水下实时观测潜标系统技术发展

李 楠，黄汉清，2，赵 晓

（1.青岛海洋科学与技术试点国家实验室，山东 青岛 266237；2.中国船舶重工集团有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003）

0 引言

潜标是海洋环境监测中应用最广泛的装备之一。潜标整体位于水面以下，通过锚系固定在特定位置，通过架装在不同深度的传感器可实现全水深、定点、长期、连续、多层次、多要素同步观测，具有隐蔽性好、不易被破坏等优点[1]。海洋科技强国的潜标技术已趋成熟，形成了功能多样的产品系列，实现了业务化运行。然而，潜标通常以自容方式存储观测数据，需在观测周期（一般为数月至数年）结束并对潜标实施回收后方能获取观测数据，信息时效性较差。随着我国海洋强国及一带一路战略的实施，在海洋科学研究、经济建设及国防安全等领域对实时海洋环境感知能力提出了迫切需求，如何实现水下观测数据实时传输成为亟待解决的问题。

针对实时、定点、长期海洋环境观测需求，以潜标技术为基础，开展水下观测数据实时传输技术研究，通过水下绞车、自升降通信浮标、水下滑翔机及波浪滑翔器等多种技术途径，研制水下实时观测系统，实现观测数据实时/准实时稳定可靠传输，可为海洋环境监测、预报及国防安全保障等提供技术支撑。

1 研究现状

美国从20世纪50年代开始研究潜标技术，前苏联、英国、加拿大等国家迅速跟进。经过几十年的发展，国外的实时传输潜标技术日臻成熟。

美国在 20世纪 80年代就开始尝试实时获取CTD（盐度、温度、深度）和流速等数据。1986年，美国新罕布什尔大学利用磁感应传输对缅因湾口的水下CTD数据进行了实时获取，在6个月时间内获取了水深270 m的CTD数据[2]。通过磁感应传输获取水下数据具有较高的功耗效率比，但设备之间需通过钢缆连接，连接缆重力较大，需要匹配浮力设备，不适合长距离的水下数据实时传输[3]。1990年，美国Woods Hole海洋研究所尝试采用水声通信技术将水下设备数据传输至浮标，然后通过卫星中继传送到岸站。该系统测试了水下300 m、1 500 m和2 900 m三套设备，仅有1 500 m水深的通信机正常工作。美国国家大气海洋管理局也开展了利用水声通信获取水下温盐深流等参数的实验，采用非相干点对点通信，速率600 bit/s，工作时长5个月[4]。1994年，美国“百慕大试验站锚泊系统”（BTM）实现了潜标数据远程无线传输，其潜标挂载的水下仪器通过感应耦合传输，利用一根单芯锚泊缆将数据传输到海面浮标，浮标通过Argos卫星将数据传送至岸站，也可在调查船靠近BTM 浮标时通过无线电通信下载数据[5]。法国于90年代末研制出利用浮力调节驱动剖面测量平台的 YOYO系统，其工作原理是通过改变平台内部油囊的体积来改变剖面测量平台的净浮力，达到升降运动的目的。该系统工作深度为1 000 m，采集的数据可通过声通系统发送至海表浮标，然后浮标将数据通过卫星发送到岸站[6]。美国国家科学基金会2009年启动OOI（Ocean Observatories Initiative）观测网，其潜标准实时通讯方式有2种：一种是通过海底电缆传输[7]；另一种是通过水下滑翔机中继传输。前者仅适用于近岸观测，后者则适用于密集分布的潜标阵列，对于单套潜标或空间距离较大的阵列则不适用。华盛顿大学研发了浮子式准实时潜标，主要应用于浅海观测[8]。加拿大ODIM Brooke Ocean公司研制了 SeaCycler升降式潜标系统图 1（a），利用水下绞车控制卫星通信浮子的上下运动，在设定的通信时间将浮子释放浮至水面进行数据传输，在其它时间由水下绞车带动浮子下沉至海面以下[9]。美国WET Labs公司研制的Thetis观测系统也采用类似的工作方式。日本NGK OCEAN公司研制的海洋潜标观测系统图 1（b）具有锚系和座底 2种状态，使用了流线形浮体及水下绞车技术，可以控制浮标上浮出水后通过卫星将数据传送到岸站[10]。美国InterOcean Systems公司也开发了应用于潜标的水下绞车图1（c）[11]。

图1 加拿大ODIM Brooke Ocean公司（a）、日本NGK OCEAN公司（b）和美国InterOcean Systems公司（c）实时传输潜标Fig.1 Real-time transmission submerged buoys of（a）Canadian ODIM Brooke Ocean Company，（b）Japanese NGK OCEAN Company and（c）American InterOcean Systems Company

我国潜标研制工作起步较晚，但发展迅速，开展潜标研制的单位主要有中国船舶七一〇所、国家海洋技术中心、海洋局一所、中科院海洋所、山东省科学院海洋仪器仪表所和中国海洋大学等。我国已基本掌握潜标观测的核心关键技术，并在数据实时传输方面有了较大突破。2002年，中国船舶七一〇所研发了浮子式实时/准实时潜标观测系统。该潜标配有多台卫星通信浮子，通过释放浮子至海面进行实时卫星数据传输，一旦浮子信号传输发生故障，主控单元控制水下切割信号缆将失灵的浮标抛弃，再释放另外一个通信浮标，实现观测数据的接力传输[12]。“十一五”期间，中国海洋大学与中国船舶七一〇所合作对该型实时/准实时潜标进行了优化，并在南海成功开展了海试。2015年起，中科院海洋所研发了浮子式实时/准实时潜标观测系统并在西太平洋海域开展了规模化应用，于2019年实现了深海6 000 m实时数据传输[13]。中国海洋大学在“十二五”期间研制了深水定时卫星通信潜标系统，2015-2016年在西太平洋成功完成了系列海试，实现了观测数据的定时回传。该潜标主浮体上架装多个弹射抛弃式卫星通信浮标，按设定时序定时释放至海面，通过卫星进行数据传输[14]。

2 水下实时观测系统方案

随着卫星、无线电和水声等通信技术的发展及应用，目前已能够实现潜标观测数据的实时﹑长距离传输。实时传输潜标的数据传输链路通常为：1）由传感器到数据采集器，一般在水下水密仪器舱中完成；2）由水下数据采集器传输到水面通信设备，可通过线缆或水声通信方式传输；3）由水面通信设备传输到岸站数据接收终端，一般通过卫星通信方式实现。

以潜标技术为基础，通过水下绞车控制卫星通信浮标的方式可实现水下观测数据实时传输；自升降通信浮标也可作为水面通信中继设备；还可利用水下滑翔机/波浪滑翔器作为传输中继节点，实现观测数据的机动实时传输（图 2）。结合上述技术途径，设计了4型水下实时观测系统，为水下环境实时定点长期观测提供综合解决方案。图2中：a为基于水下绞车的水下实时观测系统，b为基于自升降通信浮标的水下实时观测系统，c为基于水下滑翔机的水下实时观测系统，d为基于波浪滑翔器的水下实时观测系统。

图2 水下实时观测系统Fig.2 Scheme of underwater real-time observation system

2.1 基于水下绞车的水下实时观测系统

2.1.1 工作原理

基于水下绞车的水下实时观测系统可通过水下绞车收放卫星通信浮标，需要传输数据时，启动水下绞车释放铠装通信缆使卫星通信浮标上浮出水，通过卫星将数据传回岸站。完成数据传输后，通过水下绞车将卫星通信浮标收到水下设定深度。卫星通信浮标沉到水下后，可通过铠装通信缆或水声通信方式与数据传输控制模块进行通信，传输观测数据。

2.1.2 系统组成

基于水下绞车的水下实时观测系统主要由主浮体、水下绞车装置、锚泊系留装置、卫星通信浮标和陆上设备等组成。

主浮体包括固体浮力材料、结构框架、电池舱、电控舱及水声通信机等，为水下观测系统提供正浮力及能源，同时承担系统综合控制及数据传输任务。

图3 基于水下绞车的水下实时观测系统组成Fig.3 Composition diagram of underwater real-time observation system based on underwater winch

水下绞车装置是该系统的关键组成部分，负责驱动卫星通信浮标的上浮下潜动作。水下绞车装置安装在主浮体中，与主浮体的电池电控舱通过水密接插件连接，采用 RS232进行通信。水下绞车装置使用铠装通信缆与卫星通信浮标进行数据传输。考虑到铠装通信缆在涌浪长期作用下有可能损坏，为保证数据传输的可靠性，安装水声通信机作为备选的数据传输手段。

锚泊系留装置包括压载锚、系留缆和应答释放器等，可将水下观测系统系留在固定位置。

卫星通信浮标内有浮标控制模块、水声通信机和卫星通信模块等。该浮标接收电缆或水声通信机发送的数据，在浮标检测出水后，通过卫星将数据传输至岸站。完成数据传输后，反馈给主浮体下潜指令。主浮体控制单元接收指令后控制绞车驱动浮标下潜到设定深度（通常为水下 50 m），以避免海况及人为因素损坏卫星通信浮标。

陆上设备包括岸站控制系统和释放器甲板单元等。岸站控制系统负责接收、处理卫星传回的数据。释放器甲板单元在系统回收时控制声学释放器动作，释放压载锚，使系统在自身正浮力作用下浮出水面。

2.2 基于自升降通信浮标的水下实时观测系统

2.2.1 工作原理

自升降通信浮标可通过浮力调节实现上浮下潜动作。通过液压泵将液压油从浮标内油箱排至外油囊，增大浮标排水体积，提供浮力使浮标上浮，浮标出水后通过卫星将数据传输至岸站。完成数据传输后，浮标将外油囊内的液压油抽入浮标内油箱，减小浮标排水体积，将自身调节为负浮力并下沉到水下设定深度处悬停漂行。浮标沉至水下后，可通过水声通信方式与数据传输控制模块通信，传输观测数据。

2.2.2 系统组成

基于自升降通信浮标的水下实时观测系统由主浮体、锚泊系留装置、自升降卫星通信浮标和陆上设备等组成。

主浮体及锚泊系留装置与基于水下绞车的水下实时观测系统一致，负责综合控制、数据采集、数据处理、数据发送、锚泊及系留等。

图4 基于自升降通信浮标的水下实时观测系统组成Fig.4 Composition diagram of underwater real-time observation system based on self-lifting communication buoy

自升降卫星通信浮标由浮力调节装置、浮标控制模块、卫星通信模块和水声通信机等组成。自升降通信浮标是在剖面漂流浮标的基础上改进而来，通过浮力调节实现上浮下潜，可极大地节省能耗，并为水声通信机提供更长的工作时间。浮力调节装置通过电机驱动活塞在液压缸内上下移动实现充排油过程，控制浮标上浮下潜。控制模块发送指令控制浮标上浮，在近海面时，向浮标油囊充油，提供更多浮力确保浮标出水高度，增强浮标抗风浪能力并提高卫星通信成功率。浮标检测出水后，通过卫星通信将数据发送到岸站。数据传输完毕后，控制模块控制浮标下潜到设定深度（通常为水下50 m）悬停漂行，等待下一次的数据传输。

2.3 基于水下滑翔机的水下实时观测系统

水下滑翔机可根据设定航路到达潜标所在位置，作为通信中继节点通过水声通信接收潜标观测数据。水下滑翔机出水后，将观测数据通过卫星传回岸站。水下滑翔机可在设定区域机动游弋，需要传输数据时，则返回潜标附近通过水声通信方式传输数据。

2.4 基于波浪滑翔器的水下实时观测系统

波浪滑翔器具备虚拟锚泊能力，可动态锚泊于海面设定坐标位置，作为潜标的通信中继节点。当波浪滑翔器受风浪流的影响导致坐标发生偏差后，可通过其自身航行能力返回原有位置。潜标通过水声通信方式将水下观测数据发送至波浪滑翔器，波浪滑翔器接收数据后，通过其自身天线将数据通过卫星传回岸站。

3 水下数据实时传输关键技术

3.1 水下绞车技术

水下绞车是安装在水下观测系统上的无人值守机电一体化装置，通过内置电机驱动绳索或电缆收放，从而控制测量或通信平台的升降。水下绞车的主要功能是使通信浮标藏匿于水中不受台风、海浪或人为因素等的破坏，在需要传输数据时将通信浮标升至海面，通过卫星将数据发送到岸站。水下绞车是水下观测系统实现隐蔽、实时通信的关键技术。

3.1.1 水下动密封技术

水下绞车电机在海水中工作，需要防止电机平衡液从内部溢出以及海水进入电机内部，因此必须解决电机壳的静密封和输出轴的动密封等问题。壳体的静密封方面，由于电机采取动态压力补偿，用一道格莱圈即可实现。水下电机轴的动密封方面，常用的密封形式有油封、机械密封和 O形圈密封等。油封工作压力一般小于0.05 MPa，耐压型油封可达1～1.2 MPa，线速度＜15 m/s，结构简单，制作容易，安装腔体的结构紧凑，轴向尺寸小，密封性能好，能长时间保持密封效果，价格合理。机械密封结构复杂、庞大，成本较高。O形圈体积小、结构简单、成本低、工艺性能好，但易老化、使用寿命短。经研究，采用动态压力补偿方式进行密封。在电机内部充变压器油，压力油补偿器以橡胶软管替代。通过压力补偿方式减少电机轴处内外压差值，然后采用抗磨性高且带有一定补偿量的机械密封方式进行密封。该方式可以有效地防止电机内部的高压变压器油溢出或海水进入电机内部，提高了电机密封的可靠性。

3.1.2 水下绞车自动排缆技术

水下绞车在收放缆索过程中完全自主工作，与陆上绞车相比更加需要可靠的缆索自动收放技术。水下绞车有自由排缆和不排缆2种工作模式。图5所示为研制的带有机械排缆器的水下绞车。该绞车的排缆机构有双向丝杆，通过双头螺旋槽和滑块机构，使卷筒每转一圈，缆绳沿卷筒轴向移动一个绳距，并在卷筒两端自动换向。这种排缆器可保证缆绳大致均匀地散布在络车内。

图5 水下绞车Fig.5 Underwater winch

3.1.3 基于水下绞车的通信浮标控制技术

由于卫星通信浮标出水后受风浪流作用而持续运动并反复拉扯通信电缆，极易造成通信电缆内部通信缆的疲劳损伤，因此应尽量减少浮标出水时间。浮标出水后与卫星进行握手通信，握手成功后发送数据，数据发送完毕后反馈回主浮体控制模块，控制绞车驱动浮标潜入水下50 m处，该位置受表面洋流及浪涌影响较小。若2次握手不成功，则反馈给主浮体，控制绞车驱动浮标入水，存储的观测数据等待下次一并传输。

3.2 自升降通信浮标技术

自升降通信浮标是在剖面漂流浮标技术基础上研制，加装了水声通信机，增加了油囊浮力调节能力，扩充了电池组能源，并将通信采集模块扩展成数据采集、接收、发送为一体的多功能数据传输模块。通过调整浮标的工作流程，适应声通机的水下数据传输及出水后的卫星数据传输。加装声通机后系统耗电量增大，通过增加电池电量及合理配置供电模式来减小系统能耗，增加水下在位时长。升级控制模块，对浮标更改后的质浮心进行计算，开展配平及搭载性能测试，调整浮标的水下姿态，便于水下声通机数据传输。

图6 自升降通信浮标Fig.6 Self-lifting communication buoy

由于声通机在海面受声反射影响，通信成功率较低。另外，浮标出水后易受外界环境及人为因素破坏。在浮标出水完成数据传输后，控制浮标下潜至水下50 m深度处悬停漂行，等待下次数据传输。

3.3 基于机动平台的水下观测数据实时传输技术

开展水下滑翔机、波浪滑翔器等机动中继平台的虚拟锚泊技术以及水下观测系统基于机动中继平台的数据传输技术研究，针对水下滑翔机及波浪滑翔器搭载水声通信机开展适配性改进，通过水声通信实现水下观测系统与机动中继平台的数据传输，并以机动中继平台作为通信中继节点，将观测数据通过卫星传输至岸站。

3.3.1 水下滑翔机数据中继技术

以水下滑翔机作为通信中继节点实现观测数据实时传输，需要实现水下滑翔机的虚拟锚泊功能，可在一定范围内长期游弋，在受海流作用而漂移时能够航行返回设定位置以实施水声通信。另外，需要研究如何在水下滑翔机上适配搭载水声通信机并开展适应性改进，提供相应的机械安装和电气接口。由于水下滑翔机携带能源有限，需要增强电源管理，并开展低功耗设计工作，满足长期水下通信需求。

3.3.2 波浪滑翔器数据中继技术

以波浪滑翔器作为通信中继节点实现观测数据实时传输，需要突破波浪滑翔器的虚拟锚泊技术，尽量减少虚拟锚泊航行中的位置偏差，将波浪滑翔器控制在一个较小的范围内，从而提高水声通信可靠性和成功率。另外，需要研究如何在波浪滑翔器上适配搭载水声通信机并开展适应性改进，提供相应的机械安装和电气接口。

图7 中国船舶七一〇所水下滑翔机及波浪滑翔器Fig.7 Underwater glider and wave glider of No.710 R&D Institute，CSSC

4 水下观测数据实时传输功能验证试验

2019年 9月，搭载青岛海洋科学与技术试点国家实验室“问海计划”航次，在南海开展了水下观测数据实时传输功能验证试验。试验设备包括2套水下实时观测系统：1）基于水下绞车的水下实时观测系统；2）基于自升降通信浮标的水下实时观测系统。2套系统布放水深均超过2 800 m。基于水下绞车的水下实时观测系统完成了水下绞车水下运行测试和水下通信电缆数据传输链路测试。基于自升降通信浮标的水下实时观测系统完成了自升降通信浮标水下运行测试和水下声学通信链路测试。两系统合计完成50余个剖面运动后成功回收。通过海上试验，初步验证了2套水下实时观测系统的观测数据实时传输功能。

图8 水下实时观测系统海试Fig.8 Sea trial of underwater real-time observation system

5 结束语

目前几种水下实时观测系统各有其优势，但也存在一定的缺陷。定时卫星通信潜标可架装的通信浮子数量有限，通信频率较低。浮子式卫星通信潜标的通信浮子长期位于海面，通信窗口长，但欠缺隐蔽性，易遭破坏。波浪滑翔器也存在类似问题。基于水下绞车的卫星通信潜标结构复杂，长期工作可靠性有待提高。自升降通信浮标对浮力调节及偏降控制要求较高，偏移角度对水声通信质量影响较大。水下滑翔机机动性强，但成本较高。这些缺陷使得上述几类水下实时观测系统在实现观测数据的长期稳定实时传输方面均存在一定的不足，需要根据观测需求及作业环境等选择适宜的水下数据实时传输方式。水下实时观测系统的应用将改变潜标数据获取模式，提高水下观测数据时效性，对海洋环境监测、预报及国防安全保障等具有重要意义。