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水下滑翔機原理與應(yīng)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(fā)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(diào)整自身浮力來實現(xiàn)升沉...
水下滑翔機(Underwater Glider,UG)是一種水下機器人，它通過調(diào)整自身浮力來實現(xiàn)升沉，通過調(diào)整兩翼的凈浮力和姿態(tài)角來獲得推進力，實現(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、長時間連續(xù)進行海洋環(huán)境觀測與探測的優(yōu)勢，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、生態(tài)環(huán)境調(diào)查和海洋安全保障等工作。水下滑翔機為海洋大數(shù)據(jù)分析、數(shù)值預(yù)報等重要應(yīng)用領(lǐng)域提供了現(xiàn)場準實時測量數(shù)據(jù)。水下滑翔機在軍事和國防領(lǐng)域也發(fā)揮著重要作用。
水下滑翔機的研究內(nèi)容涉及水下無人平臺結(jié)構(gòu)與水動力、水下定位與導(dǎo)航、自主控制、動力推進、任務(wù)載荷、任務(wù)自適應(yīng)規(guī)劃、數(shù)據(jù)傳輸與通信、目標自主探測與跟蹤、目標屬性自主判別及共性基礎(chǔ)技術(shù)等領(lǐng)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(lǐng)域，其在環(huán)境觀測型水下滑翔機技術(shù)基礎(chǔ)上, 綜合考慮了平臺電磁兼容性及聲學(xué)特性, 搭載聲學(xué)傳感器及信號處理系統(tǒng), 具備海洋環(huán)境噪聲采集、水聲信號采集、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)域移動目標自主探測、跟蹤、屬性判別和信息回傳等任務(wù)。
國外發(fā)展現(xiàn)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(shù)的先驅(qū)者和領(lǐng)導(dǎo)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(yīng)用最為廣泛的水下滑翔機產(chǎn)品之一。目前國外水下滑翔機的最大設(shè)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(xù)航行221天, 航程達7409.6千米，完成了橫渡大西洋的任務(wù)。隨著水下滑翔機單體技術(shù)的成熟和多機協(xié)同觀測、網(wǎng)絡(luò)觀測技術(shù)的快速發(fā)展，美國從20世紀90年代開始建立自主海洋采樣網(wǎng)（Autonomous Ocean Sampling Network, AOSN），并進行了一系列技術(shù)升級和應(yīng)用試驗。水下滑翔機的網(wǎng)絡(luò)觀測已納入綜合海洋觀測系統(tǒng)（Integrated Ocean Observing System, IOOS）網(wǎng)絡(luò)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(jiān)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(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用于探測水下噪聲。結(jié)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(xiàn)同時協(xié)同控制50臺水下滑翔機實施水下環(huán)境預(yù)測，正計劃同時部署100臺水下滑翔機集群作業(yè)（目前可能已經(jīng)完成, 但未見可信報道）；歐洲水下滑翔機觀測網(wǎng)(European Gliding Observatories, EGO)已陸續(xù)布放了超過300臺水下滑翔機執(zhí)行各種海洋觀測任務(wù)，實時采集大西洋海域內(nèi)海洋剖面數(shù)據(jù)信息等。水下滑翔機協(xié)作與編隊觀測技術(shù)已廣泛應(yīng)用于國際上幾乎所有重要的海洋觀測系統(tǒng)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(xué)應(yīng)用物理實驗室合作設(shè)計的翼身融合水下聲學(xué)滑翔機（XRay和ZRay）, 采用翼身融合結(jié)構(gòu)，可實現(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和定位能力。該滑翔機利用獨特的翼身融合設(shè)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(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任務(wù)。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(tǒng)；該水下聲學(xué)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(zhàn)系統(tǒng)中心設(shè)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(shù)字監(jiān)控自主檢測分類系統(tǒng)。該水下聲學(xué)滑翔機可以1～3節(jié)的航速續(xù)航6個月，其設(shè)計初衷是用來跟蹤和自動識別海洋哺乳動物，目前已應(yīng)用于圣地亞哥海底被動聲學(xué)自主監(jiān)測海洋哺乳動物項目(Passive Acoustic Autonomous Monitoring of Marine Mammals Program)。由于其優(yōu)異的聲學(xué)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(jiān)視網(wǎng)(Persistent Littoral Undersea Surveillance Network, PlusNet)的一部分。
國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀
水下滑翔機在我國的發(fā)展始于21世紀初。天津大學(xué)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(lǐng)域“開拓深遠?！睉?zhàn)略的實施，有關(guān)水下滑翔機的國家重大科技攻關(guān)計劃得到安排部署。2006年，國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)海洋技術(shù)領(lǐng)域的“海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)”專題里作為目標導(dǎo)向支持啟動了國內(nèi)第一個水下滑翔機海上試驗樣機的研制(設(shè)計巡航里程為500千米、最大下潛深度為500米)，由中國科學(xué)院沈陽自動化研究所牽頭組織研發(fā)，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(zhàn)略重點圍繞強化深遠海環(huán)境監(jiān)測、深海探測與作業(yè)能力和支撐沿海藍色經(jīng)濟、戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展兩條主線不斷深入，突出解決我國深遠海環(huán)境監(jiān)測及資源開發(fā)面臨的技術(shù)裝備手段缺乏的問題。而水下滑翔機以其能夠?qū)崿F(xiàn)大尺度范圍、長時間連續(xù)觀測等突出優(yōu)勢，再次成為海洋領(lǐng)域發(fā)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(fā)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(xué)探測）水下滑翔機的研制，設(shè)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(xiàn)優(yōu)異，達到考核指標的要求。
我國在水下滑翔機單機技術(shù)方面的研發(fā)成果顯著。西北工業(yè)大學(xué)基于飛翼滑翔機研發(fā)了搭載多元聲壓陣列的飛翼滑翔機聲學(xué)探測系統(tǒng)，并進行了湖上測試。哈爾濱工程大學(xué)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(dǎo)流罩和尾翼各安裝1個水聽器構(gòu)成4元聲學(xué)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(tǒng)的探測能力進行驗證。試驗期間，水下聲學(xué)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(shù)據(jù)進行分析，其結(jié)果表明，該聲學(xué)感知單元可有效接收低頻聲源發(fā)射的噪聲數(shù)據(jù)。
未來發(fā)展展望
盡管水下滑翔機技術(shù)近年來在我國得到了快速發(fā)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(shù)的發(fā)展起步較晚，研究基礎(chǔ)薄弱，在平臺單體技術(shù)、協(xié)作組網(wǎng)觀測和應(yīng)用研究等方面與國外先進技術(shù)相比仍有較大差距，創(chuàng)新發(fā)展步伐有待加快，具體建議如下：
首先，在已有技術(shù)的基礎(chǔ)上, 進一步加強核心關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān), 加快單體水下滑翔機的技術(shù)改進和優(yōu)化升級。重點在低功耗設(shè)計、最優(yōu)路徑規(guī)劃與控制策略算法、多參數(shù)獲取及搭載能力、數(shù)據(jù)質(zhì)量標準和信息安全傳輸?shù)确矫婕訌娧芯抗リP(guān), 增強水下滑翔機應(yīng)對強背景流場等復(fù)雜海況、復(fù)雜海底地形環(huán)境下的長航程實海探測與操控能力; 提高任務(wù)重構(gòu)、協(xié)同控制等方面的人機交互水平，為各類用戶提供廣泛、連續(xù)、長期、穩(wěn)定、可靠、低成本的數(shù)據(jù)流和數(shù)據(jù)鏈路。
其次，在前期技術(shù)經(jīng)驗積累的基礎(chǔ)上，加強多水下滑翔機編隊協(xié)同組網(wǎng)觀測技術(shù)研究，提升水下滑翔機整體作業(yè)效率和觀測及探測效果。結(jié)合科學(xué)研究、資源環(huán)境調(diào)查及目標探測等國家戰(zhàn)略需求，開展多水下滑翔機移動分布式節(jié)點的水下互聯(lián)互通、自適應(yīng)采樣、多機協(xié)調(diào)編隊及快速機動組網(wǎng)等技術(shù)攻關(guān)，增強水下滑翔機大規(guī)模集群觀測與探測能力，特別是加強與水下異構(gòu)節(jié)點的組網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)，在水下滑翔機和其他異構(gòu)節(jié)點種類及數(shù)量規(guī)模、組網(wǎng)觀測覆蓋范圍、多機任務(wù)規(guī)劃、系統(tǒng)穩(wěn)定性、觀測效率及業(yè)務(wù)化等方面不斷提升水下滑翔機綜合協(xié)同組網(wǎng)觀測能力和水平。
水下滑翔機的研究內(nèi)容涉及水下無人平臺結(jié)構(gòu)與水動力、水下定位與導(dǎo)航、自主控制、動力推進、任務(wù)載荷、任務(wù)自適應(yīng)規(guī)劃、數(shù)據(jù)傳輸與通信、目標自主探測與跟蹤、目標屬性自主判別及共性基礎(chǔ)技術(shù)等領(lǐng)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(lǐng)域，其在環(huán)境觀測型水下滑翔機技術(shù)基礎(chǔ)上, 綜合考慮了平臺電磁兼容性及聲學(xué)特性, 搭載聲學(xué)傳感器及信號處理系統(tǒng), 具備海洋環(huán)境噪聲采集、水聲信號采集、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)域移動目標自主探測、跟蹤、屬性判別和信息回傳等任務(wù)。
國外發(fā)展現(xiàn)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(shù)的先驅(qū)者和領(lǐng)導(dǎo)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(yīng)用最為廣泛的水下滑翔機產(chǎn)品之一。目前國外水下滑翔機的最大設(shè)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(xù)航行221天, 航程達7409.6千米，完成了橫渡大西洋的任務(wù)。隨著水下滑翔機單體技術(shù)的成熟和多機協(xié)同觀測、網(wǎng)絡(luò)觀測技術(shù)的快速發(fā)展，美國從20世紀90年代開始建立自主海洋采樣網(wǎng)（Autonomous Ocean Sampling Network, AOSN），并進行了一系列技術(shù)升級和應(yīng)用試驗。水下滑翔機的網(wǎng)絡(luò)觀測已納入綜合海洋觀測系統(tǒng)（Integrated Ocean Observing System, IOOS）網(wǎng)絡(luò)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(jiān)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(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用于探測水下噪聲。結(jié)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(xiàn)同時協(xié)同控制50臺水下滑翔機實施水下環(huán)境預(yù)測，正計劃同時部署100臺水下滑翔機集群作業(yè)（目前可能已經(jīng)完成, 但未見可信報道）；歐洲水下滑翔機觀測網(wǎng)(European Gliding Observatories, EGO)已陸續(xù)布放了超過300臺水下滑翔機執(zhí)行各種海洋觀測任務(wù)，實時采集大西洋海域內(nèi)海洋剖面數(shù)據(jù)信息等。水下滑翔機協(xié)作與編隊觀測技術(shù)已廣泛應(yīng)用于國際上幾乎所有重要的海洋觀測系統(tǒng)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(xué)應(yīng)用物理實驗室合作設(shè)計的翼身融合水下聲學(xué)滑翔機（XRay和ZRay）, 采用翼身融合結(jié)構(gòu)，可實現(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和定位能力。該滑翔機利用獨特的翼身融合設(shè)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(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任務(wù)。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(tǒng)；該水下聲學(xué)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(zhàn)系統(tǒng)中心設(shè)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(shù)字監(jiān)控自主檢測分類系統(tǒng)。該水下聲學(xué)滑翔機可以1～3節(jié)的航速續(xù)航6個月，其設(shè)計初衷是用來跟蹤和自動識別海洋哺乳動物，目前已應(yīng)用于圣地亞哥海底被動聲學(xué)自主監(jiān)測海洋哺乳動物項目(Passive Acoustic Autonomous Monitoring of Marine Mammals Program)。由于其優(yōu)異的聲學(xué)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(jiān)視網(wǎng)(Persistent Littoral Undersea Surveillance Network, PlusNet)的一部分。
國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀
水下滑翔機在我國的發(fā)展始于21世紀初。天津大學(xué)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(lǐng)域“開拓深遠?！睉?zhàn)略的實施，有關(guān)水下滑翔機的國家重大科技攻關(guān)計劃得到安排部署。2006年，國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)海洋技術(shù)領(lǐng)域的“海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)”專題里作為目標導(dǎo)向支持啟動了國內(nèi)第一個水下滑翔機海上試驗樣機的研制(設(shè)計巡航里程為500千米、最大下潛深度為500米)，由中國科學(xué)院沈陽自動化研究所牽頭組織研發(fā)，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(zhàn)略重點圍繞強化深遠海環(huán)境監(jiān)測、深海探測與作業(yè)能力和支撐沿海藍色經(jīng)濟、戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展兩條主線不斷深入，突出解決我國深遠海環(huán)境監(jiān)測及資源開發(fā)面臨的技術(shù)裝備手段缺乏的問題。而水下滑翔機以其能夠?qū)崿F(xiàn)大尺度范圍、長時間連續(xù)觀測等突出優(yōu)勢，再次成為海洋領(lǐng)域發(fā)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(fā)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(xué)探測）水下滑翔機的研制，設(shè)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(xiàn)優(yōu)異，達到考核指標的要求。
我國在水下滑翔機單機技術(shù)方面的研發(fā)成果顯著。西北工業(yè)大學(xué)基于飛翼滑翔機研發(fā)了搭載多元聲壓陣列的飛翼滑翔機聲學(xué)探測系統(tǒng)，并進行了湖上測試。哈爾濱工程大學(xué)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(dǎo)流罩和尾翼各安裝1個水聽器構(gòu)成4元聲學(xué)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(tǒng)的探測能力進行驗證。試驗期間，水下聲學(xué)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(shù)據(jù)進行分析，其結(jié)果表明，該聲學(xué)感知單元可有效接收低頻聲源發(fā)射的噪聲數(shù)據(jù)。
未來發(fā)展展望
盡管水下滑翔機技術(shù)近年來在我國得到了快速發(fā)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(shù)的發(fā)展起步較晚，研究基礎(chǔ)薄弱，在平臺單體技術(shù)、協(xié)作組網(wǎng)觀測和應(yīng)用研究等方面與國外先進技術(shù)相比仍有較大差距，創(chuàng)新發(fā)展步伐有待加快，具體建議如下：
首先，在已有技術(shù)的基礎(chǔ)上, 進一步加強核心關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān), 加快單體水下滑翔機的技術(shù)改進和優(yōu)化升級。重點在低功耗設(shè)計、最優(yōu)路徑規(guī)劃與控制策略算法、多參數(shù)獲取及搭載能力、數(shù)據(jù)質(zhì)量標準和信息安全傳輸?shù)确矫婕訌娧芯抗リP(guān), 增強水下滑翔機應(yīng)對強背景流場等復(fù)雜海況、復(fù)雜海底地形環(huán)境下的長航程實海探測與操控能力; 提高任務(wù)重構(gòu)、協(xié)同控制等方面的人機交互水平，為各類用戶提供廣泛、連續(xù)、長期、穩(wěn)定、可靠、低成本的數(shù)據(jù)流和數(shù)據(jù)鏈路。
其次，在前期技術(shù)經(jīng)驗積累的基礎(chǔ)上，加強多水下滑翔機編隊協(xié)同組網(wǎng)觀測技術(shù)研究，提升水下滑翔機整體作業(yè)效率和觀測及探測效果。結(jié)合科學(xué)研究、資源環(huán)境調(diào)查及目標探測等國家戰(zhàn)略需求，開展多水下滑翔機移動分布式節(jié)點的水下互聯(lián)互通、自適應(yīng)采樣、多機協(xié)調(diào)編隊及快速機動組網(wǎng)等技術(shù)攻關(guān)，增強水下滑翔機大規(guī)模集群觀測與探測能力，特別是加強與水下異構(gòu)節(jié)點的組網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)，在水下滑翔機和其他異構(gòu)節(jié)點種類及數(shù)量規(guī)模、組網(wǎng)觀測覆蓋范圍、多機任務(wù)規(guī)劃、系統(tǒng)穩(wěn)定性、觀測效率及業(yè)務(wù)化等方面不斷提升水下滑翔機綜合協(xié)同組網(wǎng)觀測能力和水平。
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