水下滑翔机原理与应用

方尔正 周子凌 桂晨阳 /文

水下滑翔机(Underwater Glider,UG)是一种水下机器人，它通过调整自身浮力来实现升沉，通过调整两翼的净浮力和姿态角来获得推进力，实现水下滑翔并收集水下信息。它具有能源利用效率高、噪音低,大范围、长时间连续进行海洋环境观测与探测的优势，适用于“中尺度”及以上甚至部分“亚中尺度”的物理海洋现象观测、生态环境调查和海洋安全保障等工作。水下滑翔机为海洋大数据分析、数值预报等重要应用领域提供了现场准实时测量数据。水下滑翔机在军事和国防领域也发挥着重要作用。

水下滑翔机的研究内容涉及水下无人平台结构与水动力、水下定位与导航、自主控制、动力推进、任务载荷、任务自适应规划、数据传输与通信、目标自主探测与跟踪、目标属性自主判别及共性基础技术等领域，是国际上研究的热点。水下滑翔机属于水下无人平台自主探测的研究领域，其在环境观测型水下滑翔机技术基础上,综合考虑了平台电磁兼容性及声学特性,搭载声学传感器及信号处理系统,具备海洋环境噪声采集、水声信号采集、声纹记录、数据处理及上浮通信等功能,可用于完成敏感海域或拒止区域移动目标自主探测、跟踪、属性判别和信息回传等任务。

国外发展现状

国外早在20 世纪90 年代初就开展了水下滑翔机的研究工作，美国一直是该技术的先驱者和领导者。1989 年，美国的Henry Stommel 首次提出“水下滑翔机”的概念。1991 年,美国Teledyne Webb Research(TWR)公司研制成功首台Slocum 水下滑翔机，目前，已成为应用最为广泛的水下滑翔机产品之一。目前国外水下滑翔机的最大设计巡航里程已达10000 千米,美国Slocum 水下滑翔机早在2009 年就连续航行221 天,航程达7409.6 千米，完成了横渡大西洋的任务。随着水下滑翔机单体技术的成熟和多机协同观测、网络观测技术的快速发展，美国从20世纪90 年代开始建立自主海洋采样网（Autonomous Ocean Sampling Network,AOSN），并 进 行 了一系列技术升级和应用试验。水下滑翔机的网络观测已纳入综合海洋观测系统（Integrated Ocean Observing System,IOOS）网络计划。2010 年5 月7 日，葡萄牙研究人员在西太平洋劳盆地(Lau Basin)北部部署了一架装有水听器的Slocum 水下滑翔机，用于监测西马塔(West Mata)的海底火山，记录声波振幅随距离变化的情况，并证明了地质变化将使该地区噪声水平上升。2013 年5 月，葡萄牙阿尔加维大学在葡萄牙海岸部署了配备SR-1 水听器的Slocum 用于探测水下噪声。结果表明，该方法能在时间和空间尺度上有效地检测水下噪声。2018 年4 月，美国海军海洋局(Naval Oceanographic Office)实现同时协同控制50 台水下滑翔机实施水下环境预测，正计划同时部署100 台水下滑翔机集群作业（目前可能已经完成,但未见可信报道）；欧洲水下滑翔机观测网(European Gliding Observatories,EGO)已陆续布放了超过300台水下滑翔机执行各种海洋观测任务，实时采集大西洋海域内海洋剖面数据信息等。水下滑翔机协作与编队观测技术已广泛应用于国际上几乎所有重要的海洋观测系统和海洋观测计划中。

搭载水听器的Slocum

Xray 和Zray 水下声学滑翔器

美国斯克里普斯海洋研究所海洋物理实验室和华盛顿大学应用物理实验室合作设计的翼身融合水下声学滑翔机（XRay 和ZRay）,采用翼身融合结构，可实现翼展水平距离最大化和功率消耗最小化，最大限度地提高其探测和定位能力。该滑翔机利用独特的翼身融合设计可获得较快的水下航行速度，使升力面积最大且增加了内部体积，可用携带战术有关的声学传感器，使其适合于警戒和其他遥测任务。ZRay 的两机翼前缘中安装了1 个27 元水听器阵列，水听器工作频带10 赫兹～15 千赫，阵列信号输出到1 个实时检测/定位和记录系统；该水下声学滑翔机同时搭载有矢量水听器，频率为20 赫兹～2 千赫。除此以外，ZRay 还尝试拖曳1 个32 元拖曳线列阵，该阵列由太平洋空间和海军作战系统中心设计和建造，并将配备1 个来自伍兹霍尔海洋研究所的3 通道低（10 赫兹～7.5 千赫）、中（100 赫兹～50 千赫）、高（1 千赫～160 千赫）频数字监控自主检测分类系统。该水下声学滑翔机可以1～3 节的航速续航6 个月，其设计初衷是用来跟踪和自动识别海洋哺乳动物，目前已应用于圣地亚哥海底被动声学自主监测海洋哺乳动物项目(Passive Acoustic Autonomous Monitoring of Marine Mammals Program)。由于其优异的声学探测性能，ZRay 还可用来探测安静级柴电潜艇，是美军持久性沿海海底监视网(Persistent Littoral Undersea Surveillance Network,PlusNet)的一部分。

国内发展现状

水下滑翔机在我国的发展始于21 世纪初。天津大学科研团队于2002 年启动了第一代水下滑翔机样机的研制，是我国第一个探索水下滑翔机研究工作的团队。随着“十一五”海洋领域“开拓深远海”战略的实施，有关水下滑翔机的国家重大科技攻关计划得到安排部署。2006 年，国家高技术研究发展计划(863计划)海洋技术领域的“海洋环境监测技术”专题里作为目标导向支持启动了国内第一个水下滑翔机海上试验样机的研制(设计巡航里程为500 千米、最大下潜深度为500 米)，由中国科学院沈阳自动化研究所牵头组织研发，并于国家“十一五”末在我国南海开展了海上试验验证工作。

“十二五”期间，“挺进深远海”战略重点围绕强化深远海环境监测、深海探测与作业能力和支撑沿海蓝色经济、战略性新兴产业发展两条主线不断深入，突出解决我国深远海环境监测及资源开发面临的技术装备手段缺乏的问题。而水下滑翔机以其能够实现大尺度范围、长时间连续观测等突出优势，再次成为海洋领域发展的重点方向。与此同时，国家863 计划大幅增加了水下滑翔机的研发投入，通过主题项目启动了4 型（包括电能、混合推进型、喷水推进型和声学探测）水下滑翔机的研制，设计巡航里程为1000 千米，工作水深范围1000～1500 米，其中多型样机在海上试验中表现优异，达到考核指标的要求。

“海燕-L”长航程水下滑翔机

我国在水下滑翔机单机技术方面的研发成果显著。西北工业大学基于飞翼滑翔机研发了搭载多元声压阵列的飞翼滑翔机声学探测系统，并进行了湖上测试。哈尔滨工程大学利用“海燕”水下滑翔机共装载了4 个声压水听器，在滑翔机左翼、右翼、前导流罩和尾翼各安装1 个水听器构成4 元声学感知单元，并在南海海域进行了海上试验，利用73 赫兹低频声源信号对系统的探测能力进行验证。试验期间，水下声学滑翔机共完成17 个剖面的性能测试，其中滑翔机控制功能测试3 个剖面，噪声特性测试7 个剖面，低频声源信号探测能力测试7 个剖面，平台最大下潜深度1000 米。通过对记录的噪声数据进行分析，其结果表明，该声学感知单元可有效接收低频声源发射的噪声数据。

未来发展展望

尽管水下滑翔机技术近年来在我国得到了快速发展，一些功能性能指标（如大深度等）不断赶超国外先进水平。然而，由于我国水下滑翔机技术的发展起步较晚，研究基础薄弱，在平台单体技术、协作组网观测和应用研究等方面与国外先进技术相比仍有较大差距，创新发展步伐有待加快，具体建议如下：

首先，在已有技术的基础上,进一步加强核心关键技术攻关,加快单体水下滑翔机的技术改进和优化升级。重点在低功耗设计、最优路径规划与控制策略算法、多参数获取及搭载能力、数据质量标准和信息安全传输等方面加强研究攻关,增强水下滑翔机应对强背景流场等复杂海况、复杂海底地形环境下的长航程实海探测与操控能力；提高任务重构、协同控制等方面的人机交互水平，为各类用户提供广泛、连续、长期、稳定、可靠、低成本的数据流和数据链路。

其次，在前期技术经验积累的基础上，加强多水下滑翔机编队协同组网观测技术研究，提升水下滑翔机整体作业效率和观测及探测效果。结合科学研究、资源环境调查及目标探测等国家战略需求，开展多水下滑翔机移动分布式节点的水下互联互通、自适应采样、多机协调编队及快速机动组网等技术攻关，增强水下滑翔机大规模集群观测与探测能力，特别是加强与水下异构节点的组网观测，并逐步从水面水下拓展到海、陆、空、天组建一体化观测信息网络，在水下滑翔机和其他异构节点种类及数量规模、组网观测覆盖范围、多机任务规划、系统稳定性、观测效率及业务化等方面不断提升水下滑翔机综合协同组网观测能力和水平。

最后，加强水下滑翔机观测的功能拓展和海洋科学应用研究。重点解决目前水下滑翔机机构类型、作业模式、观测功能单一,载荷搭载能力弱,与实际应用结合不够紧密的问题。如结合仿生原理积极探索异构新概念水下滑翔机及混合能源（如温差能、盐差能等）推进型水下滑翔机，提高复杂海洋环境下的适应能力；研究大型高速水下滑翔机（如大翼展水下滑翔机等）,提高多参数传感器快速观测能力；积极引入互联网、人工智能和大数据分析等技术，提升水下滑翔机智能信息感知、自主判别决策、人机快速协同和处理突发紧急情况的应对能力；此外，在物理海洋和生物地球化学等领域积极开展科学研究，加强与相关行业部门及地方的结合，拓展应用业务领域。