0 引言

随着世界各国对海洋开发权益的争夺日益激烈，用于海洋环境监测、水下目标探测等的水下立体网络建设在加紧实施。水下网络数据的长期实时安全回传目前还缺少有效的手段，迫切需要一种隐蔽性强、覆盖范围广和使用寿命长的海空协同跨界质通信中继节点，将水下网络和卫星及岸基连接起来构建海空天一体化立体网络，以满足海洋开发以及海上军事活动的需要^[1]。波浪滑翔器（Wave Glider）作为一种新型的波浪能推进的海洋机器人，具有续航力大、自主灵活、零排放、经济型等特点，可执行长期广域的自主海洋环境监测、气象预报、情报侦察等任务，已展现出良好的应用前景^[2-4]。 “海鳐”波浪滑翔器自2012年开始研制以来，已在中国船舶第七一〇研究所科技创新基金、国家 “863”计划、国家重点研发计划以及相关领域的支持下，先后完成了系统仿真、原理样机研制、工程样机研制及应用研究，并结合应用开展了一系列深度创新，目前已走在了国内波浪滑翔器产品研制和技术创新的前列^[5-7]。图1为“海鳐”波浪滑翔器样机。

水下声学目标探测、定位和水下目标信息的跨介质传输问题一直受到广泛关注。跨介质组网通信是世界各国正在研究的一个重要但又未完全解决的问题，对于水下通信的声学技术，由于受水气交界面的限制，实现水下目标和水上平台通信的可用手段非常有限。波浪滑翔器作为水下水面的跨介质平台，结合了水面艇和水下驱动单元的优势，集成卫星通信模块实现全球实时通信，基于太阳能电池作为能源补充可实现长时序、全天候在线工作，开放式模块化的设计，便于同时集成多样化的任务载荷。随着波浪滑翔器平台技术的日趋成熟可靠^[8-9]，国内相关单位已开始利用波浪滑翔器平台开展水下目标的探测、定位与通信研究。图2为组网通信型“海鳐”波浪滑翔器产品。

本文主要介绍“海鳐”波浪滑翔器首批定型产品在国家重点研发计划“无人无缆潜水器组网技术与应用示范”项目中的最新应用进展，以供海洋装备研究和应用领域人员参考。

1 水下GPS定位系统中的应用

目前在陆地上利用GPS全球定位系统或我国自主研制的北斗导航系统能够实现对各种目标的精确定位、授时和导航，但在水下实现精确的定位和导航技术目前仍还不成熟。另外，在覆盖范围上也相对有限，特别是能够覆盖较大范围海域的定位系统，还很难实现。利用波浪滑翔器虚拟锚泊功能并搭载声学模块作为海面信标，将平台的精确GPS信息按预置的时序向海底广播定位报文，并将多套波浪滑翔器按特定的拓扑结构覆盖一定范围的海域。同时，类似在汽车上安装GPS定位系统一样，需要在水下移动平台上安装一套声学GPS定位接收模块。当水下移动平台在航行时能够同时收到3个以上的海面信标发出的定位报文及其到达时刻，就能完成水下平台自身的位置解算。并且依靠波浪滑翔器自主航行的能力和远程岸基人在回路的操控，使得构建的这套水下GPS定位系统具有可迁移和可重构的特点。同时，该系统也利用了我国北斗导航系统的短报文功能，通过波浪滑翔器声学模块与水下移动节点联系，能够实现水下移动节点与岸基的短报文通信。

2020年7月4日–7月16日，国内多家科研单位在南海中部海南岛以东约110n mile海域，试验海区水深约2 000m，联合开展了基于波浪滑翔器的水下GPS定位系统海上试验。本次试验利用了首批定型生产的12台“海鳐”波浪滑翔器样机，编号为“UUV–Networing–KT2–WG–HYAO–01~12”，其中2台为备用样机。声学模块的换能器安装在水下驱动单元下方的横梁上，换能器电缆与挂缆耦合到水面艇的用户舱中的声学处理电路连接，控制舱中的控制电路能够实现对声学电路的电源控制。海试主要测试完成了海面信标节点定位报文的发送功能和水下节点定位报文的接收功能，并开展了基于海面信标的水下移动节点定位方法可行性验证，同时测试分析各系统参数对定位性能的影响等工作，并结合水下定位系统试验同步开展了波浪滑翔器15d四边形位置保持能力的考核试验。“粤湛渔29”试验船7月4日夜从海南三亚离港，7月5日上午11点到达试验海区。试验团队采集试验海区的水文信息后，经过海面信标的定位报文发送和水下节点报文接收的功能测试，并完成了单台波浪滑翔器定点控位能力的评估后，于7月8日上午，完成了10套海面信标和3套基于水下滑翔机的水下移动节点的布放，基于“海鳐”波浪滑翔器的水下GPS定位系统星座构建成型，这也是目前世界上第1套基于波浪滑翔器的水下移动节点定位系统开展的应用试验。海面波浪滑翔器星座岸基实时监控的照片如图4所示。

水下GPS定位系统应用试验中对波浪滑翔器的定点控位能力是最大的考验，由于波浪滑翔器是利用波浪能驱动，自身没有推进动力，因此容易受到浪高和海流的影响。接下来介绍一下“海鳐”波浪滑翔器在本次试验中的定点控位性能情况。

考虑海面信标声学模块的作用距离，水下定位系统相邻2台波浪滑翔器的距离大约在5km，每个目标点波浪滑翔器的样机编号如图4所示。图5中给出了10台样机的实时运行轨迹，其中红色五角星为波浪滑翔器的位置保持规划目标点，蓝色轨迹为波浪滑翔器实际航行轨迹。

图4 中，1、3、7、11号艇为本次试验中验证波浪滑翔器15d四边形保持能力的4套样机。图6给出了15d四条艇的运行轨迹，其中红色五角星为1号艇的位置保持点，黑色五角星为3号艇的位置保持点，黄色五角星为9号艇的位置保持点，绿色五角星为11号艇的位置保持点。由于该四边形位置保持试验结合水下定位系统试验开展，为满足声学定位拓扑星座的需要，分别在7月10日11:33– 12:48和7月15日8:33–11:33对四边形的位置保持目标点进行了2次调整，其中7号艇在7月13日14:19–17:49还进行了一次调整。为满足15d的连续考核要求，在定点位置保持数据处理中，将中间调整产生的位移按该艇的位置保持偏差计算，这样虽然牺牲了一些控位精度，但保证了四边形位置保持时间的连续性。

7月6日–7月21日，“海鳐”波浪滑翔器平台无故障连续运行15d，位置保持过程中4套样机的定点位置保持偏差如图7所示。

数据处理结果表明，4套波浪滑翔器的位置平均偏差分别小于811.4m、144.45m、581.82m、 1 470m，位置保持偏差小于100m的概率分别为70.86%、94%、84.63%、65.86%。

通过图7可以发现，在7月20日–7月21日期间，4条艇的位置保持偏差都增大了许多。波浪滑翔器是利用海面波浪能驱动的无动力平台，容易受到海况的影响，在这期间海面十分平静，但又存在0.6~1kn的海流，导致平台位置发生较大的偏移。图8是7月21日在试验附近海域拍摄的海面照片，显示海面非常平静。在位置偏差的数据统计分析过程中也计算了这段时间的偏差，综合分析表明：在3级海况下海流小于0.5kn的情况下“海鳐” 波浪滑翔器的位置偏差小于100m。本次试验现场考核中，波浪滑翔器的协同组网精确控位单项性能获得专家组满分评分。

在水下定位系统应用试验中对波浪滑翔器还有一个重要的考验就是系统能源。波浪滑翔器自身携载有二次锂电池组，同时利用太阳能电池作为系统电能的补充，此次试验搭载声学载荷的发射功率达到80W，最大工作频度在10s左右，对系统能源提出了较高的要求。图9给出了1号艇在声学载荷连续工作过程中，电池组电源电压的变化曲线。

系统电池组的峰值电压最大为16.8V，额定输出为15V。通过图中发现15d试验中，白天最大的峰值电压在16.7V左右，夜间最低电压大于15.6V，能够满足水下定位系统的应用需求。

2 辅助通信网络应用

前面介绍了波浪滑翔器作为一种新型的无人自主航行机器人，结合了水面艇和水下驱动单元的优势，特别适合作为水下水上的跨介质通信节点应用，以解决水下平台信息出水难的问题。项目中利用波浪滑翔器与海底平台、水下AUV平台，并且各自集成国内自主研制的水声通信机作为水下声学通信节点，然后通过波浪滑翔器上的卫星通信终端与岸基指控中心通信，构建了一套异构平台的水下辅助通信网络，目的是开展水下通信组网的应用示范，为推动海洋无人装备网络化应用奠定技术基础。

波浪滑翔器采用的水声通信机SmartOcean AngelFish声波调制解调器。AngelFish适用于频率范围在21~27kHz之间的声波通信。采样频率为96kHz，分辨率为16bit。调制解调器使用了正交频分复用的调制方式。换能器基阵采用1个水听器发送声波信号，4个水听器接收声波信号，即一发四收模式。 AngelFish调制解调器使用1根RS232串口线和主机通信。调制解调器支持波特率从4 800~230 400bps。每台调制解调器都配置有对应的ID号。在通信过程中，ID号主要用于确认发送方和接收方。用户可根据需求给调制解调器分配ID号。有效的ID号范围是0~255。ID号为0被预留，用于广播通信。调制解调器的额定供电电压16V，最大工作电流5A。

在辅助网络中对波浪滑翔器而言，主要为水下组网、波浪滑翔器自身平台及岸基显控服务器进行数据中继转发。波浪滑翔器与水下组网通过声学调制解调器的物理串口进行通信，波浪滑翔器与岸基显控服务器通过铱星卫通模块进行通信，采用的模式为SBD短数据模式。波浪滑翔器通过辅助网络卫通链路数据使用铱星模块通过铱星网络SBD模式上下行通信，通信频次为60s，单次最大的传输数据长度为1 600bytes。

信息上行方向：水下组网将所有需要上传的数据通过声学调制解调器物理串口上传至波浪滑翔器，波浪滑翔机控制中心将收到的数据依次缓存在自身缓存区内，当卫通轮询到上行过程时，将此刻缓存区内的所有数据包依次进行拼包操作，但受卫星信道限制，拼包完成后的数据总长应不大于1 600bytes，若此时由于数据总长限制，缓存区内还有数据帧，则等待下个上行周期进行发送。波浪滑翔机自身的数据帧与声通数据帧一样，均依次存放在缓存区中等待上发。上行过程中每次数据帧拼包发送给卫通后，不管卫通链路最终发送成功与否，本次发送的所有数据帧均丢弃，不再保留或者重发。

波浪滑翔器控制中心对拼包后的数据转换为卫星终端定义的帧格式数据，通过卫星链路将数据上发至岸基卫星终端模块再转发至岸基显控服务器。波浪滑翔器如果有需要上传的自身平台或者应用数据（如环境情况、位置信息等），也将数据打包按照卫星终端模块定义的帧格式，通过卫星链路将数据上发至岸基卫星终端模块再转发至岸基显控服务器。

在实验过程中可能存在声通数据包过多的情况，会导致波浪滑翔机缓存区堵塞，因此，根据波浪滑翔机自身的缓存区大小限制，软件设计中考虑了数据堵塞问题。若系统缓存区数据已经达到满载，来不及上传至卫通，且又收到了新的水下数据包，那么波浪滑翔机就将自身缓存区中较早收到的数据帧进行丢弃。并在以保证每个数据帧的完整的前提下，继续接收新的数据帧。

信息下行方向：若岸基显控服务器有需要下行的指令或数据，通过卫星数据链路转发服务器数据，将数据下行至波浪滑翔器处，波浪滑翔器可以通过数据帧判断是否为本台波浪滑翔器对应接收数据。如果确认是本台波浪滑翔器的数据，则进一步通过数据帧协议判断数据流向，若为波浪滑翔器自身数据，则自身接收进行处理，若为水下组网数据，则通过控制中心将数据进行处理，转换为水下组网定义的帧格式数据，通过声通物理串口下行至水下组网平台。对于水下组网平台+应用数据、波浪滑翔器的平台+应用数据，卫星链路均保持透传，对于数据内容不做理解，只解析和处理定义过的其余帧头帧尾等附加数据。

2020年9月，课题组在海南三亚海棠湾海域开展了辅助通信网络海上应用试验，波浪滑翔器工作在位置保持模式。组网通信节点包括3台波浪滑翔器节点、2台坐底平台节点、5台AUV节点和1台岸基监控服务器。波浪滑翔器的节点ID号为90、 91、92，坐底平台的节点ID号为1、2，AUV的节点ID号为30、31、32、33、34。其中ID号为90的波浪滑翔器的位置保持目标点与1号坐底平台的布放点一致，ID号为92的波浪滑翔器的位置保持目标点与2号坐底平台的布放点一致。1号和2号坐底平台的距离为4km，ID号为91的波浪滑翔器的位置保持目标点在1号和2号坐底平台连线的中点。AUV成编队在1号和2号坐底平台连线之间范围内按直线或成簇航行。坐底平台每隔1h将平台上采集的CTD数据通过通信链路上传给岸基显控服务器，AUV编队航行过程中，也将AUV数据上传至岸基显控服务器。

在辅助网络通信试验过程中，搭载的声学调制解调器接收发送数据稳定，通信作用距离大于2km，数据传输速率大于400bps，波浪滑翔器卫星通讯60s达到1 600bytes的传输带宽满足网络的验证需求，平台的位置保持平均偏差小于100m，充分表明波浪滑翔器作为组网节点设备的可行性和长时间工作的可靠性。

3 结束语

在国家重大科技专项的支持下，“海鳐”波浪滑翔器作为国内第1代较为成熟的波浪滑翔器已完成了平台关键技术的基础研究和产品化改造的海上全方位考核试验，其性能和可靠性均达到世界先进水平。目前正在海洋各领域的实际应用中不断优化完善平台的功能和性能，“海鳐”波浪滑翔器在水下声学GPS定位和水下通信辅助网络中应用中，展示了其作为海面自主航行平台的信息跨介质实时传输的优势和精确控位的优点。

波浪滑翔器作为一种新型的长航时移动观测平台，丰富和拓展了海洋无人平台技术体系，突破了现有移动观测平台对时间、空间的局限，波浪滑翔器的研制和大量部署，有助于满足海洋观测对长期化移动平台的需求，对推进国家的深远海战略研究具有重要意义。

参考文献