基于海洋環境的AUG探測應用方法探討

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,海洋環境復雜(如圖1),價值來源于包括海洋地理環境、水文環境、氣象環境、生物環境等海洋宏觀環境資源,海洋環境具有既有利于同時又制約著經濟、軍事等諸多活動的雙重作用。

眾所周知,海上經濟發展及維護國家海洋權益的軍事活動與環境因素密切相關,清楚地了解海洋環境是一切活動的基礎,而這種了解的深入更需要探測手段向廣度和深度發展。AUG作為一種新的海洋環境監測探測手段,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境監測、目標探測、信息采集和資源調查等任務,可廣泛運用于民用、軍事等領域,具有廣闊的應用前景。

圖1 我國海洋環境Fig.1 Ocean environment of China

表1 我國海區海況環境Table 1 Sea state environment of sea area of China

1 AUG探測技術特性分析

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”設想以來,國內外研制了大量的采用回轉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6 000 m(美國Deepglider),航程可達30 000 km(美國Slocum thermal glider采用溫差能技術實現)[4]。國內水下滑翔機自2003年中科院沈自所首開技術研究以來已取得重大突破,水下滑翔機下潛深度最深達1 500 m,最大航程2 000 km,續航時間超過了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,已成為當前研究的熱點,美國的飛翼滑翔機Xray的最大升阻比達19,Zray的最大升阻比達35,國內西北工業大學的飛翼滑翔機升阻比已達20[4-7]。目前,采用滑翔與仿生撲翼或仿生變形相結合技術的滑翔機已在研發[5-6]。

圖2 國內外部分水下滑翔機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生水平向偏離,實現水平面運動,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流動問題,滑翔時(重浮力調節和重浮心調節)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,可達到數千米工作深度、數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境或目標的長時大范圍監測。

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

2 AUG海中環境/目標探測方法

1)海中環境監測方法。

搭載環境探測傳感器的水下滑翔機主要用于環境參數監測,可在具有較大深度的海區范圍內探測區域環境參數。對有一定海流的海區,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域(如東南海深達數千米有季風環流區域)進行監測。如圖4所設計的監測方法(舉例),搭載各類環境探測傳感器(以地形地貌、水文、氣象、水聲、水質等環境參數測量為主的傳感器或裝置、設備)的水下滑翔機,在該區域走深水“波浪形”滑翔運動幾十到數百千米(航時可達數天),水平面航路為環線或順海流的直線/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境(氣象與海況)探測及數據的衛星(或無線電)通信與校準定位,下可滑翔到離海底一定安全深度(滑翔最深6 km以內,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境參數探測。環形航路時,可單圈重復,也可逐漸向中心收縮形成大環到小環的變化(以適應不同航程和航深的測試需要)。運動以滑翔為主,并結合滑翔-撲翼聯合運動以控制變速變向,總航程應在幾十到數百千米(起點到終點距離數十千米以上,航時應數天以上),滿足超長時間超長距離環境監測的需要。

圖4 AUG監測海中環境方法示意Fig.4 Monitoring method of AUG for sea environment

2)海中目標探測方法。

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

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

如圖5所設計的探測方法(舉例),搭載各類目標探測傳感器(目標噪聲與回聲測量、目標圖像測量、水聲背景監測、避碰聲吶等目標參數測量為主傳感器或裝置、設備)的水下滑翔機,在該區域走深水“波浪形”滑翔運動幾十到數百千米(航時數小時以上),水平面航路為環線,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光電探測及數據的衛星(或無線電)保密通信與校準定位,下可滑翔到離海底一定安全深度(滑翔最深6 km內,離底安全深度不小于100 m)進行潛伏目標與地形探測,中間則主要進行水中目標探測以及水聲環境參數探測。運動以低速隱蔽滑翔為主,并結合滑翔-撲翼聯合運動以控制變速變向,滿足長時間敏感目標隱蔽監測的需要。

3 試驗方法仿真研究

AUG探測應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與參考。因此,采用計算機視景顯示技術和仿真技術,開展水下滑翔機探測敏感目標試驗方案的計算機仿真,實現水下滑翔機在海峽區域的預定目標活動海區。通過規劃航路接近并到達目標出沒區域進行敏感目標偵探過程的仿真,驗證其探測航路設計的合理性,實現其典型任務過程的模擬演示。

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

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求出的X坐標點,Y、Z坐標按同樣的方法處理,求得的坐標序列即為AUG軌跡。

圖6 海峽環境仿真Fig.6 Simulation of strait environment

圖6為海峽區域環境仿真,表示了水下滑翔機需通過的復雜海峽地形(包含了海槽、臺地、暗礁等)。圖7為水下滑翔機接近并到達目標出沒區域狀態,它反映了水下滑翔機通過地形環境導航(合成孔徑聲吶、多普勒聲吶、藍綠激光等)隱蔽滑翔接近目標出沒區過程,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向方展示水下滑翔機傳感器探底以導航前進的細節,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狀態,它反映了水下滑翔機在偵探區域隱蔽探測目標的過程,主畫面顯示水下滑翔機在預定海區機動偵察目標的水平面運動軌跡場景(敏感目標從西向東運動,水下滑翔機按順時針方向走環形偵探航路),左右上角小畫面分別從正后方和側向方展示水下滑翔機攜載聲吶探測目標的細節,上方小畫面顯示水下滑翔機垂直面滑翔深度狀態。仿真結果表明: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,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與信息安全通信;后段偵探走大環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。

圖7 海峽環境監測仿真Fig.7 Simulation of strait environment monitoring

圖8 目標偵探仿真Fig.8 Simulation of target investigation