水下自主航行器在海洋環境監測中的應用及試驗研究

來源：《中國造船》

轉自：溪流之海洋人生

作者：魯鵬，中船重工第七一〇研究所，碩士，工程師，主要從事水下自主航行器設計；

耿文豹，中船重工第七一〇研究所，博士，高級工程師，主要從事水下自主航行器設計。

隨著海洋科學技術的發展，海洋環境的測量、調查及開發利用逐步成為各國競相研究與發展的重點，海洋環境監測技術是國家科技進步和國家綜合國力的重要體現。現有的海洋環境監測方法有：海面監測台（站）、海上錨泊浮標、水下潛標、坐底式的海床基探測系統以及水下移動觀測平台等。這些探測方法有效地解決了定點探測、特定海域的斷面或剖面探測等問題。但隨著全球各國對海洋資源的不斷重視和對海洋資源開發利用進程的不斷推進，未來的海洋環境監測將把不同尺度、物理機制的觀測手段經過多種方式融合，形成系統集成，最後向海洋環境立體監測體系方向發展。

水下自主航行器作為一種海洋環境移動監測平台，具有自身作業機動靈活、下潛深度大、使用成本低及測量範圍大等特點，已逐步成為全球海洋探測領域技術研究的重點和熱點之一。水下自主航行器可獲取接近實時的多學科海洋環境數據, 突破水深對海洋觀測手段的限制, 完成水體剖面或斷面的接近探測，對實現海洋環境立體監測有著積極的作用。因此，開展水下自主航行器在海洋環境立體監測中的應用研究具有十分重要的意義。

本文首先介紹了海洋環境立體監測體系的構架和系統組成，同時對海洋環境觀測型水下自主航行器的設計進行簡要闡述。然後討論了水下自主航行器在海洋環境立體監測中的幾種應用方式。最後對幾種典型應用開展了海上演示示範試驗驗證，結果表明：水下自主航行器在海洋環境立體監測中的應用是非常有意義和可行的，具有大範圍推廣的應用前景。

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海洋環境立體監測網

海洋環境立體監測網由不同尺度、不同物理機制觀測手段的涉及岸基觀測台（站）、海面觀測母船、海上觀測浮標、水下觀測潛標、坐底式海床探測系統及水下自主航行器等平台組成，可獲得近實時的海洋環境參數；然後通過多種通信（如水聲/射頻等）方式進行組網；最後在岸基觀測台（站）數據處理中心完成數據融合與集成，進而實現對海洋環境參數（溫、鹽、深等）的近實時立體監測。

提出構建的一套海洋環境立體監測體系示範系統見圖1。該系統包含4套海洋觀測潛標系統（定點監測標）、2套水下自主航行器觀測系統（UUV）、1艘海面監測母船和1座岸基觀測站（岸站）。其中潛標系統實現對定點海域斷面或剖面的海洋環境參數觀測；水下自主航行器觀測系統實現對潛標區間海域的海洋環境參數觀測；海面監測母船完成不同觀測平台間的通信和組網；岸基觀測站實現對不同觀測平台的數據集成與分析，形成服務性產品。

圖1 海洋環境立體監測網示範系統

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水下自主航行器

針對海洋環境立體監測體系示範系統的特點，設計了 2套水下自主航行器系統。其具有高精度授時守時功能，定時發射低頻水聲信號功能，定時接收與採集水聲信號功能和定時測量溫度、鹽度和流速等海洋環境參數。

水下自主航行器系統的設計策略如下：以海洋環境立體監測系統功能需求為牽引，結合當前水下自主航行器小型化、模塊化、集成化的發展趨勢，通過開展系統總體方案、系統構架布局、感測器配置及作業載荷擴展等研究工作，解決系統與各分系統之間的介面、通信協議、電磁兼容等集成技術問題。同時，在滿足任務功能的前提下，通過開展系統的結構設計、耐壓密封設計、水動力特性優化設計、載體介面設計、模塊化設計與搭載設備的適應性設計等方面研究工作，從而有效控制水下自主航行器系統的重量和尺度，實現水下自主航行器系統的小型化、輕量化、模塊化、集成化、通用化設計要求，為在海洋環境立體監測系統中應用奠定基礎。

水下自主航行器系統由潛航體、海洋環境觀測設備、水面集控中心及保障設備組成，如圖2所示。水下自主航行器具備高精度導航、自主路徑規劃和探測功能擴展，根據任務需要，搭載溫鹽深（CTD）感測器、聲學探測設備用于海洋環境參數測量。其主要技術參數包括：工作水深300m，最大航速5kn，續航力12h 等。

圖2 水下自主航行器示意圖

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水下自主航行器在海洋環境立體監測中的應用

水下自主航行器根據自身搭載的海洋環境監測設備（如：溫鹽深（CTD）感測器、流速計及聲學設備等）可以實現對海洋環境參數的大範圍、多維度、大深度的近實時廣泛測量。水下自主航行器在單獨執行海洋環境監測任務時，具有作業方式機動靈活、作業海域廣、深度大等特點；但由於水下自主航行器能源的限制，一次性作業時間較短，需要進行回收充電後進行二次使用。

在海洋環境立體監測網路中，水下自主航行器根據自身特點有多種應用方式，以下對主要的幾種應用方式進行介紹。

海洋環境參數水平範圍的近實時觀測

在海洋環境立體觀測網中，定點監測平台承擔著定點、實時和連續監測的使命。但是受平台吃水深度、結構和風浪等因素的影響，水平監測範圍有限。為了完善海洋環境立體監測網的水平監測範圍的數據，應用水下自主航行器，來實現定點監測平台之間海洋環境參數的水平範圍的近實時觀測。

水下自主航行器根據自身特點，搭載海洋環境監測設備，在定點監測平台間海域進行水下定深航行，測量所監測的水平大範圍的海洋環境數據，並通過海底觀測通信網將觀測數據回傳，從而有效地完善海洋環境立體監測網中的水平範圍的環境監測數據，並提高監測效率。

海洋底層環境參數的近實時觀測

在海洋環境立體監測中，海洋底層環境要素數據也是一個非常重要的組成部分。水下自主航行器具有近底航行和自主避碰的功能，非常適合應用于海洋底層環境參數的觀測。

水下自主航行器根據預設航路，進行定深航行，測量底層大範圍海洋環境要素數據，並通過海底觀測通信網將觀測數據回傳，從而實現海洋底層環境參數的近實時觀測。

海洋大斷面環境參數的近實時觀測

水下自主航行器具備 U-U路徑航行功能，實現海洋不同位置、不同深度間的斜向航行，測量不同位置不同深度的海洋環境參數，並通過海洋觀測通信網將數據回傳，從而實現海洋大斷面環境參數的近實時觀測。

海洋環境立體監測網中的移動通信中繼

海洋環境立體監測網的水下通信採用水聲通信技術，相比水下電磁波和水下光通信技術，聲波的水中衰減量最小，是目前水中信息傳輸的主要載體，因此水聲通信是當前水下遠距離通信傳輸的最有效手段。但是水聲通信技術發展至今，通信距離和通信帶寬互為約束，通信距離遠的機制就會犧牲一定的帶寬，而通信帶寬大的機制通信距離卻較小。為了實現海洋環境立體監測網中的水下數據通信要求，應用水下自主航行器作為移動通信中繼，可以有效解決水下通信的問題。

水下自主航行器安裝有水下通信設備，與定點監測平台間可進行數據通信，在水下航行探測過程中，可以作為通信中繼有效地擴大水聲通信範圍。

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水下自主航行器在海洋環境立體監測中的示範試驗

試驗設計

根據水下自主航行器在海洋環境立體監測中的應用特點，開展海上試驗設計。海洋環境立體監測網中有4套定點監測平台（檢測標）、2套水下自主航行器、1 艘海洋監測母船和1台岸基監測站。水下自主航行器應用的示範試驗目的，是完成定點監測平台間海域的海洋環境的水平範圍環境要素觀測。

根據海洋環境參數觀測需要，設計水下自主航行器的觀測路徑如圖3所示。圖3(a)代表1#路徑，即水下自主航行器繞3 套定點監測平台航行，路徑呈矩形；圖3(b)代表2#路徑，即水下自主航行器繞4套定點監測平台航行，路徑呈近三角形。表1、表2為路徑點的航行深度值列表。

圖3 水下自主航行器的規劃路徑示意圖

表1 1#路徑點深度值

表2 2#路徑點深度值

試驗過程

試驗選在三亞陵水附近海域，水深 100m左右，水下自主航行器由母船運至試驗海域，按照預設航路，下水開展海洋環境數據觀測，記錄海洋環境觀測數據並上傳，實現對海洋環境的水平大範圍近實時觀測。圖4所示為水下自主航行器試驗現場。

圖4 水下自主航行器海試現場

試驗結果

試驗中，水下自主航行器共下水 7次，單次航程約32km，搭載的海洋環境觀測設備共記錄了7組航次數據，試驗結果如圖5所示。由圖5可知，溫度與深度存在較緊密的關聯，而鹽度變化較小。結合相應時刻的水下自主航行器位置信息，可知空間三維坐標中某一時刻的溫鹽信息。

圖5 水下自主航行器CTD觀測數據

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結 語

本文以海洋環境立體監測網示範系統為例，介紹了海洋環境立體監測網的構架、海洋觀測型水下自主航行器的系統組成和基本原理以及水下自主航行器在海洋環境立體監測中的應用。由於海洋環境立體監測的特點和未來的發展趨勢，應用水下自主航行器于海洋環境監測領域是可行的和必要的。

同時，介紹了水下自主航行器在海洋環境立體監測網中應用的海上示範試驗設計、過程和結果。試驗表明：水下自主航行器在海洋環境立體監測中的應用，對完善海洋環境數據鏈、實現更加全面的環境監測和提高海洋環境監測效率將起到非常積極的作用。

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