海洋论坛▏基于海洋环境的AUG探测应用方法探讨

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我国3000000km²主张管辖海域划分为渤海、黄海、东海和南海，海洋空间广阔而深邃，海洋环境复杂(如图1)，价值来源于包括海洋地理环境、水文环境、气象环境、生物环境等海洋宏观环境资源，海洋环境具有既有利于同时又制约着经济、军事等诸多活动的双重作用。

图1　 我国海洋环境

众所周知，海上经济发展及维护国家海洋权益的军事活动与环境因素密切相关，清楚地了解海洋环境是一切活动的基础，而这种了解的深入更需要探测手段向广度和深度发展。AUG作为一种新的海洋环境监测探测手段，具有活动范围大、大潜深、机动灵活、省能、隐蔽性好的特点，可用于水下长时海洋环境监测、目标探测、信息采集和资源调查等任务，可广泛运用于民用、军事等领域，具有广阔的应用前景。

表1　我国海区海况环境

一、AUG探测技术特性分析

水下滑翔机(AUG)作为水下无人航行器(UUV)的一种，自1989年美国人Henry Stommel 第一次提出“水下滑翔机”设想以来，国内外研制了大量的采用回转体外形加固定翼的水下滑翔机。国外水下滑翔机的下潜深度可达6000m(美国Deepglider)，航程可达30000km(美国Slocum thermal glider采用温差能技术实现)。国内水下滑翔机自2003年中科院沈自所首开技术研究以来已取得重大突破，水下滑翔机下潜深度最深达1500m，最大航程2000km，续航时间超过了40天。翼身融合外形的飞翼水下滑翔机升阻比大、搭载能力强，已成为当前研究的热点，美国的飞翼滑翔机Xray的最大升阻比达19，Zray的最大升阻比达35，国内西北工业大学的飞翼滑翔机升阻比已达20。目前，采用滑翔与仿生扑翼或仿生变形相结合技术的滑翔机已在研发。

图2　国内外部分水下滑翔机

水下滑翔机的运动原理是通过调整浮力与控制翼使其在垂直面浮力带来的上升下降过程中产生水平向偏离，实现水平面运动，整体形成“波浪形”特殊运动方式 (如图3)。水下滑翔属于典型的低雷诺数流动问题，滑翔时(重浮力调节和重浮心调节)具有大升阻比，以控制滑翔速度与效率。

正是由于这样的运动特点，水下滑翔机与其它水下自航器相比，具有长航时、低速隐蔽运动、非耗能(或小耗能)动力等特点，可达到数千米工作深度、数以月或年计的超长工作时间，适宜活动范围大、大潜深、长时、省能、要求隐蔽工作的场所使用，搭载传感器后特别适用于水下环境或目标的长时大范围监测。

图3　“波浪形”滑翔示意

二、AUG海中环境/目标探测方法

⒈海中环境监测方法

搭载环境探测传感器的水下滑翔机主要用于环境参数监测，可在具有较大深度的海区范围内探测区域环境参数。对有一定海流的海区，其海流利于滑翔机在水平面的顺流移动，如果有垂面流或剖面流，则还利于滑翔机垂直面潜浮，对形成节能型“波浪”滑翔有利，也利于扩大探测范围。

通常选择一合适的深海区域(如东南海深达数千米有季风环流区域)进行监测。如图4 所设计的监测方法(举例)，搭载各类环境探测传感器(以地形地貌、水文、气象、水声、水质等环境参数测量为主的传感器或装置、设备)的水下滑翔机，在该区域走深水“波浪形”滑翔运动几十到数百千米(航时可达数天)，水平面航路为环线或顺海流的直线/ 曲线，垂直面走大深度“波浪形”滑翔运动航路。水下滑翔机上可滑翔到水面作水面环境(气象与海况)探测及数据的卫星(或无线电)通信与校准定位，下可滑翔到离海底一定安全深度(滑翔最深6km以内，离底安全深度不小于100m)进行地形地貌探测，中间则主要进行水文与水声环境参数探测。环形航路时，可单圈重复，也可逐渐向中心收缩形成大环到小环的变化(以适应不同航程和航深的测试需要)。运动以滑翔为主，并结合滑翔-扑翼联合运动以控制变速变向，总航程应在几十到数百千米(起点到终点距离数十千米以上，航时应数天以上)，满足超长时间超长距离环境监测的需要。

图4　AUG监测海中环境方法示意

⒉海中目标探测方法

利用水下滑翔机的隐蔽运动性能，进行水下敏感目标的探测最有价值。通常的方法是，在圈定的需要监测的海区大范围内，按预警信息选择目标可能出没区域(如东南海热点海区、台湾海峡、钓鱼岛等区域)进行探测。

图5　AUG探测海中目标方法示意

如图5所设计的探测方法(举例)，搭载各类目标探测传感器(目标噪声与回声测量、目标图像测量、水声背景监测、避碰声呐等目标参数测量为主传感器或装置、设备)的水下滑翔机，在该区域走深水“波浪形”滑翔运动几十到数百千米(航时数小时以上)，水平面航路为环线，垂直面走大深度“波浪形”滑翔运动航路。水下滑翔机上可滑翔到水面作水面目标光电探测及数据的卫星(或无线电)保密通信与校准定位，下可滑翔到离海底一定安全深度(滑翔最深6km内，离底安全深度不小于100m)进行潜伏目标与地形探测，中间则主要进行水中目标探测以及水声环境参数探测。运动以低速隐蔽滑翔为主，并结合滑翔-扑翼联合运动以控制变速变向，满足长时间敏感目标隐蔽监测的需要。

三、试验方法仿真研究

AUG探测应用试验方法研究可为AUG实航探测方法及方案制定提供依据与参考。因此，采用计算机视景显示技术和仿真技术，开展水下滑翔机探测敏感目标试验方案的计算机仿真，实现水下滑翔机在海峡区域的预定目标活动海区。通过规划航路接近并到达目标出没区域进行敏感目标侦探过程的仿真，验证其探测航路设计的合理性，实现其典型任务过程的模拟演示。

由于主要针对试验方法(航路规划)而非运动性能进行仿真，因此采用三次样条插值方法，在设定航路中几个关键点的基础上进行插值，生成AUG 运行轨迹。设时间序列为t，规划航路上关键点X坐标为X(t)，其上第i个点的坐标为(t_i，X_i)。S(t)为区间上，以t_i(i =0，1，2，…，n)为节点的三次样条插值函数。

令h_i＝t_i-t_i-1

式中:

将上述公式代入方程μ_iM_i-1＋2M_i＋λ_iM_i＋1＝d_i，i＝1,2,…,n-1可得到矩阵形式为

从上式求得M，即可求得S(t)。

按上述公式即可求得三次样条插值函数求出的X坐标点，Y、Z坐标按同样的方法处理，求得的坐标序列即为AUG轨迹。

图6　海峡环境仿真

图6为海峡区域环境仿真，表示了水下滑翔机需通过的复杂海峡地形(包含了海槽、台地、暗礁等)。图7为水下滑翔机接近并到达目标出没区域状态，它反映了水下滑翔机通过地形环境导航(合成孔径声呐、多普勒声呐、蓝绿激光等)隐蔽滑翔接近目标出没区过程，主画面显示水下滑翔机通过海峡水平面滑翔前进的运动航路，左右上角小画面分别从正后方和侧向方展示水下滑翔机传感器探底以导航前进的细节，上方小画面显示水下滑翔机垂直面滑翔深度(以水面为零值)。

图7　海峡环境监测仿真

图8　目标侦探仿真

图8为水下滑翔机探测敏感目标状态，它反映了水下滑翔机在侦探区域隐蔽探测目标的过程，主画面显示水下滑翔机在预定海区机动侦察目标的水平面运动轨迹场景(敏感目标从西向东运动，水下滑翔机按顺时针方向走环形侦探航路)，左右上角小画面分别从正后方和侧向方展示水下滑翔机携载声呐探测目标的细节，上方小画面显示水下滑翔机垂直面滑翔深度状态。仿真结果表明:水下滑翔机探测两阶段航路是合理可行的，前段航路通过抵底滑翔慢速接近侦探区，有利于隐蔽前行、避障与海底信息收集，也有利于航路点校准与信息安全通信;后段侦探走大环形搜寻的垂直滑翔轨迹，有利于在水中、水面和水底探测敏感目标。

【作者简介】本文作者/莫剑飞 李正刚，均来自中国船舶重工集团公司七五○试验场。第一作者莫剑飞，1985年出生，男，硕士，工程师，主要从事试验方法研究。文章发表于《数字海洋与水下攻防》（2019年第1期），参考文献略，用于学习与交流，本文编发取得了作者的认可，转载也请备注由“溪流之海洋人生”微信公众平台整理。

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