科考型自主無(wú)人潛航器在極地的應(yīng)用以及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

陳 馳 吳 剛 賈洞洞 秦 琦 李 源

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011）

0 引 言

自主水下航行器（autonomous underwater vehicle,AUV ）又稱自主無(wú)人潛航器，是1 種具有自航能力的無(wú)人操控型水下機(jī)器人[1]。其具有安全、輕便、能耗少、航程長(zhǎng)、性價(jià)比高、可預(yù)編程設(shè)計(jì)路徑等特點(diǎn)，可用于大范圍的水下環(huán)境探測(cè)、水下資源勘探、水下探物搜尋等工作。此外，同帶纜型遙控潛水器（remote-operated vehicle, ROV）相比，AUV 具有相對(duì)更大的活動(dòng)范圍，且無(wú)臍帶纜纏繞風(fēng)險(xiǎn)；無(wú)需龐大的水面系統(tǒng)支持便可進(jìn)入復(fù)雜區(qū)域，維修和備車時(shí)占用甲板面積小，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用也相對(duì)較低。因此，AUV 已被廣泛應(yīng)用于包括極區(qū)在內(nèi)的海洋科考任務(wù)中。

相較于敞水海洋，極地海洋被冰層覆蓋，所以無(wú)法使用空天設(shè)備進(jìn)行遙感觀測(cè)。水面船舶若進(jìn)行走航聲學(xué)掃測(cè)，則需破冰航行，而破冰過(guò)程中所產(chǎn)生的噪聲以及碎冰對(duì)聲學(xué)探測(cè)設(shè)備的刮擦，都會(huì)導(dǎo)致探測(cè)結(jié)果的信噪比較低，從而增加數(shù)據(jù)分析的難度。AUV 則能在冰下潛航，其既可以抵近洋底獲取精準(zhǔn)數(shù)據(jù)，也可以貼在冰下航行并繪制浮冰底部圖像。當(dāng)搭載不同傳感器時(shí)，AUV 可進(jìn)行極區(qū)的生物、化學(xué)、地質(zhì)、水文等方面的探測(cè)，有效地幫助極地科研人員開(kāi)展工作，因此近年來(lái)正逐漸成為極地海洋科考界的“寵兒”和標(biāo)配。

本文旨在為讀者詳細(xì)介紹AUV 在極地科考中的作用、挑戰(zhàn)和未來(lái)發(fā)展方向，并且以此為背景討論新一代極地科考母船如何適應(yīng)科考裝備無(wú)人化的趨勢(shì)。

1 AUV系統(tǒng)的構(gòu)成與特征

AUV 系統(tǒng)主要由水面控制臺(tái)和水下載體這2個(gè)部分組成。水面控制臺(tái)主要用于下水前的調(diào)試、使命下載，以及工作過(guò)程中的監(jiān)控、數(shù)據(jù)上傳與處理。水面控制臺(tái)的形態(tài)多樣，通常依據(jù)使用者的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，以便攜式箱體或小型控制柜（集裝箱）為主[2]。水下載體主要由載體結(jié)構(gòu)、控制/導(dǎo)航系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)和任務(wù)載荷這6 部分組成[2]。若無(wú)特別說(shuō)明，文中AUV 僅指代水下載體部分，載體部分的構(gòu)成和對(duì)應(yīng)功能如下文所述。

1.1 載體結(jié)構(gòu)

大多數(shù)的AUV 是回轉(zhuǎn)體構(gòu)型，通常呈魚(yú)雷外形以確保其在水下良好的水動(dòng)力性能。

在淺海航行的AUV 因?yàn)闆](méi)有太高的抗壓要求，因此其控制系統(tǒng)、電池、傳感器等基本都封裝于耐壓艙中，整個(gè)AUV 本身即是1 個(gè)空間連通且單一的耐壓艙，艙壁較薄且艙體材料一般采用航空鋁合金[3]。

在深海航行的AUV 由于抗壓要求較高，故采用框架結(jié)構(gòu)。設(shè)備中相對(duì)核心且脆弱的部件（如控制系統(tǒng)）會(huì)被封裝于鈦合金制成的抗壓艙內(nèi)；抗壓艙本身及其他可直接接觸海水的抗壓部件則布置于框架內(nèi)。框架外采用抗壓浮力材料或蒙皮包裹成流線形，以達(dá)到理想的水動(dòng)力效果。具體構(gòu)型見(jiàn)圖1。

圖1 AUV 構(gòu)型

1.2 導(dǎo)航系統(tǒng)

AUV 的導(dǎo)航分為自主導(dǎo)航和組合導(dǎo)航，都可以不依賴于母船。自主導(dǎo)航主要依靠其自身攜帶的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（inertial navigation system, INS）和多普勒測(cè)速儀（Doppler velocity log, DVL）的數(shù)據(jù)結(jié)合進(jìn)行導(dǎo)航，這種導(dǎo)航方法會(huì)因INS 與DVL 自身測(cè)量誤差的累積而變得不準(zhǔn)確，因此若AUV 進(jìn)行大范圍巡航，則需要對(duì)位置進(jìn)行修正。組合導(dǎo)航會(huì)在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加對(duì)水下定位或基于衛(wèi)星的全球定位系統(tǒng)的支持，這2 種系統(tǒng)可以傳送給AUV 全球坐標(biāo)系下的精確位置，幫助其消除自主導(dǎo)航所帶來(lái)的累積誤差。

1.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是AUV 的大腦，涉及AUV 的運(yùn)動(dòng)控制、路徑規(guī)劃、避碰、數(shù)據(jù)管理、故障診斷等功能。AUV 的控制則由頂層控制和低層控制兩部分組成。頂層控制主要指AUV 根據(jù)預(yù)設(shè)任務(wù)和環(huán)境進(jìn)行決策和規(guī)劃，低層控制是指對(duì)AUV 各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制以及傳感器信號(hào)的初級(jí)處理[2]。當(dāng)然，無(wú)論是AUV 的導(dǎo)航還是控制都離不開(kāi)來(lái)自傳感器所提供的信息。

1.4 通信系統(tǒng)

通信系統(tǒng)一般位于AUV 頂部，以便發(fā)射與接收信號(hào)。AUV 的天線露出水面后可進(jìn)行無(wú)線電通信，但由于水體對(duì)無(wú)線電有屏蔽作用，所以AUV在水下時(shí)一般采用聲學(xué)信號(hào)進(jìn)行通信。除了專門(mén)的聲學(xué)通信裝置外，也可利用聲學(xué)定位裝置進(jìn)行通信，例如超短基線定位系統(tǒng)（ultra short baseline,USBL），但信號(hào)所攜帶的信息量較少。另外，隨著水下藍(lán)綠激光通信技術(shù)的發(fā)展，AUV 在某些水質(zhì)清澈但光線暗淡的水域，可以進(jìn)行200 m 以內(nèi)的藍(lán)綠激光通信，這種通信方法信息量大、信噪比高，但距離受限。

相對(duì)于無(wú)線電通信和藍(lán)綠激光通信，水下最常用的水聲通信方法數(shù)據(jù)速率低、信噪比低，僅能傳輸數(shù)據(jù)、語(yǔ)音、文字或靜態(tài)圖像數(shù)據(jù)。

1.5 能源系統(tǒng)

由于水下沒(méi)有足夠的氧氣助燃，因此水下裝備不能使用燃料作為能源，只能使用水面支持船輸送的電力，或者靠自身攜帶的電池提供能量。AUV作為一種無(wú)纜水下裝備，必須依靠自身攜帶的電池供電，但由于各個(gè)設(shè)備用電電壓、電流、功率等參數(shù)不盡相同，再加之為了提升電池使用的安全性，因此需要配備電池管理系統(tǒng)[4]。

早期AUV 采用銀鋅電池或鉛酸電池，近年來(lái)隨著電池技術(shù)的發(fā)展，能量密度更大的鋰離子電池在AUV 上得到廣泛應(yīng)用。適配于AUV 的電池應(yīng)具有體積小、質(zhì)量輕、能量密度高且安全性好的特點(diǎn)[2]。

1.6 推進(jìn)系統(tǒng)

AUV 推進(jìn)裝置通常位于尾部，多采用無(wú)刷直流電機(jī)帶動(dòng)螺旋槳進(jìn)行推進(jìn)。為確保AUV 的航向穩(wěn)定性，會(huì)在其首部或尾部加裝穩(wěn)定鰭（stabilized fin）。

與一般船舶的操縱方式相同，AUV 可通過(guò)調(diào)整方向舵角度來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。不過(guò)，有些AUV 為了提高其水下靈活性與推力，會(huì)在尾部加裝多臺(tái)推進(jìn)器，利用差速來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。此外，也有一些AUV會(huì)在尾部加裝直接與推進(jìn)器相連的舵機(jī)，通過(guò)舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)調(diào)整推進(jìn)器的方向，從而達(dá)到轉(zhuǎn)向目的。

1.7 任務(wù)載荷

載體結(jié)構(gòu)、導(dǎo)航系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、能源系統(tǒng)與推進(jìn)系統(tǒng)構(gòu)成了AUV 完整的載體平臺(tái)。AUV 的使用人員則根據(jù)其工作目標(biāo)的不同，搭配不同類型的傳感器組成其任務(wù)載荷。例如：若AUV 需要進(jìn)行水下地形的掃測(cè)，則會(huì)裝備側(cè)掃聲吶或多波束聲吶；若需要進(jìn)行水下礦產(chǎn)資源探測(cè)，則會(huì)安裝磁力計(jì)；若需進(jìn)行水下防蛙人任務(wù)，則可能會(huì)安裝多波束成像聲吶并搭配高清攝像頭。因此，任務(wù)載荷由AUV 所要執(zhí)行的工作目標(biāo)所決定[5-6]。

目前雖然有人員研究可攜帶機(jī)械手的作業(yè)型AUV，但這并不是一個(gè)有意義的方向。AUV 的優(yōu)勢(shì)在于其廣域航行性能，而能懸停進(jìn)行水下作業(yè)則是ROV 和載人潛水器（human occupied vehicle, HOV）的強(qiáng)項(xiàng)，因此機(jī)械手不太適合安裝于AUV[2]。

另外，AUV 的一種變體——水下滑翔機(jī)也在近20 年受到了海洋科考界的廣泛重視。水下滑翔機(jī)僅依靠其自身重心的調(diào)節(jié)，便可實(shí)現(xiàn)水下滑翔式前進(jìn)。由于水下航行時(shí)無(wú)需依靠螺旋槳的主動(dòng)推進(jìn)，因此其耗能更少、自持力更長(zhǎng)，適用于無(wú)時(shí)效要求的大面積水下探測(cè)工作。

2 AUV 在極地科考中的應(yīng)用概況及其優(yōu)勢(shì)

2.1 AUV在極地科考中的應(yīng)用

1972 年，華盛頓大學(xué)使用AUV 在阿拉斯加北部進(jìn)行水下冰情冰貌測(cè)量，這是公開(kāi)資料所記載的全球范圍內(nèi)首次AUV 極地科考作業(yè)。在此之后，AUV 被頻繁應(yīng)用于極地科考項(xiàng)目。表1 對(duì)已公開(kāi)發(fā)表、報(bào)道的大部分AUV 科考任務(wù)進(jìn)行了總結(jié)。

表1 全球范圍內(nèi)部分極區(qū)AUV 任務(wù)統(tǒng)計(jì)

從表1 中可以看出，AUV 被廣泛應(yīng)用于冰形冰貌測(cè)量（水下）、水文探測(cè)、地質(zhì)探測(cè)、生化取樣、氣候變化監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，尤其對(duì)冰山、浮冰水下部分的測(cè)繪工作最為普遍，也最具有代表性。在此之前，科考專家尚無(wú)有效手段進(jìn)行相關(guān)觀測(cè)。

隨著近年來(lái)電子信息技術(shù)、人工智能技術(shù)、通信導(dǎo)航技術(shù)的快速發(fā)展，AUV 的技術(shù)成熟度也越來(lái)越高，加之廣大極地科研工作者意識(shí)到AUV 為水下觀測(cè)帶來(lái)了方式上的革新，因此近20 年來(lái)，AUV 在極地科考領(lǐng)域的使用頻率明顯高于之前。

在極地科考任務(wù)中使用的AUV 與在敞水環(huán)境下使用的AUV 在外觀形態(tài)、科學(xué)共載荷上并無(wú)區(qū)別，但一些執(zhí)行特殊任務(wù)的AUV 會(huì)進(jìn)行載荷的重新布置或改形。如圖2 和下頁(yè)圖3 所示，若AUV需在水下執(zhí)行對(duì)冰山、浮冰的測(cè)繪工作，則其成像聲吶或側(cè)掃聲吶會(huì)置于AUV 的頂部而不是底部，方便聲吶向上發(fā)射信號(hào)；若AUV 需執(zhí)行水下冰洞的探測(cè)工作，則AUV 的外形會(huì)被設(shè)計(jì)成球形，成像聲吶會(huì)依據(jù)球體外殼呈發(fā)散式布置。但總體而言，若無(wú)特殊需求，呈譜系且標(biāo)準(zhǔn)化程度高的商用AUV 也可被用于極地科考。

圖2 聲學(xué)設(shè)備置于AUV頂部且方向朝上

圖3 聲吶依據(jù)球體AUV 外殼發(fā)散布置

2.2 我國(guó)AUV在極地科考中的應(yīng)用

隨著我國(guó)對(duì)于極地科考的重視程度日益增強(qiáng)，極地科考裝備技術(shù)水平逐步提升，科考模式也由單一的水面、冰面/雪面的平面模式延伸到了空間與水下，形成了立體式的科考架構(gòu)。目前，我國(guó)正在大力發(fā)展適用于極地的AUV 產(chǎn)品，并積極探索AUV 在極地的運(yùn)營(yíng)，以加強(qiáng)極地水下科考能力。

根據(jù)公開(kāi)報(bào)道，來(lái)自我國(guó)2 個(gè)團(tuán)隊(duì)共3 種型號(hào)的AUV，在南極和北極各參與了2 次作業(yè)，任務(wù)種類涵蓋海冰測(cè)量、水文探測(cè)、地質(zhì)探測(cè)等。

相較于美國(guó)，我國(guó)在極區(qū)使用AUV 的頻次較少，積累的數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)也不多，仍處于起步階段。但在國(guó)際上，利用AUV 等無(wú)人裝備進(jìn)行極地水下科考已呈現(xiàn)出勢(shì)不可擋之勢(shì)。隨著我國(guó)海洋科技的蓬勃發(fā)展以及對(duì)極地科考重視程度的日益提升，未來(lái)將會(huì)有更多的AUV 投入到極地科考任務(wù)中。

2.3 AUV在極地科考中的優(yōu)勢(shì)

由于極區(qū)水域常年被海冰覆蓋，因此在開(kāi)敞水域使用空基或天基平臺(tái)進(jìn)行海洋遙感測(cè)繪的方式在極地并不適用。雖然破冰船舶可以進(jìn)入極地冰區(qū)，但破冰過(guò)程中所產(chǎn)生的噪聲會(huì)對(duì)船載聲學(xué)設(shè)備的測(cè)量效果產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，能夠在冰下水域自主航行的AUV 便逐漸成為極地海洋科考之利器。其主要有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）大范圍、高分辨

由于AUV 能耗小、自持力大，故可進(jìn)行大面積的探測(cè)任務(wù)；而目前AUV 朝著大深度發(fā)展的趨勢(shì)也擴(kuò)大了其垂向活動(dòng)的范圍。極區(qū)的海洋數(shù)據(jù)極度匱乏，亟需開(kāi)展大范圍的極區(qū)環(huán)境調(diào)查工作，而AUV 可以很好地解決該問(wèn)題。

AUV 在工作時(shí)全浸沒(méi)在水中，因此可實(shí)時(shí)精準(zhǔn)感知與記錄重要海洋指標(biāo)。對(duì)于水下冰形冰貌、地形地貌、地質(zhì)特點(diǎn)、剖面流速等需要用聲學(xué)儀器進(jìn)行探測(cè)的數(shù)據(jù)，AUV 可以抵近目標(biāo)測(cè)量，從而提高了圖像、數(shù)據(jù)等觀測(cè)結(jié)果的精度和準(zhǔn)確度，有利于科研人員的后期工作。

（2）多用途、多功能

極區(qū)水下科考有著顯著的多學(xué)科和跨學(xué)科特點(diǎn)，因此需要搭載不同的科考設(shè)備以滿足各種科研需求。AUV 是一種極為開(kāi)放的水下科研平臺(tái)，只要在控制與電力上留足接口、空間上合理規(guī)劃，就可以搭載集成聲學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)的傳感器。此外，隨著以極地、深海為代表的海洋科研方向在全球范圍內(nèi)受到廣泛的關(guān)注，許多傳感器生產(chǎn)商也推出了適配于AUV 的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品。

（3）安全性、可靠性

相對(duì)于敞水水域的水下科考作業(yè)，極區(qū)冰下環(huán)境面臨更多的不確定性與未知性，因此在極區(qū)冰下使用載人型科考裝備風(fēng)險(xiǎn)極高，這也是目前全世界范圍內(nèi)僅俄羅斯有過(guò)一次極區(qū)冰下載人深潛嘗試的原因。若使用AUV 等無(wú)人裝備，則損失的僅是財(cái)產(chǎn)與數(shù)據(jù)，而不用擔(dān)心人員生命安全問(wèn)題。

根據(jù)目前的公開(kāi)資料，在極區(qū)冰下很少會(huì)出現(xiàn)AUV 丟失的情況。大多數(shù)AUV 完成既定任務(wù)后都能順利返航[22]，由此也說(shuō)明AUV 的巡線技術(shù)與返航技術(shù)成熟度較高、可靠性好。

（4）全球洋區(qū)適應(yīng)

雖然極地水面環(huán)境具有低溫、天氣多變等特點(diǎn)，但極地冰下水域的溫度和流速與全球其他洋區(qū)的差別并不顯著，而且隨著深度的增加，溫度和流速的參數(shù)會(huì)更加趨同。因此AUV 具有適應(yīng)全球洋區(qū)的特點(diǎn)，即在溫帶、熱帶海洋環(huán)境中可以工作的AUV 在極區(qū)水下同樣可正常工作。

3 科考型AUV 極地作業(yè)面臨的挑戰(zhàn)

3.1 布放回收

由于極地水域被冰覆蓋，操作人員需要先鑿冰洞再布放AUV。若AUV 在水下工作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則極有可能遇到冰洞被再次凍結(jié)封住的狀況。不僅如此，極地天氣的變化十分迅速，惡劣天氣也會(huì)對(duì)AUV 的回收工作產(chǎn)生極大的負(fù)面影響[23]。另外，極夜時(shí)自然光線的不足也會(huì)對(duì)AUV 的回收造成困難。

一般來(lái)說(shuō)，包括AUV 在內(nèi)的水下航行器會(huì)具備微正浮力，即航行器在水下的浮力略大于其重力。這是一種故障安全原則（fail-safe principle），一旦水下航行器失去動(dòng)力，航行器便會(huì)自動(dòng)浮出水面，以便搜尋人員尋找，AUV 的設(shè)計(jì)也遵循此原則[2]。然而由于極地存在冰層，因此即使AUV 失去動(dòng)力時(shí)從水中浮起，也會(huì)被困冰下。有些團(tuán)隊(duì)曾嘗試在AUV 上綁安全繩，以期AUV 失聯(lián)時(shí)可人為將其拽回，但現(xiàn)實(shí)操作中卻出現(xiàn)因AUV 螺旋槳將安全繩打斷以及安全繩被水下冰切斷而導(dǎo)致AUV 回收失敗的案例[31-32]。

3.2 定位導(dǎo)航

極區(qū)的地磁場(chǎng)線幾乎和地面垂直，而地磁極與地理極點(diǎn)并不重合，因此磁羅經(jīng)在極區(qū)的定位與指向會(huì)產(chǎn)生很多問(wèn)題；也因?yàn)闃O區(qū)接近地理極點(diǎn)，陀螺儀的指向能力也會(huì)受到很大影響。由于極地水域表層冰面的阻擋以及無(wú)線電信號(hào)在水中的快速衰減，極地AUV 器也無(wú)法使用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)進(jìn)行定位。

由于上述限制，極地的水下導(dǎo)航通常采用聲學(xué)定位系統(tǒng)。不過(guò)，受限于水下定位的距離和精度，若要在水下進(jìn)行大范圍的定位，需要布置大量聲學(xué)信標(biāo)，這將導(dǎo)致定位成本大幅增加。

3.3 通 信

極地冰層下AUV 的通信也面臨著很大的挑戰(zhàn)。由于冰層的阻礙，AUV 很難浮出水面并以無(wú)線電進(jìn)行通信，而目前水下藍(lán)綠激光通信技術(shù)也不夠成熟，且具有很強(qiáng)的指向性，因此目前水下通信最常用的手段仍是水聲通信。

然而，水下聲學(xué)通信（包括聲學(xué)導(dǎo)航）會(huì)遇到以下2 個(gè)問(wèn)題：

（1）水下不規(guī)則冰脊對(duì)信號(hào)的阻攔

浮冰或?qū)颖牡撞啃螤詈芏嗲闆r下并非平板，而是不規(guī)則的，因此聲學(xué)信號(hào)很可能會(huì)被這些不規(guī)則的水下冰脊所阻攔。

（2）聲學(xué)信號(hào)在極地水域的向上折射

在溫帶和熱帶洋區(qū)，表層水相對(duì)于深層水溫度更高、密度也更小。由于聲學(xué)信號(hào)更偏向于向密度大的介質(zhì)發(fā)生偏折，因此溫帶和熱帶的聲學(xué)信號(hào)更容易向遠(yuǎn)離表層的方向折射。極地的水溫分布卻不同：表層海水更冷且密度相對(duì)較大，深層海水則較為溫暖且密度較小，因此聲學(xué)信號(hào)在極地的傳播更容易向表層折射，從而導(dǎo)致聲學(xué)信號(hào)很容易打到浮冰底部而損失大量能量[33]。

3.4 低 溫

在嚴(yán)寒狀態(tài)下，極地水面和水下的溫差很大：水面以上的溫度可以達(dá)到-50 ℃，但水下的溫度卻接近0 ℃。巨大的溫差會(huì)導(dǎo)致水下裝備中的一些橡膠密封件產(chǎn)生破損，從而嚴(yán)重影響其密封效果[34]。

低溫和潮濕的環(huán)境也會(huì)導(dǎo)致AUV 的外部設(shè)施在露出水面后迅速結(jié)冰。例如有團(tuán)隊(duì)曾記錄了AUV 的GPS 天線因露出水面后迅速結(jié)冰，而導(dǎo)致裝備無(wú)法接收信號(hào)的案例[13]。

低溫環(huán)境對(duì)于AUV 所攜帶的鋰離子電池也有負(fù)面影響。在-20 ℃的溫度下，鋰離子電池有明顯的虧電現(xiàn)象，而低溫環(huán)境下的充電也會(huì)極大損傷鋰離子電池的使用壽命[35]。

3.5 復(fù)雜水文環(huán)境

現(xiàn)代海洋學(xué)認(rèn)為全球范圍內(nèi)大洋環(huán)流的“驅(qū)動(dòng)引擎”在兩極，尤其是南極。北極的冰與南極的西風(fēng)帶會(huì)讓其他大洋輸送而來(lái)的溫暖表層水下沉，從而驅(qū)動(dòng)全球洋流，因此極地海域有很明顯的垂向洋流[36]。另外，當(dāng)兩極處于春夏季時(shí)，冰雪的融化會(huì)使附近的海水鹽度顯著降低，造成較為復(fù)雜的水文環(huán)境，導(dǎo)致潛航器在水下的浮力發(fā)生顯著變化，不利于AUV 這類無(wú)人潛航器的下潛深度調(diào)節(jié)[37]。

4 極地科考AUV 的發(fā)展趨勢(shì)

4.1 長(zhǎng)航程

對(duì)于AUV 或水下滑翔機(jī)等無(wú)纜、無(wú)人的水下裝備而言，長(zhǎng)航程是一個(gè)非常重要的實(shí)際要求[38]。航程越長(zhǎng)意味著作業(yè)范圍越廣，由此發(fā)揮的效用也越高。極區(qū)海洋由于冰雪的覆蓋人類對(duì)其知之甚少，因此長(zhǎng)航程AUV 能極大地幫助人類提升對(duì)極區(qū)海洋的認(rèn)知。

目前對(duì)于長(zhǎng)航程的解決方案除了提高AUV自帶電池的能量密度外，一些科研單位也開(kāi)展了AUV 水下充電與駐留的研究[39-41]，為AUV 提供“水下充電樁”和“水下服務(wù)區(qū)”，延長(zhǎng)其在水下的工作時(shí)間與工作范圍。

4.2 大深度

目前的載人/無(wú)人潛航器都有大深度化的趨勢(shì)，而下潛深度越大意味著潛航器在垂向上的作業(yè)范圍越廣。根據(jù)目前已測(cè)得的數(shù)據(jù)，北冰洋的平均深度為1 205 m、最大深度為5 567 m[42]，南極海的平均深度3 270 m、最大深度為7 432 m[43]。若對(duì)極區(qū)洋底進(jìn)行細(xì)致的探測(cè)，也需大深度AUV 的支持。

4.3 多功能

極地科學(xué)考察涉及眾多學(xué)科的交叉，因此AUV 也需要一次任務(wù)搭載多種類型科考載荷,這對(duì)AUV 的接口布置、電力分配、空間排布及聲學(xué)信號(hào)兼容等都提出了較高要求。

4.4 自主化

在極區(qū)海洋開(kāi)展科考作業(yè)的AUV 不僅要面對(duì)未知的洋底環(huán)境，更需要面對(duì)復(fù)雜的頂部冰情。若AUV 要在水下自主開(kāi)展作業(yè)，則對(duì)其避障、航線再規(guī)劃工作提出了更高的要求。不僅如此，由于冰下環(huán)境中的AUV 缺乏定位校準(zhǔn)和對(duì)岸通信手段，故AUV 既無(wú)法向外界傳遞信息，也無(wú)法收到水面控制臺(tái)的更新指令。這就需要AUV 具備可靠的自我決斷能力，才能開(kāi)展好既定任務(wù)。

4.5 集群化、組網(wǎng)化

受到近幾年多無(wú)人機(jī)、多無(wú)人船集群作業(yè)的啟發(fā)，學(xué)界正在研究多AUV 聯(lián)合作業(yè)的相關(guān)算法、通信策略、集群協(xié)調(diào)、自主決策的可能性[44]，這是AUV 相關(guān)前沿且具有實(shí)用價(jià)值的技術(shù)趨勢(shì)之一。

無(wú)論是極區(qū)還是大洋的水下科考探測(cè)，都正在朝著覆蓋廣、快變跟蹤、信息反饋即時(shí)的方向發(fā)展。這不僅要求AUV 進(jìn)行集群化的運(yùn)營(yíng)，更需要AUV集群與潛標(biāo)、浮標(biāo)、水面艦船、無(wú)人航行器、衛(wèi)星等裝備形成組網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行，去執(zhí)行更復(fù)雜、更持久、覆蓋范圍更廣的任務(wù)[45]。

4.6 耐低溫、耐冰雪

AUV 所面臨的低溫和冰雪挑戰(zhàn)，作者已經(jīng)在前文中進(jìn)行了闡述。因此，若要在極區(qū)開(kāi)展常態(tài)化的AUV 運(yùn)行，則需要重點(diǎn)解決密封件在低溫狀態(tài)下的熱疲勞問(wèn)題；另外，應(yīng)同時(shí)對(duì)頂部天線等部位設(shè)置加熱除冰功能，在操作上則要注意低溫環(huán)境下對(duì)鋰電池的保護(hù)。

4.7 低成本

目前無(wú)論是AUV 或者其他水下航行器，都是比較昂貴的作業(yè)裝備。因此，如果能夠在保證AUV 基本功能的情況下盡可能降低其設(shè)計(jì)、建造和使用成本，則更有利于AUV 的廣泛使用。

5 適配AUV 等無(wú)人裝備的新一代極地科考母船設(shè)計(jì)思考

AUV 等無(wú)人科考裝備需要由科考船將其運(yùn)抵目標(biāo)水域開(kāi)展作業(yè)。若在船上進(jìn)行AUV 的釋放和回收工作，那么隨船吊可提供起重支持。在AUV進(jìn)行作業(yè)的同時(shí)，科考船為AUV 的水面控制臺(tái)提供操作空間和電力供應(yīng)，同時(shí)也可以在AUV 距船較近時(shí)監(jiān)測(cè)其位置。但除此之外，AUV 與科考母船之間的聯(lián)系并不緊密，科考母船目前的功能僅限于運(yùn)輸、起吊與近距離監(jiān)測(cè)平臺(tái)。

不過(guò)，隨著AUV 為代表的無(wú)人裝備在極地科考中的應(yīng)用已成為大勢(shì)所趨，新一代極地科考船在設(shè)計(jì)理念上也需要進(jìn)行相應(yīng)適配。科考船需成為無(wú)人裝備（包括無(wú)人航空器、無(wú)人船、無(wú)人潛航器等）的自動(dòng)布放回收平臺(tái)、定位與通信中繼以及無(wú)人裝備信息融合平臺(tái)與決策大腦，使科考母船能為無(wú)人裝備提供更多支持，從而形成更加立體高效的科考系統(tǒng)[46]。

由圖4[47]可見(jiàn)， 自主機(jī)器人近年來(lái)所收集的海洋科考數(shù)據(jù)量正逐年快速上升，占比也越來(lái)越高。

圖4 自主機(jī)器人近年來(lái)所收集的海洋科考數(shù)據(jù)量

6 結(jié) 語(yǔ)

如果要更深入更全面地了解極地，那么必須要潛入冰下海洋、冰下湖、冰川洞穴一探究竟。但由于技術(shù)手段的缺乏，人類一直都對(duì)這些冰下水體知之甚少。20 世紀(jì)70 年代，美國(guó)科研人員在阿拉斯加使用AUV 進(jìn)行科學(xué)考察，開(kāi)啟了極地科考的新模式。隨著越來(lái)越多的極地研究人員認(rèn)識(shí)到AUV具有長(zhǎng)續(xù)航、高分辨、多功能、安全可靠、全球航區(qū)適應(yīng)性等特點(diǎn)，近20 年來(lái)已被廣泛應(yīng)用于極地冰下（水下）科考領(lǐng)域，助力科研產(chǎn)出。AUV 因其出眾的表現(xiàn)，已逐漸成為各國(guó)極地科考裝備中的標(biāo)配。

然而，由于極地的特殊環(huán)境，AUV 在極地的使用會(huì)遇到布放回收、定位導(dǎo)航、通信、低溫、極地復(fù)雜水文環(huán)境的挑戰(zhàn)。這不僅需要操作人員的嫻熟業(yè)務(wù)水平，也需要提升AUV 的極地適配性。在未來(lái)，極地科考型AUV 不僅能夠克服環(huán)境所帶來(lái)的挑戰(zhàn)，也定會(huì)變得更加自主。同時(shí)，AUV 將不再孤軍奮戰(zhàn)，而是會(huì)與無(wú)人航空器、無(wú)人船、科考母船、浮標(biāo)、潛標(biāo)或多個(gè)AUV 組網(wǎng)一起形成極地水下觀測(cè)網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)更大范圍、更精細(xì)、更快速地監(jiān)測(cè)極地海洋，反饋科考數(shù)據(jù)。而AUV 在極地的無(wú)人化、自主化應(yīng)用，也為人類探索諸如“木衛(wèi)二”等擁有冰下海洋的外星球奠定了基礎(chǔ)[48]。

我國(guó)正式使用AUV 進(jìn)行極地科考的時(shí)間較晚，但使用過(guò)程中的技術(shù)含量并不低，所產(chǎn)出的科研成果也很顯著。隨著我國(guó)更加扎實(shí)地推進(jìn)海洋強(qiáng)國(guó)建設(shè)，定會(huì)有更多、更先進(jìn)的AUV 投入到極地科考領(lǐng)域，支持我國(guó)產(chǎn)出更豐碩的極地科研成果。