毛柳偉，杜度，李楊

(中國(guó)人民解放軍92587 部隊(duì)，北京 100161)

0 引 言

水下滑翔機(jī)（underwater glider）是一種典型的自治水下航行器，主要采用浮力驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)其在海洋中的上升或下潛，其工作原理如圖1 所示。在下潛起始階段，通過(guò)浮力驅(qū)動(dòng)單元減小自身排水體積，使重力大于浮力，開(kāi)始下潛；到達(dá)設(shè)定深度后，在浮力驅(qū)動(dòng)單元作用下，改變自身排水體積，使其所受浮力大于重力，從而實(shí)現(xiàn)下潛到上浮的轉(zhuǎn)變。在下潛和上浮過(guò)程中，借助固定水平翼上的水動(dòng)力產(chǎn)生水平運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)在縱平面內(nèi)鋸齒形滑翔運(yùn)動(dòng)。

在滑翔過(guò)程中，通過(guò)調(diào)整內(nèi)部偏心重物沿滑翔機(jī)主軸線前后移動(dòng)或左右轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)滑翔機(jī)自身姿態(tài)的控制。水下滑翔機(jī)在實(shí)際工作過(guò)程中，會(huì)定期浮出水面，通過(guò)固定于尾部的天線進(jìn)行定位與通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與指令控制。在水下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，使用內(nèi)部集成的電子羅盤(pán)和壓力傳感器，結(jié)合水面衛(wèi)星定位信息，通過(guò)航位推算算法實(shí)現(xiàn)在水下的粗定位與導(dǎo)航。水下滑翔機(jī)作為小型的移動(dòng)觀測(cè)平臺(tái)，具有低能耗、運(yùn)行成本低等特點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足長(zhǎng)時(shí)序、大范圍的海洋三維觀探測(cè)需求，已廣泛應(yīng)用于海洋現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、科學(xué)研究、環(huán)境保護(hù)、國(guó)防安全等領(lǐng)域，在全球海洋觀測(cè)與探測(cè)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用[1-4]。相比于傳統(tǒng)的走航式和定點(diǎn)潛標(biāo)式觀測(cè)手段，水下滑翔機(jī)具有靈活機(jī)動(dòng)、高效和低成本的優(yōu)點(diǎn)，可擺脫對(duì)投放母船的依賴(lài)，大幅度降低海洋觀測(cè)及水下探測(cè)成本。

圖 1 水下滑翔機(jī)工作原理示意圖Fig. 1Working priciple of underwater glider

1 發(fā)展歷程

1.1 國(guó)外發(fā)展歷程

水下滑翔機(jī)設(shè)計(jì)概念與應(yīng)用規(guī)劃最早由美國(guó)海洋學(xué)家Henry Stommel 于1989 年提出[5]。1991 年，世界首臺(tái)水下滑翔機(jī)Slocum 在美國(guó)海軍研究辦公室（Office of Naval Research，ONR）的資助下由伍茲霍爾海洋研究所（Woods Hole Oceanographic Institution，WHOI）成功研制，并先后在美國(guó)佛羅里達(dá)州和紐約州成功完成相關(guān)功能驗(yàn)證試驗(yàn)[6]。1999 年，美國(guó)華盛頓大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室（Applied Physics Laboratory，APL）研制成功Seaglider 水下滑翔機(jī)[7]。同年，美國(guó)斯克利普斯研究所（Scripps Institution of Oceanography，SIO）和WHOI 共同研制成功Spray 水下滑翔機(jī)[8]。

經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，3 型水下滑翔機(jī)逐漸應(yīng)用于大中尺度海洋現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查中，并顯示出在海洋觀測(cè)中的巨大潛力，于2002 年首次開(kāi)始商業(yè)化產(chǎn)品銷(xiāo)售應(yīng)用。在隨后幾年時(shí)間內(nèi)，Slocum，Seaglider，Spray 三型水下滑翔機(jī)通過(guò)技術(shù)轉(zhuǎn)讓分別通過(guò)Teledyne Technologies，Kongsberg Maritime，Bluefin Robotics 公司開(kāi)始市場(chǎng)化運(yùn)作，成為當(dāng)前國(guó)際上主流的水下滑翔機(jī)產(chǎn)品，并逐漸應(yīng)用于全球各地的海洋觀探測(cè)任務(wù)中。

此外，法國(guó)ACSA 公司在2009 年研制成功SeaExplorer 水下滑翔機(jī)，成為國(guó)外除美國(guó)外唯一實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)行的水下滑翔機(jī)產(chǎn)品[9]。各型水下滑翔機(jī)如圖2 所示，主要性能參數(shù)如表1 所示。

1.2 我國(guó)發(fā)展歷程

我國(guó)的水下滑翔機(jī)研發(fā)工作起步于21 世紀(jì)初，天津大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)最早于2002 年開(kāi)始首型水下滑翔機(jī)的探索研制[10]，之后在多項(xiàng)科研項(xiàng)目的大力支持下進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期。2012 年，天津大學(xué)、中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所、華中科技大學(xué)、中國(guó)海洋大學(xué)共同承擔(dān)863 計(jì)劃項(xiàng)目“深海滑翔機(jī)研制及海上試驗(yàn)研究”，開(kāi)展了多型水下滑翔機(jī)工程樣機(jī)的研制工作，加速推進(jìn)了深?；铏C(jī)技術(shù)工程化。

圖 2 國(guó)外商業(yè)化水下滑翔機(jī)產(chǎn)品Fig. 2Foreign commerical underwater glider products

表 1 國(guó)外商業(yè)化水下滑翔機(jī)技術(shù)參數(shù)Tab. 1Technical parameter of foreign commerical underwater glider products

2015 年，在科技部組織的成果驗(yàn)收試驗(yàn)中，14 臺(tái)水下滑翔機(jī)參加了南?；铏C(jī)性能綜合測(cè)試。天津大學(xué)“海燕-II”滑翔機(jī)連續(xù)無(wú)故障航行42 天，覆蓋超過(guò)1 100 km 的水域，最大下潛深度達(dá)到1 500 m，創(chuàng)造了我國(guó)滑翔機(jī)當(dāng)時(shí)的紀(jì)錄[11]。2017 年，中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所“海翼-7 000”深海滑翔機(jī)在馬里亞納海溝挑戰(zhàn)者深淵完成了大深度下潛觀測(cè)任務(wù)并安全回收，其最大下潛深度達(dá)到6 329 m，刷新了水下滑翔機(jī)最大下潛深度6 003 m 的世界紀(jì)錄[11]。2018 年，天津大學(xué)“海燕-10 000”萬(wàn)米級(jí)水下滑翔機(jī)在馬里亞納海溝附近海域完成一系列觀測(cè)任務(wù)并安全回收，最大工作深度達(dá)到8 213 m，創(chuàng)造了下潛深度最新世界紀(jì)錄[11]。

此外，浙江大學(xué)、上海交通大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)和華中科技大學(xué)等單位也積極開(kāi)展了水下滑翔機(jī)相關(guān)研究工作。通過(guò)近20 年的努力，我國(guó)水下滑翔機(jī)單機(jī)關(guān)鍵技術(shù)已較為成熟，我國(guó)研制的多型水下滑翔機(jī)已經(jīng)達(dá)到工程化和實(shí)用化要求。

圖 3 我國(guó)研制的水下滑翔機(jī)產(chǎn)品Fig. 3Uderwater glider products developed in China

2 水下滑翔機(jī)集群組網(wǎng)應(yīng)用現(xiàn)狀

與單臺(tái)水下滑翔機(jī)相比，多臺(tái)滑翔機(jī)組成的集群編隊(duì)可形成如下優(yōu)勢(shì)：增強(qiáng)水下滑翔機(jī)觀探測(cè)覆蓋范圍和觀探測(cè)能力；實(shí)現(xiàn)由點(diǎn)到區(qū)域空間的立體觀測(cè)；可同時(shí)獲取海洋中多點(diǎn)位信息，實(shí)現(xiàn)分布式信息感知；通過(guò)攜帶不同種類(lèi)任務(wù)載荷，實(shí)現(xiàn)多尺度、多任務(wù)并行探測(cè)；提升了區(qū)域覆蓋冗余度，增強(qiáng)組網(wǎng)方案的魯棒性和自適應(yīng)性。隨著水下滑翔機(jī)單機(jī)技術(shù)發(fā)展日益成熟，具有效費(fèi)比高、易于布放回收、操控便捷、通用性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)為水下滑翔機(jī)應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大，在各類(lèi)海洋觀探測(cè)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用愈加廣泛，并逐步應(yīng)用于集群水下目標(biāo)探測(cè)方面。

2.1 海洋環(huán)境觀探測(cè)

水下滑翔機(jī)集群組網(wǎng)觀測(cè)可在同一時(shí)刻不同位置對(duì)動(dòng)態(tài)海洋現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)多參數(shù)分布式感知和跟蹤，顯著提高海洋觀測(cè)的作業(yè)效率和應(yīng)用范圍。目前，水下滑翔機(jī)網(wǎng)絡(luò)在海洋調(diào)查中的應(yīng)用可分為七大類(lèi)：邊界流區(qū)域持續(xù)斷面觀測(cè)、沿海和遠(yuǎn)洋過(guò)渡地帶調(diào)查、中尺度和亞中尺度變異調(diào)查、淺海和邊緣海調(diào)查、與現(xiàn)有的觀測(cè)站相關(guān)的公海調(diào)查、偏遠(yuǎn)海區(qū)和極端環(huán)境調(diào)查、危險(xiǎn)環(huán)境下的調(diào)查。國(guó)外大型海洋觀測(cè)系統(tǒng)中幾乎都出現(xiàn)了水下滑翔機(jī)集群編隊(duì)的身影[12]。典型組網(wǎng)應(yīng)用如下：

圖 4 ASON 二期試驗(yàn)中的水下滑翔機(jī)軌跡Fig. 4Trajectory of underwater glider in phase Ⅱtest of ASON

1）自主海洋采樣網(wǎng)（Autonomous Ocean Sampling Network，AOSN）

20 世紀(jì)90 年代，在美國(guó)ONR 的資助下，ASON項(xiàng)目匯集多種海洋觀測(cè)平臺(tái)（AUV，拖魚(yú)，錨系，深海滑翔機(jī)，浮標(biāo)等）在蒙特利灣構(gòu)建了自適應(yīng)耦合觀測(cè)系統(tǒng)，以提高海洋觀測(cè)和預(yù)測(cè)能力[13]。2000 年8 月，ASON 一期試驗(yàn)跟蹤了鐵元素引起的浮游植物繁殖期內(nèi)近岸上升流系統(tǒng)中生物地球化學(xué)特性的演變過(guò)程[14]，驗(yàn)證了多水下滑翔機(jī)實(shí)現(xiàn)不同位置同步觀測(cè)的技術(shù)可行性。2003 年夏季，為觀測(cè)蒙特利灣上升流特征，ASON 二期試驗(yàn)開(kāi)始實(shí)施[15]。其中，5 臺(tái)Spray 滑翔機(jī)被應(yīng)用于加利福尼亞洋流系統(tǒng)尺度及模式的觀測(cè)中，相應(yīng)的軌跡如圖4 所示。10 臺(tái)Slocum 淺?；铏C(jī)則在Spray 測(cè)量參數(shù)的基礎(chǔ)上搭載了熒光計(jì)、光合有效輻射傳感器，主要觀測(cè)冷水羽流及其相關(guān)結(jié)構(gòu)。AOSN 二期試驗(yàn)最具創(chuàng)新性的一點(diǎn)是將3 臺(tái)Slocum 滑翔機(jī)組成三角隊(duì)形，采用該隊(duì)形對(duì)海洋特征進(jìn)行自適應(yīng)采樣，通過(guò)3 次編隊(duì)試驗(yàn)驗(yàn)證了面向滑翔機(jī)編隊(duì)的自適應(yīng)控制策略的有效性[16]。

2）綜合海洋觀測(cè)系統(tǒng)（Integrated Ocean Observing System，IOOS）

2002 年3 月，美國(guó)海洋研討會(huì)就組建綜合海洋觀測(cè)系統(tǒng)達(dá)成共識(shí)并向國(guó)會(huì)提交大會(huì)報(bào)告。2007 年2 月，NOAA 正式啟動(dòng)IOOS 項(xiàng)目。IOOS 是國(guó)家-區(qū)域聯(lián)合的全國(guó)性項(xiàng)目，致力于更好地獲取海洋信息以提高人類(lèi)跟蹤、預(yù)測(cè)、管理和適應(yīng)海洋環(huán)境變化的能力。為提供持續(xù)的海洋觀測(cè)，2014 年8 月，該項(xiàng)目制定了《U.S. IOOS? National Underwater Glider Network Plan》，指導(dǎo)水下滑翔機(jī)網(wǎng)絡(luò)的搭建，改進(jìn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)及分發(fā)系統(tǒng)，構(gòu)建更大的綜合性三維海洋、海岸和五大湖觀測(cè)系統(tǒng)[17]。此外，IOOS 項(xiàng)目還組建了一個(gè)水下滑翔機(jī)用戶(hù)組（Glider User Group，UG2）以擴(kuò)大滑翔機(jī)的影響和價(jià)值。目前，滑翔機(jī)網(wǎng)絡(luò)在IOOS項(xiàng)目中主要用于生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、MBARI 染料跟蹤試驗(yàn)、聲學(xué)接收器及其他傳感器的性能測(cè)試、紅石斑魚(yú)及其他魚(yú)類(lèi)存量測(cè)繪、墨西哥灣流中滑翔機(jī)的速度測(cè)試、有害藻華（Harmful Algal Blooms，HABs）測(cè)繪、標(biāo)記魚(yú)類(lèi)聲學(xué)監(jiān)聽(tīng)、持續(xù)有針對(duì)性的海洋觀測(cè)、美國(guó)加勒比海/大西洋經(jīng)濟(jì)專(zhuān)屬區(qū)上層海洋監(jiān)測(cè)、圍繞ALOHA 及其他長(zhǎng)期觀測(cè)站的采樣、水文測(cè)繪、海洋酸化采樣、氣候監(jiān)測(cè)等。

2010 年墨西哥灣石油泄漏事件中，聯(lián)邦政府、工業(yè)界和學(xué)術(shù)界等多家單位自愿提供多臺(tái)滑翔機(jī)，觀測(cè)事發(fā)海域海水溫度、鹽度和速度等參數(shù)，以確定石油隨洋流運(yùn)動(dòng)的擴(kuò)散方向（見(jiàn)圖5），顯示了滑翔機(jī)網(wǎng)絡(luò)相對(duì)于其他觀測(cè)設(shè)備所具有的優(yōu)越的應(yīng)急響應(yīng)能力。

圖 5 2010 年墨西哥灣石油泄漏事件中滑翔機(jī)跟蹤路徑Fig. 5Glider tracking path in 2010 Gulf of Mexico oil spill

IOOS 項(xiàng)目在加利福尼亞洋流系統(tǒng)中搭建了加州水下滑翔機(jī)網(wǎng)絡(luò)（the California Underwater Glider Network，CUGN），開(kāi)展了相應(yīng)的觀測(cè)任務(wù)（見(jiàn)圖6），可持續(xù)獲取與氣候變異相關(guān)的海洋物理/生物參數(shù)，并基于50 m 深度處的溫度生成了一個(gè)簡(jiǎn)單的氣候變化指數(shù)[17]。

2011 年，颶風(fēng)Irene 和Sandy 襲擊大西洋中部海灣地區(qū)，滑翔機(jī)被布放到2 個(gè)颶風(fēng)中，收集風(fēng)暴來(lái)臨之前、期間及過(guò)后的海洋數(shù)據(jù)?；铏C(jī)采集到的Irene 溫度數(shù)據(jù)揭示了颶風(fēng)引起的海表溫度急速下降現(xiàn)象，此外，由于外部風(fēng)帶的強(qiáng)風(fēng)接近，海水冷卻發(fā)生在風(fēng)眼到達(dá)之前，滑翔機(jī)軌跡如圖7 所示。

圖 6 2006 年以來(lái)加州海域水下滑翔機(jī)軌跡Fig. 6Trajectory of underwater glider in California waters since 2006

圖 7 2011 年Irene 期間滑翔機(jī)跟蹤軌跡Fig. 7Trajectory of underwater glider during Irene in 2011

3）歐洲滑翔機(jī)觀測(cè)站（European Gliding Observatories，EGO）

2006 年，來(lái)自于法國(guó)、德國(guó)、意大利、挪威、西班牙和英國(guó)的海洋學(xué)家們發(fā)起了組建EGO（Everyone's Gliding Observatories）的倡議，旨在協(xié)調(diào)滑翔機(jī)應(yīng)用研究，在全球范圍內(nèi)建立多級(jí)合作，實(shí)現(xiàn)全球、區(qū)域和近岸海域等不同范圍內(nèi)的長(zhǎng)期多參數(shù)海洋監(jiān)測(cè)任務(wù)[18-19]，隨后，澳大利亞、加拿大、南非和美國(guó)的海洋學(xué)家們也加入其中。迄今為止，共計(jì)600 多臺(tái)滑翔機(jī)成功執(zhí)行各種海洋觀測(cè)任務(wù)，完成2 000 000 多個(gè)剖面的采集。EGO 觀測(cè)中水下滑翔機(jī)軌跡，如圖8 所示。

4）澳大利亞綜合海洋觀測(cè)系統(tǒng)（Australia's Integrated Marine Observing System，IMOS）

IMOS 始建于2006 年，是由澳大利亞政府支持的國(guó)家性合作研究組織。ANFOG（The Australian National Facility for Ocean Gliders）作為IMOS 下轄的一個(gè)子系統(tǒng)，負(fù)責(zé)運(yùn)行和維護(hù)Slocum 和Seaglider 等多臺(tái)水下滑翔機(jī)組成的機(jī)群[12]。其中，Slocum 滑翔機(jī)主要被布放在大陸架水域，Seaglider 滑翔機(jī)則被投放于較深海域。ANFOG 系統(tǒng)中每臺(tái)滑翔機(jī)均搭載CTD、三參數(shù)光學(xué)傳感器和溶解氧傳感器，承擔(dān)澳大利亞大陸架和近岸海域的測(cè)量任務(wù)，對(duì)該海域海洋現(xiàn)象，如渦旋內(nèi)部物理和生物地球化學(xué)特性，內(nèi)潮汐和沉積物再懸浮以及東澳大利亞洋流對(duì)陸架動(dòng)力學(xué)影響等方面的研究做出了重大貢獻(xiàn)。迄今為止，ANFOG 系統(tǒng)共布放超過(guò)180 臺(tái)Slocum 滑翔機(jī)和40 臺(tái)Seaglider 滑翔機(jī)，執(zhí)行滑翔機(jī)觀測(cè)任務(wù)超過(guò)225 次，航行時(shí)間超過(guò)6 400 天[20]。澳大利亞周?chē)铏C(jī)的布放位置和航行軌跡如圖9 所示。

圖 8 EGO 觀測(cè)中水下滑翔機(jī)軌跡Fig. 8Trajectory of underwater glider by EGO

圖 9 澳大利亞周?chē)铏C(jī)位置和軌跡Fig. 9Trajectory of underwater glider around Australia

5）我國(guó)水下滑翔機(jī)集群組網(wǎng)應(yīng)用現(xiàn)狀

天津大學(xué)于2014 年9 月在西沙群島附近開(kāi)展了水下滑翔機(jī)編隊(duì)與協(xié)同控制試驗(yàn)，本次觀測(cè)任務(wù)中，3 臺(tái)“海燕-II”滑翔機(jī)組成三角形隊(duì)形，通過(guò)甲板控制軟件同步控制，驗(yàn)證了滑翔機(jī)多層級(jí)協(xié)調(diào)控制策略的有效性[11-12]，如圖10 所示。2017 年8 月，天津大學(xué)依托青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，與中國(guó)海洋大學(xué)、中船重工第710 研究所、中山大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)等高校和研究機(jī)構(gòu)合作，在南海北部海域布放了12 臺(tái)“海燕-II”滑翔機(jī)[21]、各型波浪滑翔機(jī)等共計(jì)30 余套國(guó)產(chǎn)海洋觀測(cè)裝備（見(jiàn)圖11），開(kāi)展了面向海洋中尺度渦的多參數(shù)、綜合、立體、協(xié)作、異構(gòu)組網(wǎng)同步觀測(cè)，有效提高了我國(guó)海洋觀測(cè)的能力和水平。本次試驗(yàn)中12 臺(tái)滑翔機(jī)搭載多種傳感器沿網(wǎng)格形軌跡對(duì)南海北部反氣旋渦進(jìn)行了為期26 天的高精度采樣。

圖 10 2014 年3 臺(tái)“海燕-II”滑翔機(jī)三角形隊(duì)形軌跡Fig. 10Triangle formation trajectory of three Petrel-Ⅱunderwater glider in 2014

圖 11 2017 年“海燕”水下滑翔機(jī)南海北部立體綜合觀測(cè)網(wǎng)Fig. 11Petrel-Ⅱ underwater glider three-dimensional comprehensive observation network for northern South China Sea in 2017

2017 年7 月，中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所在南海北部布放了12 臺(tái)“海翼”號(hào)滑翔機(jī)觀測(cè)反氣旋渦的三維結(jié)構(gòu)和時(shí)間演變過(guò)程，如圖12 所示。本次試驗(yàn)中，滑翔機(jī)機(jī)群沿網(wǎng)格形軌跡航行，共計(jì)采集到3 720 個(gè)溫鹽剖面，該數(shù)據(jù)與同時(shí)期62 個(gè)拋棄式XCTD 采集到的數(shù)據(jù)對(duì)比，結(jié)果顯示兩者均體現(xiàn)了中尺度渦場(chǎng)的特征[22]。

圖 12 2017 年“海翼”水下滑翔機(jī)集群軌跡Fig. 12Trajectory of Sea wing underwater glider cluster in 2017

2019 年10 月，在我國(guó)第10 次北極考察期間，自然資源部第一海洋研究所實(shí)施了我國(guó)首次水下滑翔機(jī)北極海域組網(wǎng)觀測(cè)，采用3 臺(tái)“海燕”水下滑翔機(jī)搭載溫鹽深和溶解氧傳感器，對(duì)北極海域水體與生化要素進(jìn)行了組網(wǎng)觀測(cè)[23]。期間“海燕”完成了臺(tái)風(fēng)過(guò)境的全過(guò)程觀測(cè)，完整記錄了強(qiáng)氣旋過(guò)程對(duì)海洋環(huán)境的影響數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)22 天的組網(wǎng)觀測(cè)，“海燕”獲取到白令海公海東西方向斷面連續(xù)、高密度水文和生化觀測(cè)數(shù)據(jù)。

2020 年初，在自然資源部印度洋聯(lián)合海洋與生態(tài)研究（JAMES）計(jì)劃的相關(guān)科考任務(wù)中，布放12 臺(tái)“海翼”水下滑翔機(jī)完成了我國(guó)在印度洋多參數(shù)水下滑翔機(jī)協(xié)同組網(wǎng)觀測(cè)應(yīng)用[24]?！昂Ｒ怼彼禄铏C(jī)搭載了多種類(lèi)型的水文與生物化學(xué)傳感器，在300 n mile×300 n mile 觀測(cè)海域內(nèi)執(zhí)行集群協(xié)同觀測(cè)，12 臺(tái)水下滑翔機(jī)累計(jì)海上工作550 臺(tái)天，航行距離12 000 km，完成了3 400 多個(gè)剖面的科學(xué)觀測(cè)，此次任務(wù)為揭示北印度洋海水缺氧、海洋中尺度渦旋動(dòng)力過(guò)程、海洋水文環(huán)境變化等方面研究提供了第一手資料。

2.2 集群水下目標(biāo)探測(cè)現(xiàn)狀

水下滑翔機(jī)在巡航中利用自身的凈浮力來(lái)實(shí)現(xiàn)向前滑動(dòng)、推進(jìn)，所產(chǎn)生的噪聲低，具有較強(qiáng)的隱蔽性和很好的水聲探測(cè)效果。因此，基于水下滑翔機(jī)的水聲探測(cè)集群，能夠?qū)θ蝿?wù)海域的水下目標(biāo)、海洋環(huán)境進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間、大范圍的隱蔽偵察、探測(cè)和數(shù)據(jù)收集。國(guó)內(nèi)外單位開(kāi)展了滑翔機(jī)平臺(tái)集成聲學(xué)載荷并開(kāi)展水下探測(cè)、通信技術(shù)的研究，取得了顯著進(jìn)展。近年來(lái)，主要對(duì)水下聲學(xué)滑翔機(jī)集群組網(wǎng)探測(cè)技術(shù)開(kāi)展研究。

廣域海網(wǎng)（Seaweb）[25]是一種典型的海底水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)，將固定節(jié)點(diǎn)、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過(guò)水聲通信鏈路連接成網(wǎng)。自1998 年起，美國(guó)海軍多次進(jìn)行了Seaweb 水聲通信網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)，旨在推進(jìn)海軍的作戰(zhàn)能力。近年來(lái)，美軍開(kāi)始嘗試在無(wú)人水下滑翔機(jī)Slocum平臺(tái)上搭載聲學(xué)載荷，實(shí)施水下目標(biāo)，水下多節(jié)點(diǎn)的信息交互試驗(yàn)。

PLUSNet[12]是由美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)研發(fā)的一種半自主控制的海底固定和水中機(jī)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)化設(shè)施。該系統(tǒng)以核潛艇為母節(jié)點(diǎn)，核潛艇攜帶的UUV 為移動(dòng)子節(jié)點(diǎn)，潛標(biāo)、浮標(biāo)、水聲探測(cè)陣為固定子節(jié)點(diǎn)，可獲取海洋環(huán)境信息，進(jìn)行水下目標(biāo)探測(cè)。在“蒙特利灣2006”試驗(yàn)期間進(jìn)行的4 個(gè)項(xiàng)目試驗(yàn)中，PLUSNet 進(jìn)行了該項(xiàng)目有史以來(lái)規(guī)模最大的試驗(yàn)，10 多艘艦艇、30 多個(gè)UUV 以及各種浮標(biāo)、潛標(biāo)參加。

在2011—2014 年的歐盟合作項(xiàng)目GROOM（Gliders for Research，Ocean Observation and Management）中[19]，評(píng)估了極限環(huán)境下聲學(xué)技術(shù)用于滑翔機(jī)導(dǎo)航和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目尚行?，為現(xiàn)有全球海洋觀測(cè)系統(tǒng)（Global Ocean Observing System，GOOS）提供了重要的補(bǔ)充信息，填補(bǔ)了當(dāng)前全球、區(qū)域和沿海觀測(cè)范圍內(nèi)海洋觀測(cè)系統(tǒng)所留下的空白。

2014 年，在加拿大海洋環(huán)境觀測(cè)與預(yù)測(cè)響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中心（Marine Environmental Observation Prediction and Response Network Centre，MEOPAR）的鯨魚(yú)習(xí)性與聽(tīng)覺(jué)試驗(yàn)項(xiàng)目（Whale Habitat and Listening Experiment，簡(jiǎn)稱(chēng)WHaLE）資助下，11 臺(tái)搭載被動(dòng)水聽(tīng)器滑翔機(jī)開(kāi)展了為期2 年的集群組網(wǎng)部署任務(wù)，任務(wù)中使用水下滑翔機(jī)執(zhí)行區(qū)域內(nèi)鯨魚(yú)聲特征記錄與數(shù)據(jù)分析任務(wù)[26]。

2018 年9 月，中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研制的2 臺(tái)“海翼1 000”聲學(xué)水下滑翔機(jī)完成為期1 個(gè)多月的南海聯(lián)合觀測(cè)與通信試驗(yàn)。2 臺(tái)水下滑翔機(jī)對(duì)試驗(yàn)區(qū)域的海洋環(huán)境參數(shù)與聲場(chǎng)信息進(jìn)行連續(xù)精細(xì)觀測(cè)，同時(shí)通過(guò)水聲通信機(jī)獲取時(shí)效潛標(biāo)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過(guò)衛(wèi)星通信發(fā)回岸基監(jiān)控中心。此次海上試驗(yàn)實(shí)施拓展了“海翼”水下滑翔機(jī)的探測(cè)功能，并驗(yàn)證了一種移動(dòng)-固定聯(lián)合觀測(cè)作業(yè)新模式，為解決潛標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)化問(wèn)題提供全新解決途徑[27]。

圖 13 Seaweb 網(wǎng)絡(luò)中的水下滑翔機(jī)集群示意圖Fig. 13Schematic diagram of underwater glider cluster in network of Seaweb

圖 14 滑翔機(jī)集群在WHaLE 項(xiàng)目中的航跡圖Fig. 14Trajectory of underwater glider cluster in WHaLE

3 集群探測(cè)關(guān)鍵技術(shù)

近年來(lái)，隨著水下滑翔機(jī)集群探測(cè)觀測(cè)技術(shù)的提升，行業(yè)內(nèi)正在拓展將其應(yīng)用于集群水下探測(cè)等方面，實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)具備對(duì)部分聲學(xué)目標(biāo)的探測(cè)和警戒能力。然而，鑒于水下環(huán)境的特殊性和復(fù)雜性，決定了水下聲學(xué)滑翔機(jī)還面臨著本體干擾、功耗高、通信能力和計(jì)算能力相對(duì)較弱等技術(shù)瓶頸。為充分發(fā)揮聲學(xué)水下滑翔機(jī)集群在集群探測(cè)特別是協(xié)同組網(wǎng)水下聲學(xué)探測(cè)體系中的作用，需要重點(diǎn)攻克多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

圖 15 “海翼”聲學(xué)水下滑翔機(jī)Fig. 15Acoustic underwater glider of Sea wing

3.1 平臺(tái)集成技術(shù)

聲學(xué)任務(wù)載荷在水下滑翔機(jī)平臺(tái)中的適配性對(duì)發(fā)揮探測(cè)效能起到重要作用。水下滑翔機(jī)作為運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，本體產(chǎn)生各類(lèi)噪聲，如機(jī)械噪聲、電磁噪聲、流噪聲等并對(duì)任務(wù)載荷產(chǎn)生干擾，影響探測(cè)效能與目標(biāo)解算精度，突破水下滑翔機(jī)總體集成控制技術(shù)，是研制高性能水下聲學(xué)滑翔機(jī)平臺(tái)的關(guān)鍵。

總體集成技術(shù)應(yīng)開(kāi)展水下滑翔機(jī)搭載平臺(tái)及聲學(xué)任務(wù)載荷電磁兼容性設(shè)計(jì)，降低電磁噪聲干擾；優(yōu)化水動(dòng)力外形，水下滑翔機(jī)平臺(tái)具備層流低阻水動(dòng)力特性；進(jìn)行水下滑翔機(jī)航行擾動(dòng)噪聲特性研究，開(kāi)展平臺(tái)高魯棒性動(dòng)穩(wěn)定航行控制技術(shù)研究，削弱平臺(tái)晃動(dòng)對(duì)水下目標(biāo)探測(cè)的影響；基于平臺(tái)航行狀態(tài)與功能階段，開(kāi)展平臺(tái)總體、功能系統(tǒng)、單元器件三級(jí)振動(dòng)特性、機(jī)械噪聲分析，實(shí)施結(jié)構(gòu)減振動(dòng)降噪設(shè)計(jì)，優(yōu)選設(shè)計(jì)平臺(tái)共振點(diǎn)位，最大限度地保證水下滑翔機(jī)平臺(tái)與任務(wù)載荷性能的完整性。

3.2 人工智能技術(shù)

隨著大數(shù)據(jù)分析、深度學(xué)習(xí)與人工智能等技術(shù)的發(fā)展，人工智能近年來(lái)在智能感知、識(shí)別、控制領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展。水下滑翔機(jī)向著“智能一代”躍進(jìn)，人工智能技術(shù)將取代當(dāng)前的邏輯控制器，成為未來(lái)水下滑翔機(jī)單機(jī)平臺(tái)與多機(jī)集群的操控大腦。

由于海洋應(yīng)用場(chǎng)景的特殊性，決定了水下滑翔機(jī)面臨著嚴(yán)峻的功耗、通信能力和計(jì)算能力的限制?；谒禄铏C(jī)平臺(tái)，發(fā)展人工智能技術(shù)，可基于海洋環(huán)境場(chǎng)信息、聲探測(cè)信息及滑翔機(jī)本體、集群狀態(tài)信息，結(jié)合新興發(fā)展的人工智能先進(jìn)理論，實(shí)現(xiàn)水下滑翔機(jī)對(duì)海洋水體環(huán)境、敵我勢(shì)能場(chǎng)的準(zhǔn)實(shí)時(shí)感知、分析成像，進(jìn)而增強(qiáng)其完成復(fù)雜水下探測(cè)任務(wù)、集群管控的能力，實(shí)現(xiàn)水下滑翔機(jī)對(duì)突發(fā)任務(wù)的在位應(yīng)急處置和集群智能協(xié)同。

3.3 能源補(bǔ)給技術(shù)

水下滑翔機(jī)依靠機(jī)體攜載的電池實(shí)現(xiàn)運(yùn)行工作。因攜載電池能量有限，水下滑翔機(jī)自持力、續(xù)航力受到制約。聲探測(cè)載荷及附屬數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)將顯著增加水下滑翔機(jī)的客棧負(fù)載能耗，導(dǎo)致水下滑翔機(jī)的部署頻次與成本增加，降低水下聲學(xué)滑翔機(jī)及集群的使用效能。

能量密度是制約當(dāng)前電池發(fā)展的最大瓶頸。一方面，加強(qiáng)電池制造工藝、材料性能的研究，開(kāi)發(fā)新材料和新化學(xué)體系，尋找短期、中期和長(zhǎng)期的電池技術(shù)解決方案，同時(shí)發(fā)展小型化燃料電池與平臺(tái)集成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)水下滑翔機(jī)攜載電池能量密度能夠達(dá)到一個(gè)全新量級(jí)。另一方面，強(qiáng)化水下充電站、水下接駁入塢、水下無(wú)線充電等技術(shù)研發(fā)，并達(dá)到實(shí)用化水平，實(shí)現(xiàn)水下滑翔機(jī)在設(shè)定區(qū)域內(nèi)值守與在位能量補(bǔ)給。

此外，海洋中蘊(yùn)藏著巨大能量，海洋通過(guò)各種物理過(guò)程接收、儲(chǔ)存和散發(fā)能量，也為水下滑翔機(jī)利用海洋環(huán)境能源提供了可能。海洋能包括潮汐能、波浪能、海流能、海洋溫差能等多種形式，推動(dòng)小型化海洋能俘獲利用技術(shù)研究，突破水下滑翔機(jī)海洋自供能關(guān)鍵技術(shù)，可顯著提升水下滑翔機(jī)的能量自給水平，增強(qiáng)其續(xù)航力、自持力。

3.4 水聲通信技術(shù)

水下聲學(xué)滑翔機(jī)在執(zhí)行探測(cè)任務(wù)期間，因作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，收集信息數(shù)量大，傳送數(shù)據(jù)與接收決策指令的需求顯著增加，對(duì)通信手段及性能提出了更高要求。目前，水下滑翔機(jī)主要采取滑翔上浮至水面，經(jīng)衛(wèi)星通信與岸站建立數(shù)據(jù)交互通道，并基于岸站施集中控制，開(kāi)展各類(lèi)數(shù)據(jù)的匯總、后處理、任務(wù)下發(fā)及水下滑翔機(jī)的調(diào)控、航線調(diào)配等工作。然而，現(xiàn)有通信方式難以實(shí)現(xiàn)水下探測(cè)數(shù)據(jù)的及時(shí)報(bào)送，且各臺(tái)水下滑翔機(jī)間無(wú)法直接通信，集群難以對(duì)水下目標(biāo)實(shí)施長(zhǎng)時(shí)跟蹤探測(cè)。

未來(lái)，應(yīng)開(kāi)展面向水下移動(dòng)平臺(tái)的水聲通信及水聲組網(wǎng)技術(shù)研究，突破水聲中距離高速率、低功耗通信、時(shí)變信道條件下的高速水聲通信編解碼、時(shí)變信道下水聲組網(wǎng)與路由及移動(dòng)節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)接入、多節(jié)點(diǎn)水聲時(shí)空同步等關(guān)鍵技術(shù)，研制可滿(mǎn)足水下滑翔機(jī)平臺(tái)搭載能力與功耗負(fù)載約束的水聲通信機(jī)。

4 發(fā)展展望

受水下環(huán)境的復(fù)雜性和水聲探測(cè)技術(shù)的局限性影響，水下聲學(xué)滑翔機(jī)單機(jī)平臺(tái)的探測(cè)距離較近，難以形成區(qū)域覆蓋能力。因此，通過(guò)技術(shù)升級(jí)和使用方案優(yōu)化，將水下滑翔機(jī)進(jìn)行梯次配置、組合使用，構(gòu)建具備互通信能力的水下滑翔機(jī)探測(cè)集群，可以更好地發(fā)揮水下滑翔機(jī)在水聲探測(cè)體系中的優(yōu)勢(shì)，以彌補(bǔ)單機(jī)平臺(tái)不足，增強(qiáng)水下滑翔機(jī)對(duì)水下目標(biāo)預(yù)警探測(cè)能力。未來(lái)，水下滑翔機(jī)探測(cè)集群可作為有人、無(wú)人系統(tǒng)協(xié)同探測(cè)網(wǎng)的重要組成部分，打造分布式的水下傳感器節(jié)點(diǎn)，形成廣域、持久的水下預(yù)警探測(cè)體系。