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作者：郑皆倞、孙文秋实、李超

来源：海上智能与体系工程

长期以来，相较于陆地和太空，我国尚未建立成熟的海洋监测和测绘体系。因此，作为“大陆国家”的我国一直缺席“蓝色空间”的话语权。近几年，为了实现我国海军、海洋经济的向海图强，国家相继提出海洋强国战略、“海上丝绸之路”战略，大力开展海洋探测应用和装备的研发工作。构建全球海洋立体观测网，是进行海洋资源科学开发，保护海洋生态环境，维护国家海洋权益，建设海洋强国的有力支撑。当前全球的海洋立体监测成本不菲，无人化、长续航、高海况、零污染、高隐蔽的超高要求，一直是海洋科学观测进一步发展的重要阻碍，而 “海上无人波浪滑翔机（UMV）”的出现，改变了游戏规则。本文以我国北斗波浪滑翔机为例，详细阐述和展望我国海上无人波浪滑翔机的发展和市场应用情况。

一、波浪滑翔机的原理

波浪滑翔机是一种无人化海上观测平台，可在不同的海况条件下对海洋环境进行持续、有效的观测。最早研发设计波浪滑翔机的是美国Liquid Robotics（液体）公司于2009年研发完成的Red Flash，该波浪滑翔机采用双体设计的海浪推进式USV（无人水面艇），水面有一个表面浮体平台，平台下面的“滑翔机”部分通过电缆系在平台下方约7米处（据Liquid Robotics公司测试，7米为推进效率最佳距离）。浮体和滑翔机协同工作，以鲸类运动模式为原理，利用从海洋波浪作用中收集的能量将平台推进水中。当浮体随着表面上的波浪作用而上升和下降时，滑翔机部分在距离“相对海面”7米的相对静止的水中，将从平台之间的联接产生的垂直运动转换为向前的推力。由于平台的滑翔机部分低于大多数海况下的大部分表面波动作，因此附着在滑翔机上的“水翼”随着波浪作用上下旋转，从而将海洋表面的波浪能转化为机体前进的动力。原理图如图1所示。目前Liquid Robotics公司设计完成的波浪滑翔机已完成了一系列海上试验并投入各领域使用。由于波浪能在海洋上长期存在，因此能够从根本上解决常规海上观测作业平台对能源的需求问题，目前Liquid Robotics公司已被美国波音公司收购。

图1 波浪滑翔机原理图

二、波浪滑翔机的结构及国内外对比

波浪滑翔机由纯机械式推进系统构成，在使用过程中无需任何电力，其浮体部分可以搭载船舶自动识别装置，用于导航或自动避开障碍物，必要时可以通过远程进行遥控操作；可以搭载卫星通信系统，以便通过卫星回传各类采集数据；可以搭载各类型传感器，以便获取全方位海洋观测数据，实现海洋区域的环境立体监测。此类设备的能量提供者为搭载在波浪滑翔机浮体上表面部分的太阳能收集装置。浮体结构图如图2所示

图2 波浪滑翔机浮体结构图

2.1 Liquid Robotics公司波浪滑翔机

Liquid Robotics公司的首席执行官Bill Vass在华盛顿举行的Auvsi 2013展览会上曾说，他设想开发一系列波浪滑翔机系统，从一个低成本、可一次性的SV1（可以部署在集群中）到一个可以承载大型复杂有效载荷的大型SV7。目前，该公司已经设计完成了SV2和SV3两个型号。SV3曾在2011～2013年间穿越太平洋, 是“无人船”最远航程的世界纪录保持者。SV2与SV3结构数据如表1所示。

表1 SV2和SV3的结构数据对比图

型号名称

SHARC SV2

SHARC SV3

浮动尺寸

210 × 60 cm

290 x 67 cm

滑翔机尺寸

40 × 191 cm

21 x 191 cm

水翼翼展

107 cm wide

143 cm wide

重量

90 kg mass

122 kg mass

浮力

150 kg displacement

续航时间

>1 year (定期保养)

>1 year (定期保养)

水流速度

0.5 kt (SS1), 1.3 kt (SS4)

1 kt (SS1), 1.7 kt (SS4)

浮深额定值

brief submergence to 2 m

brief submergence to 2 m

电池

665 瓦小时，锂离子可充电电池

980瓦小时，锂离子可充电电池

太阳能

86瓦（峰值），用于电池充电、电子设备和有效负载

170W (峰值)

SV3在机械部分是SV2的升级版本，但它与SV2的根本性改变是搭载了一个云操作平台，实现了船岸一体化，让运营商可以通过系统在云端和船上进行操作。云操作使运营商能够创建模拟机器人环境，在该环境中，运营商可以运行波浪滑翔机的场景，实现了端到端的情报、监视和侦察（ISR）网络的枢纽能力。而该系统的网络将从自动水下航行器（AUV）到波滑翔机（M）到人工导航的飞机、无人机、卫星等纳入一个群体，实现空间一体化。进一步证明了波浪滑翔机的联网能力。Vass说，波浪滑翔机可以安装各种有效载荷，从用于海洋监测的载荷到反潜作战系统均可实现。目前，该平台最大的问题之一是由机载传感器系统收集的数据上传时卫星通信使用费用昂贵的问题。针对该问题，Liquid Robotics公司提出一种方法，通过WiFi从其他SV3下载数据，并转换到可以使用4G通信传输数据的区域。目前，Liquid Robotics公司还在考虑在持续监控等任务中引入更大程度的智能化，例如系统只会在识别出感兴趣的内容后再发出警报，并发送数据，这将有助于减轻通信链路的负担并减轻运营商的工作量。

2.2 我国基于北斗的波浪滑翔机

我国在波浪滑翔机研究方面起步较晚，航天科工三院、中科院沈阳自动化研究所、浙江大学、哈尔滨工程大学等机构正在开展相关研究和试用工作，目前仅在潜龙2号海洋科考等数个任务中具有真实应用案例。以我国北斗波浪滑翔机为例，其机体结构由水面的浮体与水下的拖体两部分组成，水下拖体可直接利用海浪的运动进行驱动，通过方向舵（电力驱动）操控其航向。内部部件包括：气象传感器、天线（北斗导航、卫星通信及AIS等天线）、航标灯、太阳能电池板、控制舱、前后负载设备仓、吊放设备、水翼、舵、水下仪器安装架等。北斗波浪滑翔机长2.1米，宽0.6米，重量达75公斤，排水约150公斤。工作海况为6级，30-40节风速，具有6级以上的抗浪性能。一般航速可达1-3节，且风浪越大，速度越高。负载太阳能板电池可达86W，具备665Wh储能能力，电负载能力为3-5W，可实现9-12月以上的续航能力。船体通过北斗数传与4G自组网实现船岸通讯，并配备AIS系统。北斗波浪滑翔机产品图如图3所示。

图3 北斗波浪滑翔机产品图

三、波浪滑翔机主要应用领域‍

波浪滑翔机能够搭载各类传感器和电气设备，进行海底测绘、气象与海况动态监测、生态环境动态监测、渔业调查、岛屿巡护、海底数据链中继等工作。以波浪滑翔机为基础，可建立一套长时间在海洋中自主运行、对海洋信息进行实时动态监控、可远程操控和组网的集群监测体系，是满足国家政策要求、适应海洋监测应用场景需求、成本经济的理想产品形态。

军事应用领域主要用以建立封锁和反封锁网络，对重点航线、区域、岛屿进行无人巡视，具备易部署、不易被雷达发现、长时间续航等特点。同时根据其搭载的探测设备的不同，能够有效参与到反潜、反水雷的作业中。同时，该平台还可作为空气与水两种介质的通讯路由，承担地面控制端与水下战斗或探测端的通讯中继工作。

民用应用领域可分为设施保障和环境监测两类，其中设施保障可主要用来海上油气平台巡视、海底管线维护作业等。环境监测可由监测类别细分为渔业资源探测（鱼群）、污染、气象、海况、水文洋流、海底测绘、灾害预警（地震、海啸、火山喷发等）、科学调查等。波浪滑翔机应用领域如图4所示。

图4 波浪滑翔机主要应用领域

四、国内外波浪滑翔机应用案例

波浪滑翔机具有使用成本低、应用范围广、扩展能力强、续航时间长及环境适应能力强等特点，为各型水面、水下探测设备提供可靠、高速、实时通信手段，便于各项信息及时获取及对各型设备的远程控制，并且由于采用自然能源推进，具有低噪声特性，具有良好的隐蔽性，在军事上可以实现秘密侦查、海域警戒等任务，目前在全球范围内主要聚焦应用于环境调查与科研、计算节电平台、军事、海警、海洋科普五个方面。

4.1 国外波浪滑翔机的应用案例

4.1.1 声学应用

美国将搭载了声学装置的波浪滑翔机投放于南加州近海海军训练场所。通过收集西海岸海军训练范围内基于滑翔机的声学监测数据集，测试基于滑翔机的无源声学监测能力，用于训练海洋哺乳动物呼叫的检测、分类和定位的处理能力。由于波浪滑翔机持久性、无声操作、无中断存在以及由移动性提供的广域覆盖，可以使它们在与海军演习相关的海军环境合规性和减轻相关的未来被动声学监测中发挥重要作用。

4.1.2 系泊网关节点

海底分布式网络（UDN）是一种不断增长的无人系统类别，在域中运行，不会因物流和成本而受到影响。海底分布式网络利用声学信号和声音传播来传递水面下的信息。从情报，监视和侦察（ISR）任务，到无人水下飞行器（UUV）控制，到速度和深度（CSD）与潜艇的通信，水下网络有可能成为海底战争中的力量倍增器。为了使在水面下发生的数据传输有用，必须将通信从声学信号转换为空气/水界面处的电磁信号。目前，该转换是通过配备声学调制解调器和卫星通信调制解调器的网关节点进行的。这些调制解调器通常是系泊浮标的一部分，但系泊浮标造价昂贵，深水维护困难，易受海上船只篡改和碰撞等问题。因此，波浪滑翔机的出现为系泊网关节点提供一种重要替代方案。以波浪滑翔机为平台，可用于与部署在附近区域的UUV进行通信。UUV操作的一个难点是必须在水面处或附近操作。波浪滑翔机可以通过声学路径提供与UUV通信的有用链接，允许UUV在通信时保持完全浸没。这将消除UUV在水面上方展示或延伸桅杆以将通信传输给决策者的需要。

4.1.3 海洋执法

Liquid Robotics公司曾透露，美国USI的哨兵被动声学传感器已在SV3波滑翔机上应用，并在夏威夷附近海域进行了测试。该项工程是假设许多船只禁用自动信息系统（AIS），就将造成无法对其进行跟踪的问题，而在SV3上部署该系统即可解决该问题。同时，在美国国务院主办的第三届Fishackathon上，美国Liquid Robotics公司透漏其波浪滑翔机将大量用于支持可持续捕捞渔业与打击非法捕鱼活动。

4.1.4 环境调查与科研

海底测绘方面，美国Liquid Robotics公司将带有侧扫声纳的拖鱼挂接在波浪滑翔机水下牵引机尾端，实现了地形地貌映射，实验效果良好。海洋生态与动植物探测方面，Scripps海洋研究所等机构利用搭载了高频声学记录包的波动滑翔机，对海洋哺乳类动物活动、海藻生长等进行长期跟踪研究。洋流监测方面，Teledyne公司改变以往测量手段，在波浪滑翔机上搭载通过带有声学多普勒流速测量仪（ADCP），实现了洋流的实时无人监控。海洋大气方面，美国国家海洋大气管理局利用波浪滑翔机测量海洋中的温室气体，以研究化石燃料燃烧造成的环境变化影响。美国Liquid Robotics公司与波音达成10亿美元合作，在飞机航线上布设船队，用以监测飞机航线气象海况。风能资源调查方面，美国能源发展公司希望利用波动滑翔机调查海上风力分布情况，以研究可用的海岸风电场。环境保护方面，英国石油公司BP购买了波浪动力滑翔机来巡视海上钻井平台，对海上泄油、外来船只入侵等事件进行预警，同时日本东海岸大量投放波动滑翔机用以进行核辐射监测。海水检测方面，可将波浪滑翔机投放到北极溶化冰山附近测量海水盐度。

4.1.5 军事应用

波浪滑翔机因其隐蔽性强、成本经济的特点，被美国等国家大量应用于军事领域。以美国为例，在军事侦察和巡逻方面，美海军基于其高隐蔽、低噪音的优点，将其用于海岸巡逻、入侵侦察和跟踪索马里海盗等；军用海洋测绘方面，美国海军气象与海洋司令部采购了超过150套波浪滑翔机，用来长期对远洋区域进行常态化海洋及海洋大气数据采集，建立海洋立体数字战场环境，支撑军事部署等任务。情报收集方面，美国情报机构采购200台以上波浪滑翔机，依靠卫星通信将海洋中的音视频数据传回基地。

目前Liquid Robotics公司还致力于开发一个发射和回收系统（LAR），该系统能够从一个集装箱大小的单元中实现大容量自动发射和回收船只。同时将在其他领域承担包括更大的情报、监视和侦察（ISR）及反潜战（ASW）等任务，并为美国海军开发一种重达8吨的波浪滑翔机。

4.2 我国波浪滑翔机的应用前景

目前我国波浪滑翔机的应用尚处于规划阶段。通过设计搭载各类传感设备的北斗长航时波浪滑翔机，配合定制北斗船载终端设备，可建设完成基于北斗定位导航和高分对地观测系统的海洋动态监测服务平台。

4.2.1 系统结构方面

波浪滑翔机应配备机体、机体控制系统、动力及能源管理系统、通信系统、导航定位系统、任务及传感器系统等，系统结构图如图5所示。

图5 北斗波浪滑翔机系统结构图

其中在机体控制系统方面，北斗波浪滑翔机水面载体应加装方向舵与舵机控制系统，实现平台的方向控制。控制系统将接收平台挂载的各个传感器及北斗导航定位系统的数据并进行信息融合处理，同时负责自身姿态信息的解算，做出控制决策。能源系统则主要包含水密封锂电池与太阳能电池。在导航系统方面，包含导航定位系统及惯导系统，以接收实时经纬数据及姿态数据。通信系统则分为内部和外部两个部分。北斗波浪滑翔机各个模块之间内部数据传输通过CAN总线完成，与外部单元的长数据传输通过无线电方式收发、短报文依靠北斗系统完成。而任务及传感器系统则根据需要进行搭载。

4.2.2 应用体系方面

通过波浪滑翔机的实时数据采集与处理，与高分系列卫星的综合利用，可实现海岸带遥感动态监测、海岸线遥感动态监测、海冰动态监测、海岛动态遥感监测、海洋环境遥感动态监测、海洋环境灾害应急监测等服务。再与北斗位置服务平台互联互通，动态采集各项海洋生态、环境和业务数据；提供北斗海洋大数据实时分析服务，支撑海洋经济行业、政府及相关安全管理部门工作；面向远洋渔业、海洋牧场、国际海运、油气采集、海洋气象、海上风电、海洋旅游、港口等领域提供数据采集、作业支撑、周界安防、海况预报等信息服务；平台支持远程控制和调度，能够满足各类应急、抢险等特殊任务需求。北斗海洋监测服务平台架构图如图6所示：

图6 北斗海洋监测服务平台架构

硬件基础层主要是为保障平台高效、安全运行提供一系列硬件基础设备，主要包括机房基础设备（例如机房新风系统、供电系统、屏蔽系统等。）、高速网络、高性能应用主机、大容量存储设备、各类通信设备（北斗指挥机、电台等）及所需的其他终端设备。通信网络层依托北斗一代链路、北斗大S波段、2G/3G/4G网络、电台链路及行业专线等通信链路，实现平台和波浪滑翔机、各级平台之间、平台和其他应用系统之间的网络连接和信息传输。数据资源层为满足项目业务需求，对数据资源实现有效的管理与整合。系统服务层是为使用部门提供的系统服务，可划分为北斗海洋监测数据交换与控制系统、北斗海洋监测数据存储系统、平台内部管理系统、北斗海洋监测专题展示系统等多重应用。展现交互层根据各级使用部门以及相关企事业单位的需求，实现以网站、应用客户端、智能手持设备、船载终端显示屏等多种实用载体。外部应用系统则预留与其他相关单位应用系统之间的数据传输接口，将平台内有价值的数据与外部系统进行共享，以达到数据服务的目的。最终以波浪滑翔机为中间桥梁，实现海空一体的“天网云”观测体，总体结构如图7所示。

图7 海洋动态监测服务总体结构示意图

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