波浪动力滑翔机海洋环境监测系统.docx

波浪动力滑翔机海洋环境监测系统杨燕1，张森2，史健1，秦玉峰2，贾立娟2，齐占峰2，孙秀军2（1.天津城建大学，天津300384；2.国家海洋技术中心，天津300112）摘 要：波浪动力滑翔机将海洋波浪起伏转化为前向推进运动，同时，利用太阳能系统为电气设备提供驱动电源，可以实现长时间、远距离的走航测量，具有定点虚拟锚泊和路径自动跟踪的功能。首先分析了波浪动力滑翔机在海洋环境监测中的必要性以及当前国外技术发展现状；随后，从波浪动力滑翔机工作过程解析入手，分析了其结构组成和运动机理，给出了成功设计的关键和要领，并近似确定了第三代波浪动力滑翔机的基本物理参数；最后，总结了第二代波浪动力滑翔机的性能指标，以及其在海洋环境监测中的广泛应用。关键词：波浪动力滑翔机；海洋环境监测；双体结构；水面摇荡船；水下牵引机中图分类号：P716+.2文献标志码：A文章编号：1003-2029(2014)01-0109-06海洋是全球生命支持系统的重要组成部分，也是人类社会可持续发展的宝贵财富。随着陆地资源短缺、人口膨胀、环境恶化等问题的日益严峻，人类将目光转向了占地球表面71%的海洋[1]。然而，海洋观测大尺度长时序的特点以及恶劣的作业环境和昂贵的监测成本，迫使人类开发一套不受能源限制可长期大范围作业，而无需维护的低成本自主操作平台，以延伸人类了解世界海洋的触角。目前，海洋环境监测主要包括调查船、浮标、潜标、海床基、漂流浮标以及航空遥感等。其中，传统的调查方式需消耗大量人力、物力和财力，且不易实现对恶劣环境和敏感区域的调查[2-3]。当前，国际上出现的波浪动力滑翔机（WaveGlider，以下简称波动滑翔机）为海洋观测技术提供了创新思路，该平台通过收集丰富的波浪能和太阳能完成长时间、大范围的走航观测，而无需能源补给与人工维护，它通过卫星与基站之间实现指令和数据传输，从而实现路径跟踪和任务监控，已成为海洋观测网络构建的基础平台和极端海洋环境下的首选监测工具。1波动滑翔机技术现状2005年，RogerHine和JosephDRizzi为跟踪考察驼背鲸的生活规律而发明了在海上工作数月而无需维护的利用海洋环境能源的自主运动平台波动滑翔机。2006年，LiquidRobotics公司成立并专注于波动滑翔机的研发生产[4]。2007年，波动滑翔机经历了飓风Flossie，验证了其可抵御3m浪高海况和20m/s风速的恶劣海况的能力。随后，波动滑翔机在调查阿拉斯加海岸时，遇到了6m浪高海况和25m/s风速，并可安然无恙的工作。2008年12月布放的名叫Stripes的波动滑翔机，已经累计海洋作业600d，航行25000km。名叫Honu和Kohola的波动滑翔机从夏威夷出发航行4400km用时79d到达旧金山。名叫RedFlash的波动滑翔机从墨西哥出发到达阿拉斯加，途中在25m/s风速和6m浪高的海况下完成了站点保持作业。2009年4月，波动滑翔机在Monterey Bay收稿日期：2013-10-14基金项目：国家高技术研究发展计划（863 计划）资助项目（2014AA09A507）；国家海洋局青年海洋科学基金资助项目（2013424）作者简介：杨燕（1983-），女，博士，讲师，主要研究方向为海洋环境监测移动平台系统控制理论与技术。通讯作者：孙秀军（1981-），男，博士，副研究员,研究方向为基于移动平台的海洋环境监测技术。Email:sunxiujun@第33卷110海洋技术学报海洋生物研究所布放的深海锚系浮标M2附近实现了50m半径的站点保持，随后，研究人员对波浪动力滑翔机与M2的传感器数据进行了对比，除了温度有所差别之外其他数据吻合较好[5]。2011年9月，SavannahOceanExchange宣布LiquidRobotics的波浪动力滑翔机获得了湾流航空公司的价值10万美金的2011年度湾流领航奖。2011年11月，4个波动滑翔机从SanFrancisco出发经过4个月6000km的航行到达夏威夷。此后，其中两个穿过赤道向澳大利亚前进，另外两个跨过世界上最深的玛丽亚娜海沟前往日本。在持续12个月的航行后，4个波浪动力滑翔机均在2012年底到达目的地，整个航程总计16600km[6]。2.2柔性连接双体结构组成波浪在海洋表面的起伏运动幅度较大，然而，随着深度增加其起伏运动幅度迅速减小。这样以来，海洋表面的水质点相对于海洋6m以上深度处的水质点具有较大的相对上下起伏运动幅度[9]。波动滑翔机由4～7m柔性缆连接的水面摇荡船和水下牵引机两体结构组成，水面摇荡船飘浮在海洋表面，长2～3m，宽0.6～0.7m，重量65～120kg，总排水量140～260kg。水下牵引机潜在海洋4～7m深度处，长2～2.6m，高0.2～0.5m，翼展宽度1～1.