海洋技术▏水下自主航行器在海洋环境监测中的应用及试验研究
随着海洋科学技术的发展，海洋环境的测量、调查及开发利用逐步成为各国竞相研究与发展的重点，海洋环境监测技术是国家科技进步和国家综合国力的重要体现。现有的海洋环境监测方法有：海面监测台（站）、海上锚泊浮标、水下潜标、坐底式的海床基探测系统以及水下移动观测平台等。这些探测方法有效地解决了定点探测、特定海域的断面或剖面探测等问题。但随着全球各国对海洋资源的不断重视和对海洋资源开发利用进程的不断推进，未来的海洋环境监测将把不同尺度、物理机制的观测手段经过多种方式融合，形成系统集成，最后向海洋环境立体监测体系方向发展。
水下自主航行器作为一种海洋环境移动监测平台，具有自身作业机动灵活、下潜深度大、使用成本低及测量范围大等特点，已逐步成为全球海洋探测领域技术研究的重点和热点之一。水下自主航行器可获取接近实时的多学科海洋环境数据, 突破水深对海洋观测手段的限制, 完成水体剖面或断面的接近探测，对实现海洋环境立体监测有着积极的作用。因此，开展水下自主航行器在海洋环境立体监测中的应用研究具有十分重要的意义。
本文首先介绍了海洋环境立体监测体系的构架和系统组成，同时对海洋环境观测型水下自主航行器的设计进行简要阐述。然后讨论了水下自主航行器在海洋环境立体监测中的几种应用方式。最后对几种典型应用开展了海上演示示范试验验证，结果表明：水下自主航行器在海洋环境立体监测中的应用是非常有意义和可行的，具有大范围推广的应用前景。
一、海洋环境立体监测网
海洋环境立体监测网由不同尺度、不同物理机制观测手段的涉及岸基观测台（站）、海面观测母船、海上观测浮标、水下观测潜标、坐底式海床探测系统及水下自主航行器等平台组成，可获得近实时的海洋环境参数；然后通过多种通信（如水声/射频等）方式进行组网；最后在岸基观测台（站）数据处理中心完成数据融合与集成，进而实现对海洋环境参数（温、盐、深等）的近实时立体监测。
提出构建的一套海洋环境立体监测体系示范系统见图 1。该系统包含4套海洋观测潜标系统（定点监测标）、2套水下自主航行器观测系统（UUV）、1艘海面监测母船和1座岸基观测站（岸站）。其中潜标系统实现对定点海域断面或剖面的海洋环境参数观测；水下自主航行器观测系统实现对潜标区间海域的海洋环境参数观测；海面监测母船完成不同观测平台间的通信和组网；岸基观测站实现对不同观测平台的数据集成与分析，形成服务性产品。
图1 海洋环境立体监测网示范系统
二、水下自主航行器
针对海洋环境立体监测体系示范系统的特点，设计了 2套水下自主航行器系统。其具有高精度授时守时功能，定时发射低频水声信号功能，定时接收与采集水声信号功能和定时测量温度、盐度和流速等海洋环境参数。
水下自主航行器系统的设计策略如下：以海洋环境立体监测系统功能需求为牵引，结合当前水下自主航行器小型化、模块化、集成化的发展趋势，通过开展系统总体方案、系统构架布局、传感器配置及作业载荷扩展等研究工作，解决系统与各分系统之间的接口、通信协议、电磁兼容等集成技术问题。同时，在满足任务功能的前提下，通过开展系统的结构设计、耐压密封设计、水动力特性优化设计、载体接口设计、模块化设计与搭载设备的适应性设计等方面研究工作，从而有效控制水下自主航行器系统的重量和尺度，实现水下自主航行器系统的小型化、轻量化、模块化、集成化、通用化设计要求，为在海洋环境立体监测系统中应用奠定基础。
水下自主航行器系统由潜航体、海洋环境观测设备、水面集控中心及保障设备组成，如图2所示。水下自主航行器具备高精度导航、自主路径规划和探测功能扩展，根据任务需要，搭载温盐深（CTD）传感器、声学探测设备用于海洋环境参数测量。其主要技术参数包括：工作水深300m，最大航速5kn，续航力12h 等。
图2 水下自主航行器示意图
三、水下自主航行器在
海洋环境立体监测中的应用
水下自主航行器根据自身搭载的海洋环境监测设备（如：温盐深（CTD）传感器、流速计及声学设备等）可以实现对海洋环境参数的大范围、多维度、大深度的近实时广泛测量。水下自主航行器在单独执行海洋环境监测任务时，具有作业方式机动灵活、作业海域广、深度大等特点；但由于水下自主航行器能源的限制，一次性作业时间较短，需要进行回收充电后进行二次使用。
在海洋环境立体监测网络中，水下自主航行器根据自身特点有多种应用方式，以下对主要的几种应用方式进行介绍。
⒈ 海洋环境参数水平范围的近实时观测
在海洋环境立体观测网中，定点监测平台承担着定点、实时和连续监测的使命。但是受平台吃水深度、结构和风浪等因素的影响，水平监测范围有限。为了完善海洋环境立体监测网的水平监测范围的数据，应用水下自主航行器，来实现定点监测平台之间海洋环境参数的水平范围的近实时观测。
水下自主航行器根据自身特点，搭载海洋环境监测设备，在定点监测平台间海域进行水下定深航行，测量所监测的水平大范围的海洋环境数据，并通过海底观测通信网将观测数据回传，从而有效地完善海洋环境立体监测网中的水平范围的环境监测数据，并提高监测效率。
⒉ 海洋底层环境参数的近实时观测
在海洋环境立体监测中，海洋底层环境要素数据也是一个非常重要的组成部分。水下自主航行器具有近底航行和自主避碰的功能，非常适合应用于海洋底层环境参数的观测。
水下自主航行器根据预设航路，进行定深航行，测量底层大范围海洋环境要素数据，并通过海底观测通信网将观测数据回传，从而实现海洋底层环境参数的近实时观测。
⒊ 海洋大断面环境参数的近实时观测
水下自主航行器具备 U-U路径航行功能，实现海洋不同位置、不同深度间的斜向航行，测量不同位置不同深度的海洋环境参数，并通过海洋观测通信网将数据回传，从而实现海洋大断面环境参数的近实时观测。
⒋ 海洋环境立体监测网中的移动通信中继
海洋环境立体监测网的水下通信采用水声通信技术，相比水下电磁波和水下光通信技术，声波的水中衰减量最小，是目前水中信息传输的主要载体，因此水声通信是当前水下远距离通信传输的最有效手段。但是水声通信技术发展至今，通信距离和通信带宽互为约束，通信距离远的机制就会牺牲一定的带宽，而通信带宽大的机制通信距离却较小。为了实现海洋环境立体监测网中的水下数据通信要求，应用水下自主航行器作为移动通信中继，可以有效解决水下通信的问题。
水下自主航行器安装有水下通信设备，与定点监测平台间可进行数据通信，在水下航行探测过程中，可以作为通信中继有效地扩大水声通信范围。
四、水下自主航行器在
海洋环境立体监测中的示范试验
⒈ 试验设计
根据水下自主航行器在海洋环境立体监测中的应用特点，开展海上试验设计。海洋环境立体监测网中有4套定点监测平台（检测标）、2套水下自主航行器、1 艘海洋监测母船和1台岸基监测站。水下自主航行器应用的示范试验目的，是完成定点监测平台间海域的海洋环境的水平范围环境要素观测。
根据海洋环境参数观测需要，设计水下自主航行器的观测路径如图3所示。图3(a)代表1#路径，即水下自主航行器绕3 套定点监测平台航行，路径呈矩形；图3(b)代表2#路径，即水下自主航行器绕4套定点监测平台航行，路径呈近三角形。表1、表2为路径点的航行深度值列表。
图3 水下自主航行器的规划路径示意图
表1 1#路径点深度值
路径点 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
深度/m | 10 | 20 | 30 | 35 | 50 | 35 | 25 | 40 | 30 | 20 |
表2 2#路径点深度值
路径点 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 |
深度/m | 15 | 30 | 40 | 50 | 30 | 15 | 5 | 15 | 35 | 25 | 15 | 10 |
⒉ 试验过程
试验选在三亚陵水附近海域，水深 100m左右，水下自主航行器由母船运至试验海域，按照预设航路，下水开展海洋环境数据观测，记录海洋环境观测数据并上传，实现对海洋环境的水平大范围近实时观测。图4所示为水下自主航行器试验现场。
图4 水下自主航行器海试现场
⒊ 试验结果
试验中，水下自主航行器共下水 7次，单次航程约32km，搭载的海洋环境观测设备共记录了7组航次数据，试验结果如图5所示。由图5可知，温度与深度存在较紧密的关联，而盐度变化较小。结合相应时刻的水下自主航行器位置信息，可知空间三维坐标中某一时刻的温盐信息。
图5 水下自主航行器CTD观测数据
五、结语
本文以海洋环境立体监测网示范系统为例，介绍了海洋环境立体监测网的构架、海洋观测型水下自主航行器的系统组成和基本原理以及水下自主航行器在海洋环境立体监测中的应用。由于海洋环境立体监测的特点和未来的发展趋势，应用水下自主航行器于海洋环境监测领域是可行的和必要的。
同时，介绍了水下自主航行器在海洋环境立体监测网中应用的海上示范试验设计、过程和结果。试验表明：水下自主航行器在海洋环境立体监测中的应用，对完善海洋环境数据链、实现更加全面的环境监测和提高海洋环境监测效率将起到非常积极的作用。
【作者简介】文/鲁鹏，男，1988年出生，中船重工第七一〇研究所，硕士，工程师，主要从事水下自主航行器设计；耿文豹，男，1982年出生，中船重工第七一〇研究所，博士，高级工程师，主要从事水下自主航行器设计。本文来自《中国造船》（2017年第3期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者与出版社共同拥有。
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