基于太陽(yáng)能無(wú)人艇的海洋氣象觀測(cè)系統(tǒng)及其 初步試驗(yàn)

陳洪濱 李軍 馬舒慶 魏應(yīng)植 趙宇

(1 中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所，中層大氣和全球環(huán)境探測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100029；2 南京信息工程大學(xué)，氣象災(zāi)害預(yù)報(bào) 預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210044；3 中國(guó)氣象局氣象探測(cè)中心，北京100080；4 福建省廈門市氣象局，廈門 361012)

引言

在中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的沿海地區(qū)、海島以及瀕臨海域，經(jīng)常發(fā)生災(zāi)害性天氣，包括大風(fēng)、暴雨、大霧和海上強(qiáng)對(duì)流天氣等，每年都造成很大的人員和經(jīng)濟(jì)損失[1-3]。為了增加對(duì)海上天氣系統(tǒng)生成與演變規(guī)律的科學(xué)認(rèn)識(shí)，提高海上和沿海地區(qū)氣象預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率以及防災(zāi)減災(zāi)的能力，需要多種觀測(cè)平臺(tái)和觀測(cè)技術(shù)提供海上氣象水文要素信息，包括衛(wèi)星遙感、岸基和島嶼地面氣象站與氣象探空站網(wǎng)、油氣平臺(tái)和船舶自動(dòng)氣象站、海上錨定浮標(biāo)、漂流浮標(biāo)(包括飛機(jī)投擲的)、有人駕駛飛機(jī)下投探空、無(wú)人飛行器探空和岸基多普勒天氣雷達(dá)等[4-11]，但已有的這些平臺(tái)和技術(shù)所提供的資料與陸地站網(wǎng)相比，在時(shí)空覆蓋和分辨率方面還有很大差距，遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)前科學(xué)研究和業(yè)務(wù)工作的需求。為了解決大洋上大氣和海洋觀測(cè)資料不足的問題，國(guó)際上有兩個(gè)發(fā)展趨勢(shì)[12-13]：一是提高地球觀測(cè)衛(wèi)星的遙感能力，發(fā)射更多搭載多種遙感器的衛(wèi)星，應(yīng)用多波段和主被動(dòng)結(jié)合等技術(shù)提升氣象和海洋天基遙感能力，不斷改進(jìn)多源資料融合和模式同化技術(shù)；二是針對(duì)重點(diǎn)區(qū)域和特定大氣海洋現(xiàn)象或科學(xué)研究目標(biāo)，開展海上加強(qiáng)觀測(cè)試驗(yàn)研究，使用島基、科考船、有人駕駛和無(wú)人駕駛飛機(jī)等平臺(tái)，同時(shí)布設(shè)或投放陣列浮標(biāo)和漂流浮標(biāo)，以獲取大氣和海洋的多要素綜合觀測(cè)資料。

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航、無(wú)人駕駛、衛(wèi)星通訊和數(shù)字化傳感器等技術(shù)的發(fā)展，近20年來國(guó)內(nèi)外科技人員已研發(fā)了數(shù)種基于無(wú)人水面艇(USV：unmanned surface vehicle)和自動(dòng)水下航行器(AUV: autonomous underwater vehicle)的海洋氣象與水文觀測(cè)系統(tǒng)，具有長(zhǎng)航時(shí)、自動(dòng)部署、人員安全等優(yōu)點(diǎn)。例如，美國(guó)Liquid Robotics公司于2007年研制成一種水面穿浪器(wave glider)，由波浪能提供航行動(dòng)力，上部太陽(yáng)能板收集太陽(yáng)能為定位、探測(cè)傳感器和通訊等子系統(tǒng)提供能源，可以連續(xù)一年以上以走航或駐點(diǎn)方式實(shí)時(shí)收集和發(fā)送海洋氣象水文觀測(cè)數(shù)據(jù)。該型穿浪器單艘航行最大距離達(dá)9384海里，歷時(shí)14個(gè)月橫跨南北太平洋，經(jīng)歷過惡劣的海況，實(shí)時(shí)獲得了海面氣象要素及海溫、海鹽和海流數(shù)據(jù)。Lenan 和 Melville[14]使用該型穿浪器穿過熱帶氣旋時(shí)的原位觀測(cè)資料，對(duì)氣象要素的變化進(jìn)行了分析。2014年4月，美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(NOAA)與Liquid Robotics 公司簽署了合作協(xié)議，旨在提高海洋天氣預(yù)報(bào)和海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)能力；合作已顯示海面無(wú)人穿浪觀測(cè)數(shù)據(jù)與NOAA的數(shù)據(jù)分析和模式相結(jié)合提高了颶風(fēng)預(yù)報(bào)、CO2的觀測(cè)和北極海洋環(huán)境的監(jiān)測(cè)能力。

美國(guó)Saildrone公司于2009年，成功研制一款自動(dòng)駕駛雙體帆船(SD1: saildrone 1)，完全利用風(fēng)帆推進(jìn)航行，平均航速3～5 kn，最大速度可達(dá)14 kn。 在2013年底，一艘SD1在太平洋海上航行超過100天，航程超過8000 km。該公司與美國(guó)海洋科學(xué)技術(shù)基金會(huì)(MSTF)合作，計(jì)劃在將來用SD1取代海洋中的錨系浮標(biāo)，進(jìn)行各個(gè)大洋上的氣象觀測(cè)(http://saildrone.com)。

近十多年來，我國(guó)一些部門也大力開展無(wú)人海洋航行器(UMV: unmanned marine vehicle)的研發(fā)與應(yīng)用工作，從無(wú)人水面艇到深海水下滑翔機(jī)的海上試驗(yàn)時(shí)有報(bào)道[15]，但其實(shí)用性和可靠性等有待驗(yàn)證與提高?？傊?，研發(fā)和應(yīng)用多種類型無(wú)人駕駛平臺(tái)的探測(cè)技術(shù)是當(dāng)前海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的一大發(fā)展趨勢(shì)，為國(guó)際各大海洋觀測(cè)組織和計(jì)劃所推薦[16-17]。

自2013年，本團(tuán)隊(duì)基于衛(wèi)星導(dǎo)航與通信、自動(dòng)駕駛和數(shù)字傳感器等技術(shù)，開始研發(fā)一種基于全太陽(yáng)能無(wú)人艇的海洋氣象水文探測(cè)系統(tǒng)，命名為MWO-I(Marine Weather Observer-I)；2015年4月原理樣機(jī)在福建東山縣海域下海測(cè)試，隨后幾年進(jìn)行了多次海上試驗(yàn)，不斷改進(jìn)和驗(yàn)證其實(shí)用性和觀測(cè)能力。本文對(duì)這一長(zhǎng)航時(shí)太陽(yáng)能艇海洋氣象觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行介紹，并給出2018年4月一次海試個(gè)例的初步探測(cè)結(jié)果。

1 系統(tǒng)的介紹

MWO-I系統(tǒng)具備的主要功能有：長(zhǎng)航時(shí)自動(dòng)駕駛、抗惡劣海況、自動(dòng)探測(cè)海面氣象要素、實(shí)時(shí)監(jiān)控工作狀態(tài)和傳輸數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)的原則是：①小型化，隨浪性好， 便于運(yùn)輸和釋放與回收；②模塊化，易于集成安裝和調(diào)試，便于加載輕小型氣象和水文傳感器；③高可靠性，能夠長(zhǎng)時(shí)間工作，適應(yīng)各種天氣和海況，即在強(qiáng)風(fēng)浪高海況下能夠生存。系統(tǒng)的主要組成有：太陽(yáng)能無(wú)人艇平臺(tái)、艇載傳感器與資料采集子系統(tǒng)、衛(wèi)星通訊模塊、陸基子系統(tǒng)(圖1)。

圖1 太陽(yáng)能無(wú)人艇海洋氣象探測(cè)系統(tǒng)(MWO-I)組成

1.1 太陽(yáng)能無(wú)人艇

太陽(yáng)能無(wú)人駕駛艇是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)部署、機(jī)動(dòng)航行探測(cè)的平臺(tái)。根據(jù)設(shè)計(jì)原則，研發(fā)的無(wú)人艇主要技術(shù)參數(shù)列于表1，其主要組成包括艇體、電動(dòng)動(dòng)力推動(dòng)裝置、太陽(yáng)能電力裝置和計(jì)算機(jī)控制裝置(圖2)。

表1 太陽(yáng)能無(wú)人駕駛艇主要技術(shù)參數(shù)

無(wú)人艇整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，艇身采用雙體結(jié)構(gòu)，雙浮筒大部分位于水線之下，其質(zhì)量約占全系統(tǒng)的70%，所以具有較好的穩(wěn)定性和隨浪性。艇體尺寸的選擇不僅考慮了有效載荷的承載能力，還考慮了陸上運(yùn)輸?shù)谋憬菪?，即在不拆卸的情況下，一輛小型箱式貨車可以運(yùn)輸兩艘。這樣，運(yùn)抵海邊后，可減少安裝調(diào)試時(shí)間和難度，便于快速布放。

圖2 太陽(yáng)能動(dòng)力雙體無(wú)人艇設(shè)計(jì)效果(a)和實(shí)物(b)

為了實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)航時(shí)并考慮到減排環(huán)保，無(wú)人艇可選的潔凈能源有太陽(yáng)能、風(fēng)能、波浪能及其組合。本系統(tǒng)采用易獲取和易改造安裝的太陽(yáng)能供電技術(shù)。太陽(yáng)能膜貼敷在艇身上方的平板上，平板內(nèi)不僅有金屬支撐骨架保持強(qiáng)度，還有泡沫墊層在半潛狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生浮力。太陽(yáng)能板轉(zhuǎn)換的電能傳送至安放在浮筒內(nèi)的蓄電池組，然后向動(dòng)力推進(jìn)裝置、氣象探測(cè)儀、通訊裝置和計(jì)算機(jī)控制裝置等供電。在晴天條件下，太陽(yáng)能電力裝置能夠提供平均約600 W的輸出功率，在多云天氣下白天也能提供無(wú)人艇推進(jìn)與探測(cè)和通訊所需的電力。在白天蓄電池充滿的情況下，能夠滿足夜晚MWO-I低速航行與探測(cè)的需要；在極端連陰天的情況下，自動(dòng)關(guān)閉動(dòng)力推進(jìn)裝置，能夠保障一周時(shí)間的連續(xù)探測(cè)與通信的供電。

無(wú)人艇由純電動(dòng)動(dòng)力推進(jìn)，雙推進(jìn)器裝置在浮筒后部，用于推進(jìn)無(wú)人艇前后運(yùn)動(dòng)，并通過左右推進(jìn)器速差控制調(diào)整艇的運(yùn)動(dòng)方向。推進(jìn)器螺旋槳外加一金屬網(wǎng)罩，雖然增加了一點(diǎn)阻力，但可以防止大部分水中雜物對(duì)螺旋槳的直接撞擊與纏繞等影響。

太陽(yáng)能蓄電池置于浮筒內(nèi)前部，而推進(jìn)器位于筒體的后部，調(diào)節(jié)位置即可保持前后平衡。在艇筒體的中段隔離出一段壓水艙，對(duì)其注水和排水能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)人艇整體的下沉半潛和恢復(fù)上浮。半潛下沉是為了進(jìn)一步增加其穩(wěn)定性和抗傾覆性，增加無(wú)人艇抗風(fēng)浪的能力。因此在太陽(yáng)能艇上設(shè)計(jì)和加裝了進(jìn)排水裝置，與艇載計(jì)算機(jī)控制裝置連接，實(shí)現(xiàn)壓艙水箱中的水量調(diào)節(jié)。 在5級(jí)以上的高海況時(shí)，自動(dòng)或遠(yuǎn)程指令控制開啟水泵，向兩個(gè)筒體壓水艙內(nèi)注水，使艇體整體下沉，但太陽(yáng)板仍位于水面之上(需時(shí)約3 min)。此時(shí)，無(wú)人艇吃水深度增加，處于半潛狀態(tài)，艇在水中的穩(wěn)定性及抗風(fēng)浪能力得以進(jìn)一步提高。當(dāng)風(fēng)浪較小時(shí)，自動(dòng)或遠(yuǎn)程控制排水，艇體上浮，水中阻力減小，有利于MWO-I的航行探測(cè)與機(jī)動(dòng)部署。這一半潛功能的實(shí)現(xiàn)是本系統(tǒng)的一大創(chuàng)新點(diǎn)。

1.2 艇載氣象傳感器

本系統(tǒng)選用一款通用的船載小型自動(dòng)氣象站，用于探測(cè)海面大氣溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速和風(fēng)向，并輸出數(shù)據(jù)到計(jì)算機(jī)控制裝置保存，再由北斗通訊機(jī)發(fā)送回陸基子系統(tǒng)接收處理。此型自動(dòng)氣象站具有測(cè)風(fēng)姿態(tài)和航向的自訂正功能，在太陽(yáng)能艇上安裝之前，進(jìn)行過車載和無(wú)人機(jī)搭載的測(cè)試，證明了其在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下氣象要素探測(cè)的可靠性與穩(wěn)定性。

自動(dòng)氣象站安裝于太陽(yáng)能襯板的上中部，距靜水面高度1.5 m。由于艇的隨浪性好，測(cè)試表明在6級(jí)海況下，氣象傳感器受涌浪水浸的影響幾率較小。自動(dòng)氣象站的采樣時(shí)間間隔設(shè)為1 min一組，與北斗衛(wèi)星的通信時(shí)間相適應(yīng)。

一只海溫傳感器安裝于無(wú)人艇浮筒的側(cè)下方，靜水中距水面高度0.25 m，用于探測(cè)并輸出海水溫度至艇載計(jì)算機(jī)。此外，在太陽(yáng)能襯底板前部安裝了兩只小型硅基太陽(yáng)總輻射表(EKO公司生產(chǎn)的ML-02)，一只朝上測(cè)量向下的太陽(yáng)輻射，另一只朝下測(cè)量海面的反射太陽(yáng)輻射。所用水溫傳感器和輻射表的時(shí)間響應(yīng)很快，但仍1 min取一組平均值，然后保存和發(fā)送。各要素的測(cè)量范圍和精度滿足氣象和水文探測(cè)規(guī)范要求(表2)。

表2 艇載氣象和水溫傳感器的主要性能參數(shù)

1.3 艇載通信與控制裝置

海上自主航行探測(cè)與數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸，需要通過衛(wèi)星通訊實(shí)現(xiàn)。MWO-I采用我國(guó)北斗衛(wèi)星的通信功能，雖然普通用戶機(jī)每分鐘僅傳輸70個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，但其重量、功耗和價(jià)格等適用于本系統(tǒng)。為了滿足多氣象水文探測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸、系統(tǒng)多種狀態(tài)信息的傳輸與監(jiān)控和陸基指令接收的需求，本系統(tǒng)安裝使用了兩套北斗用戶機(jī)，一套收發(fā)多種運(yùn)行指令和平臺(tái)狀態(tài)信息，一套發(fā)送氣象水文探測(cè)數(shù)據(jù)。

控制裝置是本系統(tǒng)的大腦，主要由艇載計(jì)算機(jī)和系列軟件組成，與電源管理單元、自動(dòng)駕駛儀、遙控接收機(jī)、電動(dòng)推進(jìn)裝置、氣象傳感器I/O口和衛(wèi)星通訊單元等連接(圖3)，主要功能是控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛、自動(dòng)探測(cè)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。圖4顯示平臺(tái)運(yùn)行的主要控制流程，艇載計(jì)算機(jī)中的廣義狀態(tài)信息包括：預(yù)設(shè)的航行模式、預(yù)設(shè)航跡、平臺(tái)當(dāng)前位置與姿態(tài)、當(dāng)前工作狀態(tài)(航速航向)與電量、實(shí)時(shí)氣象信息以及附近船舶信息等。

圖3 MWO-I控制裝置結(jié)構(gòu) (供電單元與其他單元的連線略)

圖4 MWO-I平臺(tái)運(yùn)行主要控制流程

MWO-I上安裝了北斗/GPS雙模定位信息接收裝置，實(shí)時(shí)定位信息傳送至艇載計(jì)算機(jī)。根據(jù)預(yù)設(shè)航線(包括航速)和實(shí)時(shí)定位信息，艇載自動(dòng)駕駛儀輸出兩個(gè)推進(jìn)器的速度，改變航向由左右推進(jìn)器的速度差實(shí)現(xiàn)。

控制裝置與電源單元連接，一路接受供電，一路實(shí)現(xiàn)對(duì)其管理。白天太陽(yáng)能板轉(zhuǎn)化的電力一部分用于動(dòng)力推進(jìn)，一部分對(duì)蓄電池進(jìn)行補(bǔ)充充電。在電池完全充滿的情形下，全部太陽(yáng)能電力用于動(dòng)力推進(jìn)，且在夜晚能保證無(wú)人艇低速航行和傳感器與通信單元的連續(xù)正常工作；在充電不足(例如連陰雨天氣)使得動(dòng)力供電電壓低于19 V時(shí)，無(wú)人艇進(jìn)入無(wú)動(dòng)力自由漂流狀態(tài)， 此時(shí)剩余電量能夠保證約7天平臺(tái)狀態(tài)信息和探測(cè)數(shù)據(jù)的采集與傳輸。當(dāng)充電使動(dòng)力供電電壓高于19 V時(shí)，MWO-I自動(dòng)進(jìn)入預(yù)先設(shè)定的航行探測(cè)模式。

控制裝置與氣象水文傳感器的數(shù)據(jù)傳輸單元連接，對(duì)每分鐘一組數(shù)據(jù)保存并處理，然后發(fā)送至北斗通信單元。在探測(cè)數(shù)據(jù)和狀態(tài)參數(shù)出現(xiàn)異常時(shí)，發(fā)送標(biāo)識(shí)數(shù)字字符。陸基子系統(tǒng)接收并識(shí)別3組及以上異常數(shù)據(jù)時(shí)，顯示出異常提示，即在監(jiān)視屏幕上異常參數(shù)后面不再出現(xiàn)具體數(shù)值，而是為醒目的紅點(diǎn)替代。氣象水文數(shù)據(jù)的采集、變送、傳輸和監(jiān)控技術(shù)的詳細(xì)流程設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，與陸基或島基自動(dòng)氣象站的類似，這里不再詳述。

1.4 海上觀測(cè)模式

無(wú)人艇具有自動(dòng)駕駛和遠(yuǎn)程更改航線的功能，可以根據(jù)科學(xué)研究與業(yè)務(wù)工作需求實(shí)現(xiàn)多種航行模式的觀測(cè)，包括走航、漂流和準(zhǔn)錨定觀測(cè)模式。走航觀測(cè)，就是按預(yù)設(shè)航線航行并進(jìn)行探測(cè)和數(shù)據(jù)傳輸；漂流觀測(cè)主要在夜晚進(jìn)行，就是無(wú)人艇關(guān)閉推進(jìn)動(dòng)力，進(jìn)行“隨波逐流”狀態(tài)下的探測(cè)和數(shù)據(jù)傳輸。

準(zhǔn)錨定觀測(cè)有兩種方式(圖5)。一種是在一給定經(jīng)緯度的固定目標(biāo)點(diǎn)(或稱“錨點(diǎn)”)周圍連續(xù)轉(zhuǎn)圈，圓形和方形都可(圖5a)，半徑或邊長(zhǎng)度小于300 m，在這一“錨點(diǎn)”提供時(shí)間連續(xù)的觀測(cè)數(shù)據(jù)。另一是以“錨點(diǎn)”為圓心(圖5b)，設(shè)置一半徑范圍(例如500 m)，當(dāng)無(wú)人艇接近“錨點(diǎn)”時(shí)(例如設(shè)為30 m)自動(dòng)關(guān)閉動(dòng)力，進(jìn)入漂流狀態(tài)探測(cè)；當(dāng)無(wú)人艇達(dá)到預(yù)設(shè)半徑時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)動(dòng)力，進(jìn)行返回錨點(diǎn)的航行觀測(cè)；這一模式可以簡(jiǎn)稱為“漂離—?jiǎng)臃怠笔接^測(cè)。初步試驗(yàn)表明，在風(fēng)速和流速不大的情況下，約1.5 h實(shí)現(xiàn)一次500 m半徑的“漂離—?jiǎng)臃怠笔接^測(cè)。與連續(xù)轉(zhuǎn)圈方式相比，此種方式的優(yōu)點(diǎn)是可以節(jié)省部分能耗，尤其是在夜晚。下沉半潛漂離與動(dòng)力回返的多次往返準(zhǔn)錨點(diǎn)觀測(cè)，有望測(cè)得表面海流，具體試驗(yàn)與初步結(jié)果分析由另文介紹。

圖5 “準(zhǔn)錨定”觀測(cè)模式示意：(a)連續(xù)轉(zhuǎn)圈式, (b)“漂離—?jiǎng)臃怠笔?(圖a中實(shí)際航跡在轉(zhuǎn)彎處有一定的向外彎曲，轉(zhuǎn)彎半徑約20 m； 圖b中為了清晰顯示，夸大了漂流軌跡的彎曲度)

1.5 陸基子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)的主要功能是規(guī)劃和發(fā)送更新的航跡與任務(wù)，接收海上無(wú)人艇系統(tǒng)的狀態(tài)與探測(cè)數(shù)據(jù)，資料預(yù)處理與顯示及分發(fā)和存儲(chǔ)；主要組成是北斗用戶機(jī)、兩臺(tái)計(jì)算機(jī)和系列應(yīng)用軟件。使用通用的遠(yuǎn)程控制與監(jiān)控軟件，在任何地點(diǎn)的入網(wǎng)計(jì)算機(jī)或智能手機(jī)上都可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作，包括MWO-I工作狀態(tài)監(jiān)視、數(shù)據(jù)信息瀏覽、航跡和任務(wù)更改與發(fā)送、數(shù)據(jù)下載等。

2 海上試驗(yàn)個(gè)例

自2015年系統(tǒng)研發(fā)成功后，在海上進(jìn)行了多次試驗(yàn)。在海試前，每艘艇首先在“工廠”露天水池內(nèi)進(jìn)行約20 d的浸水試驗(yàn)，以檢查其水密性和系統(tǒng)連續(xù)工作性能。考慮到海上試驗(yàn)的不確定性，我們遵循循序漸進(jìn)的原則，即先短航時(shí)后長(zhǎng)航時(shí)、先港內(nèi)再港外、由近及遠(yuǎn)的進(jìn)行，航時(shí)從2 h擴(kuò)展到130 h以上，MWO-I的主要技術(shù)設(shè)計(jì)指標(biāo)都得到了驗(yàn)證。

作為一個(gè)個(gè)例，本節(jié)介紹2018年3月30日至4月6日的初步試驗(yàn)結(jié)果。此次試驗(yàn)?zāi)康氖沁M(jìn)行較長(zhǎng)航時(shí)多技術(shù)性能的全面測(cè)試，氣象探測(cè)結(jié)果盡可能地與海上浮標(biāo)站的觀測(cè)進(jìn)行比較，因?yàn)殄^定浮標(biāo)是當(dāng)前開闊洋面上能夠進(jìn)行連續(xù)和實(shí)時(shí)氣象與水文觀測(cè)的主要平臺(tái)，其提供的資料已有多種應(yīng)用，包括海上臺(tái)風(fēng)特征的分析研究[18]。本次試驗(yàn)抵近的兩個(gè)海上目標(biāo)浮標(biāo)分別是廈門浮標(biāo)(區(qū)站號(hào)59334，本文標(biāo)記為XM)和海峽南浮標(biāo)(區(qū)站號(hào)59544)，分別位于(23°38′02″N，118°11′53″E)和(22°36′01″N，119°00′02″E)。試驗(yàn)以福建省東山縣澳角村漁港東側(cè)為出發(fā)點(diǎn)。3月30—31日，MWO-I在近岸處航行測(cè)試，結(jié)果表明各子系統(tǒng)全部正常運(yùn)行。4月1日上午約10:00，為了避開近岸海洋養(yǎng)殖網(wǎng)箱，租用一小漁船將MWO-I拖出離岸50 km處釋放，然后按預(yù)設(shè)航線自動(dòng)駕駛航行。

圖6顯示4月1—6日MWO-I的航行軌跡，總航時(shí)達(dá)128 h，累計(jì)航程約為474 km。由圖6可見，在白天MWO-I按預(yù)設(shè)航線航行，經(jīng)計(jì)算實(shí)際航行軌跡與預(yù)設(shè)路線的平均距離差小于10 m。為了考查其漂浮探測(cè)狀態(tài)和能力，設(shè)計(jì)進(jìn)行了在傍晚至次日早晨無(wú)動(dòng)力的漂流探測(cè)試驗(yàn)，即在太陽(yáng)能充電不能使動(dòng)力供電電池電壓維持在19 V以上時(shí)，MWO-I自動(dòng)停止動(dòng)力航行，處于漂浮探測(cè)狀態(tài)；第2天早晨太陽(yáng)能充電提供足夠電量時(shí)，MWO-I自動(dòng)恢復(fù)動(dòng)力航行，首先向預(yù)設(shè)航線最近航點(diǎn)航行，然后沿預(yù)設(shè)航線前進(jìn)，這樣在圖6中看到5個(gè)夜晚不規(guī)則圓弧形航跡。

圖6 2018年4月1—6日MWO-I航行軌跡 (直線為有動(dòng)力航行，曲線為漂流；黃色圖釘為兩個(gè)浮標(biāo)的位置)

圖7顯示6天連續(xù)的原始?xì)庀蠛退奶綔y(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間序列，每個(gè)小圖給出一個(gè)要素，MWO-I的是黑色線；為了直觀比較，同時(shí)顯示XM浮標(biāo)的小時(shí)平均值，由藍(lán)色曲線表示。由圖首先可見，MWO-I每分鐘獲得的氣溫、相對(duì)濕度、氣壓、風(fēng)速風(fēng)向和水溫?cái)?shù)據(jù)是連續(xù)的，沒有出現(xiàn)異常值，這次試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取率為100%。這表明，在這幾天的天氣和海況情況下，氣象水文傳感器和通信收發(fā)裝置不僅工作正常，而且氣象傳感器的探測(cè)沒有受到海浪的影響。

由圖7中無(wú)人艇與XM浮標(biāo)的距離可見，在4月1日午夜兩者之間的距離最近，最小距離約10 km。再看圖7中前3天大部分要素的日變化特征，無(wú)人艇與浮標(biāo)測(cè)得的基本一致(風(fēng)向除外)；隨著距離(時(shí)間)的增加，無(wú)人艇與浮標(biāo)觀測(cè)的變化特征的一致性變差。MWO-I所測(cè)要素值的變化幅度一般大于浮標(biāo)的，這主要因?yàn)榍罢呤欠昼娂?jí)數(shù)據(jù)，后者是小時(shí)平均數(shù)據(jù)。在風(fēng)速的時(shí)間序列上可見，6日晚無(wú)人艇與浮標(biāo)都觀測(cè)到大風(fēng)，MWO-I測(cè)得的最大值為18.9 m/s。關(guān)于海面水溫SST的測(cè)量，值得注意是，MWO-I的不僅日變化幅度大，而且在午后有明顯偏大的數(shù)據(jù)(>25 ℃)，其原因有待進(jìn)一步分析。

圖7 2018年4月1—6日MWO-I測(cè)得的原始數(shù)據(jù)(黑色線)及廈門浮標(biāo)(XM)小時(shí)平均數(shù)據(jù)(藍(lán)色線):(a)MWO-I與XM浮標(biāo)的直線距離D,(b)海面氣溫T,(c)相對(duì)濕度RH,(d)海面水溫SST,(e)氣壓P,(f)風(fēng) 向WD,(g)風(fēng)速WS)

為了進(jìn)一步比較分析MWO-I與XM浮標(biāo)的觀測(cè)，按幾個(gè)距離檔繪出對(duì)比散點(diǎn)圖(圖8)，雖然小時(shí)平均數(shù)據(jù)量較少，但仍分別計(jì)算其相關(guān)系數(shù)。由圖可見，總體上兩者距離較近時(shí)一致性更好，其中氣壓的相關(guān)性最好，這是自然合理的；風(fēng)速和風(fēng)向的一致性在時(shí)間序列上(圖7)看不清楚，但在散點(diǎn)對(duì)比圖中看得比較清楚；SST在有些時(shí)段一致性差，原因在前面已提及。無(wú)人船與廈門浮標(biāo)距離在20 km以內(nèi)，其觀測(cè)的溫度、相對(duì)濕度、氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速和海溫的標(biāo)準(zhǔn)差分別是：1.68 ℃、14.9%、0.99 hPa、44.85°、0.70 m/s和0.76 ℃。

圖8 無(wú)人艇MWO-I與廈門浮標(biāo)觀測(cè)的散點(diǎn)圖 (不同顏色代表幾個(gè)距離范圍的測(cè)值，例如：綠色表示30～40 km距離范圍內(nèi)時(shí)間對(duì)應(yīng)的觀測(cè)值)

對(duì)MWO-I與海峽南浮標(biāo)的觀測(cè)數(shù)據(jù)也進(jìn)行了對(duì)比分析(后者風(fēng)速和風(fēng)向缺測(cè))，總體上結(jié)果與上述相同，這里不再贅述。這次試驗(yàn)主要是考察MWO-I跨晝夜長(zhǎng)航時(shí)的探測(cè)能力，沒有專門設(shè)計(jì)和實(shí)施在浮標(biāo)附近的“定點(diǎn)”觀測(cè)，所以可比較的數(shù)據(jù)量還不夠多。此外，試驗(yàn)中獲得了比較連續(xù)的海面向下和向上的太陽(yáng)總輻射數(shù)據(jù)，雖然可看出云層的影響，但數(shù)據(jù)姿態(tài)訂正問題還沒有解決，故此處不做進(jìn)一步分析研究。

3 結(jié)論和討論

針對(duì)海上氣象水文原位探測(cè)技術(shù)不足和資料稀少的問題，我們研發(fā)了一種基于太陽(yáng)能無(wú)人艇的新型海上氣象探測(cè)系統(tǒng)MWO-I，經(jīng)過3年多近10次的海上測(cè)試，得到的結(jié)論如下：

(1)各項(xiàng)性能指標(biāo)基本達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了基于衛(wèi)星導(dǎo)航的自動(dòng)駕駛、自動(dòng)部署、自動(dòng)探測(cè)、自動(dòng)數(shù)傳等功能。

(2)依靠北斗通信，能夠每分鐘實(shí)時(shí)地發(fā)送提供一組海面氣溫、氣壓、濕度、風(fēng)速風(fēng)向、太陽(yáng)總輻射和海面水溫資料；無(wú)人艇平臺(tái)還有約10 kg載荷余量，可以加裝其他小型傳感器，例如：波浪儀和能見度儀等設(shè)備。

(3)實(shí)現(xiàn)了海上航程大于450 km的探測(cè)試驗(yàn)，艇載自動(dòng)氣象站的觀測(cè)與廈門和海峽南兩只錨定浮標(biāo)的比較一致。

該系統(tǒng)大于6個(gè)月超長(zhǎng)航時(shí)的工作能力和抗惡劣海況的能力，有待在今后海試中得到證明；需要與錨定浮標(biāo)和科考船等的氣象水文要素觀測(cè)進(jìn)行更為長(zhǎng)期和系統(tǒng)的對(duì)比分析。下一步將結(jié)合業(yè)務(wù)和科研需求，在不同季節(jié)開展長(zhǎng)航時(shí)探測(cè)試驗(yàn)，獲取更多的觀測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制規(guī)范化的分析研究。此外，將考慮在MWO-I上加裝其他傳感器(例如波浪儀)和自動(dòng)船舶識(shí)別系統(tǒng)(AIS)，增加其探測(cè)與生存能力。

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航、衛(wèi)星通訊、自動(dòng)駕駛和傳感器等技術(shù)的進(jìn)步，采用無(wú)人機(jī)和無(wú)人船平臺(tái)構(gòu)建新型高智能化的海上氣象水文觀測(cè)系統(tǒng)已成為可能，多無(wú)人船海上組網(wǎng)觀測(cè)將提供大量海上原位探測(cè)數(shù)據(jù)，必將增強(qiáng)包括臺(tái)風(fēng)在內(nèi)的海上強(qiáng)烈天氣的監(jiān)測(cè)能力，提高海洋氣象和海-氣相互作用等的研究水平，并應(yīng)用于數(shù)值天氣和海洋環(huán)境預(yù)報(bào)及衛(wèi)星遙感產(chǎn)品驗(yàn)證業(yè)務(wù)之中。

致謝:在多次海上試驗(yàn)過程中，項(xiàng)目組得到了福建省廈門市氣象局、漳州市氣象局和廣東省茂名市博賀海洋氣象科學(xué)實(shí)驗(yàn)基地的大力協(xié)助；河北淳博航空科技有限公司安裝和調(diào)試系統(tǒng)；上海氣象儀器廠協(xié)助進(jìn)行水池試驗(yàn)。在此一并致謝。