俞建成，劉世杰，金文明，黃　琰

（中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所，遼寧沈陽 110016）

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深?；铏C(jī)技術(shù)與應(yīng)用現(xiàn)狀

俞建成，劉世杰，金文明，黃琰

（中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所，遼寧沈陽 110016）

摘要:水下滑翔機(jī)是一種無外掛驅(qū)動(dòng)、依靠自身浮力和姿態(tài)調(diào)節(jié)控制其運(yùn)動(dòng)的新型水下機(jī)器人，是一種逐漸成熟的適用于長時(shí)間、大范圍海洋環(huán)境觀測的新技術(shù)平臺。本文概述了深?；铏C(jī)在動(dòng)力、控制、通信以及探測方面的系統(tǒng)組成，介紹了國內(nèi)外水下滑翔機(jī)技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)狀，以及水下滑翔機(jī)應(yīng)用的國內(nèi)外現(xiàn)狀。以中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所開發(fā)的Sea-Wing水下滑翔機(jī)為例，詳細(xì)闡述近年來國內(nèi)深?；铏C(jī)在平臺技術(shù)和科學(xué)應(yīng)用上取得的成果。最后結(jié)合深海滑翔機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀，分析其核心技術(shù)及發(fā)展趨勢，展望深?；铏C(jī)未來在我國周邊海域觀測組網(wǎng)的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞:深海滑翔機(jī)；海洋探測；覆蓋觀測；水下機(jī)器人

引言

水下滑翔機(jī)（Autonomous Underwater Glider）是一種新型的海洋環(huán)境水下觀測平臺，它通過自身浮力的微小變化提供驅(qū)動(dòng)力，配合水平翼的升力將垂直運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為水平運(yùn)動(dòng)，采用內(nèi)置的姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)改變姿態(tài)以實(shí)現(xiàn)滑翔運(yùn)動(dòng)。其特殊的驅(qū)動(dòng)及控制方式保證了其能耗小、噪聲低的特點(diǎn)，在國內(nèi)外都受到了極大的關(guān)注。1989年美國人Stommel提出了采用一種能夠在水下作滑翔運(yùn)動(dòng)的浮標(biāo)進(jìn)行海洋環(huán)境調(diào)查的設(shè)想，這就是水下滑翔機(jī)的最初概念。

21世紀(jì)，人類對海洋的探測和研究發(fā)展到了前所未有的高度。幾乎所有國家和地區(qū)的海洋政策都強(qiáng)調(diào)了人類對海洋管理、生命物種保護(hù)、海洋經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展和海洋科學(xué)研究的迫切需求。人們對海洋洋流、溫鹽特性的觀測和預(yù)報(bào)有利于高效安全的管理。傳統(tǒng)的海洋觀測手段，通常采用固定系泊設(shè)備和海面船進(jìn)行采樣觀測。固定系泊雖然可以進(jìn)行時(shí)變信息測量，卻不能解決空間尺度變化的觀測問題。作為傳統(tǒng)的核心觀測平臺，海面船雖然能夠觀測海洋特性，但卻存在運(yùn)行成本昂貴以及缺乏持續(xù)觀測能力等缺點(diǎn)。衛(wèi)星可以高效完成海面觀測，但缺乏海洋垂向尺度的探測能力。垂面剖面信息相比于水平面信息，往往能反映出更多的海洋特性。

為克服傳統(tǒng)海洋觀測工具的缺陷，水下滑翔機(jī)技術(shù)得到了快速發(fā)展，現(xiàn)已成為常規(guī)的、可持續(xù)的、高分辨率海洋觀測平臺。水下滑翔機(jī)具有典型鋸齒狀剖面運(yùn)動(dòng)能力，水平速度可達(dá)0.7-1km/h，持續(xù)觀測時(shí)間一般長達(dá)幾個(gè)月，續(xù)航能力可達(dá)上千公里。水下滑翔機(jī)攜帶的傳感器可測量深度、溫度、鹽度和洋流等物理特性，以及多樣的浮游動(dòng)植物等生物特性和溶解氧、硝酸鹽等在內(nèi)的重要化學(xué)特性。另外，水下滑翔機(jī)在國外許多海洋觀測計(jì)劃和實(shí)驗(yàn)中有成熟應(yīng)用的先例，實(shí)現(xiàn)了長達(dá)數(shù)月的持續(xù)采樣能力、安全可靠的近海岸巡航能力、極端天氣條件下的觀測能力，同時(shí)具有低成本特點(diǎn)。

1　深?；铏C(jī)系統(tǒng)組成

深?；铏C(jī)使用自身凈浮力作為驅(qū)動(dòng)力，通過浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)地改變排水體積來調(diào)節(jié)載體自身浮力， 為載體提供上浮和下潛的動(dòng)力。載體的姿態(tài)調(diào)節(jié)通過調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，改變系統(tǒng)重心與浮心的軸向相對位置，使系統(tǒng)具有一定的俯仰角，從而使其能夠保持一定的俯仰角進(jìn)行上浮和下潛滑翔運(yùn)動(dòng)。深?；铏C(jī)在正負(fù)浮力以及姿態(tài)調(diào)節(jié)的共同作用下通過滑翔翼板產(chǎn)生使載體水平和垂直運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力，并且能夠根據(jù)需要通過控制完成設(shè)定的滑翔周期。

相比較于浮標(biāo)等觀測平臺，深?；铏C(jī)在航向的可控性上有絕對的優(yōu)勢。當(dāng)前的滑翔機(jī)系統(tǒng)的航行調(diào)節(jié)方式基本上可以分為兩種：第一種是通過改變整個(gè)載體的橫傾角來改變水下滑翔機(jī)的航向，一般通過旋轉(zhuǎn)一個(gè)不對稱的電池包來實(shí)現(xiàn)；第二種是通過轉(zhuǎn)向舵結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

深海滑翔機(jī)在水面漂浮時(shí)使用GPS接收器來確定當(dāng)前位置，通過銥星通信系統(tǒng)來與岸基控制系統(tǒng)進(jìn)行通信，將采集到的數(shù)據(jù)傳送回岸基系統(tǒng)，并且獲得下一周期的任務(wù)指令，獲得任務(wù)后，滑翔機(jī)重新下潛直到設(shè)定深度后上浮。兩次正常上浮到表面的時(shí)間間隔稱作一個(gè)滑翔周期，滑翔機(jī)在一個(gè)周期內(nèi)在空間上完成一個(gè)剖面。在下潛期間，除配有聲學(xué)裝置的水下滑翔機(jī)，一般不能與岸基取得通信聯(lián)系。載體控制系統(tǒng)采用姿態(tài)與深度的閉環(huán)控制來執(zhí)行預(yù)編程任務(wù)。在一些滑翔機(jī)的控制系統(tǒng)中還會(huì)執(zhí)行某種算法來預(yù)估滑翔機(jī)在水底的位置，比如航位推算法等。

深海滑翔機(jī)的天線（包括GPS和翼型等）通常集成在尾部一根長桿的頂端，通過控制滑翔在出水后的姿態(tài)將天線接收端最大限度地抬離水面，使得載體能夠與衛(wèi)星建立穩(wěn)定的通信。除了本身的位置、姿態(tài)和狀態(tài)等信息，滑翔機(jī)通過科學(xué)傳感器來收集海洋特征數(shù)據(jù)，搭載的典型的傳感器有溫、鹽、深傳感器（CTD）。根據(jù)具體科學(xué)任務(wù)的需求，已經(jīng)有多種測量各種海洋環(huán)境參數(shù)的傳感器搭載到滑翔機(jī)上，進(jìn)一步拓寬了深?；铏C(jī)的工作能力。當(dāng)然，傳感器的增多加大了采樣時(shí)間，數(shù)據(jù)的增多又意味著通信時(shí)間變長，這些都會(huì)導(dǎo)致更多的能量消耗而使得任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間變短。

圖1　“海翼號”深海滑翔機(jī)三維效果圖

圖2　電能Slocum、Seaglider和Spray水下滑翔機(jī)

中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所研制的“海翼號”深海滑翔機(jī)［1］［2］的三維效果圖如圖1所示?！昂Ｒ硖枴北倔w采用模塊化設(shè)計(jì)，分為艏部艙段、姿態(tài)調(diào)節(jié)艙段、觀測艙段和尾部艙段等4個(gè)艙段。艏部艙段主要安裝電子羅盤TCM3、高度計(jì)和深度計(jì)；觀測艙段主要安裝CTD，可以根據(jù)需求定制擴(kuò)展其他傳感器；姿態(tài)調(diào)節(jié)艙段安裝有俯仰調(diào)節(jié)裝置、橫滾調(diào)節(jié)裝置、載體控制單元等；尾部艙段安裝浮力調(diào)節(jié)裝置、應(yīng)急處理單元、衛(wèi)星通信定位模塊、無線電通信模塊以及通信定位天線等。

2　深?；铏C(jī)技術(shù)現(xiàn)狀

2.1國外深?；铏C(jī)技術(shù)現(xiàn)狀

美國作為滑翔機(jī)技術(shù)的起源地和領(lǐng)軍者，自二十世紀(jì)90年代開始滑翔機(jī)的技術(shù)研究，目前滑翔機(jī)單體技術(shù)已經(jīng)非常成熟，具有Slocum［3］、Spray［4］和Seaglider［5］等多款滑翔機(jī)產(chǎn)品，如圖2所示，且產(chǎn)品的可靠性和實(shí)用化程度高，應(yīng)用廣泛。

Slocum水下滑翔機(jī)按照浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的等級，已有30m、100m、200m、350m、1000m等多種系列，是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的一款滑翔機(jī)產(chǎn)品。Seaglider水下滑翔機(jī)使用與海水壓縮率相似的材料作為耐壓殼體，可以有效的減小滑翔機(jī)的浮力改變量，更節(jié)省能源。Spray水下滑翔機(jī)是目前投入實(shí)際應(yīng)用潛深最大的滑翔機(jī)，工作深度為1500m。

目前，這三種水下滑翔機(jī)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化，分別由Webb Research、Kongsberg和Bluefin三家公司負(fù)責(zé)生產(chǎn)，并用于海洋觀測與資源開發(fā)中的復(fù)雜海洋環(huán)境下的各種水下觀測、水下作業(yè)等任務(wù)，是海洋觀測與資源開發(fā)系統(tǒng)裝備中的重要組成部分。

此外，法國、日本、加拿大、韓國、新西蘭等國家也先后開展了水下滑翔機(jī)研究與研制工作。2009年法國ACSA Underwater GPS 公司開發(fā)成功水下滑翔機(jī)SeaExplorer［6］，目前也已經(jīng)達(dá)到實(shí)用化和商品化。

為提高滑翔機(jī)的速度以及應(yīng)對在較淺海域應(yīng)用的難題，近年來，在海軍研究辦公室的資助下，美國Exocetus公司耗時(shí)6年先后研發(fā)了ANT littoral glider和Exocetus Coastal Glider。在6年中Exocetus公司共向美國海軍交付了18臺滑翔機(jī)，這些滑翔機(jī)共進(jìn)行了4500小時(shí)的作業(yè)。Exocetus Coastal Glider的浮力系統(tǒng)容量可達(dá)5L，使得滑翔機(jī)運(yùn)行速度很容易達(dá)到2節(jié)，與其他滑翔機(jī)比較，性能優(yōu)勢明顯。

隨著滑翔機(jī)的廣泛應(yīng)用和使用需求的逐步深入，為提高滑翔機(jī)在較強(qiáng)海流下的抗流能力，混合推進(jìn)水下滑翔機(jī)也逐漸成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)和未來的重要發(fā)展方向。

2012年至今，針對美國Webb Research公司生產(chǎn)的Slocum水下滑翔機(jī)，加拿大The Memorial University of Newfoundland（MUN）、National Research Council Canada 和美國TWR的研究人員在其尾部加裝可折疊螺旋槳推進(jìn)器［7］，以增強(qiáng)當(dāng)前滑翔機(jī)在淺海運(yùn)行的機(jī)動(dòng)能力，拓展應(yīng)用范圍和海域，如圖3所示。當(dāng)需要推進(jìn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，滑翔機(jī)尾部螺旋槳展開，增加航行速度；需要滑翔運(yùn)動(dòng)時(shí)，尾部螺旋槳折疊，從而減少滑翔阻力。

法國ACSA公司、NURC（NATO Undersea Research Centre，北約水下研究中心）和ENSIETA學(xué)院等也成功研發(fā)了各自的混合推進(jìn)水下滑翔機(jī)SeaExplorer、Folaga和Sterne。其中SeaExplorer結(jié)合水下聲學(xué)定位系統(tǒng)，能夠不浮出水面完成自定位，可用于長時(shí)海洋監(jiān)測和冰下測量。目前SeaExplorer也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商品化，得到一定程度的應(yīng)用。

圖3　Slocum混合推進(jìn)滑翔機(jī)

為突破滑翔機(jī)的深度極限，美國華盛頓大學(xué)海洋學(xué)院（University of Washington， School of Oceanography）研制了用于深海環(huán)境監(jiān)測的長航程水下滑翔機(jī)Deepglider［8］，其長度1.8m，重量62kg，設(shè)計(jì)深度為6000m，航程10000km，連續(xù)工作時(shí)間為18個(gè)月，可搭載溫度、鹽度和溶解氧等傳感器。3臺Deepglider于2011年在大西洋做了海試研究，最大下潛深度達(dá)到了5920m，航程總計(jì)275km。從2014年3月至今，研究人員又在百慕大海域布放了兩臺Deepglider滑翔機(jī)，對采集和發(fā)送數(shù)據(jù)情況進(jìn)行進(jìn)一步測試。

2.2國內(nèi)深?；铏C(jī)技術(shù)現(xiàn)狀

由于國外的技術(shù)封鎖，我國水下滑翔機(jī)均為自主研發(fā)，相關(guān)研究工作起步較晚。2003年中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所開展了與水下滑翔機(jī)相關(guān)的基礎(chǔ)研究工作，成功開發(fā)出了水下滑翔機(jī)原理樣機(jī)，并完成了湖上試驗(yàn)。從2007年開始在國家863計(jì)劃的支持下，中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所開展了水下滑翔機(jī)樣機(jī)的研制工作，2008年研制成功我國水下滑翔試驗(yàn)機(jī)樣機(jī)。2012年開始，由總參大氣環(huán)境研究所、天津大學(xué)、中科院沈陽自動(dòng)化研究所、華中科技大學(xué)、中國海洋大學(xué)共同承擔(dān)“863計(jì)劃”項(xiàng)目“深?；铏C(jī)研制及海上試驗(yàn)研究”，進(jìn)行多型水下滑翔機(jī)的工程樣機(jī)開發(fā)，加速推進(jìn)深?；铏C(jī)技術(shù)工程化，并研制出多種型號的深?；铏C(jī)樣機(jī)（如圖4所示）。中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所研制的水下滑翔機(jī)分為深海和淺海兩種類型，其技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

圖4　2014年3～4月滑翔機(jī)性能評估海試參試樣機(jī)

表1　水下滑翔機(jī)技術(shù)指標(biāo)

在混合驅(qū)動(dòng)和溫差能驅(qū)動(dòng)等新型水下滑翔機(jī)的研究工作方面，我國尚處于探索階段。2005年，天津大學(xué)研制完成溫差能驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī)原理樣機(jī)，并成功進(jìn)行了水域試驗(yàn)［9］。此外，上海交通大學(xué)也對溫差能浮力驅(qū)動(dòng)機(jī)理進(jìn)行了研究［10］。天津大學(xué)在2009年研制了工作深度 500m，凈重130kg的混合推進(jìn)水下滑翔機(jī) Petrel，并做了湖域測試［11］。2013年和2014年，混合推進(jìn)滑翔機(jī)Petrel-II也在我國南海進(jìn)行了初步的混合推進(jìn)測試，具備了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。

近年來通過不斷的努力和發(fā)展，支撐滑翔機(jī)發(fā)展的主要關(guān)鍵技術(shù)都取得了較大進(jìn)步，滑翔機(jī)單體技術(shù)逐漸成熟，具備了應(yīng)用基礎(chǔ)。但是面向?qū)嶋H需求的滑翔機(jī)應(yīng)用技術(shù)方面、多滑翔機(jī)編隊(duì)和組網(wǎng)技術(shù)研究方面，我國還未開展先期研究，在一些混合推進(jìn)、海洋環(huán)境能源利用方面，我國也僅進(jìn)行了初步研究，與國外先進(jìn)水平仍存在較大差距。

3　深?；铏C(jī)技術(shù)應(yīng)用

3.1國外深海滑翔機(jī)技術(shù)應(yīng)用

隨著水下滑翔機(jī)技術(shù)的不斷成熟、應(yīng)用面不斷擴(kuò)大，走在前列的滑翔機(jī)強(qiáng)國已經(jīng)由單機(jī)技術(shù)向滑翔機(jī)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換，而基于滑翔機(jī)網(wǎng)絡(luò)的觀測更能體現(xiàn)水下滑翔機(jī)的優(yōu)勢。國際上幾乎所有重要的海洋觀測系統(tǒng)和海洋觀測計(jì)劃中，都存在滑翔機(jī)編隊(duì)和網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的研究任務(wù)和應(yīng)用試驗(yàn)。目前滑翔機(jī)觀測網(wǎng)已經(jīng)完成了多次示范，取得了顯著成果，顯示了滑翔機(jī)網(wǎng)絡(luò)在海洋監(jiān)測和探測方面的重要作用。

20世紀(jì)90年代開始，由美國海軍研究院資助的自主海洋采樣網(wǎng)（Autonomous Ocean SamplingNetwork，簡稱AOSN）啟動(dòng)，實(shí)驗(yàn)的目的是為了觀測大范圍近海和沿海區(qū)域內(nèi)，各種重要海洋特性和海洋現(xiàn)象。AOSN分別于2000年、2003年和2006年在美國蒙特利海灣進(jìn)行了一系列的海洋觀測實(shí)驗(yàn)［12-14］。實(shí)驗(yàn)從驗(yàn)證平臺的技術(shù)可行性到使用數(shù)臺滑翔機(jī)結(jié)合海洋模式協(xié)同進(jìn)行了觀測，并且對多滑翔機(jī)的采樣策略進(jìn)行了系統(tǒng)的優(yōu)化。通過ASAP試驗(yàn)，多水下滑翔機(jī)作為分布式、移動(dòng)的海洋參數(shù)自主采樣網(wǎng)絡(luò)，在海洋環(huán)境參數(shù)采樣中顯示了卓越的優(yōu)勢和廣闊前景。

美國海洋大氣署主持的跨系統(tǒng)聯(lián)邦計(jì)劃IOOS （Integrated Ocean Observing System）非常重視滑翔機(jī)在海洋觀測網(wǎng)中的作用。水下滑翔機(jī)網(wǎng)絡(luò)在IOOS中的典型應(yīng)用主要有以下兩例：

1）應(yīng)對突發(fā)事件。2010年4月20日美國墨西哥灣發(fā)生歷史上最嚴(yán)重的石油泄漏。在此次災(zāi)難中，眾多組織、企業(yè)和研究院校志愿組織布放了多臺水下滑翔機(jī)對事發(fā)海域的溫度、鹽度和海流速度進(jìn)行水下觀測，如圖5所示，為進(jìn)一步確定泄露原油隨海流運(yùn)動(dòng)的方向提供了重要的數(shù)據(jù)支持。在本次事件中，充分體現(xiàn)了水下滑翔機(jī)單機(jī)平臺和多滑翔機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有其他觀測設(shè)備無可比擬的優(yōu)越性，同時(shí)具備可靠的應(yīng)急響應(yīng)能力。

圖5　（A）2010年4月21日墨西哥灣海上鉆井平臺燃燒圖片；（B）2010年4月28日漏油情況空中拍攝圖片；（C）水下滑翔機(jī)網(wǎng)絡(luò)觀測布放和運(yùn)動(dòng)軌跡

2）海洋特殊現(xiàn)象觀測。自2005年，南加州近海觀測系統(tǒng)SCCOOS（Southern California Coastal Ocean Observing System，IOOS子系統(tǒng)）在加利福尼亞南部海岸沿線布置滑翔機(jī)觀測網(wǎng)。該網(wǎng)絡(luò)通過采集海洋參數(shù)變化，研究其對內(nèi)陸造成的影響。該網(wǎng)共使用4臺Spray 水下滑翔機(jī)對南加州近海海域的溫度、鹽度、深度、葉綠素濃度和反向散射等參數(shù)進(jìn)行采樣。自2010年起，墨西哥灣觀測系統(tǒng)GCOOS（The Gulf Coast Ocean Observing System，IOOS子系統(tǒng)）開始設(shè)計(jì)利用滑翔機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行赤潮觀測。2012年秋季，GCOOS與南佛羅里達(dá)大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院和Mote海洋實(shí)驗(yàn)室合作，在佛羅里達(dá)大陸架利用水下滑翔機(jī)編隊(duì)對Karenia brevis 藻類進(jìn)行了觀測研究，觀測結(jié)果對研究埃克曼層底部上涌的上升流特性具有重要作用。

該計(jì)劃在 2014年1月提出正式的《U.S. IOOS? National Underwater Glider Network Plan》［15］，旨在搭建一個(gè)初步的滑翔機(jī)網(wǎng)絡(luò)，建立數(shù)據(jù)管理和傳輸中心，提高滑翔機(jī)編隊(duì)和數(shù)據(jù)管理能力。

由英國、法國、德國、意大利、西班牙和挪威等國家的科學(xué)家組成的歐洲滑翔觀測站EGO［16］（European Gliding Observatories Network，又稱Everyone’s Gliding Observatories Network），主要目的是研究如何協(xié)調(diào)組織滑翔機(jī)編隊(duì)實(shí)現(xiàn)全球性、區(qū)域性及近海岸等不同范圍內(nèi)的長期海洋觀測任務(wù)。自2005年至2014年4月底，EGO共布放了大約300臺次滑翔機(jī)執(zhí)行各種海洋觀測任務(wù)，滑翔機(jī)的布放如圖6所示。

圖6　EGSEX布放圖

ANFOG［17］（The Australian National Facility for Ocean Gliders）是澳大利亞IMOS綜合海洋觀測系統(tǒng)（Australia’s Integrated Marine Observing System）的子觀測網(wǎng)，負(fù)責(zé)水下滑翔機(jī)編隊(duì)的運(yùn)行和維護(hù)。ANFOG的水下滑翔機(jī)編隊(duì)可用來對澳大利亞周邊海洋進(jìn)行觀測，目前滑翔機(jī)編隊(duì)分布如圖7所示。2012年至2013年，ANFOG共布放了包括Seaglider和Slocum在內(nèi)的數(shù)十臺水下滑翔機(jī)，共計(jì)執(zhí)行超過150個(gè)調(diào)查任務(wù)。任務(wù)范圍覆蓋觀測海域溫度、鹽度、海洋酸化和氣候變異等，并完成了對大陸架海域的物理、化學(xué)、生物現(xiàn)象的觀測和預(yù)報(bào)。

圖7　澳大利亞近海滑翔機(jī)觀測網(wǎng)絡(luò)布放圖

3.2　國內(nèi)深?；铏C(jī)技術(shù)應(yīng)用

至2013年末，在各類科技計(jì)劃資助下，我國已經(jīng)開發(fā)出了多臺水下滑翔機(jī)的樣機(jī)，并進(jìn)行了一系列湖試和海試研究，滑翔機(jī)技術(shù)有了長足的進(jìn)步。隨著水下滑翔機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的掌握，我們也邁上了滑翔機(jī)應(yīng)用的軌道。

2014年，中科院沈陽自動(dòng)化研究所研制的“海翼號”深?；铏C(jī)先后完成了3次海上試驗(yàn)，滑翔機(jī)海上累計(jì)工作天數(shù)達(dá)到80天，累計(jì)航程達(dá)到2400多公里，累計(jì)觀測剖面數(shù)超過600個(gè)。多次海上試驗(yàn)全面考核了沈陽自動(dòng)化所研制的滑翔機(jī)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，為后期的推廣應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2014年9—10月，“海翼號”深?；铏C(jī)在南海結(jié)束了為期一個(gè)多月的海上試驗(yàn)，完成了多滑翔機(jī)同步區(qū)域覆蓋觀測試驗(yàn)和長航程觀測試驗(yàn)。在長航程試驗(yàn)中，滑翔機(jī)海上總航程突破1000公里，達(dá)到1022.5公里，持續(xù)時(shí)間達(dá)到30天，獲得229個(gè)1000米深剖面觀測數(shù)據(jù)，本次實(shí)驗(yàn)中水下滑翔機(jī)的路徑如圖8所示。隨后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理發(fā)現(xiàn)［18］，在這次實(shí)驗(yàn)區(qū)域發(fā)生了兩次海洋上層水體混合層變冷的現(xiàn)象，第一次水體變冷發(fā)生在水面下1m處，此處的溫度與水面相差將近1℃，根據(jù)衛(wèi)星的數(shù)據(jù)顯示，發(fā)生水體冷卻的海面局部風(fēng)速達(dá)到了4.2m/s。第二次是在4天里溫度變化了1.7℃，衛(wèi)星數(shù)據(jù)顯示整個(gè)南海北部的風(fēng)速達(dá)到了7m/s，同時(shí)混合層的深度激增到了30-60m?；铏C(jī)的高精度數(shù)據(jù)為定量分析混合層冷卻的原因提供了強(qiáng)有力的支持。

圖8　水下滑翔機(jī)南海長航程試驗(yàn)觀測軌跡

2015年3—4月，“海翼號”深?；铏C(jī)在南海北部開展南海邊界流觀測應(yīng)用（如圖9所示），分別布放了1臺淺海滑翔機(jī)和1臺深?；铏C(jī)。淺?；铏C(jī)按照設(shè)定觀測路徑連續(xù)工作7天，獲得了145個(gè)300米深剖面觀測數(shù)據(jù)，航行距離180多公里；深?；铏C(jī)按照設(shè)定觀測路徑連續(xù)工作25天，獲得167個(gè)1000米剖面觀測數(shù)據(jù)，航行距離740多公里。

圖9　水下滑翔機(jī)2015年3—4月南海邊界流觀測軌跡

在2015年4月的“海翼號”深海滑翔機(jī)實(shí)驗(yàn)中，滑翔機(jī)提供的高精度水下0—1000m的溫鹽數(shù)據(jù)幫助科學(xué)家系統(tǒng)地分析了存在于南海北部的一個(gè)反氣旋渦場的垂直結(jié)構(gòu)（圖10），定量地得到了渦場在水下的溫度和鹽度奇異值，以及渦場在水下部分的旋轉(zhuǎn)速度。通過水團(tuán)的分析確定該渦場來源于在臺灣西南部脫離的黑潮水。

圖10　衛(wèi)星高度圖顯示的渦場隨時(shí)間的變化，紅色線段為滑翔機(jī)的軌跡

4　深?；铏C(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢

當(dāng)前在世界范圍內(nèi)，滑翔機(jī)的單機(jī)技術(shù)已經(jīng)成熟，美國、法國均有多型滑翔機(jī)產(chǎn)品，實(shí)用性和可靠性通過大量的實(shí)際應(yīng)用試驗(yàn)得到了充分驗(yàn)證。根據(jù)美國、澳大利亞、歐洲等國家和地區(qū)當(dāng)前技術(shù)發(fā)展和研究熱點(diǎn)分析，未來滑翔機(jī)的發(fā)展趨勢主要集中在以下幾個(gè)方面：

1）滑翔機(jī)單機(jī)技術(shù)成熟，拓展應(yīng)用是其研究熱點(diǎn)之一。當(dāng)前在美國和法國，已經(jīng)成功跨過滑翔機(jī)可靠性和工程化階段，主要研究熱點(diǎn)集中在通過裝載和集成不同種類的傳感器，拓展滑翔機(jī)的應(yīng)用價(jià)值。水下滑翔機(jī)的功能很大程度上依賴于搭載的傳感器，由于水下滑翔機(jī)本身重量和能耗的限制，其搭載的傳感器受外形大小、海流干擾的限制，同時(shí)傳感器在重量和能耗方面也具有嚴(yán)格的要求。針對滑翔機(jī)的使用條件，有些在傳感器的體積、重量和能耗方面進(jìn)行了專門的開發(fā)和改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)與滑翔機(jī)的有效集成；有些則對滑翔機(jī)平臺進(jìn)行改進(jìn)，以適于傳感器的測量。

2）滑翔機(jī)觀測網(wǎng)功能強(qiáng)大，編隊(duì)與組網(wǎng)是重要發(fā)展方向。滑翔機(jī)網(wǎng)絡(luò)大大擴(kuò)展了單機(jī)探測的覆蓋區(qū)域，同時(shí)可提供時(shí)變的次表層海洋物理、化學(xué)、生物、光學(xué)數(shù)據(jù)信息。鑒于滑翔機(jī)編隊(duì)和組網(wǎng)能夠有效拓展單機(jī)能力，具有更大的應(yīng)用價(jià)值，是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)和重要發(fā)展方向，各海洋強(qiáng)國均在大力發(fā)展相關(guān)技術(shù)。

3）混合推進(jìn)滑翔機(jī)，當(dāng)前技術(shù)發(fā)展新趨勢。在強(qiáng)海流區(qū)，由于滑翔機(jī)運(yùn)動(dòng)速度慢（典型運(yùn)動(dòng)速度0.5knot），無法實(shí)現(xiàn)預(yù)定的航跡；同時(shí)由于滑翔機(jī)剖面運(yùn)動(dòng)形式固定，無法滿足多樣的海洋科學(xué)任務(wù)需求。為此，在美國、法國、加拿大等國，開展了螺旋槳推進(jìn)與浮力驅(qū)動(dòng)相結(jié)合的混合推進(jìn)型滑翔機(jī)，以彌補(bǔ)當(dāng)前滑翔機(jī)的不足，并取得了良好的應(yīng)用效果。

4）特種滑翔機(jī)形式多樣，在前沿技術(shù)上逐漸探索。在常規(guī)滑翔機(jī)之外，美國也開展了特殊滑翔機(jī)平臺的研究，比較有代表性的為利用海洋環(huán)境能源驅(qū)動(dòng)的滑翔機(jī)系統(tǒng)，包括利用海洋波浪能的波浪滑翔機(jī)、利用海洋溫差能的溫差能滑翔機(jī)等。當(dāng)前波浪滑翔機(jī)已經(jīng)達(dá)到實(shí)用水平，溫差能滑翔機(jī)也開展了多次應(yīng)用研究，顯示了良好的應(yīng)用前景。同時(shí)，美國軍方結(jié)合滑翔機(jī)的聲學(xué)應(yīng)用，也開展了聲學(xué)滑翔機(jī)XRay和ZRay的技術(shù)研究。此外，在極限潛深滑翔機(jī)、仿生滑翔機(jī)等方面，也有科研人員開展了先期研究，也是滑翔機(jī)技術(shù)的重要發(fā)展方向。

5　結(jié)束語

經(jīng)過20多年的發(fā)展，深?；铏C(jī)技術(shù)已經(jīng)成熟，基于滑翔機(jī)的海洋觀測應(yīng)用也越來越廣泛，全球幾乎所有的大型海洋觀測系統(tǒng)都使用過或正在使用水下滑翔機(jī)作為觀測的重要成員。歐美國家和地區(qū)已經(jīng)提出了用滑翔機(jī)覆蓋全球海洋的宏大計(jì)劃，水下滑翔機(jī)的應(yīng)用將繼續(xù)擴(kuò)大。近些年，在國家的強(qiáng)力支持下，我國已經(jīng)掌握了水下滑翔機(jī)的核心技術(shù)，開發(fā)了多種水下滑翔機(jī)樣機(jī)，開展了多次湖試和海試。在滑翔機(jī)的應(yīng)用和組網(wǎng)觀測方面，我國正在進(jìn)行積極的探索和有力的開展，水下滑翔機(jī)也將為我國周邊海域的觀測做出更多的貢獻(xiàn)。

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The Present State of Deep-sea Underwater Glider Technologies and Applications

Yu Jiancheng， Liu Shijie， Jin Wenming， Huang Yan
（Shenyang Institute of Automation， CAS， Shenyang 110016， China）

Abstract:Underwater gliders are a new type of underwater robots which are buoyancy-driven， moving up and down in the ocean without propeller system， so they tend to be applied to conduct marine environmental observations within long-time and large-range dimensions. In this paper， we give an overview of the system components of deep-sea underwater gliders on power， control， communication and detection， and also introduce the development and present state of deep-sea underwater glider technologies and applications in china and abroad. Taking Sea-Wing underwater gliders developed by Shenyang Institute of Automation as an example， we elaborate on the achievements on the platform technologies and scientific applications of deep-sea underwater gliders in recent years. Finally， combining with the present state of deep-sea underwater gliders， we analyze the core technologies and development tendencies， and we believe that deep-sea underwater gliders will have wide application and bright foreground in observation and networking in the waters surrounding our country in the near future.

Keywords:deep-sea underwater gliders； marine detection； covering observation； underwater vehicles

中圖分類號：P72

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-4969（2016）02-0208-09

DOI：10.3724/SP.J.1224.2016.00208

收稿日期：2016-01-12； 修回日期： 2016-03-16

基金項(xiàng)目：中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)，7000米級深?；铏C(jī)（XDB06040200）；國家自然科學(xué)基金，水下機(jī)器人海洋環(huán)境自主觀測理論與技術(shù)（61233013）

作者簡介：俞建成（1976-），男，博士，研究員，研究方向?yàn)樗聶C(jī)器人技術(shù)。E-mail: yjc@sia.cn