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水下滑翔機原理與應用
來源:尖兵之翼
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作者:方爾正 周子凌 桂晨陽
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發布時間: 2020-09-01
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水下滑翔機(Underwater Glider,UG)是一種水下機器人，它通過調整自身浮力來實現升沉...
水下滑翔機(Underwater Glider,UG)是一種水下機器人，它通過調整自身浮力來實現升沉，通過調整兩翼的凈浮力和姿態角來獲得推進力，實現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、長時間連續進行海洋環境觀測與探測的優勢，適用于“中尺度”及以上甚至部分“亞中尺度”的物理海洋現象觀測、生態環境調查和海洋安全保障等工作。水下滑翔機為海洋大數據分析、數值預報等重要應用領域提供了現場準實時測量數據。水下滑翔機在軍事和國防領域也發揮著重要作用。
水下滑翔機的研究內容涉及水下無人平臺結構與水動力、水下定位與導航、自主控制、動力推進、任務載荷、任務自適應規劃、數據傳輸與通信、目標自主探測與跟蹤、目標屬性自主判別及共性基礎技術等領域，是國際上研究的熱點。水下滑翔機屬于水下無人平臺自主探測的研究領域，其在環境觀測型水下滑翔機技術基礎上, 綜合考慮了平臺電磁兼容性及聲學特性, 搭載聲學傳感器及信號處理系統, 具備海洋環境噪聲采集、水聲信號采集、聲紋記錄、數據處理及上浮通信等功能, 可用于完成敏感海域或拒止區域移動目標自主探測、跟蹤、屬性判別和信息回傳等任務。
國外發展現狀
國外早在20世紀90年代初就開展了水下滑翔機的研究工作，美國一直是該技術的先驅者和領導者。1989年，美國的Henry Stommel首次提出“水下滑翔機”的概念。1991年, 美國Teledyne Webb Research(TWR)公司研制成功首臺Slocum水下滑翔機，目前，已成為應用最為廣泛的水下滑翔機產品之一。目前國外水下滑翔機的最大設計巡航里程已達10000千米, 美國Slocum水下滑翔機早在2009年就連續航行221天, 航程達7409.6千米，完成了橫渡大西洋的任務。隨著水下滑翔機單體技術的成熟和多機協同觀測、網絡觀測技術的快速發展，美國從20世紀90年代開始建立自主海洋采樣網（Autonomous Ocean Sampling Network, AOSN），并進行了一系列技術升級和應用試驗。水下滑翔機的網絡觀測已納入綜合海洋觀測系統（Integrated Ocean Observing System, IOOS）網絡計劃。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，用于監測西馬塔(West Mata)的海底火山，記錄聲波振幅隨距離變化的情況，并證明了地質變化將使該地區噪聲水平上升。2013年5月，葡萄牙阿爾加維大學在葡萄牙海岸部署了配備SR-1水聽器的Slocum用于探測水下噪聲。結果表明，該方法能在時間和空間尺度上有效地檢測水下噪聲。2018年4月，美國海軍海洋局(Naval Oceanographic Office)實現同時協同控制50臺水下滑翔機實施水下環境預測，正計劃同時部署100臺水下滑翔機集群作業（目前可能已經完成, 但未見可信報道）；歐洲水下滑翔機觀測網(European Gliding Observatories, EGO)已陸續布放了超過300臺水下滑翔機執行各種海洋觀測任務，實時采集大西洋海域內海洋剖面數據信息等。水下滑翔機協作與編隊觀測技術已廣泛應用于國際上幾乎所有重要的海洋觀測系統和海洋觀測計劃中。
美國斯克里普斯海洋研究所海洋物理實驗室和華盛頓大學應用物理實驗室合作設計的翼身融合水下聲學滑翔機（XRay和ZRay）, 采用翼身融合結構，可實現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和定位能力。該滑翔機利用獨特的翼身融合設計可獲得較快的水下航行速度，使升力面積最大且增加了內部體積，可用攜帶戰術有關的聲學傳感器，使其適合于警戒和其他遙測任務。ZRay的兩機翼前緣中安裝了1個27元水聽器陣列，水聽器工作頻帶10赫茲～15千赫，陣列信號輸出到1個實時檢測/定位和記錄系統；該水下聲學滑翔機同時搭載有矢量水聽器，頻率為20赫茲～2千赫。除此以外，ZRay還嘗試拖曳1個32元拖曳線列陣，該陣列由太平洋空間和海軍作戰系統中心設計和建造，并將配備1個來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）頻數字監控自主檢測分類系統。該水下聲學滑翔機可以1～3節的航速續航6個月，其設計初衷是用來跟蹤和自動識別海洋哺乳動物，目前已應用于圣地亞哥海底被動聲學自主監測海洋哺乳動物項目(Passive Acoustic Autonomous Monitoring of Marine Mammals Program)。由于其優異的聲學探測性能，ZRay還可用來探測安靜級柴電潛艇，是美軍持久性沿海海底監視網(Persistent Littoral Undersea Surveillance Network, PlusNet)的一部分。
水下滑翔機的研究內容涉及水下無人平臺結構與水動力、水下定位與導航、自主控制、動力推進、任務載荷、任務自適應規劃、數據傳輸與通信、目標自主探測與跟蹤、目標屬性自主判別及共性基礎技術等領域，是國際上研究的熱點。水下滑翔機屬于水下無人平臺自主探測的研究領域，其在環境觀測型水下滑翔機技術基礎上, 綜合考慮了平臺電磁兼容性及聲學特性, 搭載聲學傳感器及信號處理系統, 具備海洋環境噪聲采集、水聲信號采集、聲紋記錄、數據處理及上浮通信等功能, 可用于完成敏感海域或拒止區域移動目標自主探測、跟蹤、屬性判別和信息回傳等任務。
國外發展現狀
國外早在20世紀90年代初就開展了水下滑翔機的研究工作，美國一直是該技術的先驅者和領導者。1989年，美國的Henry Stommel首次提出“水下滑翔機”的概念。1991年, 美國Teledyne Webb Research(TWR)公司研制成功首臺Slocum水下滑翔機，目前，已成為應用最為廣泛的水下滑翔機產品之一。目前國外水下滑翔機的最大設計巡航里程已達10000千米, 美國Slocum水下滑翔機早在2009年就連續航行221天, 航程達7409.6千米，完成了橫渡大西洋的任務。隨著水下滑翔機單體技術的成熟和多機協同觀測、網絡觀測技術的快速發展，美國從20世紀90年代開始建立自主海洋采樣網（Autonomous Ocean Sampling Network, AOSN），并進行了一系列技術升級和應用試驗。水下滑翔機的網絡觀測已納入綜合海洋觀測系統（Integrated Ocean Observing System, IOOS）網絡計劃。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，用于監測西馬塔(West Mata)的海底火山，記錄聲波振幅隨距離變化的情況，并證明了地質變化將使該地區噪聲水平上升。2013年5月，葡萄牙阿爾加維大學在葡萄牙海岸部署了配備SR-1水聽器的Slocum用于探測水下噪聲。結果表明，該方法能在時間和空間尺度上有效地檢測水下噪聲。2018年4月，美國海軍海洋局(Naval Oceanographic Office)實現同時協同控制50臺水下滑翔機實施水下環境預測，正計劃同時部署100臺水下滑翔機集群作業（目前可能已經完成, 但未見可信報道）；歐洲水下滑翔機觀測網(European Gliding Observatories, EGO)已陸續布放了超過300臺水下滑翔機執行各種海洋觀測任務，實時采集大西洋海域內海洋剖面數據信息等。水下滑翔機協作與編隊觀測技術已廣泛應用于國際上幾乎所有重要的海洋觀測系統和海洋觀測計劃中。
美國斯克里普斯海洋研究所海洋物理實驗室和華盛頓大學應用物理實驗室合作設計的翼身融合水下聲學滑翔機（XRay和ZRay）, 采用翼身融合結構，可實現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和定位能力。該滑翔機利用獨特的翼身融合設計可獲得較快的水下航行速度，使升力面積最大且增加了內部體積，可用攜帶戰術有關的聲學傳感器，使其適合于警戒和其他遙測任務。ZRay的兩機翼前緣中安裝了1個27元水聽器陣列，水聽器工作頻帶10赫茲～15千赫，陣列信號輸出到1個實時檢測/定位和記錄系統；該水下聲學滑翔機同時搭載有矢量水聽器，頻率為20赫茲～2千赫。除此以外，ZRay還嘗試拖曳1個32元拖曳線列陣，該陣列由太平洋空間和海軍作戰系統中心設計和建造，并將配備1個來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）頻數字監控自主檢測分類系統。該水下聲學滑翔機可以1～3節的航速續航6個月，其設計初衷是用來跟蹤和自動識別海洋哺乳動物，目前已應用于圣地亞哥海底被動聲學自主監測海洋哺乳動物項目(Passive Acoustic Autonomous Monitoring of Marine Mammals Program)。由于其優異的聲學探測性能，ZRay還可用來探測安靜級柴電潛艇，是美軍持久性沿海海底監視網(Persistent Littoral Undersea Surveillance Network, PlusNet)的一部分。
