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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。
國內發展現狀
水下滑翔機在我國的發展始于21世紀初。天津大學科研團隊于2002年啟動了第一代水下滑翔機樣機的研制，是我國第一個探索水下滑翔機研究工作的團隊。隨著“十一五”海洋領域“開拓深遠海”戰略的實施，有關水下滑翔機的國家重大科技攻關計劃得到安排部署。2006年，國家高技術研究發展計劃(863計劃)海洋技術領域的“海洋環境監測技術”專題里作為目標導向支持啟動了國內第一個水下滑翔機海上試驗樣機的研制(設計巡航里程為500千米、最大下潛深度為500米)，由中國科學院沈陽自動化研究所牽頭組織研發，并于國家“十一五”末在我國南海開展了海上試驗驗證工作。
“十二五”期間，“挺進深遠海”戰略重點圍繞強化深遠海環境監測、深海探測與作業能力和支撐沿海藍色經濟、戰略性新興產業發展兩條主線不斷深入，突出解決我國深遠海環境監測及資源開發面臨的技術裝備手段缺乏的問題。而水下滑翔機以其能夠實現大尺度范圍、長時間連續觀測等突出優勢，再次成為海洋領域發展的重點方向。與此同時，國家863計劃大幅增加了水下滑翔機的研發投入，通過主題項目啟動了4型（包括電能、混合推進型、噴水推進型和聲學探測）水下滑翔機的研制，設計巡航里程為1000千米，工作水深范圍1000～1500米，其中多型樣機在海上試驗中表現優異，達到考核指標的要求。
我國在水下滑翔機單機技術方面的研發成果顯著。西北工業大學基于飛翼滑翔機研發了搭載多元聲壓陣列的飛翼滑翔機聲學探測系統，并進行了湖上測試。哈爾濱工程大學利用“海燕”水下滑翔機共裝載了4個聲壓水聽器，在滑翔機左翼、右翼、前導流罩和尾翼各安裝1個水聽器構成4元聲學感知單元，并在南海海域進行了海上試驗，利用73赫茲低頻聲源信號對系統的探測能力進行驗證。試驗期間，水下聲學滑翔機共完成17個剖面的性能測試，其中滑翔機控制功能測試3個剖面，噪聲特性測試7個剖面，低頻聲源信號探測能力測試7個剖面，平臺最大下潛深度1000米。通過對記錄的噪聲數據進行分析，其結果表明，該聲學感知單元可有效接收低頻聲源發射的噪聲數據。
未來發展展望
盡管水下滑翔機技術近年來在我國得到了快速發展，一些功能性能指標（如大深度等）不斷趕超國外先進水平。然而，由于我國水下滑翔機技術的發展起步較晚，研究基礎薄弱，在平臺單體技術、協作組網觀測和應用研究等方面與國外先進技術相比仍有較大差距，創新發展步伐有待加快，具體建議如下：
首先，在已有技術的基礎上, 進一步加強核心關鍵技術攻關, 加快單體水下滑翔機的技術改進和優化升級。重點在低功耗設計、最優路徑規劃與控制策略算法、多參數獲取及搭載能力、數據質量標準和信息安全傳輸等方面加強研究攻關, 增強水下滑翔機應對強背景流場等復雜海況、復雜海底地形環境下的長航程實海探測與操控能力; 提高任務重構、協同控制等方面的人機交互水平，為各類用戶提供廣泛、連續、長期、穩定、可靠、低成本的數據流和數據鏈路。
其次，在前期技術經驗積累的基礎上，加強多水下滑翔機編隊協同組網觀測技術研究，提升水下滑翔機整體作業效率和觀測及探測效果。結合科學研究、資源環境調查及目標探測等國家戰略需求，開展多水下滑翔機移動分布式節點的水下互聯互通、自適應采樣、多機協調編隊及快速機動組網等技術攻關，增強水下滑翔機大規模集群觀測與探測能力，特別是加強與水下異構節點的組網觀測，并逐步從水面水下拓展到海、陸、空、天組建一體化觀測信息網絡，在水下滑翔機和其他異構節點種類及數量規模、組網觀測覆蓋范圍、多機任務規劃、系統穩定性、觀測效率及業務化等方面不斷提升水下滑翔機綜合協同組網觀測能力和水平。
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。
國內發展現狀
水下滑翔機在我國的發展始于21世紀初。天津大學科研團隊于2002年啟動了第一代水下滑翔機樣機的研制，是我國第一個探索水下滑翔機研究工作的團隊。隨著“十一五”海洋領域“開拓深遠海”戰略的實施，有關水下滑翔機的國家重大科技攻關計劃得到安排部署。2006年，國家高技術研究發展計劃(863計劃)海洋技術領域的“海洋環境監測技術”專題里作為目標導向支持啟動了國內第一個水下滑翔機海上試驗樣機的研制(設計巡航里程為500千米、最大下潛深度為500米)，由中國科學院沈陽自動化研究所牽頭組織研發，并于國家“十一五”末在我國南海開展了海上試驗驗證工作。
“十二五”期間，“挺進深遠海”戰略重點圍繞強化深遠海環境監測、深海探測與作業能力和支撐沿海藍色經濟、戰略性新興產業發展兩條主線不斷深入，突出解決我國深遠海環境監測及資源開發面臨的技術裝備手段缺乏的問題。而水下滑翔機以其能夠實現大尺度范圍、長時間連續觀測等突出優勢，再次成為海洋領域發展的重點方向。與此同時，國家863計劃大幅增加了水下滑翔機的研發投入，通過主題項目啟動了4型（包括電能、混合推進型、噴水推進型和聲學探測）水下滑翔機的研制，設計巡航里程為1000千米，工作水深范圍1000～1500米，其中多型樣機在海上試驗中表現優異，達到考核指標的要求。
我國在水下滑翔機單機技術方面的研發成果顯著。西北工業大學基于飛翼滑翔機研發了搭載多元聲壓陣列的飛翼滑翔機聲學探測系統，并進行了湖上測試。哈爾濱工程大學利用“海燕”水下滑翔機共裝載了4個聲壓水聽器，在滑翔機左翼、右翼、前導流罩和尾翼各安裝1個水聽器構成4元聲學感知單元，并在南海海域進行了海上試驗，利用73赫茲低頻聲源信號對系統的探測能力進行驗證。試驗期間，水下聲學滑翔機共完成17個剖面的性能測試，其中滑翔機控制功能測試3個剖面，噪聲特性測試7個剖面，低頻聲源信號探測能力測試7個剖面，平臺最大下潛深度1000米。通過對記錄的噪聲數據進行分析，其結果表明，該聲學感知單元可有效接收低頻聲源發射的噪聲數據。
未來發展展望
盡管水下滑翔機技術近年來在我國得到了快速發展，一些功能性能指標（如大深度等）不斷趕超國外先進水平。然而，由于我國水下滑翔機技術的發展起步較晚，研究基礎薄弱，在平臺單體技術、協作組網觀測和應用研究等方面與國外先進技術相比仍有較大差距，創新發展步伐有待加快，具體建議如下：
首先，在已有技術的基礎上, 進一步加強核心關鍵技術攻關, 加快單體水下滑翔機的技術改進和優化升級。重點在低功耗設計、最優路徑規劃與控制策略算法、多參數獲取及搭載能力、數據質量標準和信息安全傳輸等方面加強研究攻關, 增強水下滑翔機應對強背景流場等復雜海況、復雜海底地形環境下的長航程實海探測與操控能力; 提高任務重構、協同控制等方面的人機交互水平，為各類用戶提供廣泛、連續、長期、穩定、可靠、低成本的數據流和數據鏈路。
其次，在前期技術經驗積累的基礎上，加強多水下滑翔機編隊協同組網觀測技術研究，提升水下滑翔機整體作業效率和觀測及探測效果。結合科學研究、資源環境調查及目標探測等國家戰略需求，開展多水下滑翔機移動分布式節點的水下互聯互通、自適應采樣、多機協調編隊及快速機動組網等技術攻關，增強水下滑翔機大規模集群觀測與探測能力，特別是加強與水下異構節點的組網觀測，并逐步從水面水下拓展到海、陸、空、天組建一體化觀測信息網絡，在水下滑翔機和其他異構節點種類及數量規模、組網觀測覆蓋范圍、多機任務規劃、系統穩定性、觀測效率及業務化等方面不斷提升水下滑翔機綜合協同組網觀測能力和水平。
