我国管辖的海域约300万km², 海岸线绵长曲折, 离岸岛礁星罗棋布, 随着国家政治经济不断发展, 我国对海上权益和资源开发诉求也越来越强烈。有效维护国家的海洋权益、合理开发利用海洋资源、切实保护海洋生态环境、实现资源与环境的可持续发展, 是时代赋予我们的历史使命, 也是新时代海洋科技工作者迎来的机遇。近年来, 新一轮国家发展战略中明确提出在多尺度上推进海洋立体监测体系, 如建设国家海底科学观测网的批复以及建议形成以海洋水色、海洋动力、海洋监视监测3个系列的海洋动力环境卫星观测体系, 实现从海底到天空的海洋立体观测网, 形成对海洋的长期、动态、连续、实时和大面积立体式监测。

20世纪地球观测技术的革命性进展, 在于卫星遥测遥感对地观测系统的建立。人类终于能够离开地球, 从空间获取地球信息, 不仅极大地丰富了信息量, 而且解放了观测者的视角, 开创了“数字地球”和“地球系统”的新阶段^[1]。但是卫星遥感技术的主要观测对象在于地面与海面, 缺乏深入穿透的能力, 而隔了平均3 700 m厚的海水层, 大洋海底难以成为卫星遥感技术的直接观测对象。如何突破海气界面的通讯壁垒, 将地球上层大气的遥感观测/光电通讯与地球底层水体中的海底观测/水声通讯连接起来, 形成一个“空-天-海”数字立体观测系统, 成为新世纪海洋立体监测体系建设的关键。而波浪涌动机^®由于具有水下拖体和水面船体两部分组成, 正是作为海气界面通信中继的理想载体。它可以将海底的观测节点通过水声通讯连接起来, 再通过水面载体的光电通讯与卫星建立联系, 在海洋立体观测网中真正发挥节点通讯中继的作用。

1 波浪涌动机^®概述及技术特点

波浪涌动机^®(Wave MEPUS)是我国的海洋科技工作者在吸收了美国的波浪滑翔机(Wave Glider)的优势特点后, 自主研制开发的具有自主知识产权的长航时海上无人自主机器人系统。波浪滑翔机最早由在美国硅谷成立的液体机器人公司(Liquid Robotics Inc.)于2007年研发^[2], 前期主要用于跟踪研究每年从夏威夷到阿拉斯加的座头鲸的迁徙特征及习性, 也是世界上第一款利用海洋清洁能源(波浪能)驱动的在海上长期自主航行的海洋无人系统^[3-5]。它可将垂向运动的波浪能分解为水平方向的机械能, 驱动波浪滑翔机向前航行, 其工作原理如图 1所示。经过十几年的商业化运作, 波浪滑翔机已经成为一款技术成熟、应用前景广阔的颠覆性海洋科技创新产品, 为我们重新认识海洋提供了一种全新的技术手段。目前在国际上已成功应用于海洋科学研究、海洋环境监测、海洋油气资源勘探等领域^[6-9]。但是由于美国生产的波浪滑翔机采用铱星/GPS作为数据通讯链, 且所有采集的海洋数据需首先通过美国的数据处理中心后再分发给用户, 这就涉及各个国家在具体海域应用时的数据安全性, 特别是在敏感海域和敏感应用领域更是遭到相关国家用户的抵制。为了解决西方在数据通讯链端的垄断封锁, 我国自主研发的波浪涌动机^®(Wave MEPUS^TM)将首次采用北斗系统作为地空通讯手段, 最大程度地保障我国海洋数据采集和传输的安全性。

波浪涌动机^®是一种利用波浪动能推进的新型海上无人自主航行器, 它由水面船体和水下拖体系统两部分组成, 中间用脐带缆连接。水下翼板可将垂向上的涌浪能转换为向前的拉力, 通过控制拖体上的方向舵控制航行方向, 水下拖体系统通过脐带缆和水面船体相连, 两部分协同工作以提供整机前进的动力。水面船体单元安装有太阳能电池板、可充电电池组、无线电AIS信标、电子导航控制系统、卫星通讯系统、测量传感器(气象站、溢油传感器、CTD、ADCP)等模块组成。水下拖体系统由水翼、水下仪器安装架、控制舵及测量传感器等组成, 波浪涌动机^®的结构如图 2所示。

波浪涌动机^®无需燃油, 而是使用波浪能作为航行动力来源, 同时可收集太阳能储存于内置电池组中, 供搭载的传感器和数据通讯使用, 从清洁能源利用方面来看, 这是一款先驱性的科技创新产品。波浪涌动机^®可在海上长时间自主航行, 最长可达一年, 无需人工驾驶。其既可作为虚拟锚泊定点监测或作为通讯中继, 又可通过卫星预设航迹定向航行, 且中途可以随时修改任务命令。在海上长时间航行过程中持续不断地采集和传输数据, 是一款真正意义上利用清洁能源(波浪能和太阳能)的长航时海洋无人自主机器人系统。

作为新一代海洋无人移动监测平台, 我国自主研发的波浪涌动机^®在通讯定位上首次采用北斗导航卫星系统作为地空通讯手段, 并以GPS/铱星卫星为辅助通讯定位选项, 这大大保障了我国海洋数据采集和传输的安全性和经济性。用户可根据自身实际研究和应用需求, 集成搭载所需的海洋测量仪器设备, 如自动气象站、温盐深仪(CTD)、声学多普勒海流剖面仪(ADCP)、海洋多参数测量仪、高光谱传感器、光学及红外摄像头、溢油监测传感器、水听器阵列以及水下探鱼/磁力仪拖体等监测设备, 这使得波浪涌动机^®成为一个移动的、灵活可变的、具有多信息传感器集成于一体的海洋无人监测平台。相比于传统的海洋数据采集和目标海域监测手段, 波浪涌动机^®具有机动灵活、超长航时、实时通讯、零排放与经济安全等突出优点, 可长时间在目标海域进行自主航行并对所经过海区的海洋要素进行不间断采集、监测和保护。

在海洋科学和工程应用领域, 打破了传统的数据采集和监测手段, 省去昂贵的船时费及人员劳务费, 只需将波浪涌动机^®布放到目标海域, 即可实现长时间持续的海洋表层要素采集和工程作业监测, 为科研实验和工程项目省去大量时间和资金, 让海洋科技工作者坐在电脑前即可修改其海上航行任务并实时获取相关海洋监测数据。如图 3所示, (a)为预设之字形航线, 海浪涌动机轨迹跟踪的结果, (b)为在海浪涌动机行进过程中, 通过北斗卫星将航行任务修改为矩形航线, 海浪涌动机能很快跟踪上新的航线。

波浪涌动机^®裸露在海面上的机身只有数十厘米高, 且采用高强度玻璃钢和碳纤维复合材质, 具有最小雷达反射面; 在动力推进方面由于采用波浪能作为动力来源, 整机无推进电机和动力马达, 所以几乎没有因机械电机产生的噪音, 可以达到超静音航行状态。因此, 无论是对于水面雷达的识别还是水下声呐的监听, 波浪涌动机^®都具有优良的隐蔽性, 在敏感海域监测等海洋防务领域也具有广泛的应用价值。

2 波浪涌动机^®通讯中继协同组网的典型应用案例

波浪涌动机^®凭借其超长的续航能力和极强的生存能力, 无论作为数据通讯中继站还是海面无人移动监测平台, 均可在海洋科学、海洋工程、资源勘探和海洋安全防务等领域得到广泛的应用, 图 4是多台波浪涌动机^®作为海洋移动通讯中继协同作业, 在海洋应急组网监测中的应用场景。特别地, 波浪涌动机^®并入天基卫星遥感观测系统, 对海洋表层进行大范围连续观测和海底观测节点在目标海域进行区域组网监测, 并作为通讯中继可以把天基遥感观测和海底节点观测串联起来, 形成一个真正的海洋立体监测网。其多台组网协同作业, 可在海洋防灾减灾、权益岛礁保护、卫星数据校正、海域使用管理、海上突发事件应急观测、溢油预警监测、新型海洋要素采集等方向, 实现多尺度、多要素、大范围、实时动态的立体监测, 为我国海上通讯与应急监测提供新的技术手段。

在构建海上通讯与应急组网监测系统中, 可将多台波浪涌动机^®组网编队, 进行大范围海域的协同作业, 在海洋中建立一个互动式的、分布的、综合性的海洋立体观测网, 实现海洋多学科、多任务的实时数据采集和远程无线传输。这种海洋立体观测网由多个海底节点构成, 每个观测节点采用浮标、潜标、自升式Argo、海底着陆器、海床基观测节点、定点剖面观测系统等构成, 观测节点之间采用水下滑翔器(Glider)、水下自主航行器(AUV)等移动式无人观测平台弥补, 海底通过铺设光纤电缆与岸基数据管理控制中心相连, 而波浪涌动机^®(Wave MEPUS™)作为海上移动通讯中继平台可将海洋中各个观测节点以水声通讯的方式串联起来, 并通过水面船体将相关数据通过卫星实时传输到岸基接收站和控制中心, 形成一个基于“卫星互联网”的海洋立体观测系统, 真正实现空间与海洋的互联互通(如图 4所示)。在整个海立体观测网络框架中, 波浪涌动机^®处在突破不同介质面通讯的关键核心位置, 发挥了重要的节点作用。

下面介绍有代表性的2个应用:海上溢油预警监测与权益岛礁无人值守。进入新世纪, 世界海洋经济的四大支柱产业中, 海洋油气产值已远超渔业、运输和旅游业, 海洋成为未来解决能源问题的新战场。在开发的过程中, 如何保护开采海域的环境, 及时有效地对海上溢油进行预警监测, 也是海洋勘探领域所面临的棘手难题。而波浪涌动机^®搭载水面溢油监测传感器和海洋水质测量仪, 布放在石油钻井平台周围, 作为钻井平台的无人安全卫士, 可对钻井作业海域的水质环境、溢油情况等进行实时监测预警, 这极大地提高了溢油监测的时效性, 也大大节省了海上作业的成本。

海底油气资源被发现并变得可开采后, 产生的直接后果就是新一轮海上权益的争夺。曾经无人问津的荒岛暗礁, 近年来变成国际争端的焦点。特别是我国南海海域, 海底蕴藏丰富的油气资源, 管辖海域内岛礁暗礁星罗棋布, 周围国家众多且地缘环境复杂, 我国在南海的岛礁主权维护方面, 需求更为迫切。波浪涌动机^®搭载水下声呐设备和水面舰船预警系统时, 可布放于我国的权益岛礁周围, 进行长时间绕岛巡航和远程无人值守, 做到定期定量地警戒防卫, 对水下蛙人登陆、侦查潜器以及海面有威胁的舰船进行及时准确的预警, 保障我国权益岛礁的主权利益。

3 结束语

中国拥有广阔的蓝色疆土, 海岸线曲折而绵长, 近岸广布着离岸岛屿, 特别是南中国海, 海岛暗礁星罗棋布。随着南海局势的紧张, 国家军事经济实力不断壮大, 蓝色海洋经济不断向深海进军, 特别是海洋油气资源勘探向深海进发, 利用先进的技术手段对权益岛礁的勘测侦查、主权防卫、勘探海域的溢油监测需求变得越来越紧迫。波浪涌动机^®由于机动灵活、能够长时间进行海上无人值守, 结合卫星遥感技术和海底观测节点, 多台组网进行协同群组作业, 其既可作为跨介质的数据通信中继又可作为海上无人移动观测平台, 可在我国权益岛礁监测、海上溢油预警监测和卫星遥感地面校正等领域的实际应用中发挥重要作用。有望成为我国未来海上应急组网监测和“卫星互联网”的海洋立体监测体系建设中的核心通讯中继平台, 真正实现空间与海洋的互联互通。