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國(guó)防科技
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水下滑翔機(jī)原理與應(yīng)用
來(lái)源:尖兵之翼
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作者:方爾正 周子凌 桂晨陽(yáng)
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發(fā)布時(shí)間: 2020-09-01
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水下滑翔機(jī)(Underwater Glider,UG)是一種水下機(jī)器人，它通過(guò)調(diào)整自身浮力來(lái)實(shí)現(xiàn)升沉...
水下滑翔機(jī)(Underwater Glider,UG)是一種水下機(jī)器人，它通過(guò)調(diào)整自身浮力來(lái)實(shí)現(xiàn)升沉，通過(guò)調(diào)整兩翼的凈浮力和姿態(tài)角來(lái)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(wú)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(wú)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(guò)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。
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(lái)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(lái)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(lái)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。
水下滑翔機(jī)的研究?jī)?nèi)容涉及水下無(wú)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(wú)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(guò)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。
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(lái)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(lái)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(lái)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。
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