯海洋研究所海洋物理實(shí)驗(yàn)室和華盛頓大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室合作設(shè)計(jì)的翼身融合水下聲學(xué)滑翔機(jī)（XRay 和ZRay）,采用翼身融合結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)翼展水平距離最大化和功率消耗最小化，最大限度地提高其探測(cè)和定位能力。該滑翔機(jī)利用獨(dú)特的翼身融合設(shè)計(jì)可獲得較快的水下航行速度，使升力面積最大且增加了內(nèi)部體積，可用攜帶戰(zhàn)術(shù)有關(guān)的聲學(xué)傳感器，使其適合于警戒和其他遙測(cè)任務(wù)。ZRay 的兩機(jī)翼前緣中安裝了1 個(gè)27 元水聽器陣列，水聽器工作頻帶10 赫茲～15 千赫，陣列信號(hào)輸出到1 個(gè)實(shí)時(shí)檢測(cè)/定位和記錄系統(tǒng)；該水下聲學(xué)滑翔機(jī)同時(shí)搭載有矢量水聽器，頻率為20 赫茲～2 千赫。除此以外，ZRay 還嘗試拖曳1 個(gè)32 元拖曳線列陣，該陣列由太平洋空間和海軍作戰(zhàn)系統(tǒng)中心設(shè)計(jì)和建造，并將配備1 個(gè)來自伍茲霍爾海洋研究所的3 通道低（10 赫茲～7.5 千赫）、中（100 赫茲～50 千赫）、高（1 千赫～160 千赫）頻數(shù)字監(jiān)控自主檢測(cè)分類系統(tǒng)。該水下聲學(xué)滑翔機(jī)可以1～3 節(jié)的航速續(xù)航6 個(gè)月，其設(shè)計(jì)初衷是用來跟蹤和自動(dòng)識(shí)別海洋哺乳動(dòng)物，目前已應(yīng)用于圣地亞哥海底被動(dòng)聲學(xué)自主監(jiān)測(cè)海洋哺乳動(dòng)物項(xiàng)目(Passive Acoustic Autonomous Monitoring of Marine Mammals Program)。由于其優(yōu)異的聲學(xué)探測(cè)性能，ZRay 還可用來探測(cè)安靜級(jí)柴電潛艇，是美軍持久性沿海海底監(jiān)視網(wǎng)(Persistent Littoral Undersea Surveillance Network,PlusNet)的一部分。

國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

水下滑翔機(jī)在我國(guó)的發(fā)展始于21 世紀(jì)初。天津大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)于2002 年啟動(dòng)了第一代水下滑翔機(jī)樣機(jī)的研制，是我國(guó)第一個(gè)探索水下滑翔機(jī)研究工作的團(tuán)隊(duì)。隨著“十一五”海洋領(lǐng)域“開拓深遠(yuǎn)?！睉?zhàn)略的實(shí)施，有關(guān)水下滑翔機(jī)的國(guó)家重大科技攻關(guān)計(jì)劃得到安排部署。2006 年，國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)海洋技術(shù)領(lǐng)域的“海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)”專題里作為目標(biāo)導(dǎo)向支持啟動(dòng)了國(guó)內(nèi)第一個(gè)水下滑翔機(jī)海上試驗(yàn)樣機(jī)的研制(設(shè)計(jì)巡航里程為500 千米、最大下潛深度為500 米)，由中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所牽頭組織研發(fā)，并于國(guó)家“十一五”末在我國(guó)南海開展了海上試驗(yàn)驗(yàn)證工作。

“十二五”期間，“挺進(jìn)深遠(yuǎn)?！睉?zhàn)略重點(diǎn)圍繞強(qiáng)化深遠(yuǎn)海環(huán)境監(jiān)測(cè)、深海探測(cè)與作業(yè)能力和支撐沿海藍(lán)色經(jīng)濟(jì)、戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展兩條主線不斷深入，突出解決我國(guó)深遠(yuǎn)海環(huán)境監(jiān)測(cè)及資源開發(fā)面臨的技術(shù)裝備手段缺乏的問題。而水下滑翔機(jī)以其能夠?qū)崿F(xiàn)大尺度范圍、長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)觀測(cè)等突出優(yōu)勢(shì)，再次成為海洋領(lǐng)域發(fā)展的重點(diǎn)方向。與此同時(shí)，國(guó)家863 計(jì)劃大幅增加了水下滑翔機(jī)的研發(fā)投入，通過主題項(xiàng)目啟動(dòng)了4 型（包括電能、混合推進(jìn)型、噴水推進(jìn)型和聲學(xué)探測(cè)）水下滑翔機(jī)的研制，設(shè)計(jì)巡航里程為1000 千米，工作水深范圍1000～1500 米，其中多型樣機(jī)在海上試驗(yàn)中表現(xiàn)優(yōu)異，達(dá)到考核指標(biāo)的要求。

“海燕-L”長(zhǎng)航程水下滑翔機(jī)

我國(guó)在水下滑翔機(jī)單機(jī)技術(shù)方面的研發(fā)成果顯著。西北工業(yè)大學(xué)基于飛翼滑翔機(jī)研發(fā)了搭載多元聲壓陣列的飛翼滑翔機(jī)聲學(xué)探測(cè)系統(tǒng)，并進(jìn)行了湖上測(cè)試。哈爾濱工程大學(xué)利用“海燕”水下滑翔機(jī)共裝載了4 個(gè)聲壓水聽器，在滑翔機(jī)左翼、右翼、前導(dǎo)流罩和尾翼各安裝1 個(gè)水聽器構(gòu)成4 元聲學(xué)感知單元，并在南海海域進(jìn)行了海上試驗(yàn)，利用73 赫茲低頻聲源信號(hào)對(duì)系統(tǒng)的探測(cè)能力進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)期間，水下聲學(xué)滑翔機(jī)共完成17 個(gè)剖面的性能測(cè)試，其中滑翔機(jī)控制功能測(cè)試3 個(gè)剖面，噪聲特性測(cè)試7 個(gè)剖面，低頻聲源信號(hào)探測(cè)能力測(cè)試7 個(gè)剖面，平臺(tái)最大下潛深度1000 米。通過對(duì)記錄的噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其結(jié)果表明，該聲學(xué)感知單元可有效接收低頻聲源發(fā)射的噪聲數(shù)據(jù)。

未來發(fā)展展望

盡管水下滑翔機(jī)技術(shù)近年來在我國(guó)得到了快速發(fā)展，一些功能性能指標(biāo)（如大深度等）不斷趕超國(guó)外先進(jìn)水平。然而，由于我國(guó)水下滑翔機(jī)技術(shù)的發(fā)展起步較晚，研究基礎(chǔ)薄弱，在平臺(tái)單體技術(shù)、協(xié)作組網(wǎng)觀測(cè)和應(yīng)用研究等方面與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)相比仍有較大差距，創(chuàng)新發(fā)展步伐有待加快，具體建議如下：

首先，在已有技術(shù)的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步加強(qiáng)核心關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān),加快單體水下滑翔機(jī)的技術(shù)改進(jìn)和優(yōu)化升級(jí)。重點(diǎn)在低功耗設(shè)計(jì)、最優(yōu)路徑規(guī)劃與控制策略算法、多參數(shù)獲取及搭載能力、數(shù)據(jù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和信息安全傳輸?shù)确矫婕訌?qiáng)研究攻關(guān),增強(qiáng)水下滑翔機(jī)應(yīng)對(duì)強(qiáng)背景流場(chǎng)等復(fù)雜海況、復(fù)雜海底地形環(huán)境下的長(zhǎng)航程實(shí)海探測(cè)與操控能力；提高任務(wù)重構(gòu)、協(xié)同控制等方面的人機(jī)交互水平，為各類用戶提供廣泛、連續(xù)、長(zhǎng)期、穩(wěn)定、可靠、低成本的數(shù)據(jù)流和數(shù)據(jù)鏈路。

其次，在前期技術(shù)經(jīng)驗(yàn)積累的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)多水下滑翔機(jī)編隊(duì)協(xié)同組網(wǎng)觀測(cè)技術(shù)研究，提升水下滑翔機(jī)整體作業(yè)效率和觀測(cè)及探測(cè)效果。結(jié)合科學(xué)研究、資源環(huán)境調(diào)查及目標(biāo)探測(cè)等國(guó)家戰(zhàn)略需求，開展多水下滑翔機(jī)移動(dòng)分布式節(jié)點(diǎn)的水下互聯(lián)互通、自適應(yīng)采樣、多機(jī)協(xié)調(diào)編隊(duì)及快速機(jī)動(dòng)組網(wǎng)等技術(shù)攻關(guān)，增強(qiáng)水下滑翔機(jī)大規(guī)模集群觀測(cè)與探測(cè)能力，特別是加強(qiáng)與水下異構(gòu)節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)觀測(cè)，并逐步從水面水下拓展到海、陸、空、天組建一體化觀測(cè)信息網(wǎng)絡(luò)，在水下滑翔機(jī)和其他異構(gòu)節(jié)點(diǎn)種類及數(shù)量規(guī)模、組網(wǎng)觀測(cè)覆蓋范圍、多機(jī)任務(wù)規(guī)劃、系統(tǒng)穩(wěn)定性、觀測(cè)效率及業(yè)務(wù)化等方面不斷提升水下滑翔機(jī)綜合協(xié)同組網(wǎng)觀測(cè)能力和水平。

最后，加強(qiáng)水下滑翔機(jī)觀測(cè)的功能拓展和海洋科學(xué)應(yīng)用研究。重點(diǎn)解決目前水下滑翔機(jī)機(jī)構(gòu)類型、作業(yè)模式、觀測(cè)功能單一,載荷搭載能力弱,與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合不夠緊密的問題。如結(jié)合仿生原理積極探索異構(gòu)新概念水下滑翔機(jī)及混合能源（如溫差能、鹽差能等）推進(jìn)型水下滑翔機(jī)，提高復(fù)雜海洋環(huán)境下的適應(yīng)能力；研究大型高速水下滑翔機(jī)（如大翼展水下滑翔機(jī)等）,提高多參數(shù)傳感器快速觀測(cè)能力；積極引入互聯(lián)網(wǎng)、人工智能和大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，提升水下滑翔機(jī)智能信息感知、自主判別決策、人機(jī)快速協(xié)同和處理突發(fā)緊急情況的應(yīng)對(duì)能力；此外，在物理海洋和生物地球化學(xué)等領(lǐng)域積極開展科學(xué)研究，加強(qiáng)與相關(guān)行業(yè)部門及地方的結(jié)合，拓展應(yīng)用業(yè)務(wù)領(lǐng)域。