李 楠，黃漢清，2，趙 曉

（1.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266237；2.中國(guó)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

潛標(biāo)是海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中應(yīng)用最廣泛的裝備之一。潛標(biāo)整體位于水面以下，通過(guò)錨系固定在特定位置，通過(guò)架裝在不同深度的傳感器可實(shí)現(xiàn)全水深、定點(diǎn)、長(zhǎng)期、連續(xù)、多層次、多要素同步觀測(cè)，具有隱蔽性好、不易被破壞等優(yōu)點(diǎn)[1]。海洋科技強(qiáng)國(guó)的潛標(biāo)技術(shù)已趨成熟，形成了功能多樣的產(chǎn)品系列，實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)化運(yùn)行。然而，潛標(biāo)通常以自容方式存儲(chǔ)觀測(cè)數(shù)據(jù)，需在觀測(cè)周期（一般為數(shù)月至數(shù)年）結(jié)束并對(duì)潛標(biāo)實(shí)施回收后方能獲取觀測(cè)數(shù)據(jù)，信息時(shí)效性較差。隨著我國(guó)海洋強(qiáng)國(guó)及一帶一路戰(zhàn)略的實(shí)施，在海洋科學(xué)研究、經(jīng)濟(jì)建設(shè)及國(guó)防安全等領(lǐng)域?qū)?shí)時(shí)海洋環(huán)境感知能力提出了迫切需求，如何實(shí)現(xiàn)水下觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸成為亟待解決的問(wèn)題。

針對(duì)實(shí)時(shí)、定點(diǎn)、長(zhǎng)期海洋環(huán)境觀測(cè)需求，以潛標(biāo)技術(shù)為基礎(chǔ)，開(kāi)展水下觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)研究，通過(guò)水下絞車、自升降通信浮標(biāo)、水下滑翔機(jī)及波浪滑翔器等多種技術(shù)途徑，研制水下實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)/準(zhǔn)實(shí)時(shí)穩(wěn)定可靠傳輸，可為海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)及國(guó)防安全保障等提供技術(shù)支撐。

1 研究現(xiàn)狀

美國(guó)從20世紀(jì)50年代開(kāi)始研究潛標(biāo)技術(shù)，前蘇聯(lián)、英國(guó)、加拿大等國(guó)家迅速跟進(jìn)。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，國(guó)外的實(shí)時(shí)傳輸潛標(biāo)技術(shù)日臻成熟。

美國(guó)在 20世紀(jì) 80年代就開(kāi)始嘗試實(shí)時(shí)獲取CTD（鹽度、溫度、深度）和流速等數(shù)據(jù)。1986年，美國(guó)新罕布什爾大學(xué)利用磁感應(yīng)傳輸對(duì)緬因?yàn)晨诘乃翪TD數(shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)時(shí)獲取，在6個(gè)月時(shí)間內(nèi)獲取了水深270 m的CTD數(shù)據(jù)[2]。通過(guò)磁感應(yīng)傳輸獲取水下數(shù)據(jù)具有較高的功耗效率比，但設(shè)備之間需通過(guò)鋼纜連接，連接纜重力較大，需要匹配浮力設(shè)備，不適合長(zhǎng)距離的水下數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸[3]。1990年，美國(guó)Woods Hole海洋研究所嘗試采用水聲通信技術(shù)將水下設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸至浮標(biāo)，然后通過(guò)衛(wèi)星中繼傳送到岸站。該系統(tǒng)測(cè)試了水下300 m、1 500 m和2 900 m三套設(shè)備，僅有1 500 m水深的通信機(jī)正常工作。美國(guó)國(guó)家大氣海洋管理局也開(kāi)展了利用水聲通信獲取水下溫鹽深流等參數(shù)的實(shí)驗(yàn)，采用非相干點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，速率600 bit/s，工作時(shí)長(zhǎng)5個(gè)月[4]。1994年，美國(guó)“百慕大試驗(yàn)站錨泊系統(tǒng)”（BTM）實(shí)現(xiàn)了潛標(biāo)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸，其潛標(biāo)掛載的水下儀器通過(guò)感應(yīng)耦合傳輸，利用一根單芯錨泊纜將數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶Ｃ娓?biāo)，浮標(biāo)通過(guò)Argos衛(wèi)星將數(shù)據(jù)傳送至岸站，也可在調(diào)查船靠近BTM 浮標(biāo)時(shí)通過(guò)無(wú)線電通信下載數(shù)據(jù)[5]。法國(guó)于90年代末研制出利用浮力調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)剖面測(cè)量平臺(tái)的 YOYO系統(tǒng)，其工作原理是通過(guò)改變平臺(tái)內(nèi)部油囊的體積來(lái)改變剖面測(cè)量平臺(tái)的凈浮力，達(dá)到升降運(yùn)動(dòng)的目的。該系統(tǒng)工作深度為1 000 m，采集的數(shù)據(jù)可通過(guò)聲通系統(tǒng)發(fā)送至海表浮標(biāo)，然后浮標(biāo)將數(shù)據(jù)通過(guò)衛(wèi)星發(fā)送到岸站[6]。美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)2009年啟動(dòng)OOI（Ocean Observatories Initiative）觀測(cè)網(wǎng)，其潛標(biāo)準(zhǔn)實(shí)時(shí)通訊方式有2種：一種是通過(guò)海底電纜傳輸[7]；另一種是通過(guò)水下滑翔機(jī)中繼傳輸。前者僅適用于近岸觀測(cè)，后者則適用于密集分布的潛標(biāo)陣列，對(duì)于單套潛標(biāo)或空間距離較大的陣列則不適用。華盛頓大學(xué)研發(fā)了浮子式準(zhǔn)實(shí)時(shí)潛標(biāo)，主要應(yīng)用于淺海觀測(cè)[8]。加拿大ODIM Brooke Ocean公司研制了 SeaCycler升降式潛標(biāo)系統(tǒng)圖 1（a），利用水下絞車控制衛(wèi)星通信浮子的上下運(yùn)動(dòng)，在設(shè)定的通信時(shí)間將浮子釋放浮至水面進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在其它時(shí)間由水下絞車帶動(dòng)浮子下沉至海面以下[9]。美國(guó)WET Labs公司研制的Thetis觀測(cè)系統(tǒng)也采用類似的工作方式。日本NGK OCEAN公司研制的海洋潛標(biāo)觀測(cè)系統(tǒng)圖 1（b）具有錨系和座底 2種狀態(tài)，使用了流線形浮體及水下絞車技術(shù)，可以控制浮標(biāo)上浮出水后通過(guò)衛(wèi)星將數(shù)據(jù)傳送到岸站[10]。美國(guó)InterOcean Systems公司也開(kāi)發(fā)了應(yīng)用于潛標(biāo)的水下絞車圖1（c）[11]。

圖1 加拿大ODIM Brooke Ocean公司（a）、日本NGK OCEAN公司（b）和美國(guó)InterOcean Systems公司（c）實(shí)時(shí)傳輸潛標(biāo)Fig.1 Real-time transmission submerged buoys of（a）Canadian ODIM Brooke Ocean Company，（b）Japanese NGK OCEAN Company and（c）American InterOcean Systems Company

我國(guó)潛標(biāo)研制工作起步較晚，但發(fā)展迅速，開(kāi)展?jié)摌?biāo)研制的單位主要有中國(guó)船舶七一〇所、國(guó)家海洋技術(shù)中心、海洋局一所、中科院海洋所、山東省科學(xué)院海洋儀器儀表所和中國(guó)海洋大學(xué)等。我國(guó)已基本掌握潛標(biāo)觀測(cè)的核心關(guān)鍵技術(shù)，并在數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸方面有了較大突破。2002年，中國(guó)船舶七一〇所研發(fā)了浮子式實(shí)時(shí)/準(zhǔn)實(shí)時(shí)潛標(biāo)觀測(cè)系統(tǒng)。該潛標(biāo)配有多臺(tái)衛(wèi)星通信浮子，通過(guò)釋放浮子至海面進(jìn)行實(shí)時(shí)衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸，一旦浮子信號(hào)傳輸發(fā)生故障，主控單元控制水下切割信號(hào)纜將失靈的浮標(biāo)拋棄，再釋放另外一個(gè)通信浮標(biāo)，實(shí)現(xiàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的接力傳輸[12]。“十一五”期間，中國(guó)海洋大學(xué)與中國(guó)船舶七一〇所合作對(duì)該型實(shí)時(shí)/準(zhǔn)實(shí)時(shí)潛標(biāo)進(jìn)行了優(yōu)化，并在南海成功開(kāi)展了海試。2015年起，中科院海洋所研發(fā)了浮子式實(shí)時(shí)/準(zhǔn)實(shí)時(shí)潛標(biāo)觀測(cè)系統(tǒng)并在西太平洋海域開(kāi)展了規(guī)?；瘧?yīng)用，于2019年實(shí)現(xiàn)了深海6 000 m實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸[13]。中國(guó)海洋大學(xué)在“十二五”期間研制了深水定時(shí)衛(wèi)星通信潛標(biāo)系統(tǒng)，2015-2016年在西太平洋成功完成了系列海試，實(shí)現(xiàn)了觀測(cè)數(shù)據(jù)的定時(shí)回傳。該潛標(biāo)主浮體上架裝多個(gè)彈射拋棄式衛(wèi)星通信浮標(biāo)，按設(shè)定時(shí)序定時(shí)釋放至海面，通過(guò)衛(wèi)星進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[14]。

2 水下實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)方案

隨著衛(wèi)星、無(wú)線電和水聲等通信技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，目前已能夠?qū)崿F(xiàn)潛標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)﹑長(zhǎng)距離傳輸。實(shí)時(shí)傳輸潛標(biāo)的數(shù)據(jù)傳輸鏈路通常為：1）由傳感器到數(shù)據(jù)采集器，一般在水下水密儀器艙中完成；2）由水下數(shù)據(jù)采集器傳輸?shù)剿嫱ㄐ旁O(shè)備，可通過(guò)線纜或水聲通信方式傳輸；3）由水面通信設(shè)備傳輸?shù)桨墩緮?shù)據(jù)接收終端，一般通過(guò)衛(wèi)星通信方式實(shí)現(xiàn)。

以潛標(biāo)技術(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)水下絞車控制衛(wèi)星通信浮標(biāo)的方式可實(shí)現(xiàn)水下觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸；自升降通信浮標(biāo)也可作為水面通信中繼設(shè)備；還可利用水下滑翔機(jī)/波浪滑翔器作為傳輸中繼節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的機(jī)動(dòng)實(shí)時(shí)傳輸（圖 2）。結(jié)合上述技術(shù)途徑，設(shè)計(jì)了4型水下實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)，為水下環(huán)境實(shí)時(shí)定點(diǎn)長(zhǎng)期觀測(cè)提供綜合解決方案。圖2中：a為基于水下絞車的水下實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)，b為基于自升降通信浮標(biāo)的水下實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)，c為基于水下滑翔機(jī)的水下實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)，d為基于波浪滑翔器的水下實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)。

圖2 水下實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)Fig.2 Scheme of underwater real-time observation system

2.1 基于水下絞車的水下實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)

2.1.1 工作原理

基于水下絞車的水下實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)可通過(guò)水下絞車收放衛(wèi)星通信浮標(biāo)，需要傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，啟動(dòng)水下絞車釋放鎧裝通信纜使衛(wèi)星通信浮標(biāo)上浮出水，通過(guò)衛(wèi)星將數(shù)據(jù)傳回岸站。完成數(shù)據(jù)傳輸后，通過(guò)水下絞車將衛(wèi)星通信浮標(biāo)收到水下設(shè)定深度。衛(wèi)星通信浮標(biāo)沉到水下后，可通過(guò)鎧裝通信纜或水聲通信方式與數(shù)據(jù)傳輸控制模塊進(jìn)行通信，傳輸觀測(cè)數(shù)據(jù)。

2.1.2 系統(tǒng)組成

基于水下絞車的水下實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)主要由主浮體、水下絞車裝置、錨泊系留裝置、衛(wèi)星通信浮標(biāo)和陸上設(shè)備等組成。

主浮體包括固體浮力材料、結(jié)構(gòu)框架、電池艙、電控艙及水聲通信機(jī)等，為水下觀測(cè)系統(tǒng)提供正浮力及能源，同時(shí)承擔(dān)系統(tǒng)綜合控制及數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。

圖3 基于水下絞車的水下實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)組成Fig.3 Composition diagram of underwater real-time observation system based on underwater winch

水下絞車裝置是該系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)衛(wèi)星通信浮標(biāo)的上浮下潛動(dòng)作。水下絞車裝置安裝在主浮體中，與主浮體的電池電控艙通過(guò)水密接插件連接，采用 RS232進(jìn)行通信。水下絞車裝置使用鎧裝通信纜與衛(wèi)星通信浮標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。考慮到鎧裝通信纜在涌浪長(zhǎng)期作用下有可能損壞，為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，安裝水聲通信機(jī)作為備選的數(shù)據(jù)傳輸手段。

錨泊系留裝置包括壓載錨、系留纜和應(yīng)答釋放器等，可將水下觀測(cè)系統(tǒng)系留在固定位置。

衛(wèi)星通信浮標(biāo)內(nèi)有浮標(biāo)控制模塊、水聲通信機(jī)和衛(wèi)星通信模塊等。該浮標(biāo)接收電纜或水聲通信機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，在浮標(biāo)檢測(cè)出水后，通過(guò)衛(wèi)星將數(shù)據(jù)傳輸至岸站。完成數(shù)據(jù)傳輸后，反饋給主浮體下潛指令。主浮體控制單元接收指令后控制絞車驅(qū)動(dòng)浮標(biāo)下潛到設(shè)定深度（通常為水下 50 m），以避免海況及人為因素?fù)p壞衛(wèi)星通信浮標(biāo)。

陸上設(shè)備包括岸站控制系統(tǒng)和釋放器甲板單元等。岸站控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收、處理衛(wèi)星傳回的數(shù)據(jù)。釋放器甲板單元在系統(tǒng)回收時(shí)控制聲學(xué)釋放器動(dòng)作，釋放壓載錨，使系統(tǒng)在自身正浮力作用下浮出水面。

2.2 基于自升降通信浮標(biāo)的水下實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)

2.2.1 工作原理

自升降通信浮標(biāo)可通過(guò)浮力調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)上浮下潛動(dòng)作。通過(guò)液壓泵將液壓油從浮標(biāo)內(nèi)油箱排至外油囊，增大浮標(biāo)排水體積，提供浮力使浮標(biāo)上浮，浮標(biāo)出水后通過(guò)衛(wèi)星將數(shù)據(jù)傳輸至岸站。完成數(shù)據(jù)傳輸后，浮標(biāo)將外油囊內(nèi)的液壓油抽入浮標(biāo)內(nèi)油箱，減小浮標(biāo)排水體積，將自身調(diào)節(jié)為負(fù)浮力并下沉到水下設(shè)定深度處懸停漂行。浮標(biāo)沉至水下后，可通過(guò)水聲通信方式與數(shù)據(jù)傳輸控制模塊通信，傳輸觀測(cè)數(shù)據(jù)。

2.2.2 系統(tǒng)組成

基于自升降通信浮標(biāo)的水下實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)由主浮體、錨泊系留裝置、自升降衛(wèi)星通信浮標(biāo)和陸上設(shè)備等組成。

主浮體及錨泊系留裝置與基于水下絞車的水下實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)一致，負(fù)責(zé)綜合控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)發(fā)送、錨泊及系留等。

圖4 基于自升降通信浮標(biāo)的水下實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)組成Fig.4 Composition diagram of underwater real-time observation system based on self-lifting communication buoy

自升降衛(wèi)星通信浮標(biāo)由浮力調(diào)節(jié)裝置、浮標(biāo)控制模塊、衛(wèi)星通信模塊和水聲通信機(jī)等組成。自升降通信浮標(biāo)是在剖面漂流浮標(biāo)的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)，通過(guò)浮力調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)上浮下潛，可極大地節(jié)省能耗，并為水聲通信機(jī)提供更長(zhǎng)的工作時(shí)間。浮力調(diào)節(jié)裝置通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)活塞在液壓缸內(nèi)上下移動(dòng)實(shí)現(xiàn)充排油過(guò)程，控制浮標(biāo)上浮下潛?？刂颇K發(fā)送指令控制浮標(biāo)上浮，在近海面時(shí)，向浮標(biāo)油囊充油，提供更多浮力確保浮標(biāo)出水高度，增強(qiáng)浮標(biāo)抗風(fēng)浪能力并提高衛(wèi)星通信成功率。浮標(biāo)檢測(cè)出水后，通過(guò)衛(wèi)星通信將數(shù)據(jù)發(fā)送到岸站。數(shù)據(jù)傳輸完畢后，控制模塊控制浮標(biāo)下潛到設(shè)定深度（通常為水下50 m）懸停漂行，等待下一次的數(shù)據(jù)傳輸。

2.3 基于水下滑翔機(jī)的水下實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)

水下滑翔機(jī)可根據(jù)設(shè)定航路到達(dá)潛標(biāo)所在位置，作為通信中繼節(jié)點(diǎn)通過(guò)水聲通信接收潛標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)。水下滑翔機(jī)出水后，將觀測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)衛(wèi)星傳回岸站。水下滑翔機(jī)可在設(shè)定區(qū)域機(jī)動(dòng)游弋，需要傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，則返回潛標(biāo)附近通過(guò)水聲通信方式傳輸數(shù)據(jù)。

2.4 基于波浪滑翔器的水下實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)

波浪滑翔器具備虛擬錨泊能力，可動(dòng)態(tài)錨泊于海面設(shè)定坐標(biāo)位置，作為潛標(biāo)的通信中繼節(jié)點(diǎn)。當(dāng)波浪滑翔器受風(fēng)浪流的影響導(dǎo)致坐標(biāo)發(fā)生偏差后，可通過(guò)其自身航行能力返回原有位置。潛標(biāo)通過(guò)水聲通信方式將水下觀測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送至波浪滑翔器，波浪滑翔器接收數(shù)據(jù)后，通過(guò)其自身天線將數(shù)據(jù)通過(guò)衛(wèi)星傳回岸站。

3 水下數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸關(guān)鍵技術(shù)

3.1 水下絞車技術(shù)

水下絞車是安裝在水下觀測(cè)系統(tǒng)上的無(wú)人值守機(jī)電一體化裝置，通過(guò)內(nèi)置電機(jī)驅(qū)動(dòng)繩索或電纜收放，從而控制測(cè)量或通信平臺(tái)的升降。水下絞車的主要功能是使通信浮標(biāo)藏匿于水中不受臺(tái)風(fēng)、海浪或人為因素等的破壞，在需要傳輸數(shù)據(jù)時(shí)將通信浮標(biāo)升至海面，通過(guò)衛(wèi)星將數(shù)據(jù)發(fā)送到岸站。水下絞車是水下觀測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)隱蔽、實(shí)時(shí)通信的關(guān)鍵技術(shù)。

3.1.1 水下動(dòng)密封技術(shù)

水下絞車電機(jī)在海水中工作，需要防止電機(jī)平衡液從內(nèi)部溢出以及海水進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部，因此必須解決電機(jī)殼的靜密封和輸出軸的動(dòng)密封等問(wèn)題。殼體的靜密封方面，由于電機(jī)采取動(dòng)態(tài)壓力補(bǔ)償，用一道格萊圈即可實(shí)現(xiàn)。水下電機(jī)軸的動(dòng)密封方面，常用的密封形式有油封、機(jī)械密封和 O形圈密封等。油封工作壓力一般小于0.05 MPa，耐壓型油封可達(dá)1～1.2 MPa，線速度＜15 m/s，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作容易，安裝腔體的結(jié)構(gòu)緊湊，軸向尺寸小，密封性能好，能長(zhǎng)時(shí)間保持密封效果，價(jià)格合理。機(jī)械密封結(jié)構(gòu)復(fù)雜、龐大，成本較高。O形圈體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、工藝性能好，但易老化、使用壽命短。經(jīng)研究，采用動(dòng)態(tài)壓力補(bǔ)償方式進(jìn)行密封。在電機(jī)內(nèi)部充變壓器油，壓力油補(bǔ)償器以橡膠軟管替代。通過(guò)壓力補(bǔ)償方式減少電機(jī)軸處內(nèi)外壓差值，然后采用抗磨性高且?guī)в幸欢ㄑa(bǔ)償量的機(jī)械密封方式進(jìn)行密封。該方式可以有效地防止電機(jī)內(nèi)部的高壓變壓器油溢出或海水進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部，提高了電機(jī)密封的可靠性。

3.1.2 水下絞車自動(dòng)排纜技術(shù)

水下絞車在收放纜索過(guò)程中完全自主工作，與陸上絞車相比更加需要可靠的纜索自動(dòng)收放技術(shù)。水下絞車有自由排纜和不排纜2種工作模式。圖5所示為研制的帶有機(jī)械排纜器的水下絞車。該絞車的排纜機(jī)構(gòu)有雙向絲桿，通過(guò)雙頭螺旋槽和滑塊機(jī)構(gòu)，使卷筒每轉(zhuǎn)一圈，纜繩沿卷筒軸向移動(dòng)一個(gè)繩距，并在卷筒兩端自動(dòng)換向。這種排纜器可保證纜繩大致均勻地散布在絡(luò)車內(nèi)。

圖5 水下絞車Fig.5 Underwater winch

3.1.3 基于水下絞車的通信浮標(biāo)控制技術(shù)

由于衛(wèi)星通信浮標(biāo)出水后受風(fēng)浪流作用而持續(xù)運(yùn)動(dòng)并反復(fù)拉扯通信電纜，極易造成通信電纜內(nèi)部通信纜的疲勞損傷，因此應(yīng)盡量減少浮標(biāo)出水時(shí)間。浮標(biāo)出水后與衛(wèi)星進(jìn)行握手通信，握手成功后發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后反饋回主浮體控制模塊，控制絞車驅(qū)動(dòng)浮標(biāo)潛入水下50 m處，該位置受表面洋流及浪涌影響較小。若2次握手不成功，則反饋給主浮體，控制絞車驅(qū)動(dòng)浮標(biāo)入水，存儲(chǔ)的觀測(cè)數(shù)據(jù)等待下次一并傳輸。

3.2 自升降通信浮標(biāo)技術(shù)

自升降通信浮標(biāo)是在剖面漂流浮標(biāo)技術(shù)基礎(chǔ)上研制，加裝了水聲通信機(jī)，增加了油囊浮力調(diào)節(jié)能力，擴(kuò)充了電池組能源，并將通信采集模塊擴(kuò)展成數(shù)據(jù)采集、接收、發(fā)送為一體的多功能數(shù)據(jù)傳輸模塊。通過(guò)調(diào)整浮標(biāo)的工作流程，適應(yīng)聲通機(jī)的水下數(shù)據(jù)傳輸及出水后的衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸。加裝聲通機(jī)后系統(tǒng)耗電量增大，通過(guò)增加電池電量及合理配置供電模式來(lái)減小系統(tǒng)能耗，增加水下在位時(shí)長(zhǎng)。升級(jí)控制模塊，對(duì)浮標(biāo)更改后的質(zhì)浮心進(jìn)行計(jì)算，開(kāi)展配平及搭載性能測(cè)試，調(diào)整浮標(biāo)的水下姿態(tài)，便于水下聲通機(jī)數(shù)據(jù)傳輸。

圖6 自升降通信浮標(biāo)Fig.6 Self-lifting communication buoy

由于聲通機(jī)在海面受聲反射影響，通信成功率較低。另外，浮標(biāo)出水后易受外界環(huán)境及人為因素破壞。在浮標(biāo)出水完成數(shù)據(jù)傳輸后，控制浮標(biāo)下潛至水下50 m深度處懸停漂行，等待下次數(shù)據(jù)傳輸。

3.3 基于機(jī)動(dòng)平臺(tái)的水下觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)

開(kāi)展水下滑翔機(jī)、波浪滑翔器等機(jī)動(dòng)中繼平臺(tái)的虛擬錨泊技術(shù)以及水下觀測(cè)系統(tǒng)基于機(jī)動(dòng)中繼平臺(tái)的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)研究，針對(duì)水下滑翔機(jī)及波浪滑翔器搭載水聲通信機(jī)開(kāi)展適配性改進(jìn)，通過(guò)水聲通信實(shí)現(xiàn)水下觀測(cè)系統(tǒng)與機(jī)動(dòng)中繼平臺(tái)的數(shù)據(jù)傳輸，并以機(jī)動(dòng)中繼平臺(tái)作為通信中繼節(jié)點(diǎn)，將觀測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)衛(wèi)星傳輸至岸站。

3.3.1 水下滑翔機(jī)數(shù)據(jù)中繼技術(shù)

以水下滑翔機(jī)作為通信中繼節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸，需要實(shí)現(xiàn)水下滑翔機(jī)的虛擬錨泊功能，可在一定范圍內(nèi)長(zhǎng)期游弋，在受海流作用而漂移時(shí)能夠航行返回設(shè)定位置以實(shí)施水聲通信。另外，需要研究如何在水下滑翔機(jī)上適配搭載水聲通信機(jī)并開(kāi)展適應(yīng)性改進(jìn)，提供相應(yīng)的機(jī)械安裝和電氣接口。由于水下滑翔機(jī)攜帶能源有限，需要增強(qiáng)電源管理，并開(kāi)展低功耗設(shè)計(jì)工作，滿足長(zhǎng)期水下通信需求。

3.3.2 波浪滑翔器數(shù)據(jù)中繼技術(shù)

以波浪滑翔器作為通信中繼節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸，需要突破波浪滑翔器的虛擬錨泊技術(shù)，盡量減少虛擬錨泊航行中的位置偏差，將波浪滑翔器控制在一個(gè)較小的范圍內(nèi)，從而提高水聲通信可靠性和成功率。另外，需要研究如何在波浪滑翔器上適配搭載水聲通信機(jī)并開(kāi)展適應(yīng)性改進(jìn)，提供相應(yīng)的機(jī)械安裝和電氣接口。

圖7 中國(guó)船舶七一〇所水下滑翔機(jī)及波浪滑翔器Fig.7 Underwater glider and wave glider of No.710 R&D Institute，CSSC

4 水下觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸功能驗(yàn)證試驗(yàn)

2019年 9月，搭載青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室“問(wèn)海計(jì)劃”航次，在南海開(kāi)展了水下觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸功能驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)備包括2套水下實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)：1）基于水下絞車的水下實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)；2）基于自升降通信浮標(biāo)的水下實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)。2套系統(tǒng)布放水深均超過(guò)2 800 m。基于水下絞車的水下實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)完成了水下絞車水下運(yùn)行測(cè)試和水下通信電纜數(shù)據(jù)傳輸鏈路測(cè)試?；谧陨低ㄐ鸥?biāo)的水下實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)完成了自升降通信浮標(biāo)水下運(yùn)行測(cè)試和水下聲學(xué)通信鏈路測(cè)試。兩系統(tǒng)合計(jì)完成50余個(gè)剖面運(yùn)動(dòng)后成功回收。通過(guò)海上試驗(yàn)，初步驗(yàn)證了2套水下實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸功能。

圖8 水下實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)海試Fig.8 Sea trial of underwater real-time observation system

5 結(jié)束語(yǔ)

目前幾種水下實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)各有其優(yōu)勢(shì)，但也存在一定的缺陷。定時(shí)衛(wèi)星通信潛標(biāo)可架裝的通信浮子數(shù)量有限，通信頻率較低。浮子式衛(wèi)星通信潛標(biāo)的通信浮子長(zhǎng)期位于海面，通信窗口長(zhǎng)，但欠缺隱蔽性，易遭破壞。波浪滑翔器也存在類似問(wèn)題?；谒陆g車的衛(wèi)星通信潛標(biāo)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，長(zhǎng)期工作可靠性有待提高。自升降通信浮標(biāo)對(duì)浮力調(diào)節(jié)及偏降控制要求較高，偏移角度對(duì)水聲通信質(zhì)量影響較大。水下滑翔機(jī)機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，但成本較高。這些缺陷使得上述幾類水下實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期穩(wěn)定實(shí)時(shí)傳輸方面均存在一定的不足，需要根據(jù)觀測(cè)需求及作業(yè)環(huán)境等選擇適宜的水下數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸方式。水下實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用將改變潛標(biāo)數(shù)據(jù)獲取模式，提高水下觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)效性，對(duì)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)及國(guó)防安全保障等具有重要意義。