毛柳偉，杜度，李楊

(中國人民解放軍92587 部隊，北京 100161)

0 引 言

水下滑翔機（underwater glider）是一種典型的自治水下航行器，主要采用浮力驅(qū)動實現(xiàn)其在海洋中的上升或下潛，其工作原理如圖1 所示。在下潛起始階段，通過浮力驅(qū)動單元減小自身排水體積，使重力大于浮力，開始下潛；到達設(shè)定深度后，在浮力驅(qū)動單元作用下，改變自身排水體積，使其所受浮力大于重力，從而實現(xiàn)下潛到上浮的轉(zhuǎn)變。在下潛和上浮過程中，借助固定水平翼上的水動力產(chǎn)生水平運動，從而實現(xiàn)在縱平面內(nèi)鋸齒形滑翔運動。

在滑翔過程中，通過調(diào)整內(nèi)部偏心重物沿滑翔機主軸線前后移動或左右轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)滑翔機自身姿態(tài)的控制。水下滑翔機在實際工作過程中，會定期浮出水面，通過固定于尾部的天線進行定位與通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與指令控制。在水下運動過程中，使用內(nèi)部集成的電子羅盤和壓力傳感器，結(jié)合水面衛(wèi)星定位信息，通過航位推算算法實現(xiàn)在水下的粗定位與導(dǎo)航。水下滑翔機作為小型的移動觀測平臺，具有低能耗、運行成本低等特點，能夠滿足長時序、大范圍的海洋三維觀探測需求，已廣泛應(yīng)用于海洋現(xiàn)場觀測、科學(xué)研究、環(huán)境保護、國防安全等領(lǐng)域，在全球海洋觀測與探測系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用[1-4]。相比于傳統(tǒng)的走航式和定點潛標(biāo)式觀測手段，水下滑翔機具有靈活機動、高效和低成本的優(yōu)點，可擺脫對投放母船的依賴，大幅度降低海洋觀測及水下探測成本。

圖 1 水下滑翔機工作原理示意圖Fig. 1Working priciple of underwater glider

1 發(fā)展歷程

1.1 國外發(fā)展歷程

水下滑翔機設(shè)計概念與應(yīng)用規(guī)劃最早由美國海洋學(xué)家Henry Stommel 于1989 年提出[5]。1991 年，世界首臺水下滑翔機Slocum 在美國海軍研究辦公室（Office of Naval Research，ONR）的資助下由伍茲霍爾海洋研究所（Woods Hole Oceanographic Institution，WHOI）成功研制，并先后在美國佛羅里達州和紐約州成功完成相關(guān)功能驗證試驗[6]。1999 年，美國華盛頓大學(xué)應(yīng)用物理實驗室（Applied Physics Laboratory，APL）研制成功Seaglider 水下滑翔機[7]。同年，美國斯克利普斯研究所（Scripps Institution of Oceanography，SIO）和WHOI 共同研制成功Spray 水下滑翔機[8]。

經(jīng)過十幾年的發(fā)展，3 型水下滑翔機逐漸應(yīng)用于大中尺度海洋現(xiàn)場調(diào)查中，并顯示出在海洋觀測中的巨大潛力，于2002 年首次開始商業(yè)化產(chǎn)品銷售應(yīng)用。在隨后幾年時間內(nèi)，Slocum，Seaglider，Spray 三型水下滑翔機通過技術(shù)轉(zhuǎn)讓分別通過Teledyne Technologies，Kongsberg Maritime，Bluefin Robotics 公司開始市場化運作，成為當(dāng)前國際上主流的水下滑翔機產(chǎn)品，并逐漸應(yīng)用于全球各地的海洋觀探測任務(wù)中。

此外，法國ACSA 公司在2009 年研制成功SeaExplorer 水下滑翔機，成為國外除美國外唯一實現(xiàn)商業(yè)化運行的水下滑翔機產(chǎn)品[9]。各型水下滑翔機如圖2 所示，主要性能參數(shù)如表1 所示。

1.2 我國發(fā)展歷程

我國的水下滑翔機研發(fā)工作起步于21 世紀(jì)初，天津大學(xué)研究團隊最早于2002 年開始首型水下滑翔機的探索研制[10]，之后在多項科研項目的大力支持下進入高速發(fā)展時期。2012 年，天津大學(xué)、中科院沈陽自動化研究所、華中科技大學(xué)、中國海洋大學(xué)共同承擔(dān)863 計劃項目“深?；铏C研制及海上試驗研究”，開展了多型水下滑翔機工程樣機的研制工作，加速推進了深?；铏C技術(shù)工程化。

圖 2 國外商業(yè)化水下滑翔機產(chǎn)品Fig. 2Foreign commerical underwater glider products

表 1 國外商業(yè)化水下滑翔機技術(shù)參數(shù)Tab. 1Technical parameter of foreign commerical underwater glider products

2015 年，在科技部組織的成果驗收試驗中，14 臺水下滑翔機參加了南?；铏C性能綜合測試。天津大學(xué)“海燕-II”滑翔機連續(xù)無故障航行42 天，覆蓋超過1 100 km 的水域，最大下潛深度達到1 500 m，創(chuàng)造了我國滑翔機當(dāng)時的紀(jì)錄[11]。2017 年，中國科學(xué)院沈陽自動化研究所“海翼-7 000”深?；铏C在馬里亞納海溝挑戰(zhàn)者深淵完成了大深度下潛觀測任務(wù)并安全回收，其最大下潛深度達到6 329 m，刷新了水下滑翔機最大下潛深度6 003 m 的世界紀(jì)錄[11]。2018 年，天津大學(xué)“海燕-10 000”萬米級水下滑翔機在馬里亞納海溝附近海域完成一系列觀測任務(wù)并安全回收，最大工作深度達到8 213 m，創(chuàng)造了下潛深度最新世界紀(jì)錄[11]。

此外，浙江大學(xué)、上海交通大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)和華中科技大學(xué)等單位也積極開展了水下滑翔機相關(guān)研究工作。通過近20 年的努力，我國水下滑翔機單機關(guān)鍵技術(shù)已較為成熟，我國研制的多型水下滑翔機已經(jīng)達到工程化和實用化要求。

圖 3 我國研制的水下滑翔機產(chǎn)品Fig. 3Uderwater glider products developed in China

2 水下滑翔機集群組網(wǎng)應(yīng)用現(xiàn)狀

與單臺水下滑翔機相比，多臺滑翔機組成的集群編隊可形成如下優(yōu)勢：增強水下滑翔機觀探測覆蓋范圍和觀探測能力；實現(xiàn)由點到區(qū)域空間的立體觀測；可同時獲取海洋中多點位信息，實現(xiàn)分布式信息感知；通過攜帶不同種類任務(wù)載荷，實現(xiàn)多尺度、多任務(wù)并行探測；提升了區(qū)域覆蓋冗余度，增強組網(wǎng)方案的魯棒性和自適應(yīng)性。隨著水下滑翔機單機技術(shù)發(fā)展日益成熟，具有效費比高、易于布放回收、操控便捷、通用性強等優(yōu)勢特點為水下滑翔機應(yīng)用范圍逐漸擴大，在各類海洋觀探測網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用愈加廣泛，并逐步應(yīng)用于集群水下目標(biāo)探測方面。

2.1 海洋環(huán)境觀探測

水下滑翔機集群組網(wǎng)觀測可在同一時刻不同位置對動態(tài)海洋現(xiàn)象實現(xiàn)多參數(shù)分布式感知和跟蹤，顯著提高海洋觀測的作業(yè)效率和應(yīng)用范圍。目前，水下滑翔機網(wǎng)絡(luò)在海洋調(diào)查中的應(yīng)用可分為七大類：邊界流區(qū)域持續(xù)斷面觀測、沿海和遠洋過渡地帶調(diào)查、中尺度和亞中尺度變異調(diào)查、淺海和邊緣海調(diào)查、與現(xiàn)有的觀測站相關(guān)的公海調(diào)查、偏遠海區(qū)和極端環(huán)境調(diào)查、危險環(huán)境下的調(diào)查。國外大型海洋觀測系統(tǒng)中幾乎都出現(xiàn)了水下滑翔機集群編隊的身影[12]。典型組網(wǎng)應(yīng)用如下：

圖 4 ASON 二期試驗中的水下滑翔機軌跡Fig. 4Trajectory of underwater glider in phase Ⅱtest of ASON

1）自主海洋采樣網(wǎng)（Autonomous Ocean Sampling Network，AOSN）

20 世紀(jì)90 年代，在美國ONR 的資助下，ASON項目匯集多種海洋觀測平臺（AUV，拖魚，錨系，深?；铏C，浮標(biāo)等）在蒙特利灣構(gòu)建了自適應(yīng)耦合觀測系統(tǒng)，以提高海洋觀測和預(yù)測能力[13]。2000 年8 月，ASON 一期試驗跟蹤了鐵元素引起的浮游植物繁殖期內(nèi)近岸上升流系統(tǒng)中生物地球化學(xué)特性的演變過程[14]，驗證了多水下滑翔機實現(xiàn)不同位置同步觀測的技術(shù)可行性。2003 年夏季，為觀測蒙特利灣上升流特征，ASON 二期試驗開始實施[15]。其中，5 臺Spray 滑翔機被應(yīng)用于加利福尼亞洋流系統(tǒng)尺度及模式的觀測中，相應(yīng)的軌跡如圖4 所示。10 臺Slocum 淺?；铏C則在Spray 測量參數(shù)的基礎(chǔ)上搭載了熒光計、光合有效輻射傳感器，主要觀測冷水羽流及其相關(guān)結(jié)構(gòu)。AOSN 二期試驗最具創(chuàng)新性的一點是將3 臺Slocum 滑翔機組成三角隊形，采用該隊形對海洋特征進行自適應(yīng)采樣，通過3 次編隊試驗驗證了面向滑翔機編隊的自適應(yīng)控制策略的有效性[16]。

2）綜合海洋觀測系統(tǒng)（Integrated Ocean Observing System，IOOS）

2002 年3 月，美國海洋研討會就組建綜合海洋觀測系統(tǒng)達成共識并向國會提交大會報告。2007 年2 月，NOAA 正式啟動IOOS 項目。IOOS 是國家-區(qū)域聯(lián)合的全國性項目，致力于更好地獲取海洋信息以提高人類跟蹤、預(yù)測、管理和適應(yīng)海洋環(huán)境變化的能力。為提供持續(xù)的海洋觀測，2014 年8 月，該項目制定了《U.S. IOOS? National Underwater Glider Network Plan》，指導(dǎo)水下滑翔機網(wǎng)絡(luò)的搭建，改進數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)及分發(fā)系統(tǒng)，構(gòu)建更大的綜合性三維海洋、海岸和五大湖觀測系統(tǒng)[17]。此外，IOOS 項目還組建了一個水下滑翔機用戶組（Glider User Group，UG2）以擴大滑翔機的影響和價值。目前，滑翔機網(wǎng)絡(luò)在IOOS項目中主要用于生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)監(jiān)測、MBARI 染料跟蹤試驗、聲學(xué)接收器及其他傳感器的性能測試、紅石斑魚及其他魚類存量測繪、墨西哥灣流中滑翔機的速度測試、有害藻華（Harmful Algal Blooms，HABs）測繪、標(biāo)記魚類聲學(xué)監(jiān)聽、持續(xù)有針對性的海洋觀測、美國加勒比海/大西洋經(jīng)濟專屬區(qū)上層海洋監(jiān)測、圍繞ALOHA 及其他長期觀測站的采樣、水文測繪、海洋酸化采樣、氣候監(jiān)測等。

2010 年墨西哥灣石油泄漏事件中，聯(lián)邦政府、工業(yè)界和學(xué)術(shù)界等多家單位自愿提供多臺滑翔機，觀測事發(fā)海域海水溫度、鹽度和速度等參數(shù)，以確定石油隨洋流運動的擴散方向（見圖5），顯示了滑翔機網(wǎng)絡(luò)相對于其他觀測設(shè)備所具有的優(yōu)越的應(yīng)急響應(yīng)能力。

圖 5 2010 年墨西哥灣石油泄漏事件中滑翔機跟蹤路徑Fig. 5Glider tracking path in 2010 Gulf of Mexico oil spill

IOOS 項目在加利福尼亞洋流系統(tǒng)中搭建了加州水下滑翔機網(wǎng)絡(luò)（the California Underwater Glider Network，CUGN），開展了相應(yīng)的觀測任務(wù)（見圖6），可持續(xù)獲取與氣候變異相關(guān)的海洋物理/生物參數(shù)，并基于50 m 深度處的溫度生成了一個簡單的氣候變化指數(shù)[17]。

2011 年，颶風(fēng)Irene 和Sandy 襲擊大西洋中部海灣地區(qū)，滑翔機被布放到2 個颶風(fēng)中，收集風(fēng)暴來臨之前、期間及過后的海洋數(shù)據(jù)?；铏C采集到的Irene 溫度數(shù)據(jù)揭示了颶風(fēng)引起的海表溫度急速下降現(xiàn)象，此外，由于外部風(fēng)帶的強風(fēng)接近，海水冷卻發(fā)生在風(fēng)眼到達之前，滑翔機軌跡如圖7 所示。

圖 6 2006 年以來加州海域水下滑翔機軌跡Fig. 6Trajectory of underwater glider in California waters since 2006

圖 7 2011 年Irene 期間滑翔機跟蹤軌跡Fig. 7Trajectory of underwater glider during Irene in 2011

3）歐洲滑翔機觀測站（European Gliding Observatories，EGO）

2006 年，來自于法國、德國、意大利、挪威、西班牙和英國的海洋學(xué)家們發(fā)起了組建EGO（Everyone's Gliding Observatories）的倡議，旨在協(xié)調(diào)滑翔機應(yīng)用研究，在全球范圍內(nèi)建立多級合作，實現(xiàn)全球、區(qū)域和近岸海域等不同范圍內(nèi)的長期多參數(shù)海洋監(jiān)測任務(wù)[18-19]，隨后，澳大利亞、加拿大、南非和美國的海洋學(xué)家們也加入其中。迄今為止，共計600 多臺滑翔機成功執(zhí)行各種海洋觀測任務(wù)，完成2 000 000 多個剖面的采集。EGO 觀測中水下滑翔機軌跡，如圖8 所示。

4）澳大利亞綜合海洋觀測系統(tǒng)（Australia's Integrated Marine Observing System，IMOS）

IMOS 始建于2006 年，是由澳大利亞政府支持的國家性合作研究組織。ANFOG（The Australian National Facility for Ocean Gliders）作為IMOS 下轄的一個子系統(tǒng)，負(fù)責(zé)運行和維護Slocum 和Seaglider 等多臺水下滑翔機組成的機群[12]。其中，Slocum 滑翔機主要被布放在大陸架水域，Seaglider 滑翔機則被投放于較深海域。ANFOG 系統(tǒng)中每臺滑翔機均搭載CTD、三參數(shù)光學(xué)傳感器和溶解氧傳感器，承擔(dān)澳大利亞大陸架和近岸海域的測量任務(wù)，對該海域海洋現(xiàn)象，如渦旋內(nèi)部物理和生物地球化學(xué)特性，內(nèi)潮汐和沉積物再懸浮以及東澳大利亞洋流對陸架動力學(xué)影響等方面的研究做出了重大貢獻。迄今為止，ANFOG 系統(tǒng)共布放超過180 臺Slocum 滑翔機和40 臺Seaglider 滑翔機，執(zhí)行滑翔機觀測任務(wù)超過225 次，航行時間超過6 400 天[20]。澳大利亞周圍滑翔機的布放位置和航行軌跡如圖9 所示。

圖 8 EGO 觀測中水下滑翔機軌跡Fig. 8Trajectory of underwater glider by EGO

圖 9 澳大利亞周圍滑翔機位置和軌跡Fig. 9Trajectory of underwater glider around Australia

5）我國水下滑翔機集群組網(wǎng)應(yīng)用現(xiàn)狀

天津大學(xué)于2014 年9 月在西沙群島附近開展了水下滑翔機編隊與協(xié)同控制試驗，本次觀測任務(wù)中，3 臺“海燕-II”滑翔機組成三角形隊形，通過甲板控制軟件同步控制，驗證了滑翔機多層級協(xié)調(diào)控制策略的有效性[11-12]，如圖10 所示。2017 年8 月，天津大學(xué)依托青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實驗室，與中國海洋大學(xué)、中船重工第710 研究所、中山大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)等高校和研究機構(gòu)合作，在南海北部海域布放了12 臺“海燕-II”滑翔機[21]、各型波浪滑翔機等共計30 余套國產(chǎn)海洋觀測裝備（見圖11），開展了面向海洋中尺度渦的多參數(shù)、綜合、立體、協(xié)作、異構(gòu)組網(wǎng)同步觀測，有效提高了我國海洋觀測的能力和水平。本次試驗中12 臺滑翔機搭載多種傳感器沿網(wǎng)格形軌跡對南海北部反氣旋渦進行了為期26 天的高精度采樣。

圖 10 2014 年3 臺“海燕-II”滑翔機三角形隊形軌跡Fig. 10Triangle formation trajectory of three Petrel-Ⅱunderwater glider in 2014

圖 11 2017 年“海燕”水下滑翔機南海北部立體綜合觀測網(wǎng)Fig. 11Petrel-Ⅱ underwater glider three-dimensional comprehensive observation network for northern South China Sea in 2017

2017 年7 月，中國科學(xué)院沈陽自動化研究所在南海北部布放了12 臺“海翼”號滑翔機觀測反氣旋渦的三維結(jié)構(gòu)和時間演變過程，如圖12 所示。本次試驗中，滑翔機機群沿網(wǎng)格形軌跡航行，共計采集到3 720 個溫鹽剖面，該數(shù)據(jù)與同時期62 個拋棄式XCTD 采集到的數(shù)據(jù)對比，結(jié)果顯示兩者均體現(xiàn)了中尺度渦場的特征[22]。

圖 12 2017 年“海翼”水下滑翔機集群軌跡Fig. 12Trajectory of Sea wing underwater glider cluster in 2017

2019 年10 月，在我國第10 次北極考察期間，自然資源部第一海洋研究所實施了我國首次水下滑翔機北極海域組網(wǎng)觀測，采用3 臺“海燕”水下滑翔機搭載溫鹽深和溶解氧傳感器，對北極海域水體與生化要素進行了組網(wǎng)觀測[23]。期間“海燕”完成了臺風(fēng)過境的全過程觀測，完整記錄了強氣旋過程對海洋環(huán)境的影響數(shù)據(jù)。經(jīng)過22 天的組網(wǎng)觀測，“海燕”獲取到白令海公海東西方向斷面連續(xù)、高密度水文和生化觀測數(shù)據(jù)。

2020 年初，在自然資源部印度洋聯(lián)合海洋與生態(tài)研究（JAMES）計劃的相關(guān)科考任務(wù)中，布放12 臺“海翼”水下滑翔機完成了我國在印度洋多參數(shù)水下滑翔機協(xié)同組網(wǎng)觀測應(yīng)用[24]。“海翼”水下滑翔機搭載了多種類型的水文與生物化學(xué)傳感器，在300 n mile×300 n mile 觀測海域內(nèi)執(zhí)行集群協(xié)同觀測，12 臺水下滑翔機累計海上工作550 臺天，航行距離12 000 km，完成了3 400 多個剖面的科學(xué)觀測，此次任務(wù)為揭示北印度洋海水缺氧、海洋中尺度渦旋動力過程、海洋水文環(huán)境變化等方面研究提供了第一手資料。

2.2 集群水下目標(biāo)探測現(xiàn)狀

水下滑翔機在巡航中利用自身的凈浮力來實現(xiàn)向前滑動、推進，所產(chǎn)生的噪聲低，具有較強的隱蔽性和很好的水聲探測效果。因此，基于水下滑翔機的水聲探測集群，能夠?qū)θ蝿?wù)海域的水下目標(biāo)、海洋環(huán)境進行長時間、大范圍的隱蔽偵察、探測和數(shù)據(jù)收集。國內(nèi)外單位開展了滑翔機平臺集成聲學(xué)載荷并開展水下探測、通信技術(shù)的研究，取得了顯著進展。近年來，主要對水下聲學(xué)滑翔機集群組網(wǎng)探測技術(shù)開展研究。

廣域海網(wǎng)（Seaweb）[25]是一種典型的海底水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)，將固定節(jié)點、移動節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點通過水聲通信鏈路連接成網(wǎng)。自1998 年起，美國海軍多次進行了Seaweb 水聲通信網(wǎng)絡(luò)試驗，旨在推進海軍的作戰(zhàn)能力。近年來，美軍開始嘗試在無人水下滑翔機Slocum平臺上搭載聲學(xué)載荷，實施水下目標(biāo)，水下多節(jié)點的信息交互試驗。

PLUSNet[12]是由美國賓夕法尼亞大學(xué)研發(fā)的一種半自主控制的海底固定和水中機動的網(wǎng)絡(luò)化設(shè)施。該系統(tǒng)以核潛艇為母節(jié)點，核潛艇攜帶的UUV 為移動子節(jié)點，潛標(biāo)、浮標(biāo)、水聲探測陣為固定子節(jié)點，可獲取海洋環(huán)境信息，進行水下目標(biāo)探測。在“蒙特利灣2006”試驗期間進行的4 個項目試驗中，PLUSNet 進行了該項目有史以來規(guī)模最大的試驗，10 多艘艦艇、30 多個UUV 以及各種浮標(biāo)、潛標(biāo)參加。

在2011—2014 年的歐盟合作項目GROOM（Gliders for Research，Ocean Observation and Management）中[19]，評估了極限環(huán)境下聲學(xué)技術(shù)用于滑翔機導(dǎo)航和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目尚行?，為現(xiàn)有全球海洋觀測系統(tǒng)（Global Ocean Observing System，GOOS）提供了重要的補充信息，填補了當(dāng)前全球、區(qū)域和沿海觀測范圍內(nèi)海洋觀測系統(tǒng)所留下的空白。

2014 年，在加拿大海洋環(huán)境觀測與預(yù)測響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中心（Marine Environmental Observation Prediction and Response Network Centre，MEOPAR）的鯨魚習(xí)性與聽覺試驗項目（Whale Habitat and Listening Experiment，簡稱WHaLE）資助下，11 臺搭載被動水聽器滑翔機開展了為期2 年的集群組網(wǎng)部署任務(wù)，任務(wù)中使用水下滑翔機執(zhí)行區(qū)域內(nèi)鯨魚聲特征記錄與數(shù)據(jù)分析任務(wù)[26]。

2018 年9 月，中國科學(xué)院沈陽自動化研究所研制的2 臺“海翼1 000”聲學(xué)水下滑翔機完成為期1 個多月的南海聯(lián)合觀測與通信試驗。2 臺水下滑翔機對試驗區(qū)域的海洋環(huán)境參數(shù)與聲場信息進行連續(xù)精細觀測，同時通過水聲通信機獲取時效潛標(biāo)的觀測數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星通信發(fā)回岸基監(jiān)控中心。此次海上試驗實施拓展了“海翼”水下滑翔機的探測功能，并驗證了一種移動-固定聯(lián)合觀測作業(yè)新模式，為解決潛標(biāo)觀測數(shù)據(jù)實時化問題提供全新解決途徑[27]。

圖 13 Seaweb 網(wǎng)絡(luò)中的水下滑翔機集群示意圖Fig. 13Schematic diagram of underwater glider cluster in network of Seaweb

圖 14 滑翔機集群在WHaLE 項目中的航跡圖Fig. 14Trajectory of underwater glider cluster in WHaLE

3 集群探測關(guān)鍵技術(shù)

近年來，隨著水下滑翔機集群探測觀測技術(shù)的提升，行業(yè)內(nèi)正在拓展將其應(yīng)用于集群水下探測等方面，實現(xiàn)一定范圍內(nèi)具備對部分聲學(xué)目標(biāo)的探測和警戒能力。然而，鑒于水下環(huán)境的特殊性和復(fù)雜性，決定了水下聲學(xué)滑翔機還面臨著本體干擾、功耗高、通信能力和計算能力相對較弱等技術(shù)瓶頸。為充分發(fā)揮聲學(xué)水下滑翔機集群在集群探測特別是協(xié)同組網(wǎng)水下聲學(xué)探測體系中的作用，需要重點攻克多項關(guān)鍵技術(shù)。

圖 15 “海翼”聲學(xué)水下滑翔機Fig. 15Acoustic underwater glider of Sea wing

3.1 平臺集成技術(shù)

聲學(xué)任務(wù)載荷在水下滑翔機平臺中的適配性對發(fā)揮探測效能起到重要作用。水下滑翔機作為運動平臺，本體產(chǎn)生各類噪聲，如機械噪聲、電磁噪聲、流噪聲等并對任務(wù)載荷產(chǎn)生干擾，影響探測效能與目標(biāo)解算精度，突破水下滑翔機總體集成控制技術(shù)，是研制高性能水下聲學(xué)滑翔機平臺的關(guān)鍵。

總體集成技術(shù)應(yīng)開展水下滑翔機搭載平臺及聲學(xué)任務(wù)載荷電磁兼容性設(shè)計，降低電磁噪聲干擾；優(yōu)化水動力外形，水下滑翔機平臺具備層流低阻水動力特性；進行水下滑翔機航行擾動噪聲特性研究，開展平臺高魯棒性動穩(wěn)定航行控制技術(shù)研究，削弱平臺晃動對水下目標(biāo)探測的影響；基于平臺航行狀態(tài)與功能階段，開展平臺總體、功能系統(tǒng)、單元器件三級振動特性、機械噪聲分析，實施結(jié)構(gòu)減振動降噪設(shè)計，優(yōu)選設(shè)計平臺共振點位，最大限度地保證水下滑翔機平臺與任務(wù)載荷性能的完整性。

3.2 人工智能技術(shù)

隨著大數(shù)據(jù)分析、深度學(xué)習(xí)與人工智能等技術(shù)的發(fā)展，人工智能近年來在智能感知、識別、控制領(lǐng)域取得了突破性進展。水下滑翔機向著“智能一代”躍進，人工智能技術(shù)將取代當(dāng)前的邏輯控制器，成為未來水下滑翔機單機平臺與多機集群的操控大腦。

由于海洋應(yīng)用場景的特殊性，決定了水下滑翔機面臨著嚴(yán)峻的功耗、通信能力和計算能力的限制?；谒禄铏C平臺，發(fā)展人工智能技術(shù)，可基于海洋環(huán)境場信息、聲探測信息及滑翔機本體、集群狀態(tài)信息，結(jié)合新興發(fā)展的人工智能先進理論，實現(xiàn)水下滑翔機對海洋水體環(huán)境、敵我勢能場的準(zhǔn)實時感知、分析成像，進而增強其完成復(fù)雜水下探測任務(wù)、集群管控的能力，實現(xiàn)水下滑翔機對突發(fā)任務(wù)的在位應(yīng)急處置和集群智能協(xié)同。

3.3 能源補給技術(shù)

水下滑翔機依靠機體攜載的電池實現(xiàn)運行工作。因攜載電池能量有限，水下滑翔機自持力、續(xù)航力受到制約。聲探測載荷及附屬數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)將顯著增加水下滑翔機的客棧負(fù)載能耗，導(dǎo)致水下滑翔機的部署頻次與成本增加，降低水下聲學(xué)滑翔機及集群的使用效能。

能量密度是制約當(dāng)前電池發(fā)展的最大瓶頸。一方面，加強電池制造工藝、材料性能的研究，開發(fā)新材料和新化學(xué)體系，尋找短期、中期和長期的電池技術(shù)解決方案，同時發(fā)展小型化燃料電池與平臺集成技術(shù)，實現(xiàn)水下滑翔機攜載電池能量密度能夠達到一個全新量級。另一方面，強化水下充電站、水下接駁入塢、水下無線充電等技術(shù)研發(fā)，并達到實用化水平，實現(xiàn)水下滑翔機在設(shè)定區(qū)域內(nèi)值守與在位能量補給。

此外，海洋中蘊藏著巨大能量，海洋通過各種物理過程接收、儲存和散發(fā)能量，也為水下滑翔機利用海洋環(huán)境能源提供了可能。海洋能包括潮汐能、波浪能、海流能、海洋溫差能等多種形式，推動小型化海洋能俘獲利用技術(shù)研究，突破水下滑翔機海洋自供能關(guān)鍵技術(shù)，可顯著提升水下滑翔機的能量自給水平，增強其續(xù)航力、自持力。

3.4 水聲通信技術(shù)

水下聲學(xué)滑翔機在執(zhí)行探測任務(wù)期間，因作業(yè)時間長，收集信息數(shù)量大，傳送數(shù)據(jù)與接收決策指令的需求顯著增加，對通信手段及性能提出了更高要求。目前，水下滑翔機主要采取滑翔上浮至水面，經(jīng)衛(wèi)星通信與岸站建立數(shù)據(jù)交互通道，并基于岸站施集中控制，開展各類數(shù)據(jù)的匯總、后處理、任務(wù)下發(fā)及水下滑翔機的調(diào)控、航線調(diào)配等工作。然而，現(xiàn)有通信方式難以實現(xiàn)水下探測數(shù)據(jù)的及時報送，且各臺水下滑翔機間無法直接通信，集群難以對水下目標(biāo)實施長時跟蹤探測。

未來，應(yīng)開展面向水下移動平臺的水聲通信及水聲組網(wǎng)技術(shù)研究，突破水聲中距離高速率、低功耗通信、時變信道條件下的高速水聲通信編解碼、時變信道下水聲組網(wǎng)與路由及移動節(jié)點動態(tài)接入、多節(jié)點水聲時空同步等關(guān)鍵技術(shù)，研制可滿足水下滑翔機平臺搭載能力與功耗負(fù)載約束的水聲通信機。

4 發(fā)展展望

受水下環(huán)境的復(fù)雜性和水聲探測技術(shù)的局限性影響，水下聲學(xué)滑翔機單機平臺的探測距離較近，難以形成區(qū)域覆蓋能力。因此，通過技術(shù)升級和使用方案優(yōu)化，將水下滑翔機進行梯次配置、組合使用，構(gòu)建具備互通信能力的水下滑翔機探測集群，可以更好地發(fā)揮水下滑翔機在水聲探測體系中的優(yōu)勢，以彌補單機平臺不足，增強水下滑翔機對水下目標(biāo)預(yù)警探測能力。未來，水下滑翔機探測集群可作為有人、無人系統(tǒng)協(xié)同探測網(wǎng)的重要組成部分，打造分布式的水下傳感器節(jié)點，形成廣域、持久的水下預(yù)警探測體系。