潛浮標技術發(fā)展應用及展望

禹潤田，李 昊，馮師軍，尹 航，任思杰

(1.中國電子科技集團公司第三研究所，北京 100015；2.32086部隊駐北京地區(qū)軍事代表室，北京 100093)

0 引言

高速發(fā)展的現(xiàn)代海洋監(jiān)測設備能夠提供海洋動力環(huán)境、生態(tài)環(huán)境及戰(zhàn)場環(huán)境等綜合信息，是海洋科學研究、資源開發(fā)、氣象預報及海上軍事行動的基礎?！秶抑虚L期科學和技術發(fā)展規(guī)劃(2021—2035)》中對中國海洋科技領域未來發(fā)展進行了規(guī)劃和預測，對海洋領域監(jiān)測系統(tǒng)的建設進行了前瞻布局。如今，中國海洋監(jiān)測系統(tǒng)已初步形成以衛(wèi)星、反潛直升機、偵察機、岸基觀測站、調(diào)查船、各類浮標、水面無人艇、水下潛航器、波浪滑翔機、水下滑翔機、水下機器人、各類潛標和海底觀測網(wǎng)等組成的“天-空-陸-海-潛”五維立體監(jiān)測網(wǎng)絡。潛浮標作為整個海洋監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)的重要一環(huán)，是海洋觀測站、調(diào)查船和調(diào)查飛機在空間和時間上的延伸擴展，是離岸監(jiān)測的重要手段。潛標系泊于海面以下，可通過釋放裝備進行回收，具有連續(xù)工作時間長、隱蔽性好的特點，能夠獲取海洋水下剖面資料和采集水下各類信號，海洋學家將其譽為“海洋上的地球同步衛(wèi)星”。中國是海洋大國，但仍不是海洋強國。發(fā)展?jié)摳思夹g對水文氣象測量、海洋工程建設及國防安全均具有重要意義?！吨袊?050年海洋科技發(fā)展線路圖》中將發(fā)展海底探測裝備和技術列為重點突破技術。潛浮標技術的發(fā)展一方面要創(chuàng)新思維，堅持自主創(chuàng)新的道路，另一方面又要借鑒世界先進技術。文章對潛浮標技術發(fā)展脈絡、特點和應用進行了梳理，在總結(jié)前人工作經(jīng)驗的基礎上，為未來潛浮標的發(fā)展提供一些新的思路。

1 潛浮標技術發(fā)展

1.1 國外情況

1)浮標技術

20世紀40年代末，浮標技術首次得到應用，最初研制的浮標功能較單一且測量精度高，隨后前蘇聯(lián)、加拿大、法國和日本等國家也相繼加入浮標研究行列；60年代初，美國海洋調(diào)查機構(gòu)正式引入浮標系統(tǒng)，在主要海域布設浮標網(wǎng)絡，且布放浮標的數(shù)目逐年遞增；70年代時，日本也開展利用浮標系統(tǒng)調(diào)查海洋黑潮的活動，隨之，各國開始研制多功能觀測型海洋浮標系統(tǒng)；到80年代中期，浮標技術發(fā)展成熟，廣泛應用于海洋調(diào)查、科學研究、軍事活動及海洋開發(fā)等方面。如今，美國國家資料浮標中心共建成106個錨系資料浮標和1100多個合作監(jiān)測站，可實時通過浮標和站點收集、傳送觀測數(shù)據(jù)。

2)潛標技術

20世紀50年代初，潛標技術首先在美國得到發(fā)展，到70年代時，美軍已利用潛標系統(tǒng)掌握大量海洋剖面信息并將潛標系統(tǒng)應用到區(qū)域性警戒系統(tǒng)中，其研制的被動聲納N/SSQ-53DIFAR潛標系統(tǒng)，能夠?qū)δ繕嗽摧椛湓肼曔M行檢測，進而定位目標方位。80年初期，潛標系統(tǒng)已發(fā)展成熟，其與錨泊浮標相結(jié)合形成的繃緊式錨泊浮標系統(tǒng)在海洋環(huán)境監(jiān)測中起了很大作用。2000年，美國伍茲霍爾海洋研究所開始研制實時傳輸潛標，通過感應耦合技術，將測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿娓?，然后通過衛(wèi)星發(fā)射到岸站或由水下聲通訊中轉(zhuǎn)下載。

1.2 國內(nèi)情況

1)浮標技術

中國對于浮標的研發(fā)始于20世紀60年代中期，經(jīng)過近50 a的不斷發(fā)展，目前中國已經(jīng)是浮標系統(tǒng)監(jiān)測的大國。2002年，中國正式加入國際Argo組織，成立了中國Argo實時資料處理中心，負責中國海域內(nèi)Argo浮標的布放回收、實時資料接收和處理。2007—2010年，中國科學院海洋研究所在黃海順利布放7套海洋浮標系統(tǒng)，完成黃海海洋觀測研究站的建設。2010—2013年，國家海洋局南?？辈熘行脑谀虾^(qū)域成功布放了HX1和HX2號海嘯浮標，填補了中國海嘯浮標監(jiān)測領域的空白[1]。2012年國家海洋局第一海洋研究所在安達曼海成功布放中國自主集成研發(fā)的首套深海浮標“白龍浮標”[2]。2019年，國家海洋技術中心首次在南大洋布放了實時綜合觀測浮標，觀測到該海域西風帶常年處于大浪以上的海況[3]。

目前，中國已成功研制了不同尺寸、不同材料、多種用途、多種安裝形式的系列浮標，研制的系列浮標已應用于中國從南至北，從近海到遠海的浮標監(jiān)測網(wǎng)的建設，并逐步拓展到極地和大洋中。至今，中國已初步建立了包含約130個浮標的近海浮標觀測網(wǎng)[4]。

2)潛標技術

中國從20世紀70年代開始研究潛標技術，到80年代后期，國內(nèi)相關單位研制出中國第1代自容潛標，并在南海成功布放使用。近年來，中國船舶重工710研究所、國家海洋局、國家海洋技術中心、海洋一所和中科院海洋所等單位開展了海洋環(huán)境監(jiān)測潛標、海洋聲學探測潛標、實時傳輸潛標等研制工作。2015年，中國科學院海洋研究所在西太平洋海域規(guī)?；貞米匝懈∽邮綄崟r/準實時潛標觀測系統(tǒng)，并在2019年實現(xiàn)了深海6000 m實時數(shù)據(jù)傳輸[5]。2019—2021年，中國電子科技集團公司第三研究所研制了多款潛浮標設備，并完成海上試驗。

“十三五”期間，中國對潛標系統(tǒng)的研究投入不斷加大，并成功研制多類型潛標系統(tǒng)，被廣泛應用于海洋研究、開發(fā)和軍事。近年來，中國海洋大學研制的深水定時衛(wèi)星通信潛標系統(tǒng)在西太平洋定點海域完成系列試驗和布放[6，7]。

2 潛浮標系統(tǒng)特點與應用

2.1 潛浮標系統(tǒng)特點

浮標和潛標在組成、系泊方式、適用水深和應用模式上各有不同，浮標通過漂流或錨系的方式工作，具有實時通信能力強、供電充足的優(yōu)勢，但錨系浮標存在布收復雜、易暴露的劣勢；潛標通過錨系或坐底的方式工作，具有長期隱蔽、布設方便、不易遭到破壞的優(yōu)勢，但存在實時通信能力弱、供電有限、搭載儀器少的劣勢。

浮標主要分為漂流浮標和錨系浮標兩大類。漂流浮標根據(jù)工作深度的不同分為表層漂流浮標和次表層漂流浮標；錨系浮標根據(jù)系泊方式的不同分為單錨系泊浮標和三錨系泊浮標。表層漂流浮標一般由水帆、浮球和連接纜繩組成，布放于海面及海面下固定深度。次表層漂流浮標的浮體位于水下1000～2000 m的某一深度，測量相應深度的海流參數(shù)，其應用最廣的代表為Argo浮標。錨系浮標組成較漂流浮標復雜，錨系浮標組成示意圖如圖1所示。

圖1 錨系浮標系統(tǒng)組成示意圖

潛標一般由水下裝置和水上控制裝置共同組成。根據(jù)工作深度不同，分為淺海潛標和深海潛標，淺海潛標適用于水下200 m水深范圍內(nèi)，深海潛標可覆蓋全海深。根據(jù)錨泊方式不同，潛標又分為坐底潛標和錨系潛標。潛標系統(tǒng)組成示意圖如圖2所示。

圖2 潛標系統(tǒng)組成示意圖

坐底潛標系統(tǒng)(圖2a)由水下裝置(主要包括浮體、載荷設備、釋放器、換能器、北斗信標、拋載架等)和水上控制裝置(主要包括便攜控制設備、換能器、北斗信標等)組成。錨系潛標系統(tǒng)(圖2b)的組成與坐底潛標的組成類似，結(jié)構(gòu)形式有所不同。錨系潛標由水下裝置(主要包括主浮體、換能器、電池艙、釋放器、沉塊、北斗浮球等)和水上控制裝置(主要包括便攜控制設備、換能器、北斗信標等)組成。

2.2 潛浮標系統(tǒng)的應用

2.2.1 潛浮標系統(tǒng)在民用領域中的應用

潛浮標系統(tǒng)在民用領域中的應用主要集中在海洋測量領域，近年來逐漸由全功能向?qū)Ｓ眯秃腕w系化建設發(fā)展。文章重點總結(jié)了潛浮標系統(tǒng)在專用型和海洋觀測體系建設中的應用。

1)水文氣象浮標

水文氣象浮標是世界上應用最早、使用最多的一類浮標。水文氣象浮標能夠全天候、不間斷、自動采集和上傳數(shù)據(jù)。2019年，王柏林[8]等設計出基于STM32的海洋氣象浮標采集系統(tǒng)，可實時測量近海水域水文資料并通過無線傳輸?shù)姆绞竭M行數(shù)據(jù)回傳。

2)水質(zhì)浮標

水質(zhì)浮標能連續(xù)、實時檢測海洋環(huán)境要素的變化，對研究近岸海域水質(zhì)變化趨勢有重要意義。水質(zhì)浮標通常由浮標體、水體水質(zhì)監(jiān)測傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、浮標運行控制系統(tǒng)、供電系統(tǒng)以及遠程數(shù)據(jù)接收終端組成[9]。水質(zhì)浮標具有自適應強、適用范圍廣、監(jiān)測時間長和節(jié)省人力物力的優(yōu)點，在廣闊的海域上，水質(zhì)浮標配合相應手機和處理單元，可以做到實時監(jiān)測目標水域[10]。

3)導航浮標

導航浮標是一種漂浮在海上的浮標終端，采用太陽能板對其進行供電，可采集多種海洋物理數(shù)據(jù)，如溫度、鹽度、pH、聲納等。浮標終端和船載終端均安裝衛(wèi)星通信卡，通過通信衛(wèi)星完成兩者之間的數(shù)據(jù)交換[11]。

天津海事局主持研發(fā)了一種利用北斗傳輸?shù)暮Ｑ髮Ш礁薣12]，布設在天津港復式航道上，既可以作為導航浮標，又能作為海洋觀測的載體浮標，可利用北斗導航系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

4)波浪浮標

波浪浮標是一種監(jiān)測近海波高、波向和表層水溫的小型遙測系統(tǒng)，主要由浮體、錨系和岸站3部分組成。山東省科學院海洋儀器儀表研究所近年來研制了一款SBF3-2型波浪浮標，采用CDMA/GPRS方式傳輸，可通過鋰電池供電。目前已有30多套該型號波浪浮標分布在中國沿海和內(nèi)陸湖泊，為國家海洋環(huán)境監(jiān)測事業(yè)發(fā)揮了重要作用。

5)海嘯浮標

海嘯浮標的本質(zhì)是“海底壓強計”，一般安裝在海底，用于記錄海嘯數(shù)據(jù)并做海嘯預警。海嘯浮標系統(tǒng)由1個水下單元和1個同步錨泊在水面的浮標組成。安裝在水下單元的聲通訊傳感器將數(shù)據(jù)從水下單元傳輸?shù)剿娓耍娓藢⑦@些數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星(海事衛(wèi)星或北斗衛(wèi)星)實時傳輸?shù)疥懙亟邮照镜臄?shù)據(jù)處理中心以供提前預警[13]。

6)海冰浮標

海冰浮標可實時監(jiān)測冬季結(jié)冰或寒區(qū)海域的海洋信息。通常該類浮標包括：抗冰標體、系泊系統(tǒng)、太陽能風能互補發(fā)電系統(tǒng)、海洋觀測傳感器系統(tǒng)和觀測數(shù)據(jù)遠程實時傳輸系統(tǒng)等。例如，中國自主研發(fā)的無人值守海冰浮標觀測系統(tǒng)“無人冰站”，由4部分組成，包括氣象塔、冰上主浮標、副浮標以及拖曳式海洋剖面觀測儀。該系統(tǒng)不僅可以探測海(冰)氣交換界面的環(huán)境參數(shù)，還可探測水下環(huán)境剖面參數(shù)，對于研究海冰生成與融化過程的環(huán)境條件、探測極區(qū)的氣象與水文參數(shù)、追蹤浮冰漂流方向和路徑，以及對洋流的研究均有重要科研價值[14]。

7)實時傳輸潛標

實時傳輸潛標是集多學科的海洋調(diào)查測量高新技術設備，能長期、隱蔽地對海洋動力參數(shù)和環(huán)境要素進行實時立體綜合監(jiān)測[15]，近年來，實時傳輸潛標在海洋調(diào)查研究領域得到廣泛應用。該潛標系統(tǒng)由主浮體子系統(tǒng)、水面衛(wèi)星通信浮標子系統(tǒng)、錨泊系留回收子系統(tǒng)和遠程控制處理中心子系統(tǒng)組成，其中主浮體上可搭載ADCP(多普勒剖面海流觀測儀)、海流計、溫度鏈等海洋測量設備，用于觀測海流剖面、水下溫度剖面和水下定點溫度、鹽度、深度、流速等多種深海流體動力參數(shù)[16]。

8)水下熱通量與混合儀潛標

水下熱通量與混合儀潛標由水下熱通量與混合觀測儀及測量背景流場、溫度場的儀器組成。此系統(tǒng)能夠同時長期觀測水下熱通量及湍流混合兩個湍流參數(shù)，多層次揭示水下湍流特征。該系統(tǒng)突破傳統(tǒng)微結(jié)構(gòu)剖面觀測儀的局限，可直接觀測不同海洋條件下，包括內(nèi)孤立波、臺風等過境時海洋引起的強混合及其對熱量的垂向輸送的湍流物理參數(shù)，為揭示混合對暖池區(qū)海洋上下層環(huán)流的物質(zhì)交換的動力機制和預測海洋災害提供數(shù)據(jù)支撐。

9)海洋觀測體系建設

“透明海洋”被納入聯(lián)合國“海洋科學與可持續(xù)發(fā)展十年計劃(2021-2030)”的6大路線圖，近年來，中國致力于“透明海洋”體系建設，基于中國當前在深遠海立體觀測系統(tǒng)初期建設的基礎，以成熟浮潛標等固定平臺為骨架，科考船為補充，以新型海洋觀測技術和新型衛(wèi)星為突破口，布局建設了包括天基觀測網(wǎng)、全球海氣界面觀測網(wǎng)、深遠海水體觀測網(wǎng)和深遠海海底觀測網(wǎng)在內(nèi)的“透明海洋”立體觀測網(wǎng)。

2.2.2 潛浮標系統(tǒng)在軍事領域中的應用

海洋資源的保護和主權(quán)的維護，都需要建設一支強大的海軍。現(xiàn)代海軍的建設已經(jīng)朝著立體化的方向發(fā)展，利用衛(wèi)星與潛浮標系統(tǒng)組網(wǎng)開展了集“通信、偵察、打擊”一體化的防御系統(tǒng)建設。文章重點總結(jié)了潛浮標系統(tǒng)在軍事領域具有重要作用的幾類應用模式。

1)搜潛浮標

捜潛浮標以固定翼飛機、直升機、無人機為投放平臺，用于對水下潛艇目標搜索、定位，具有機動靈活、搜索效能高的優(yōu)勢。搜潛浮標一般由反潛直升機從空中投放，浮標懸浮于預報有潛艇出沒的海區(qū)。對水下潛艇進行有效搜索時，通常需投放多枚浮標組成一定陣列。常見的陣式有直線陣、三角陣、圓形陣、扇形陣和方形陣等，如圖3所示。當布陣結(jié)束后，反潛直升機會在布設的浮標陣上空巡邏飛行，以保證能夠監(jiān)聽到所有浮標發(fā)送的無線信號。

圖3 常見的浮標反潛陣式

2)水雷浮標

水雷浮標由聲納浮標與水雷組成，兩者通過電纜相連接。水雷為錨雷或沉底雷，體內(nèi)裝有炸藥和聲、磁傳感器，可通過飛機完成水雷浮標投放。投放完成后，連接電纜釋放，浮標會漂浮在海面上，水雷則會下沉到設定的深度或者海底。當需要工作時，由控制中心向浮標發(fā)出無線電控制信號，而后通過有線電纜將信號傳輸給水雷，使水雷受控動作，完成攻擊任務。同樣，也可以利用潛標與水雷組成雷陣，該雷陣具備了實時傳輸潛標的技術優(yōu)勢，增強了水雷的靈活性。

3)潛艇通信浮標

潛艇憑借自身特有的隱蔽作戰(zhàn)模式長期稱霸水下戰(zhàn)場，隱蔽性是其威懾力的關鍵所在，但這也導致潛艇的信息支援保障方面存在被動性、非實時性和有限性，不利于潛艇水下行動的自主性和應對突發(fā)情況。

基于水聲和衛(wèi)星通信的水聲通信浮標能在很大程度上彌補潛艇觀察能力弱的缺陷，從而保證潛艇的隱蔽性。在不影響潛艇機動性的條件下，水聲通信浮標能接收發(fā)送潛艇的有關信息，并接收來自岸基指揮所的指令，有效地解決潛艇與岸指、海指及其他兵力之間在復雜惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中進行信息溝通的實際問題，開辟多兵種協(xié)同作戰(zhàn)等新的作戰(zhàn)模式。

4)集“通信、偵察、打擊”一體化的潛浮標防御系統(tǒng)建設

針對近年來境外勢力對中國近海港口、岸基設施構(gòu)成的威脅問題，可通過建設集“通信、偵察、打擊”一體化的潛浮標防御系統(tǒng)進行應對。系統(tǒng)采用潛浮標數(shù)據(jù)融合技術提升水下目標的檢測、識別和分類能力，穩(wěn)定的水下通信實現(xiàn)了指令和信息的可靠傳輸，安裝于潛浮標上的多類傳感器可完成相關海域水文信息的采集。

防御系統(tǒng)由水面浮標、水下潛標、水下反制設備和遠程控制處理中心4部分組成。水面浮標對水下信息進行實時采集并將預處理數(shù)據(jù)匯總到遠程控制處理中心，同時完成水下信息指令的傳輸；遠程控制處理中心完成對水下信息的解譯并下發(fā)控制和攻擊指令；水下攻擊設備時刻待命，待接收水面浮標轉(zhuǎn)發(fā)的攻擊指令和目標方位信息后執(zhí)行攻擊任務。系統(tǒng)也可以解決潛艇隱蔽狀態(tài)下的位置校準和信息交互。

3 潛浮標技術未來發(fā)展展望

國家在“十四五”規(guī)劃中，明確指出要推進海洋生態(tài)保護、海洋經(jīng)濟發(fā)展和海洋權(quán)益維護，提出了加快建設海洋強國的目標。這對海洋潛浮標技術的發(fā)展提出了新要求、新標準和新問題，綜合分析潛浮標技術的發(fā)展脈絡及未來民用領域和海上戰(zhàn)場對于潛浮標的需要，未來潛浮標技術的發(fā)展考慮從以下4個方面開展：

1)深遠海潛浮標技術。中國應加快設計研發(fā)相關的專用深遠海浮標、降低浮標的布放、回收成本；針對深遠海的錨泊技術、系留技術及潛浮標系統(tǒng)的可靠性等關鍵技術開展科技攻關，為中國“十四五”期間深海探測的實施提供重要技術支撐。

2)潛浮標實時通信技術。中國應加快建設潛浮標設備與北斗衛(wèi)星組網(wǎng)，建設全球的海洋監(jiān)測網(wǎng)絡，解決遠海浮標技術的通信問題；同時應加快對實時傳輸潛標、水下通信及水上浮標通信等技術的研究，建設可靠的實時傳輸潛標通信網(wǎng)絡。為中國海洋環(huán)境資料監(jiān)測、海洋權(quán)益的維護和軍事應用提供信息保障。

3)海洋水下剖面浮標技術。海洋水下剖面數(shù)據(jù)對海洋科學、海洋維權(quán)和海洋調(diào)查都具有重要意義，是目前國際上的熱點研究問題之一。中國應當在當前的成果上加速研究和攻關水下剖面浮標所需的錨定技術、剖面觀測技術、剖面數(shù)據(jù)的可靠傳輸以及長期可靠性等技術，為中國水下剖面的長期觀測提供技術支持。

4)三維立體監(jiān)測技術。中國應加快建設海上三維立體監(jiān)測網(wǎng)絡，將近遠海觀測平臺、各類潛標、浮標、岸基、衛(wèi)星監(jiān)測系統(tǒng)相結(jié)合，對定點海域進行多層、立體、多角度、全方位和全天候的監(jiān)測，為海洋環(huán)境監(jiān)測和軍事防御提供三維全方位實時數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

潛浮標作為關鍵的海上監(jiān)測設備，具有很大的使用價值。在信息化高速發(fā)展的今天，對于海洋環(huán)境信息的搜集極為重要，潛浮標技術的研究發(fā)展和普遍應用，將提高中國海洋環(huán)境預報的水平，增強海洋戰(zhàn)場環(huán)境的透明度，對海洋生態(tài)環(huán)境及國防安全均具有極其重要的意義。