深海滑翔機技術(shù)與應(yīng)用現(xiàn)狀

俞建成,，劉世杰,，金文明，黃　琰

（中國科學(xué)院沈陽自動化研究所,，遼寧沈陽 110016）

摘　要: 水下滑翔機是一種無外掛驅(qū)動,、依靠自身浮力和姿態(tài)調(diào)節(jié)控制其運動的新型水下機器人，是一種逐漸成熟的適用于長時間,、大范圍海洋環(huán)境觀測的新技術(shù)平臺,。本文概述了深?；铏C在動力、控制,、通信以及探測方面的系統(tǒng)組成,，介紹了國內(nèi)外水下滑翔機技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)狀，以及水下滑翔機應(yīng)用的國內(nèi)外現(xiàn)狀,。以中國科學(xué)院沈陽自動化研究所開發(fā)的Sea-Wing水下滑翔機為例,，詳細(xì)闡述近年來國內(nèi)深海滑翔機在平臺技術(shù)和科學(xué)應(yīng)用上取得的成果,。最后結(jié)合深?；铏C發(fā)展現(xiàn)狀，分析其核心技術(shù)及發(fā)展趨勢,，展望深?；铏C未來在我國周邊海域觀測組網(wǎng)的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞: 深?；铏C,；海洋探測；覆蓋觀測,；水下機器人

引言

水下滑翔機（Autonomous Underwater Glider）是一種新型的海洋環(huán)境水下觀測平臺,，它通過自身浮力的微小變化提供驅(qū)動力，配合水平翼的升力將垂直運動轉(zhuǎn)換為水平運動,，采用內(nèi)置的姿態(tài)調(diào)整機構(gòu)改變姿態(tài)以實現(xiàn)滑翔運動,。其特殊的驅(qū)動及控制方式保證了其能耗小、噪聲低的特點,，在國內(nèi)外都受到了極大的關(guān)注,。1989年美國人Stommel提出了采用一種能夠在水下作滑翔運動的浮標(biāo)進行海洋環(huán)境調(diào)查的設(shè)想，這就是水下滑翔機的最初概念,。

21世紀(jì),，人類對海洋的探測和研究發(fā)展到了前所未有的高度。幾乎所有國家和地區(qū)的海洋政策都強調(diào)了人類對海洋管理,、生命物種保護,、海洋經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展和海洋科學(xué)研究的迫切需求。人們對海洋洋流,、溫鹽特性的觀測和預(yù)報有利于高效安全的管理。傳統(tǒng)的海洋觀測手段,，通常采用固定系泊設(shè)備和海面船進行采樣觀測,。固定系泊雖然可以進行時變信息測量，卻不能解決空間尺度變化的觀測問題,。作為傳統(tǒng)的核心觀測平臺,，海面船雖然能夠觀測海洋特性,，但卻存在運行成本昂貴以及缺乏持續(xù)觀測能力等缺點。衛(wèi)星可以高效完成海面觀測,，但缺乏海洋垂向尺度的探測能力,。垂面剖面信息相比于水平面信息，往往能反映出更多的海洋特性,。

為克服傳統(tǒng)海洋觀測工具的缺陷,，水下滑翔機技術(shù)得到了快速發(fā)展，現(xiàn)已成為常規(guī)的,、可持續(xù)的,、高分辨率海洋觀測平臺。水下滑翔機具有典型鋸齒狀剖面運動能力,，水平速度可達(dá)0.7-1km/h,，持續(xù)觀測時間一般長達(dá)幾個月，續(xù)航能力可達(dá)上千公里,。水下滑翔機攜帶的傳感器可測量深度,、溫度、鹽度和洋流等物理特性,，以及多樣的浮游動植物等生物特性和溶解氧,、硝酸鹽等在內(nèi)的重要化學(xué)特性。另外,，水下滑翔機在國外許多海洋觀測計劃和實驗中有成熟應(yīng)用的先例,，實現(xiàn)了長達(dá)數(shù)月的持續(xù)采樣能力、安全可靠的近海岸巡航能力,、極端天氣條件下的觀測能力,，同時具有低成本特點。

1　深?；铏C系統(tǒng)組成

深?；铏C使用自身凈浮力作為驅(qū)動力，通過浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)地改變排水體積來調(diào)節(jié)載體自身浮力,， 為載體提供上浮和下潛的動力,。載體的姿態(tài)調(diào)節(jié)通過調(diào)節(jié)機構(gòu)的運動，改變系統(tǒng)重心與浮心的軸向相對位置,，使系統(tǒng)具有一定的俯仰角,，從而使其能夠保持一定的俯仰角進行上浮和下潛滑翔運動。深?；铏C在正負(fù)浮力以及姿態(tài)調(diào)節(jié)的共同作用下通過滑翔翼板產(chǎn)生使載體水平和垂直運動的驅(qū)動力,，并且能夠根據(jù)需要通過控制完成設(shè)定的滑翔周期。

相比較于浮標(biāo)等觀測平臺,，深?；铏C在航向的可控性上有絕對的優(yōu)勢,。當(dāng)前的滑翔機系統(tǒng)的航行調(diào)節(jié)方式基本上可以分為兩種：第一種是通過改變整個載體的橫傾角來改變水下滑翔機的航向，一般通過旋轉(zhuǎn)一個不對稱的電池包來實現(xiàn),；第二種是通過轉(zhuǎn)向舵結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向,。

深海滑翔機在水面漂浮時使用GPS接收器來確定當(dāng)前位置,，通過銥星通信系統(tǒng)來與岸基控制系統(tǒng)進行通信,，將采集到的數(shù)據(jù)傳送回岸基系統(tǒng)，并且獲得下一周期的任務(wù)指令,，獲得任務(wù)后,，滑翔機重新下潛直到設(shè)定深度后上浮。兩次正常上浮到表面的時間間隔稱作一個滑翔周期,，滑翔機在一個周期內(nèi)在空間上完成一個剖面,。在下潛期間，除配有聲學(xué)裝置的水下滑翔機,，一般不能與岸基取得通信聯(lián)系,。載體控制系統(tǒng)采用姿態(tài)與深度的閉環(huán)控制來執(zhí)行預(yù)編程任務(wù)。在一些滑翔機的控制系統(tǒng)中還會執(zhí)行某種算法來預(yù)估滑翔機在水底的位置,，比如航位推算法等,。

深海滑翔機的天線（包括GPS和翼型等）通常集成在尾部一根長桿的頂端,，通過控制滑翔在出水后的姿態(tài)將天線接收端最大限度地抬離水面,，使得載體能夠與衛(wèi)星建立穩(wěn)定的通信。除了本身的位置,、姿態(tài)和狀態(tài)等信息,，滑翔機通過科學(xué)傳感器來收集海洋特征數(shù)據(jù)，搭載的典型的傳感器有溫,、鹽,、深傳感器（CTD）。根據(jù)具體科學(xué)任務(wù)的需求,，已經(jīng)有多種測量各種海洋環(huán)境參數(shù)的傳感器搭載到滑翔機上,，進一步拓寬了深海滑翔機的工作能力,。當(dāng)然,，傳感器的增多加大了采樣時間，數(shù)據(jù)的增多又意味著通信時間變長,，這些都會導(dǎo)致更多的能量消耗而使得任務(wù)的執(zhí)行時間變短,。

圖1　“海翼號”深海滑翔機三維效果圖

圖2　電能Slocum、Seaglider和Spray水下滑翔機

中國科學(xué)院沈陽自動化研究所研制的“海翼號”深?；铏C［1］［2］的三維效果圖如圖1所示?！昂Ｒ硖枴北倔w采用模塊化設(shè)計,，分為艏部艙段、姿態(tài)調(diào)節(jié)艙段,、觀測艙段和尾部艙段等4個艙段,。艏部艙段主要安裝電子羅盤TCM3、高度計和深度計,；觀測艙段主要安裝CTD,，可以根據(jù)需求定制擴展其他傳感器；姿態(tài)調(diào)節(jié)艙段安裝有俯仰調(diào)節(jié)裝置,、橫滾調(diào)節(jié)裝置,、載體控制單元等；尾部艙段安裝浮力調(diào)節(jié)裝置,、應(yīng)急處理單元,、衛(wèi)星通信定位模塊、無線電通信模塊以及通信定位天線等,。

2　深?；铏C技術(shù)現(xiàn)狀

2.1　國外深海滑翔機技術(shù)現(xiàn)狀

美國作為滑翔機技術(shù)的起源地和領(lǐng)軍者,，自二十世紀(jì)90年代開始滑翔機的技術(shù)研究,，目前滑翔機單體技術(shù)已經(jīng)非常成熟，具有Slocum［3］,、Spray［4］和Seaglider［5］等多款滑翔機產(chǎn)品,，如圖2所示，且產(chǎn)品的可靠性和實用化程度高,，應(yīng)用廣泛,。

Slocum水下滑翔機按照浮力驅(qū)動系統(tǒng)的等級，已有30m,、100m,、200m、350m,、1000m等多種系列,，是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的一款滑翔機產(chǎn)品。Seaglider水下滑翔機使用與海水壓縮率相似的材料作為耐壓殼體,，可以有效的減小滑翔機的浮力改變量,，更節(jié)省能源。Spray水下滑翔機是目前投入實際應(yīng)用潛深最大的滑翔機，工作深度為1500m,。

目前,，這三種水下滑翔機已經(jīng)實現(xiàn)產(chǎn)品化，分別由Webb Research,、Kongsberg和Bluefin三家公司負(fù)責(zé)生產(chǎn),，并用于海洋觀測與資源開發(fā)中的復(fù)雜海洋環(huán)境下的各種水下觀測、水下作業(yè)等任務(wù),，是海洋觀測與資源開發(fā)系統(tǒng)裝備中的重要組成部分,。

此外，法國,、日本,、加拿大、韓國,、新西蘭等國家也先后開展了水下滑翔機研究與研制工作,。2009年法國ACSA Underwater GPS 公司開發(fā)成功水下滑翔機SeaExplorer［6］，目前也已經(jīng)達(dá)到實用化和商品化,。

為提高滑翔機的速度以及應(yīng)對在較淺海域應(yīng)用的難題,，近年來，在海軍研究辦公室的資助下,，美國Exocetus公司耗時6年先后研發(fā)了ANT littoral glider和Exocetus Coastal Glider,。在6年中Exocetus公司共向美國海軍交付了18臺滑翔機，這些滑翔機共進行了4500小時的作業(yè),。Exocetus Coastal Glider的浮力系統(tǒng)容量可達(dá)5L,，使得滑翔機運行速度很容易達(dá)到2節(jié)，與其他滑翔機比較,，性能優(yōu)勢明顯,。

隨著滑翔機的廣泛應(yīng)用和使用需求的逐步深入，為提高滑翔機在較強海流下的抗流能力,，混合推進水下滑翔機也逐漸成為當(dāng)前的研究熱點和未來的重要發(fā)展方向,。

2012年至今，針對美國Webb Research公司生產(chǎn)的Slocum水下滑翔機,，加拿大The Memorial University of Newfoundland（MUN）,、National Research Council Canada 和美國TWR的研究人員在其尾部加裝可折疊螺旋槳推進器［7］,，以增強當(dāng)前滑翔機在淺海運行的機動能力,，拓展應(yīng)用范圍和海域,，如圖3所示。當(dāng)需要推進運動時,，滑翔機尾部螺旋槳展開,，增加航行速度,；需要滑翔運動時，尾部螺旋槳折疊,，從而減少滑翔阻力,。

法國ACSA公司、NURC（NATO Undersea Research Centre,，北約水下研究中心）和ENSIETA學(xué)院等也成功研發(fā)了各自的混合推進水下滑翔機SeaExplorer,、Folaga和Sterne。其中SeaExplorer結(jié)合水下聲學(xué)定位系統(tǒng),，能夠不浮出水面完成自定位，可用于長時海洋監(jiān)測和冰下測量,。目前SeaExplorer也已經(jīng)實現(xiàn)商品化,，得到一定程度的應(yīng)用。

圖3　Slocum混合推進滑翔機

為突破滑翔機的深度極限,，美國華盛頓大學(xué)海洋學(xué)院（University of Washington,， School of Oceanography）研制了用于深海環(huán)境監(jiān)測的長航程水下滑翔機Deepglider［8］，其長度1.8m,，重量62kg,，設(shè)計深度為6000m，航程10000km,，連續(xù)工作時間為18個月,，可搭載溫度、鹽度和溶解氧等傳感器,。3臺Deepglider于2011年在大西洋做了海試研究,，最大下潛深度達(dá)到了5920m，航程總計275km,。從2014年3月至今,，研究人員又在百慕大海域布放了兩臺Deepglider滑翔機，對采集和發(fā)送數(shù)據(jù)情況進行進一步測試,。

2.2　國內(nèi)深?；铏C技術(shù)現(xiàn)狀

由于國外的技術(shù)封鎖，我國水下滑翔機均為自主研發(fā),，相關(guān)研究工作起步較晚,。2003年中國科學(xué)院沈陽自動化研究所開展了與水下滑翔機相關(guān)的基礎(chǔ)研究工作，成功開發(fā)出了水下滑翔機原理樣機,，并完成了湖上試驗,。從2007年開始在國家863計劃的支持下，中國科學(xué)院沈陽自動化研究所開展了水下滑翔機樣機的研制工作,，2008年研制成功我國水下滑翔試驗機樣機,。2012年開始,，由總參大氣環(huán)境研究所、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”,，進行多型水下滑翔機的工程樣機開發(fā)，加速推進深?；铏C技術(shù)工程化,，并研制出多種型號的深海滑翔機樣機（如圖4所示）,。中國科學(xué)院沈陽自動化研究所研制的水下滑翔機分為深海和淺海兩種類型,，其技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

圖4　2014年3～4月滑翔機性能評估海試參試樣機

表1　水下滑翔機技術(shù)指標(biāo)

技術(shù)指標(biāo)　深?；铏C尺寸　載體長度2m,，直徑0.22m重量　～65kg最大作業(yè)水深　1000m正常航行速度　0.5knot最大航行速度　1knot航行范圍　1000km通信與定位（二選一）銥星通信、GPS定位,；北斗短數(shù)據(jù)包服務(wù)與定位測量傳感器　基本配置CTD,，可定制擴展其他傳感器（包括溶解氧、濁度計,、葉綠素,、ADCP、水聽器等）

在混合驅(qū)動和溫差能驅(qū)動等新型水下滑翔機的研究工作方面,，我國尚處于探索階段,。2005年，天津大學(xué)研制完成溫差能驅(qū)動水下滑翔機原理樣機,，并成功進行了水域試驗［9］,。此外，上海交通大學(xué)也對溫差能浮力驅(qū)動機理進行了研究［10］,。天津大學(xué)在2009年研制了工作深度 500m,，凈重130kg的混合推進水下滑翔機 Petrel，并做了湖域測試［11］,。2013年和2014年,，混合推進滑翔機Petrel-II也在我國南海進行了初步的混合推進測試，具備了一定的技術(shù)基礎(chǔ),。

近年來通過不斷的努力和發(fā)展,，支撐滑翔機發(fā)展的主要關(guān)鍵技術(shù)都取得了較大進步，滑翔機單體技術(shù)逐漸成熟,，具備了應(yīng)用基礎(chǔ),。但是面向?qū)嶋H需求的滑翔機應(yīng)用技術(shù)方面,、多滑翔機編隊和組網(wǎng)技術(shù)研究方面，我國還未開展先期研究,，在一些混合推進,、海洋環(huán)境能源利用方面，我國也僅進行了初步研究,，與國外先進水平仍存在較大差距,。

3　深海滑翔機技術(shù)應(yīng)用

3.1　國外深?；铏C技術(shù)應(yīng)用

隨著水下滑翔機技術(shù)的不斷成熟,、應(yīng)用面不斷擴大，走在前列的滑翔機強國已經(jīng)由單機技術(shù)向滑翔機網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換,，而基于滑翔機網(wǎng)絡(luò)的觀測更能體現(xiàn)水下滑翔機的優(yōu)勢,。國際上幾乎所有重要的海洋觀測系統(tǒng)和海洋觀測計劃中，都存在滑翔機編隊和網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的研究任務(wù)和應(yīng)用試驗,。目前滑翔機觀測網(wǎng)已經(jīng)完成了多次示范，取得了顯著成果,，顯示了滑翔機網(wǎng)絡(luò)在海洋監(jiān)測和探測方面的重要作用,。

20世紀(jì)90年代開始，由美國海軍研究院資助的自主海洋采樣網(wǎng)（Autonomous Ocean SamplingNetwork,，簡稱AOSN）啟動,，實驗的目的是為了觀測大范圍近海和沿海區(qū)域內(nèi)，各種重要海洋特性和海洋現(xiàn)象,。AOSN分別于2000年,、2003年和2006年在美國蒙特利海灣進行了一系列的海洋觀測實驗［12-14］。實驗從驗證平臺的技術(shù)可行性到使用數(shù)臺滑翔機結(jié)合海洋模式協(xié)同進行了觀測,，并且對多滑翔機的采樣策略進行了系統(tǒng)的優(yōu)化,。通過ASAP試驗，多水下滑翔機作為分布式,、移動的海洋參數(shù)自主采樣網(wǎng)絡(luò),，在海洋環(huán)境參數(shù)采樣中顯示了卓越的優(yōu)勢和廣闊前景。

美國海洋大氣署主持的跨系統(tǒng)聯(lián)邦計劃IOOS （Integrated Ocean Observing System）非常重視滑翔機在海洋觀測網(wǎng)中的作用,。水下滑翔機網(wǎng)絡(luò)在IOOS中的典型應(yīng)用主要有以下兩例：

1）應(yīng)對突發(fā)事件,。2010年4月20日美國墨西哥灣發(fā)生歷史上最嚴(yán)重的石油泄漏。在此次災(zāi)難中,，眾多組織,、企業(yè)和研究院校志愿組織布放了多臺水下滑翔機對事發(fā)海域的溫度、鹽度和海流速度進行水下觀測,，如圖5所示,，為進一步確定泄露原油隨海流運動的方向提供了重要的數(shù)據(jù)支持,。在本次事件中，充分體現(xiàn)了水下滑翔機單機平臺和多滑翔機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有其他觀測設(shè)備無可比擬的優(yōu)越性,，同時具備可靠的應(yīng)急響應(yīng)能力,。

圖5　（A）2010年4月21日墨西哥灣海上鉆井平臺燃燒圖片,；（B）2010年4月28日漏油情況空中拍攝圖片,；（C）水下滑翔機網(wǎng)絡(luò)觀測布放和運動軌跡

2）海洋特殊現(xiàn)象觀測。自2005年,，南加州近海觀測系統(tǒng)SCCOOS（Southern California Coastal Ocean Observing System,，IOOS子系統(tǒng)）在加利福尼亞南部海岸沿線布置滑翔機觀測網(wǎng)。該網(wǎng)絡(luò)通過采集海洋參數(shù)變化,，研究其對內(nèi)陸造成的影響,。該網(wǎng)共使用4臺Spray 水下滑翔機對南加州近海海域的溫度、鹽度,、深度,、葉綠素濃度和反向散射等參數(shù)進行采樣。自2010年起,，墨西哥灣觀測系統(tǒng)GCOOS（The Gulf Coast Ocean Observing System,，IOOS子系統(tǒng)）開始設(shè)計利用滑翔機網(wǎng)絡(luò)進行赤潮觀測。2012年秋季,，GCOOS與南佛羅里達(dá)大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院和Mote海洋實驗室合作,，在佛羅里達(dá)大陸架利用水下滑翔機編隊對Karenia brevis 藻類進行了觀測研究，觀測結(jié)果對研究?？寺鼘拥撞可嫌康纳仙魈匦跃哂兄匾饔?。

該計劃在 2014年1月提出正式的《U.S. IOOS? National Underwater Glider Network Plan》［15］，旨在搭建一個初步的滑翔機網(wǎng)絡(luò),，建立數(shù)據(jù)管理和傳輸中心,，提高滑翔機編隊和數(shù)據(jù)管理能力。

由英國,、法國,、德國、意大利,、西班牙和挪威等國家的科學(xué)家組成的歐洲滑翔觀測站EGO［16］（European Gliding Observatories Network,，又稱Everyone’s Gliding Observatories Network），主要目的是研究如何協(xié)調(diào)組織滑翔機編隊實現(xiàn)全球性,、區(qū)域性及近海岸等不同范圍內(nèi)的長期海洋觀測任務(wù),。自2005年至2014年4月底，EGO共布放了大約300臺次滑翔機執(zhí)行各種海洋觀測任務(wù),，滑翔機的布放如圖6所示,。

圖6　EGSEX布放圖

ANFOG［17］（The Australian National Facility for Ocean Gliders）是澳大利亞IMOS綜合海洋觀測系統(tǒng)（Australia’s Integrated Marine Observing System）的子觀測網(wǎng),，負(fù)責(zé)水下滑翔機編隊的運行和維護。ANFOG的水下滑翔機編隊可用來對澳大利亞周邊海洋進行觀測,，目前滑翔機編隊分布如圖7所示,。2012年至2013年，ANFOG共布放了包括Seaglider和Slocum在內(nèi)的數(shù)十臺水下滑翔機,，共計執(zhí)行超過150個調(diào)查任務(wù),。任務(wù)范圍覆蓋觀測海域溫度、鹽度,、海洋酸化和氣候變異等,，并完成了對大陸架海域的物理、化學(xué),、生物現(xiàn)象的觀測和預(yù)報,。

圖7　澳大利亞近海滑翔機觀測網(wǎng)絡(luò)布放圖

3.2　國內(nèi)深?；铏C技術(shù)應(yīng)用

至2013年末,，在各類科技計劃資助下，我國已經(jīng)開發(fā)出了多臺水下滑翔機的樣機,，并進行了一系列湖試和海試研究,，滑翔機技術(shù)有了長足的進步。隨著水下滑翔機關(guān)鍵技術(shù)的掌握,，我們也邁上了滑翔機應(yīng)用的軌道,。

2014年,，中科院沈陽自動化研究所研制的“海翼號”深?；铏C先后完成了3次海上試驗，滑翔機海上累計工作天數(shù)達(dá)到80天,，累計航程達(dá)到2400多公里,，累計觀測剖面數(shù)超過600個。多次海上試驗全面考核了沈陽自動化所研制的滑翔機系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性,，為后期的推廣應(yīng)用打下了堅實基礎(chǔ),。

2014年9—10月，“海翼號”深?；铏C在南海結(jié)束了為期一個多月的海上試驗,，完成了多滑翔機同步區(qū)域覆蓋觀測試驗和長航程觀測試驗。在長航程試驗中,，滑翔機海上總航程突破1000公里,，達(dá)到1022.5公里，持續(xù)時間達(dá)到30天,，獲得229個1000米深剖面觀測數(shù)據(jù),，本次實驗中水下滑翔機的路徑如圖8所示,。隨后的實驗數(shù)據(jù)處理發(fā)現(xiàn)［18］，在這次實驗區(qū)域發(fā)生了兩次海洋上層水體混合層變冷的現(xiàn)象,，第一次水體變冷發(fā)生在水面下1m處,，此處的溫度與水面相差將近1℃，根據(jù)衛(wèi)星的數(shù)據(jù)顯示,，發(fā)生水體冷卻的海面局部風(fēng)速達(dá)到了4.2m/s,。第二次是在4天里溫度變化了1.7℃，衛(wèi)星數(shù)據(jù)顯示整個南海北部的風(fēng)速達(dá)到了7m/s,，同時混合層的深度激增到了30-60m,。滑翔機的高精度數(shù)據(jù)為定量分析混合層冷卻的原因提供了強有力的支持,。

圖8　水下滑翔機南海長航程試驗觀測軌跡

2015年3—4月,，“海翼號”深海滑翔機在南海北部開展南海邊界流觀測應(yīng)用（如圖9所示）,，分別布放了1臺淺?；铏C和1臺深海滑翔機,。淺?；铏C按照設(shè)定觀測路徑連續(xù)工作7天，獲得了145個300米深剖面觀測數(shù)據(jù),，航行距離180多公里,；深海滑翔機按照設(shè)定觀測路徑連續(xù)工作25天,，獲得167個1000米剖面觀測數(shù)據(jù),，航行距離740多公里。

圖9　水下滑翔機2015年3—4月南海邊界流觀測軌跡

在2015年4月的“海翼號”深?；铏C實驗中,，滑翔機提供的高精度水下0—1000m的溫鹽數(shù)據(jù)幫助科學(xué)家系統(tǒng)地分析了存在于南海北部的一個反氣旋渦場的垂直結(jié)構(gòu)（圖10），定量地得到了渦場在水下的溫度和鹽度奇異值,，以及渦場在水下部分的旋轉(zhuǎn)速度,。通過水團的分析確定該渦場來源于在臺灣西南部脫離的黑潮水。

圖10　衛(wèi)星高度圖顯示的渦場隨時間的變化,，紅色線段為滑翔機的軌跡

4　深?；铏C技術(shù)發(fā)展趨勢

當(dāng)前在世界范圍內(nèi)，滑翔機的單機技術(shù)已經(jīng)成熟,，美國,、法國均有多型滑翔機產(chǎn)品，實用性和可靠性通過大量的實際應(yīng)用試驗得到了充分驗證。根據(jù)美國,、澳大利亞,、歐洲等國家和地區(qū)當(dāng)前技術(shù)發(fā)展和研究熱點分析，未來滑翔機的發(fā)展趨勢主要集中在以下幾個方面：

1）滑翔機單機技術(shù)成熟,，拓展應(yīng)用是其研究熱點之一,。當(dāng)前在美國和法國，已經(jīng)成功跨過滑翔機可靠性和工程化階段,，主要研究熱點集中在通過裝載和集成不同種類的傳感器,，拓展滑翔機的應(yīng)用價值。水下滑翔機的功能很大程度上依賴于搭載的傳感器,，由于水下滑翔機本身重量和能耗的限制,，其搭載的傳感器受外形大小、海流干擾的限制,，同時傳感器在重量和能耗方面也具有嚴(yán)格的要求,。針對滑翔機的使用條件，有些在傳感器的體積,、重量和能耗方面進行了專門的開發(fā)和改進,，以實現(xiàn)與滑翔機的有效集成；有些則對滑翔機平臺進行改進,，以適于傳感器的測量,。

2）滑翔機觀測網(wǎng)功能強大，編隊與組網(wǎng)是重要發(fā)展方向,?；铏C網(wǎng)絡(luò)大大擴展了單機探測的覆蓋區(qū)域，同時可提供時變的次表層海洋物理,、化學(xué),、生物、光學(xué)數(shù)據(jù)信息,。鑒于滑翔機編隊和組網(wǎng)能夠有效拓展單機能力,，具有更大的應(yīng)用價值,，是當(dāng)前的研究熱點和重要發(fā)展方向,，各海洋強國均在大力發(fā)展相關(guān)技術(shù)。

3）混合推進滑翔機,，當(dāng)前技術(shù)發(fā)展新趨勢,。在強海流區(qū)，由于滑翔機運動速度慢（典型運動速度0.5knot）,，無法實現(xiàn)預(yù)定的航跡,；同時由于滑翔機剖面運動形式固定，無法滿足多樣的海洋科學(xué)任務(wù)需求。為此,，在美國,、法國、加拿大等國,，開展了螺旋槳推進與浮力驅(qū)動相結(jié)合的混合推進型滑翔機,，以彌補當(dāng)前滑翔機的不足，并取得了良好的應(yīng)用效果,。

4）特種滑翔機形式多樣,，在前沿技術(shù)上逐漸探索。在常規(guī)滑翔機之外,，美國也開展了特殊滑翔機平臺的研究,，比較有代表性的為利用海洋環(huán)境能源驅(qū)動的滑翔機系統(tǒng)，包括利用海洋波浪能的波浪滑翔機,、利用海洋溫差能的溫差能滑翔機等,。當(dāng)前波浪滑翔機已經(jīng)達(dá)到實用水平，溫差能滑翔機也開展了多次應(yīng)用研究,，顯示了良好的應(yīng)用前景,。同時，美國軍方結(jié)合滑翔機的聲學(xué)應(yīng)用,，也開展了聲學(xué)滑翔機XRay和ZRay的技術(shù)研究,。此外，在極限潛深滑翔機,、仿生滑翔機等方面,，也有科研人員開展了先期研究，也是滑翔機技術(shù)的重要發(fā)展方向,。

5　結(jié)束語

經(jīng)過20多年的發(fā)展,，深海滑翔機技術(shù)已經(jīng)成熟,，基于滑翔機的海洋觀測應(yīng)用也越來越廣泛,，全球幾乎所有的大型海洋觀測系統(tǒng)都使用過或正在使用水下滑翔機作為觀測的重要成員。歐美國家和地區(qū)已經(jīng)提出了用滑翔機覆蓋全球海洋的宏大計劃,，水下滑翔機的應(yīng)用將繼續(xù)擴大,。近些年，在國家的強力支持下,，我國已經(jīng)掌握了水下滑翔機的核心技術(shù),，開發(fā)了多種水下滑翔機樣機，開展了多次湖試和海試,。在滑翔機的應(yīng)用和組網(wǎng)觀測方面,，我國正在進行積極的探索和有力的開展，水下滑翔機也將為我國周邊海域的觀測做出更多的貢獻。

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The Present State of Deep-sea Underwater Glider Technologies and Applications

Yu Jiancheng,， Liu Shijie,， Jin Wenming， Huang Yan
（Shenyang Institute of Automation,， CAS,， Shenyang 110016， China）

Abstract: Underwater gliders are a new type of underwater robots which are buoyancy-driven,， moving up and down in the ocean without propeller system,， so they tend to be applied to conduct marine environmental observations within long-time and large-range dimensions. In this paper， we give an overview of the system components of deep-sea underwater gliders on power,， control,， communication and detection， and also introduce the development and present state of deep-sea underwater glider technologies and applications in china and abroad. Taking Sea-Wing underwater gliders developed by Shenyang Institute of Automation as an example,， we elaborate on the achievements on the platform technologies and scientific applications of deep-sea underwater gliders in recent years. Finally,， combining with the present state of deep-sea underwater gliders， we analyze the core technologies and development tendencies,， and we believe that deep-sea underwater gliders will have wide application and bright foreground in observation and networking in the waters surrounding our country in the near future.

Keywords: deep-sea underwater gliders,； marine detection； covering observation,； underwater vehicles

中圖分類號： P72

文獻標(biāo)識碼： A

文章編號： 1674-4969（2016）02-0208-09

DOI： 10.3724/SP.J.1224.2016.00208

收稿日期： 2016-01-12,； 修回日期： 2016-03-16

基金項目：中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項，7000米級深?；铏C（XDB06040200）,；國家自然科學(xué)基金,，水下機器人海洋環(huán)境自主觀測理論與技術(shù)（61233013）

作者簡介：俞建成（1976-），男,，博士,，研究員，研究方向為水下機器人技術(shù),。E-mail: [email protected]