一種海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)無(wú)人船系統(tǒng)及其海洋應(yīng)用

金久才，張 杰，邵 峰,2，崔廷偉

(1. 國(guó)家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島 266061; 2.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 信息與控制工程學(xué)院，山東 青島 266580)

一種海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)無(wú)人船系統(tǒng)及其海洋應(yīng)用

金久才1，張 杰1，邵 峰1,2，崔廷偉1

(1. 國(guó)家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島 266061; 2.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 信息與控制工程學(xué)院，山東 青島 266580)

無(wú)人船是一種新型的無(wú)人多功能海洋監(jiān)測(cè)平臺(tái)，能夠以遙控或自動(dòng)方式完成連續(xù)性海洋參數(shù)測(cè)量。針對(duì)湖泊和近海的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)，自主研發(fā)了一種雙體雙推進(jìn)式無(wú)人船系統(tǒng)“USBV”。利用該無(wú)人船系統(tǒng)，搭載信標(biāo)差分GPS、單波束測(cè)深儀和CTD(溫鹽深儀)，于2014-10—11在連云港當(dāng)路水庫(kù)和連島海域，開(kāi)展了水深、溫度和鹽度的自動(dòng)航行監(jiān)測(cè)。通過(guò)分析無(wú)人船的自動(dòng)航行性能和深度、溫度與鹽度的測(cè)量結(jié)果，驗(yàn)證了無(wú)人船“USBV”用于海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)的自動(dòng)性和可行性。

無(wú)人船；環(huán)境監(jiān)測(cè)；水深測(cè)量；溫鹽測(cè)量

隨著無(wú)人平臺(tái)的推廣以及相關(guān)定位、導(dǎo)航與控制技術(shù)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的無(wú)人海洋自動(dòng)平臺(tái)應(yīng)用于海洋監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，如無(wú)人機(jī)(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)、無(wú)人水下自主航行器(Autonomous Unmanned Vehicle,AUV)等。而工作于海氣界面的無(wú)人船也逐漸成為海洋監(jiān)測(cè)平臺(tái)研究和應(yīng)用的一個(gè)熱點(diǎn)[1]。無(wú)人船(Unmanned Surface Vehicle,USV)是一種新型的搭載平臺(tái)，依托小型船舶，裝載定位、導(dǎo)航與控制設(shè)備，可搭載多種海洋監(jiān)測(cè)傳感器，以遙控或自主的工作方式，在走航過(guò)程中進(jìn)行連續(xù)性海洋監(jiān)測(cè)。無(wú)人船工作于水面，大部分表面原位和剖面測(cè)量傳感器均可搭載，例如CTD、葉綠素、溶解氧、流速儀、單/多波束測(cè)深儀、ADCP等，可應(yīng)用于淺水湖泊、近岸、島礁周邊等復(fù)雜區(qū)域甚至大洋的多要素同步測(cè)量。

近十年來(lái)，已有超過(guò)10個(gè)國(guó)家的40多個(gè)海洋研究單位開(kāi)發(fā)了幾十款不同用途的無(wú)人船，并開(kāi)展了多種海洋應(yīng)用，例如海洋測(cè)繪、聲學(xué)通信中繼、海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)等[2]。美國(guó)密歇根大學(xué)Brown等[3]開(kāi)發(fā)了無(wú)人船“BathyBoat”，應(yīng)用于湖泊水深、環(huán)境測(cè)量。英國(guó)普利茅斯大學(xué)開(kāi)發(fā)了無(wú)人船“Springer”，搭載了水質(zhì)監(jiān)測(cè)傳感器，應(yīng)用于海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)[4]。麻省理工大學(xué)開(kāi)發(fā)的水聲通訊中繼無(wú)人船“SCOUT”，完成了多個(gè)USV和AUV間通信試驗(yàn)[5]。另外，最近還出現(xiàn)了一些新穎的無(wú)人船應(yīng)用，例如用于防波堤檢測(cè)的無(wú)人船“DELFIM”[6]、環(huán)境建模測(cè)量與救助無(wú)人船“ROAZ”[7]和長(zhǎng)航時(shí)波浪驅(qū)動(dòng)無(wú)人船“WaveGlider”[8]等。由于國(guó)內(nèi)無(wú)人船應(yīng)用剛剛起步，目前相關(guān)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用還比較少。

本文利用自主研發(fā)的無(wú)人船系統(tǒng)“USBV”(Unmanned Surface Bathymetry Vehicle)[9]，搭載單波束測(cè)深儀、CTD、信標(biāo)差分GPS、三維電子羅盤(pán)、陀螺式姿態(tài)儀等傳感器，以水深、溫度、鹽度測(cè)量為例，開(kāi)展了無(wú)人船系統(tǒng)的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。

1 無(wú)人船系統(tǒng)“USBV”

自主研發(fā)的無(wú)人船系統(tǒng)“USBV”是由岸基控制單元和無(wú)人船單元兩部分組成，二者之間采用數(shù)傳電臺(tái)建立測(cè)量數(shù)據(jù)回傳和控制命令下達(dá)鏈接，參見(jiàn)無(wú)人船網(wǎng)站(http:∥www.usbv-fio.com)。岸基控制單元以筆記本電腦為控制核心，基于LabView開(kāi)發(fā)了岸基控制軟件，構(gòu)建了回傳數(shù)據(jù)顯示、存儲(chǔ)和自動(dòng)控制命令下達(dá)的終端，并外接有用于實(shí)時(shí)遙控的遙控桿(圖1)。在岸基控制軟件中，實(shí)時(shí)顯示的數(shù)據(jù)有船體參數(shù)(位置、速度、航向、橫滾和俯仰)、水深和水上與水下視頻，自動(dòng)控制設(shè)置包括期望的速度、航向、位點(diǎn)、路徑等。

無(wú)人船單元采用雙體雙推進(jìn)船體結(jié)構(gòu)，以嵌入式單板機(jī)為主控核心，集成有GPS、電子羅盤(pán)、姿態(tài)儀、測(cè)深儀、水上與水下攝像機(jī)、數(shù)傳電臺(tái)等(圖2)。主控系統(tǒng)和電源分別密封于兩個(gè)不銹鋼艙內(nèi)，外接傳感器的數(shù)據(jù)線、電源線和天線是通過(guò)艙體上的水密插頭連接。使用Matlab編寫(xiě)的船載程序，功能包括讀取傳感器數(shù)據(jù)(GPS、電子羅盤(pán)、測(cè)深儀等)、接收岸基控制單元發(fā)送的控制命令、導(dǎo)航以及向推進(jìn)器控制器發(fā)送底層控制指令。其中，中海達(dá)公司的HD360單波束測(cè)深儀采用在線方式集成于無(wú)人船底部，而加拿大RBR公司concerto CTD采用自容方式裝載于無(wú)人船尾部。

無(wú)人船“USBV”重約130 kg，長(zhǎng)2.8 m，寬1.5 m，續(xù)航能力可達(dá)20 km(經(jīng)濟(jì)航速下8 h)，船速在0～1.5 m/s范圍內(nèi)可調(diào)，通信距離超過(guò)40 km。驅(qū)動(dòng)電源使用24 V和12 V鋰電池組，分別為推進(jìn)系統(tǒng)和主控及傳感器系統(tǒng)供電。推進(jìn)系統(tǒng)包括兩個(gè)水下推進(jìn)器及控制器，采用雙推進(jìn)器組合及轉(zhuǎn)速差控制方式，實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)向操控。目前具備了無(wú)人船航向、位置、路徑等的自動(dòng)控制能力，能夠按照岸基控制單元發(fā)送的期望航向、位置和航線完成相關(guān)海洋參數(shù)的自動(dòng)測(cè)量。

圖1 岸基控制單元

圖2 無(wú)人船“USBV”

2 無(wú)人船水深、溫度、鹽度測(cè)量實(shí)驗(yàn)及分析

2.1 測(cè)線自動(dòng)跟蹤

2014-10-11期間，在連云港海州區(qū)當(dāng)路水庫(kù)和連島海域開(kāi)展了6 d無(wú)人船自動(dòng)控制環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)。當(dāng)路水庫(kù)呈直角三角形，直角邊長(zhǎng)約為300 m×400 m。實(shí)驗(yàn)期間，USBV搭載測(cè)深儀和CTD，進(jìn)行了多次期望航向、位點(diǎn)和路徑自動(dòng)航行測(cè)量任務(wù)。圖3給出了典型四邊形測(cè)線的自動(dòng)跟蹤實(shí)時(shí)岸基控制軟件截圖，其中左下角顯示無(wú)人船的自動(dòng)航行軌跡，右上角顯示無(wú)人船水深測(cè)量結(jié)果，中部顯示無(wú)線視頻。另外，還成功完成了弓字形、五角星等軌跡的自動(dòng)追蹤航行。在所有的自動(dòng)跟蹤航行中，通過(guò)岸基控制單元發(fā)送期望位點(diǎn)或測(cè)線，無(wú)人船均自動(dòng)完成測(cè)量任務(wù)。

圖3 四邊形測(cè)線自動(dòng)跟蹤測(cè)量(岸基軟件截圖)

2.2 水深測(cè)量及誤差分析

在無(wú)人船的自動(dòng)走航過(guò)程中，測(cè)深儀每秒鐘測(cè)量記錄一次水深值。在水深數(shù)據(jù)處理中，首先使用測(cè)深尺現(xiàn)場(chǎng)比測(cè)，糾正了測(cè)深儀的吃水偏差。對(duì)于船體姿態(tài)帶來(lái)的誤差，使用三維電子羅盤(pán)同步測(cè)量的橫滾和俯仰數(shù)據(jù)，進(jìn)行了三角函數(shù)幾何糾正。無(wú)人船采用雙體雙推進(jìn)方式，水庫(kù)實(shí)驗(yàn)時(shí)船體姿態(tài)較穩(wěn)定，三維電子羅盤(pán)的橫滾和俯仰角標(biāo)準(zhǔn)差均小于0.5°。

在5 d的水庫(kù)實(shí)驗(yàn)中，無(wú)人船總有效測(cè)量時(shí)間約為17 h，無(wú)人船運(yùn)動(dòng)速度平均為1 m/s，頻率1 Hz的測(cè)點(diǎn)數(shù)約有64 000個(gè)，完成了對(duì)水庫(kù)主體部分的交叉覆蓋，交叉處水深值的自檢驗(yàn)結(jié)果較好。在剔除明顯錯(cuò)誤水深數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用反距離權(quán)重插值方法，獲得了當(dāng)路水庫(kù)水深插值結(jié)果(圖4)。從插值水深圖中可以看出該水庫(kù)中部偏左存在兩處水深極大值處，約11.09 m，總體分布趨勢(shì)是隨離岸的距離增大水深增加，平均水深為7.29 m。

圖4 當(dāng)路水庫(kù)水深插值圖

圖5 無(wú)人船航跡深度測(cè)量(連島，2014)

在2014-11-03連島海域的海試中，搭載測(cè)深儀和CTD，開(kāi)展了水深、溫度、鹽度無(wú)人船觀測(cè)，航跡水深測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖5，整體水深小于10 m。對(duì)于無(wú)人船的海上水深測(cè)量，其橫滾和俯仰姿態(tài)測(cè)量誤差將會(huì)嚴(yán)重影響水深測(cè)量精度。在實(shí)驗(yàn)期間，無(wú)人船搭載了honeywell 3000三維電子羅盤(pán)，其測(cè)量精度為0.5°，俯仰和橫滾變化均保持在±10°范圍內(nèi)。無(wú)人船橫滾和俯仰測(cè)量誤差帶來(lái)的單波束測(cè)深誤差可以表示為

δD=D(1-cos(θ+δθ)/cosθ

(1)

式中，D表示水深;θ和δθ分別表示姿態(tài)角(橫滾角和俯仰角)及其誤差。如果要求測(cè)深精度為0.2%D，那么在無(wú)人船達(dá)到最大姿態(tài)角10°時(shí)，其要求的姿態(tài)測(cè)量誤差為0.6°，所以該型電子羅盤(pán)可滿足海上水深測(cè)量要求。但若要求更高的水深測(cè)量精度或在海上風(fēng)浪較大的情況下測(cè)量，則需要進(jìn)一步提高無(wú)人船的姿態(tài)測(cè)量精度。

2.3 溫度、鹽度測(cè)量

在無(wú)人船海試中，CTD探頭放置在無(wú)人船水線下約0.25 m處，測(cè)量頻率設(shè)置為每3 s采樣1次，溫度和鹽度連續(xù)測(cè)量結(jié)果如圖6所示。在1.5 h的航行過(guò)程中，溫度和鹽度測(cè)量值變化不大，平均值分別為17.282 ℃和27.620，標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.042 ℃和0.028。由于試驗(yàn)在離岸約250 m，所以溫度和鹽度空間變化不大，鹽度值相對(duì)較低。

圖6 無(wú)人船溫度、鹽度連續(xù)測(cè)量

3 結(jié) 論

在連云港當(dāng)路水庫(kù)和連島海域，進(jìn)行了約18.5 h的無(wú)人船航行實(shí)驗(yàn)，總航程約為67 km，驗(yàn)證了該無(wú)人船系統(tǒng)的可靠性。實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了無(wú)人船的路徑跟蹤功能，有效地保證了無(wú)人船按預(yù)定測(cè)線自動(dòng)航行，從而提高了測(cè)量效率。通過(guò)分析無(wú)人船姿態(tài)和深度數(shù)據(jù)，表明搭載有三維電子羅盤(pán)和單波束測(cè)深儀的無(wú)人船系統(tǒng)可以滿足近海水深測(cè)量精度的要求。水深、溫度、鹽度的同步測(cè)量也表明了該無(wú)人船測(cè)量系統(tǒng)的可行性和實(shí)用性。

致謝：連云港市海域使用保護(hù)動(dòng)態(tài)管理中心趙新生、許海蓬、陳松茂在實(shí)驗(yàn)中給予了支持和幫助。

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An Unmanned Surface Vehicle for Ocean Environment Monitoring and its Oceanic Application

JIN Jiu-cai1, ZHANG Jie1, SHAO Feng1,2，CUI Ting-wei1

(1.TheFirstInstituteofOceanography,StateOceanicAdministration, Qingdao 266061, China; 2.CollegeofInformationandControlEngineering,ChinaUniversityofPetroleum, Qingdao 266580, China)

USV (Unmanned Surface Vehicle) is a new kind of multifunctional platform for oceanic monitoring and can measure ocean parameters continuously by remote or autonomous control. The USBV (Unmanned Surface Bathymetry Vehicle) is built for environment monitoring in the lake and offshore area, which is designed as a twin hull vehicle and propelled by two thrusters. By using the USBV which carried a beacon differential GPS, a single beam echo sounder and a CTD, autonomous measurements of water depth, temperature and salinity were carried out in the Danglu reservoir and the sea area around Lian Island of Lianyungang City from October to November in 2014. Through these measurements, the feasibility and automaticity for the USBV to be applied in ocean environment monitoring are verified.

Unmanned Surface Vehicle； environment monitoring； bathymetry； measurements of temperature and salinity

1002-3682(2015)03-0087-06

2015-03-25

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目——無(wú)人船平臺(tái)動(dòng)態(tài)接入海床基觀測(cè)網(wǎng)及數(shù)據(jù)回收研究(61401111)；海洋公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)——核輻射無(wú)人船觀測(cè)系統(tǒng)研制及海水137Cs快速檢測(cè)方法研究(201505005-2)；中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)——無(wú)人船平臺(tái)動(dòng)態(tài)接入海床基觀測(cè)網(wǎng)及數(shù)據(jù)回收研究(2015P08)

金久才(1983-)，男，助理研究員，博士，主要從事無(wú)人船研發(fā)與應(yīng)用方面研究. E-mail：jinjiucai@fio.org.cn(李 燕 編輯)

P715.4

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