水下實時觀測潛標系統技術發展

李 楠，黃漢清，2，趙 曉

（1.青島海洋科學與技術試點國家實驗室，山東 青島 266237；2.中國船舶重工集團有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003）

0 引言

潛標是海洋環境監測中應用最廣泛的裝備之一。潛標整體位于水面以下，通過錨系固定在特定位置，通過架裝在不同深度的傳感器可實現全水深、定點、長期、連續、多層次、多要素同步觀測，具有隱蔽性好、不易被破壞等優點[1]。海洋科技強國的潛標技術已趨成熟，形成了功能多樣的產品系列，實現了業務化運行。然而，潛標通常以自容方式存儲觀測數據，需在觀測周期（一般為數月至數年）結束并對潛標實施回收后方能獲取觀測數據，信息時效性較差。隨著我國海洋強國及一帶一路戰略的實施，在海洋科學研究、經濟建設及國防安全等領域對實時海洋環境感知能力提出了迫切需求，如何實現水下觀測數據實時傳輸成為亟待解決的問題。

針對實時、定點、長期海洋環境觀測需求，以潛標技術為基礎，開展水下觀測數據實時傳輸技術研究，通過水下絞車、自升降通信浮標、水下滑翔機及波浪滑翔器等多種技術途徑，研制水下實時觀測系統，實現觀測數據實時/準實時穩定可靠傳輸，可為海洋環境監測、預報及國防安全保障等提供技術支撐。

1 研究現狀

美國從20世紀50年代開始研究潛標技術，前蘇聯、英國、加拿大等國家迅速跟進。經過幾十年的發展，國外的實時傳輸潛標技術日臻成熟。

美國在 20世紀 80年代就開始嘗試實時獲取CTD（鹽度、溫度、深度）和流速等數據。1986年，美國新罕布什爾大學利用磁感應傳輸對緬因灣口的水下CTD數據進行了實時獲取，在6個月時間內獲取了水深270 m的CTD數據[2]。通過磁感應傳輸獲取水下數據具有較高的功耗效率比，但設備之間需通過鋼纜連接，連接纜重力較大，需要匹配浮力設備，不適合長距離的水下數據實時傳輸[3]。1990年，美國Woods Hole海洋研究所嘗試采用水聲通信技術將水下設備數據傳輸至浮標，然后通過衛星中繼傳送到岸站。該系統測試了水下300 m、1 500 m和2 900 m三套設備，僅有1 500 m水深的通信機正常工作。美國國家大氣海洋管理局也開展了利用水聲通信獲取水下溫鹽深流等參數的實驗，采用非相干點對點通信，速率600 bit/s，工作時長5個月[4]。1994年，美國“百慕大試驗站錨泊系統”（BTM）實現了潛標數據遠程無線傳輸，其潛標掛載的水下儀器通過感應耦合傳輸，利用一根單芯錨泊纜將數據傳輸到海面浮標，浮標通過Argos衛星將數據傳送至岸站，也可在調查船靠近BTM 浮標時通過無線電通信下載數據[5]。法國于90年代末研制出利用浮力調節驅動剖面測量平臺的 YOYO系統，其工作原理是通過改變平臺內部油囊的體積來改變剖面測量平臺的凈浮力，達到升降運動的目的。該系統工作深度為1 000 m，采集的數據可通過聲通系統發送至海表浮標，然后浮標將數據通過衛星發送到岸站[6]。美國國家科學基金會2009年啟動OOI（Ocean Observatories Initiative）觀測網，其潛標準實時通訊方式有2種：一種是通過海底電纜傳輸[7]；另一種是通過水下滑翔機中繼傳輸。前者僅適用于近岸觀測，后者則適用于密集分布的潛標陣列，對于單套潛標或空間距離較大的陣列則不適用。華盛頓大學研發了浮子式準實時潛標，主要應用于淺海觀測[8]。加拿大ODIM Brooke Ocean公司研制了 SeaCycler升降式潛標系統圖 1（a），利用水下絞車控制衛星通信浮子的上下運動，在設定的通信時間將浮子釋放浮至水面進行數據傳輸，在其它時間由水下絞車帶動浮子下沉至海面以下[9]。美國WET Labs公司研制的Thetis觀測系統也采用類似的工作方式。日本NGK OCEAN公司研制的海洋潛標觀測系統圖 1（b）具有錨系和座底 2種狀態，使用了流線形浮體及水下絞車技術，可以控制浮標上浮出水后通過衛星將數據傳送到岸站[10]。美國InterOcean Systems公司也開發了應用于潛標的水下絞車圖1（c）[11]。

圖1 加拿大ODIM Brooke Ocean公司（a）、日本NGK OCEAN公司（b）和美國InterOcean Systems公司（c）實時傳輸潛標Fig.1 Real-time transmission submerged buoys of（a）Canadian ODIM Brooke Ocean Company，（b）Japanese NGK OCEAN Company and（c）American InterOcean Systems Company

我國潛標研制工作起步較晚，但發展迅速，開展潛標研制的單位主要有中國船舶七一〇所、國家海洋技術中心、海洋局一所、中科院海洋所、山東省科學院海洋儀器儀表所和中國海洋大學等。我國已基本掌握潛標觀測的核心關鍵技術，并在數據實時傳輸方面有了較大突破。2002年，中國船舶七一〇所研發了浮子式實時/準實時潛標觀測系統。該潛標配有多臺衛星通信浮子，通過釋放浮子至海面進行實時衛星數據傳輸，一旦浮子信號傳輸發生故障，主控單元控制水下切割信號纜將失靈的浮標拋棄，再釋放另外一個通信浮標，實現觀測數據的接力傳輸[12]?！笆晃濉逼陂g，中國海洋大學與中國船舶七一〇所合作對該型實時/準實時潛標進行了優化，并在南海成功開展了海試。2015年起，中科院海洋所研發了浮子式實時/準實時潛標觀測系統并在西太平洋海域開展了規?；瘧?，于2019年實現了深海6 000 m實時數據傳輸[13]。中國海洋大學在“十二五”期間研制了深水定時衛星通信潛標系統，2015-2016年在西太平洋成功完成了系列海試，實現了觀測數據的定時回傳。該潛標主浮體上架裝多個彈射拋棄式衛星通信浮標，按設定時序定時釋放至海面，通過衛星進行數據傳輸[14]。

2 水下實時觀測系統方案

隨著衛星、無線電和水聲等通信技術的發展及應用，目前已能夠實現潛標觀測數據的實時﹑長距離傳輸。實時傳輸潛標的數據傳輸鏈路通常為：1）由傳感器到數據采集器，一般在水下水密儀器艙中完成；2）由水下數據采集器傳輸到水面通信設備，可通過線纜或水聲通信方式傳輸；3）由水面通信設備傳輸到岸站數據接收終端，一般通過衛星通信方式實現。

以潛標技術為基礎，通過水下絞車控制衛星通信浮標的方式可實現水下觀測數據實時傳輸；自升降通信浮標也可作為水面通信中繼設備；還可利用水下滑翔機/波浪滑翔器作為傳輸中繼節點，實現觀測數據的機動實時傳輸（圖 2）。結合上述技術途徑，設計了4型水下實時觀測系統，為水下環境實時定點長期觀測提供綜合解決方案。圖2中：a為基于水下絞車的水下實時觀測系統，b為基于自升降通信浮標的水下實時觀測系統，c為基于水下滑翔機的水下實時觀測系統，d為基于波浪滑翔器的水下實時觀測系統。

圖2 水下實時觀測系統Fig.2 Scheme of underwater real-time observation system

2.1 基于水下絞車的水下實時觀測系統

2.1.1 工作原理

基于水下絞車的水下實時觀測系統可通過水下絞車收放衛星通信浮標，需要傳輸數據時，啟動水下絞車釋放鎧裝通信纜使衛星通信浮標上浮出水，通過衛星將數據傳回岸站。完成數據傳輸后，通過水下絞車將衛星通信浮標收到水下設定深度。衛星通信浮標沉到水下后，可通過鎧裝通信纜或水聲通信方式與數據傳輸控制模塊進行通信，傳輸觀測數據。

2.1.2 系統組成

基于水下絞車的水下實時觀測系統主要由主浮體、水下絞車裝置、錨泊系留裝置、衛星通信浮標和陸上設備等組成。

主浮體包括固體浮力材料、結構框架、電池艙、電控艙及水聲通信機等，為水下觀測系統提供正浮力及能源，同時承擔系統綜合控制及數據傳輸任務。

圖3 基于水下絞車的水下實時觀測系統組成Fig.3 Composition diagram of underwater real-time observation system based on underwater winch

水下絞車裝置是該系統的關鍵組成部分，負責驅動衛星通信浮標的上浮下潛動作。水下絞車裝置安裝在主浮體中，與主浮體的電池電控艙通過水密接插件連接，采用 RS232進行通信。水下絞車裝置使用鎧裝通信纜與衛星通信浮標進行數據傳輸?？紤]到鎧裝通信纜在涌浪長期作用下有可能損壞，為保證數據傳輸的可靠性，安裝水聲通信機作為備選的數據傳輸手段。

錨泊系留裝置包括壓載錨、系留纜和應答釋放器等，可將水下觀測系統系留在固定位置。

衛星通信浮標內有浮標控制模塊、水聲通信機和衛星通信模塊等。該浮標接收電纜或水聲通信機發送的數據，在浮標檢測出水后，通過衛星將數據傳輸至岸站。完成數據傳輸后，反饋給主浮體下潛指令。主浮體控制單元接收指令后控制絞車驅動浮標下潛到設定深度（通常為水下 50 m），以避免海況及人為因素損壞衛星通信浮標。

陸上設備包括岸站控制系統和釋放器甲板單元等。岸站控制系統負責接收、處理衛星傳回的數據。釋放器甲板單元在系統回收時控制聲學釋放器動作，釋放壓載錨，使系統在自身正浮力作用下浮出水面。

2.2 基于自升降通信浮標的水下實時觀測系統

2.2.1 工作原理

自升降通信浮標可通過浮力調節實現上浮下潛動作。通過液壓泵將液壓油從浮標內油箱排至外油囊，增大浮標排水體積，提供浮力使浮標上浮，浮標出水后通過衛星將數據傳輸至岸站。完成數據傳輸后，浮標將外油囊內的液壓油抽入浮標內油箱，減小浮標排水體積，將自身調節為負浮力并下沉到水下設定深度處懸停漂行。浮標沉至水下后，可通過水聲通信方式與數據傳輸控制模塊通信，傳輸觀測數據。

2.2.2 系統組成

基于自升降通信浮標的水下實時觀測系統由主浮體、錨泊系留裝置、自升降衛星通信浮標和陸上設備等組成。

主浮體及錨泊系留裝置與基于水下絞車的水下實時觀測系統一致，負責綜合控制、數據采集、數據處理、數據發送、錨泊及系留等。

圖4 基于自升降通信浮標的水下實時觀測系統組成Fig.4 Composition diagram of underwater real-time observation system based on self-lifting communication buoy

自升降衛星通信浮標由浮力調節裝置、浮標控制模塊、衛星通信模塊和水聲通信機等組成。自升降通信浮標是在剖面漂流浮標的基礎上改進而來，通過浮力調節實現上浮下潛，可極大地節省能耗，并為水聲通信機提供更長的工作時間。浮力調節裝置通過電機驅動活塞在液壓缸內上下移動實現充排油過程，控制浮標上浮下潛?？刂颇K發送指令控制浮標上浮，在近海面時，向浮標油囊充油，提供更多浮力確保浮標出水高度，增強浮標抗風浪能力并提高衛星通信成功率。浮標檢測出水后，通過衛星通信將數據發送到岸站。數據傳輸完畢后，控制模塊控制浮標下潛到設定深度（通常為水下50 m）懸停漂行，等待下一次的數據傳輸。

2.3 基于水下滑翔機的水下實時觀測系統

水下滑翔機可根據設定航路到達潛標所在位置，作為通信中繼節點通過水聲通信接收潛標觀測數據。水下滑翔機出水后，將觀測數據通過衛星傳回岸站。水下滑翔機可在設定區域機動游弋，需要傳輸數據時，則返回潛標附近通過水聲通信方式傳輸數據。

2.4 基于波浪滑翔器的水下實時觀測系統

波浪滑翔器具備虛擬錨泊能力，可動態錨泊于海面設定坐標位置，作為潛標的通信中繼節點。當波浪滑翔器受風浪流的影響導致坐標發生偏差后，可通過其自身航行能力返回原有位置。潛標通過水聲通信方式將水下觀測數據發送至波浪滑翔器，波浪滑翔器接收數據后，通過其自身天線將數據通過衛星傳回岸站。

3 水下數據實時傳輸關鍵技術

3.1 水下絞車技術

水下絞車是安裝在水下觀測系統上的無人值守機電一體化裝置，通過內置電機驅動繩索或電纜收放，從而控制測量或通信平臺的升降。水下絞車的主要功能是使通信浮標藏匿于水中不受臺風、海浪或人為因素等的破壞，在需要傳輸數據時將通信浮標升至海面，通過衛星將數據發送到岸站。水下絞車是水下觀測系統實現隱蔽、實時通信的關鍵技術。

3.1.1 水下動密封技術

水下絞車電機在海水中工作，需要防止電機平衡液從內部溢出以及海水進入電機內部，因此必須解決電機殼的靜密封和輸出軸的動密封等問題。殼體的靜密封方面，由于電機采取動態壓力補償，用一道格萊圈即可實現。水下電機軸的動密封方面，常用的密封形式有油封、機械密封和 O形圈密封等。油封工作壓力一般小于0.05 MPa，耐壓型油封可達1～1.2 MPa，線速度＜15 m/s，結構簡單，制作容易，安裝腔體的結構緊湊，軸向尺寸小，密封性能好，能長時間保持密封效果，價格合理。機械密封結構復雜、龐大，成本較高。O形圈體積小、結構簡單、成本低、工藝性能好，但易老化、使用壽命短。經研究，采用動態壓力補償方式進行密封。在電機內部充變壓器油，壓力油補償器以橡膠軟管替代。通過壓力補償方式減少電機軸處內外壓差值，然后采用抗磨性高且帶有一定補償量的機械密封方式進行密封。該方式可以有效地防止電機內部的高壓變壓器油溢出或海水進入電機內部，提高了電機密封的可靠性。

3.1.2 水下絞車自動排纜技術

水下絞車在收放纜索過程中完全自主工作，與陸上絞車相比更加需要可靠的纜索自動收放技術。水下絞車有自由排纜和不排纜2種工作模式。圖5所示為研制的帶有機械排纜器的水下絞車。該絞車的排纜機構有雙向絲桿，通過雙頭螺旋槽和滑塊機構，使卷筒每轉一圈，纜繩沿卷筒軸向移動一個繩距，并在卷筒兩端自動換向。這種排纜器可保證纜繩大致均勻地散布在絡車內。

圖5 水下絞車Fig.5 Underwater winch

3.1.3 基于水下絞車的通信浮標控制技術

由于衛星通信浮標出水后受風浪流作用而持續運動并反復拉扯通信電纜，極易造成通信電纜內部通信纜的疲勞損傷，因此應盡量減少浮標出水時間。浮標出水后與衛星進行握手通信，握手成功后發送數據，數據發送完畢后反饋回主浮體控制模塊，控制絞車驅動浮標潛入水下50 m處，該位置受表面洋流及浪涌影響較小。若2次握手不成功，則反饋給主浮體，控制絞車驅動浮標入水，存儲的觀測數據等待下次一并傳輸。

3.2 自升降通信浮標技術

自升降通信浮標是在剖面漂流浮標技術基礎上研制，加裝了水聲通信機，增加了油囊浮力調節能力，擴充了電池組能源，并將通信采集模塊擴展成數據采集、接收、發送為一體的多功能數據傳輸模塊。通過調整浮標的工作流程，適應聲通機的水下數據傳輸及出水后的衛星數據傳輸。加裝聲通機后系統耗電量增大，通過增加電池電量及合理配置供電模式來減小系統能耗，增加水下在位時長。升級控制模塊，對浮標更改后的質浮心進行計算，開展配平及搭載性能測試，調整浮標的水下姿態，便于水下聲通機數據傳輸。

圖6 自升降通信浮標Fig.6 Self-lifting communication buoy

由于聲通機在海面受聲反射影響，通信成功率較低。另外，浮標出水后易受外界環境及人為因素破壞。在浮標出水完成數據傳輸后，控制浮標下潛至水下50 m深度處懸停漂行，等待下次數據傳輸。

3.3 基于機動平臺的水下觀測數據實時傳輸技術

開展水下滑翔機、波浪滑翔器等機動中繼平臺的虛擬錨泊技術以及水下觀測系統基于機動中繼平臺的數據傳輸技術研究，針對水下滑翔機及波浪滑翔器搭載水聲通信機開展適配性改進，通過水聲通信實現水下觀測系統與機動中繼平臺的數據傳輸，并以機動中繼平臺作為通信中繼節點，將觀測數據通過衛星傳輸至岸站。

3.3.1 水下滑翔機數據中繼技術

以水下滑翔機作為通信中繼節點實現觀測數據實時傳輸，需要實現水下滑翔機的虛擬錨泊功能，可在一定范圍內長期游弋，在受海流作用而漂移時能夠航行返回設定位置以實施水聲通信。另外，需要研究如何在水下滑翔機上適配搭載水聲通信機并開展適應性改進，提供相應的機械安裝和電氣接口。由于水下滑翔機攜帶能源有限，需要增強電源管理，并開展低功耗設計工作，滿足長期水下通信需求。

3.3.2 波浪滑翔器數據中繼技術

以波浪滑翔器作為通信中繼節點實現觀測數據實時傳輸，需要突破波浪滑翔器的虛擬錨泊技術，盡量減少虛擬錨泊航行中的位置偏差，將波浪滑翔器控制在一個較小的范圍內，從而提高水聲通信可靠性和成功率。另外，需要研究如何在波浪滑翔器上適配搭載水聲通信機并開展適應性改進，提供相應的機械安裝和電氣接口。

圖7 中國船舶七一〇所水下滑翔機及波浪滑翔器Fig.7 Underwater glider and wave glider of No.710 R&D Institute，CSSC

4 水下觀測數據實時傳輸功能驗證試驗

2019年 9月，搭載青島海洋科學與技術試點國家實驗室“問海計劃”航次，在南海開展了水下觀測數據實時傳輸功能驗證試驗。試驗設備包括2套水下實時觀測系統：1）基于水下絞車的水下實時觀測系統；2）基于自升降通信浮標的水下實時觀測系統。2套系統布放水深均超過2 800 m?；谒陆g車的水下實時觀測系統完成了水下絞車水下運行測試和水下通信電纜數據傳輸鏈路測試?；谧陨低ㄐ鸥说乃聦崟r觀測系統完成了自升降通信浮標水下運行測試和水下聲學通信鏈路測試。兩系統合計完成50余個剖面運動后成功回收。通過海上試驗，初步驗證了2套水下實時觀測系統的觀測數據實時傳輸功能。

圖8 水下實時觀測系統海試Fig.8 Sea trial of underwater real-time observation system

5 結束語

目前幾種水下實時觀測系統各有其優勢，但也存在一定的缺陷。定時衛星通信潛標可架裝的通信浮子數量有限，通信頻率較低。浮子式衛星通信潛標的通信浮子長期位于海面，通信窗口長，但欠缺隱蔽性，易遭破壞。波浪滑翔器也存在類似問題?；谒陆g車的衛星通信潛標結構復雜，長期工作可靠性有待提高。自升降通信浮標對浮力調節及偏降控制要求較高，偏移角度對水聲通信質量影響較大。水下滑翔機機動性強，但成本較高。這些缺陷使得上述幾類水下實時觀測系統在實現觀測數據的長期穩定實時傳輸方面均存在一定的不足，需要根據觀測需求及作業環境等選擇適宜的水下數據實時傳輸方式。水下實時觀測系統的應用將改變潛標數據獲取模式，提高水下觀測數據時效性，對海洋環境監測、預報及國防安全保障等具有重要意義。