波浪涌動機通訊中繼在海上應急協同組網監測中的應用
一、前言
我國管轄的海域約300萬平方千米，海岸線綿長曲折，離岸島礁星羅棋布，隨著國家政治經濟不斷發展，我國對海上權益和資源開發訴求也越來越強烈。有效維護國家的海洋權益、合理開發利用海洋資源、切實保護海洋生態環境、實現資源與環境的可持續發展，是時代賦予我們的歷史使命，也是新時代下海洋科技工作者迎來的機遇。近年來，我國在新一輪國家發展戰略中明確提出在多尺度上推進海洋立體監測體系，如建設國家海底科學觀測網的批復以及建議形成以海洋水色、海洋動力、海洋監視監測三個系列的海洋動力環境衛星觀測體系，實現從海底到天空的海洋立體觀測網，形成對海洋的長期、動態、連續、實時和大面積立體式監測。
20世紀地球觀測技術的革命性進展，在于衛星遙測遙感對地觀測系統的建立。人類終于能夠離開地球，從空間獲取地球信息，不僅極大地豐富了信息量，而且解放了觀測者的視角，開創了“數字地球”和“地球系統”的新階段。但是衛星遙感技術的主要觀測對象在于地面與海面，缺乏深入穿透的能力，而隔了平均3700m厚的海水層，大洋海底難以成為衛星遙感技術的直接觀測對象。如何突破海氣界面的通訊壁壘，將地球上層大氣的遙感觀測/光電通訊與地球底層水體中的海底觀測/水聲通訊連接起來，形成一個“空-天-?！睌底至Ⅲw觀測系統，成為新世紀海洋立體監測體系建設的關鍵。而波浪涌動機?由于具有水下拖體和水面船體兩部分組成，正是作為海氣界面通信中繼的理想載體。它可以將海底的觀測節點通過水聲通訊連接起來，再通過水面載體的光電通訊與衛星建立聯系，在海洋立體觀測網中真正發揮節點通訊中繼的作用。
二、波浪涌動機?概述及技術特點
波浪涌動機?（Wave?MEPUS）是我國的海洋科技工作者在吸收了美國的波浪滑翔機（Wave Glider）的優勢特點后，自主研制開發的具有自主知識產權的長航時海上無人自主機器人系統。波浪滑翔機最早由在美國硅谷成立的液體機器人公司（Liquid Robotics Inc.）于2007年研發，前期主要用于跟蹤研究每年從夏威夷到阿拉斯加的座頭鯨的遷徙特征及習性，也是世界上第一款利用海洋清潔能源（波浪能）驅動的在海上長期自主航行的海洋無人系統。它可將垂向運動的波浪能分解為水平方向的機械能，驅動波浪滑翔機向前航行，其工作原理如圖1所示。經過十多年的商業化運作，波浪滑翔機已經成為一款技術成熟、應用前景廣闊的顛覆性海洋科技創新產品，為我們重新認識海洋提供了一種全新的技術手段。目前在國際上已成功應用于海洋科學研究、海洋環境監測、海洋油氣資源勘探等領域。但是由于美國生產的波浪滑翔機采用銥星/GPS作為數據通訊鏈，且所有采集的海洋數據需首先通過美國的數據處理中心后再分發給用戶，這就涉及各個國家在具體海域應用時的數據安全性，特別是在敏感海域和敏感應用領域更是遭到相關國家用戶的抵制。為了解決西方在數據通訊鏈端的壟斷封鎖，我國自主研發的波浪涌動機?（Wave?MEPUS
TM
）將首次采用北斗系統作為地空通訊手段，最大程度地保障我國海洋數據采集和傳輸的安全性。
圖1 波浪涌動機?（Wave MEPUS）工作原理
波浪涌動機?是一種利用波浪動能推進的新型海上無人自主航行器，它由水面船體和水下拖體系統兩部分組成，中間用臍帶纜連接。水下翼板可將垂向上的涌浪能轉換為向前的拉力，通過控制拖體上的方向舵控制航行方向，水下拖體系統通過臍帶纜和水面船體相連，兩部分協同工作以提供整機前進的動力。水面船體單元安裝有太陽能電池板、可充電電池組、無線電AIS信標、電子導航控制系統、衛星通訊系統、測量傳感器（氣象站、溢油傳感器、CTD、ADCP）等模塊組成。水下拖體系統由水翼、水下儀器安裝架、控制舵及測量傳感器等組成，波浪涌動機?的結構如圖2所示。
圖2 波浪涌動機?結構示意圖
波浪涌動機?無需燃油，而是使用波浪能作為航行動力來源，同時可收集太陽能儲存于內置電池組中，供搭載的傳感器和數據通訊使用，從清潔能源利用方面來看，這是一款先驅性的科技創新產品。波浪涌動機?可在海上長時間自主航行，最長可達一年，無需人工駕駛。其既可作為虛擬錨泊定點監測或作為通訊中繼，又可通過衛星預設航跡定向航行，且中途可以隨時修改任務命令。在海上長時間航行過程中持續不斷地采集和傳輸數據，是一款真正意義上利用清潔能源（波浪能和太陽能）的長航時海洋無人自主機器人系統。
作為新一代海洋無人移動監測平臺，我國自主研發的波浪涌動機?在通訊定位上首次采用北斗導航衛星系統作為地空通訊手段，并以GPS/銥星衛星為輔助通訊定位選項，這大大保障了我國海洋數據采集和傳輸的安全性和經濟性。用戶可根據自身實際研究和應用需求，集成搭載所需的海洋測量儀器設備，如自動氣象站、溫鹽深儀(CTD)、聲學多普勒海流剖面儀（ADCP）、海洋多參數測量儀、高光譜傳感器、光學及紅外攝像頭、溢油監測傳感器、水聽器陣列以及水下探魚/磁力儀拖體等監測設備，這使得波浪涌動機?成為一個移動的、靈活可變的、具有多信息傳感器集成于一體的海洋無人監測平臺。相比于傳統的海洋數據采集和目標海域監測手段，波浪涌動機?具有機動靈活、超長航時、實時通訊、零排放與經濟安全等突出優點，可長時間在目標海域進行自主航行并對所經過海區的海洋要素進行不間斷采集、監測和保護。
在海洋科學和工程應用領域，打破了傳統的數據采集和監測手段，省去昂貴的船時費及人員勞務費，只需將波浪涌動機?布放到目標海域，即可實現長時間持續的海洋表層要素采集和工程作業監測，為科研實驗和工程項目省去大量時間和資金，讓海洋科技工作者坐在電腦前即可修改其海上航行任務并實時獲取相關海洋監測數據。如圖3所示，（a）為預設之字形航線，海浪涌動機軌跡跟蹤的結果，（b）為在海浪涌動機行進過程中，通過北斗衛星將航行任務修改為矩形航線，海浪涌動機能很快跟蹤上新的航線。
（a）“之”字航線；（b）矩形閉合航線
圖3?波浪涌動機海試航跡圖，
2017年5月于山東威海海試
波浪涌動機?裸露在海面上的機身只有數十厘米高，且采用高強度玻璃鋼和碳纖維復合材質，具有最小雷達反射面；在動力推進方面由于采用波浪能作為動力來源，整機無推進電機和動力馬達，所以幾乎沒有因機械電機產生的噪音，可以達到超靜音航行狀態。因此，無論是對于水面雷達的識別還是水下聲吶的監聽，波浪涌動機?都具有優良的隱蔽性，在敏感海域監測等海洋防務領域也具有廣泛的應用價值。
三、波浪涌動機?通訊中繼協同組網的典型應用案例
波浪涌動機?憑借其超長的續航能力和極強的生存能力，無論作為數據通訊中繼站還是海面無人移動監測平臺，均可在海洋科學、海洋工程、資源勘探和海洋安全防務等領域得到廣泛的應用，圖4是多臺波浪涌動機?作為海洋移動通訊中繼協同作業，在海洋應急組網監測中的應用場景。特別地，波浪涌動機?并入天基衛星遙感觀測系統，對海洋表層進行大范圍連續觀測和海底觀測節點在目標海域進行區域組網監測，并作為通訊中繼可以把天基遙感觀測和海底節點觀測串聯起來，形成一個真正的海洋立體監測網。其多臺組網協同作業，可在海洋防災減災、權益島礁保護、衛星數據校正、海域使用管理、海上突發事件應急觀測、溢油預警監測、新型海洋要素采集等方向，實現多尺度、多要素、大范圍、實時動態的立體監測，為我國海上通訊與應急監測提供新的技術手段。
圖4?多臺波浪涌動機?作為海洋移動通訊中繼
協同作業在海洋應急組網監測中的應用場景
在構建海上通訊與應急組網監測系統中，可將多臺波浪涌動機?組網編隊，進行大范圍海域的協同作業，在海洋中建立一個互動式的、分布的、綜合性的海洋立體觀測網，實現海洋多學科、多任務的實時數據采集和遠程無線傳輸。這種海洋立體觀測網由多個海底節點構成，每個觀測節點采用浮標、潛標、自升式Argo、海底著陸器、海床基觀測節點、定點剖面觀測系統等構成，觀測節點之間采用水下滑翔器（Glider）、水下自主航行器（AUV）等移動式無人觀測平臺彌補，海底通過鋪設光纖電纜與岸基數據管理控制中心相連，而波浪涌動機?（Wave MEPUS?）作為海上移動通訊中繼平臺可將海洋中各個觀測節點以水聲通訊的方式串聯起來，并通過水面船體將相關數據通過衛星實時傳輸到岸基接收站和控制中心，形成一個基于“衛星互聯網”的海洋立體觀測系統，真正實現空間與海洋的互聯互通（如圖4所示）。在整個海立體觀測網絡框架中，波浪涌動機?處在突破不同介質面通訊的關鍵核心位置，發揮了重要的節點作用。
下面介紹有代表性的兩個應用：海上溢油預警監測與權益島礁無人值守。進入新世紀，世界海洋經濟的四大支柱產業中，海洋油氣產值已遠超漁業、運輸和旅游業，海洋成為未來解決能源問題的新戰場。在開發的過程中，如何保護開采海域的環境，及時有效地對海上溢油進行預警監測，也是海洋勘探領域所面臨的棘手難題。而波浪涌動機?搭載水面溢油監測傳感器和海洋水質測量儀，布放在石油鉆井平臺周圍，作為鉆井平臺的無人安全衛士，可對鉆井作業海域的水質環境、溢油情況等進行實時監測預警，這極大地提高了溢油監測的時效性，也大大節省了海上作業的成本。
海底油氣資源被發現并變得可開采后，產生的直接后果就是新一輪海上權益的爭奪。曾經無人問津的荒島暗礁，近年來變成國際爭端的焦點。特別是我國南海海域，海底蘊藏豐富的油氣資源，管轄海域內島礁暗礁星羅棋布，周圍國家眾多且地緣環境復雜，我國在南海的島礁主權維護方面，需求更為迫切。波浪涌動機?搭載水下聲吶設備和水面艦船預警系統時，可布放于我國的權益島礁周圍，進行長時間繞島巡航和遠程無人值守，做到定期定量地警戒防衛，對水下蛙人登陸、偵查潛器以及海面有威脅的艦船進行及時準確的預警，保障我國權益島礁的主權利益。
四、結束語
中國擁有廣闊的藍色疆土，海岸線曲折而綿長，近岸廣布著離岸島嶼，特別是南中國海，海島暗礁星羅棋布。隨著南海局勢的緊張，國家軍事經濟實力不斷壯大，藍色海洋經濟不斷向深海進軍，特別是海洋油氣資源勘探向深海進發，利用先進的技術手段對權益島礁的勘測偵查、主權防衛、勘探海域的溢油監測需求變得越來越緊迫。波浪涌動機?由于機動靈活、能夠長時間進行海上無人值守，結合衛星遙感技術和海底觀測節點，多臺組網進行協同群組作業，其既可作為跨介質的數據通信中繼又可作為海上無人移動觀測平臺，可在我國權益島礁監測、海上溢油預警監測和衛星遙感地面校正等領域的實際應用中發揮重要作用。有望成為我國未來海上應急組網監測和“衛星互聯網”的海洋立體監測體系建設中的核心通訊中繼平臺，真正實現空間與海洋的互聯互通。
