基于海洋環(huán)境的AUG探測應(yīng)用方法探討

莫劍飛,李正剛

(中國船舶重工集團公司 七五〇試驗場,云南 昆明 650051)

0 引言

我國3 000 000 km2主張管轄海域劃分為渤海、黃海、東海和南海,海洋空間廣闊而深邃,海洋環(huán)境復(fù)雜(如圖1),價值來源于包括海洋地理環(huán)境、水文環(huán)境、氣象環(huán)境、生物環(huán)境等海洋宏觀環(huán)境資源,海洋環(huán)境具有既有利于同時又制約著經(jīng)濟、軍事等諸多活動的雙重作用。

眾所周知,海上經(jīng)濟發(fā)展及維護國家海洋權(quán)益的軍事活動與環(huán)境因素密切相關(guān),清楚地了解海洋環(huán)境是一切活動的基礎(chǔ),而這種了解的深入更需要探測手段向廣度和深度發(fā)展。AUG作為一種新的海洋環(huán)境監(jiān)測探測手段,具有活動范圍大、大潛深、機動靈活、省能、隱蔽性好的特點,可用于水下長時海洋環(huán)境監(jiān)測、目標(biāo)探測、信息采集和資源調(diào)查等任務(wù),可廣泛運用于民用、軍事等領(lǐng)域,具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖1 我國海洋環(huán)境Fig.1 Ocean environment of China

表1 我國海區(qū)海況環(huán)境Table 1 Sea state environment of sea area of China

1 AUG探測技術(shù)特性分析

水下滑翔機(Autonomous Underwater Glider,AUG)作為水下無人航行器(Unmanned Underwater Vehicle,UUV)的一種[1-3],自1989年美國人Henry Stommel第一次提出“水下滑翔機”設(shè)想以來,國內(nèi)外研制了大量的采用回轉(zhuǎn)體外形加固定翼的水下滑翔機。國外水下滑翔機的下潛深度可達(dá)6 000 m(美國Deepglider),航程可達(dá)30 000 km(美國Slocum thermal glider采用溫差能技術(shù)實現(xiàn))[4]。國內(nèi)水下滑翔機自2003年中科院沈自所首開技術(shù)研究以來已取得重大突破,水下滑翔機下潛深度最深達(dá)1 500 m,最大航程2 000 km,續(xù)航時間超過了40天。翼身融合外形的飛翼水下滑翔機升阻比大、搭載能力強,已成為當(dāng)前研究的熱點,美國的飛翼滑翔機Xray的最大升阻比達(dá)19,Zray的最大升阻比達(dá)35,國內(nèi)西北工業(yè)大學(xué)的飛翼滑翔機升阻比已達(dá)20[4-7]。目前,采用滑翔與仿生撲翼或仿生變形相結(jié)合技術(shù)的滑翔機已在研發(fā)[5-6]。

圖2 國內(nèi)外部分水下滑翔機Fig.2 Some AUGs at home and abroad

水下滑翔機的運動原理是通過調(diào)整浮力與控制翼使其在垂直面浮力帶來的上升下降過程中產(chǎn)生水平向偏離,實現(xiàn)水平面運動,整體形成“波浪形”特殊運動方式[8](如圖3)。水下滑翔屬于典型的低雷諾數(shù)流動問題,滑翔時(重浮力調(diào)節(jié)和重浮心調(diào)節(jié))具有大升阻比,以控制滑翔速度與效率。正是由于這樣的運動特點,水下滑翔機與其它水下自航器相比,具有長航時、低速隱蔽運動、非耗能(或小耗能)動力等特點,可達(dá)到數(shù)千米工作深度、數(shù)以月或年計的超長工作時間,適宜活動范圍大、大潛深、長時、省能、要求隱蔽工作的場所使用,搭載傳感器后特別適用于水下環(huán)境或目標(biāo)的長時大范圍監(jiān)測。

圖3 “波浪形”滑翔示意Fig.3 Schematic diagram of wave gliding

2 AUG海中環(huán)境/目標(biāo)探測方法

1)海中環(huán)境監(jiān)測方法。

搭載環(huán)境探測傳感器的水下滑翔機主要用于環(huán)境參數(shù)監(jiān)測,可在具有較大深度的海區(qū)范圍內(nèi)探測區(qū)域環(huán)境參數(shù)。對有一定海流的海區(qū),其海流利于滑翔機在水平面的順流移動,如果有垂面流或剖面流,則還利于滑翔機垂直面潛浮,對形成節(jié)能型“波浪”滑翔有利,也利于擴大探測范圍。

通常選擇一合適的深海區(qū)域(如東南海深達(dá)數(shù)千米有季風(fēng)環(huán)流區(qū)域)進行監(jiān)測。如圖4所設(shè)計的監(jiān)測方法(舉例),搭載各類環(huán)境探測傳感器(以地形地貌、水文、氣象、水聲、水質(zhì)等環(huán)境參數(shù)測量為主的傳感器或裝置、設(shè)備)的水下滑翔機,在該區(qū)域走深水“波浪形”滑翔運動幾十到數(shù)百千米(航時可達(dá)數(shù)天),水平面航路為環(huán)線或順海流的直線/曲線,垂直面走大深度“波浪形”滑翔運動航路。水下滑翔機上可滑翔到水面作水面環(huán)境(氣象與海況)探測及數(shù)據(jù)的衛(wèi)星(或無線電)通信與校準(zhǔn)定位,下可滑翔到離海底一定安全深度(滑翔最深6 km以內(nèi),離底安全深度不小于100 m)進行地形地貌探測,中間則主要進行水文與水聲環(huán)境參數(shù)探測。環(huán)形航路時,可單圈重復(fù),也可逐漸向中心收縮形成大環(huán)到小環(huán)的變化(以適應(yīng)不同航程和航深的測試需要)。運動以滑翔為主,并結(jié)合滑翔-撲翼聯(lián)合運動以控制變速變向,總航程應(yīng)在幾十到數(shù)百千米(起點到終點距離數(shù)十千米以上,航時應(yīng)數(shù)天以上),滿足超長時間超長距離環(huán)境監(jiān)測的需要。

圖4 AUG監(jiān)測海中環(huán)境方法示意Fig.4 Monitoring method of AUG for sea environment

2)海中目標(biāo)探測方法。

利用水下滑翔機的隱蔽運動性能,進行水下敏感目標(biāo)的探測最有價值。通常的方法是,在圈定的需要監(jiān)測的海區(qū)大范圍內(nèi),按預(yù)警信息選擇目標(biāo)可能出沒區(qū)域(如東南海熱點海區(qū)、臺灣海峽、釣魚島等區(qū)域)進行探測。

圖5 AUG探測海中目標(biāo)方法示意Fig.5 Detecting method of AUG for underwater target

如圖5所設(shè)計的探測方法(舉例),搭載各類目標(biāo)探測傳感器(目標(biāo)噪聲與回聲測量、目標(biāo)圖像測量、水聲背景監(jiān)測、避碰聲吶等目標(biāo)參數(shù)測量為主傳感器或裝置、設(shè)備)的水下滑翔機,在該區(qū)域走深水“波浪形”滑翔運動幾十到數(shù)百千米(航時數(shù)小時以上),水平面航路為環(huán)線,垂直面走大深度“波浪形”滑翔運動航路。水下滑翔機上可滑翔到水面作水面目標(biāo)光電探測及數(shù)據(jù)的衛(wèi)星(或無線電)保密通信與校準(zhǔn)定位,下可滑翔到離海底一定安全深度(滑翔最深6 km內(nèi),離底安全深度不小于100 m)進行潛伏目標(biāo)與地形探測,中間則主要進行水中目標(biāo)探測以及水聲環(huán)境參數(shù)探測。運動以低速隱蔽滑翔為主,并結(jié)合滑翔-撲翼聯(lián)合運動以控制變速變向,滿足長時間敏感目標(biāo)隱蔽監(jiān)測的需要。

3 試驗方法仿真研究

AUG探測應(yīng)用試驗方法研究可為AUG實航探測方法及方案制定提供依據(jù)與參考。因此,采用計算機視景顯示技術(shù)和仿真技術(shù),開展水下滑翔機探測敏感目標(biāo)試驗方案的計算機仿真,實現(xiàn)水下滑翔機在海峽區(qū)域的預(yù)定目標(biāo)活動海區(qū)。通過規(guī)劃航路接近并到達(dá)目標(biāo)出沒區(qū)域進行敏感目標(biāo)偵探過程的仿真,驗證其探測航路設(shè)計的合理性,實現(xiàn)其典型任務(wù)過程的模擬演示。

由于主要針對試驗方法(航路規(guī)劃)而非運動性能進行仿真,因此采用三次樣條插值方法,在設(shè)定航路中幾個關(guān)鍵點的基礎(chǔ)上進行插值,生成AUG運行軌跡。設(shè)時間序列為t,規(guī)劃航路上關(guān)鍵點X坐標(biāo)為X(t),其上第i個點的坐標(biāo)為(ti,Xi)。S(t)為區(qū)間上,以ti(i=0,1,2,…,n)為節(jié)點的三次樣條插值函數(shù)。

令hi=ti-ti-1

式中:

將上述公式代入方程μiMi-1+2Mi+λiMi+1=di,i=1,2,…,n-1可得到矩陣形式為

從上式求得M,即可求得S(t)。

按上述公式即可求得三次樣條插值函數(shù)求出的X坐標(biāo)點,Y、Z坐標(biāo)按同樣的方法處理,求得的坐標(biāo)序列即為AUG軌跡。

圖6 海峽環(huán)境仿真Fig.6 Simulation of strait environment

圖6為海峽區(qū)域環(huán)境仿真,表示了水下滑翔機需通過的復(fù)雜海峽地形(包含了海槽、臺地、暗礁等)。圖7為水下滑翔機接近并到達(dá)目標(biāo)出沒區(qū)域狀態(tài),它反映了水下滑翔機通過地形環(huán)境導(dǎo)航(合成孔徑聲吶、多普勒聲吶、藍(lán)綠激光等)隱蔽滑翔接近目標(biāo)出沒區(qū)過程,主畫面顯示水下滑翔機通過海峽水平面滑翔前進的運動航路,左右上角小畫面分別從正后方和側(cè)向方展示水下滑翔機傳感器探底以導(dǎo)航前進的細(xì)節(jié),上方小畫面顯示水下滑翔機垂直面滑翔深度(以水面為零值)。圖8為水下滑翔機探測敏感目標(biāo)狀態(tài),它反映了水下滑翔機在偵探區(qū)域隱蔽探測目標(biāo)的過程,主畫面顯示水下滑翔機在預(yù)定海區(qū)機動偵察目標(biāo)的水平面運動軌跡場景(敏感目標(biāo)從西向東運動,水下滑翔機按順時針方向走環(huán)形偵探航路),左右上角小畫面分別從正后方和側(cè)向方展示水下滑翔機攜載聲吶探測目標(biāo)的細(xì)節(jié),上方小畫面顯示水下滑翔機垂直面滑翔深度狀態(tài)。仿真結(jié)果表明:水下滑翔機探測兩階段航路是合理可行的,前段航路通過抵底滑翔慢速接近偵探區(qū),有利于隱蔽前行、避障與海底信息收集,也有利于航路點校準(zhǔn)與信息安全通信;后段偵探走大環(huán)形搜尋的垂直滑翔軌跡,有利于在水中、水面和水底探測敏感目標(biāo)。

圖7 海峽環(huán)境監(jiān)測仿真Fig.7 Simulation of strait environment monitoring

圖8 目標(biāo)偵探仿真Fig.8 Simulation of target investigation