科考型自主無人潛航器在極地的應用以及未來發展趨勢

陳 馳 吳 剛 賈洞洞 秦 琦 李 源

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200011）

0 引 言

自主水下航行器（autonomous underwater vehicle,AUV ）又稱自主無人潛航器，是1 種具有自航能力的無人操控型水下機器人[1]。其具有安全、輕便、能耗少、航程長、性價比高、可預編程設計路徑等特點，可用于大范圍的水下環境探測、水下資源勘探、水下探物搜尋等工作。此外，同帶纜型遙控潛水器（remote-operated vehicle, ROV）相比，AUV 具有相對更大的活動范圍，且無臍帶纜纏繞風險；無需龐大的水面系統支持便可進入復雜區域，維修和備車時占用甲板面積小，運行維護費用也相對較低。因此，AUV 已被廣泛應用于包括極區在內的海洋科考任務中。

相較于敞水海洋，極地海洋被冰層覆蓋，所以無法使用空天設備進行遙感觀測。水面船舶若進行走航聲學掃測，則需破冰航行，而破冰過程中所產生的噪聲以及碎冰對聲學探測設備的刮擦，都會導致探測結果的信噪比較低，從而增加數據分析的難度。AUV 則能在冰下潛航，其既可以抵近洋底獲取精準數據，也可以貼在冰下航行并繪制浮冰底部圖像。當搭載不同傳感器時，AUV 可進行極區的生物、化學、地質、水文等方面的探測，有效地幫助極地科研人員開展工作，因此近年來正逐漸成為極地海洋科考界的“寵兒”和標配。

本文旨在為讀者詳細介紹AUV 在極地科考中的作用、挑戰和未來發展方向，并且以此為背景討論新一代極地科考母船如何適應科考裝備無人化的趨勢。

1 AUV系統的構成與特征

AUV 系統主要由水面控制臺和水下載體這2個部分組成。水面控制臺主要用于下水前的調試、使命下載，以及工作過程中的監控、數據上傳與處理。水面控制臺的形態多樣，通常依據使用者的要求進行設計，以便攜式箱體或小型控制柜（集裝箱）為主[2]。水下載體主要由載體結構、控制/導航系統、通信系統、能源系統、推進系統和任務載荷這6 部分組成[2]。若無特別說明，文中AUV 僅指代水下載體部分，載體部分的構成和對應功能如下文所述。

1.1 載體結構

大多數的AUV 是回轉體構型，通常呈魚雷外形以確保其在水下良好的水動力性能。

在淺海航行的AUV 因為沒有太高的抗壓要求，因此其控制系統、電池、傳感器等基本都封裝于耐壓艙中，整個AUV 本身即是1 個空間連通且單一的耐壓艙，艙壁較薄且艙體材料一般采用航空鋁合金[3]。

在深海航行的AUV 由于抗壓要求較高，故采用框架結構。設備中相對核心且脆弱的部件（如控制系統）會被封裝于鈦合金制成的抗壓艙內；抗壓艙本身及其他可直接接觸海水的抗壓部件則布置于框架內?？蚣芡獠捎每箟焊×Σ牧匣蛎善ぐ闪骶€形，以達到理想的水動力效果。具體構型見圖1。

圖1 AUV 構型

1.2 導航系統

AUV 的導航分為自主導航和組合導航，都可以不依賴于母船。自主導航主要依靠其自身攜帶的慣性導航系統（inertial navigation system, INS）和多普勒測速儀（Doppler velocity log, DVL）的數據結合進行導航，這種導航方法會因INS 與DVL 自身測量誤差的累積而變得不準確，因此若AUV 進行大范圍巡航，則需要對位置進行修正。組合導航會在慣性導航系統的基礎上，增加對水下定位或基于衛星的全球定位系統的支持，這2 種系統可以傳送給AUV 全球坐標系下的精確位置，幫助其消除自主導航所帶來的累積誤差。

1.3 控制系統

控制系統是AUV 的大腦，涉及AUV 的運動控制、路徑規劃、避碰、數據管理、故障診斷等功能。AUV 的控制則由頂層控制和低層控制兩部分組成。頂層控制主要指AUV 根據預設任務和環境進行決策和規劃，低層控制是指對AUV 各執行機構的控制以及傳感器信號的初級處理[2]。當然，無論是AUV 的導航還是控制都離不開來自傳感器所提供的信息。

1.4 通信系統

通信系統一般位于AUV 頂部，以便發射與接收信號。AUV 的天線露出水面后可進行無線電通信，但由于水體對無線電有屏蔽作用，所以AUV在水下時一般采用聲學信號進行通信。除了專門的聲學通信裝置外，也可利用聲學定位裝置進行通信，例如超短基線定位系統（ultra short baseline,USBL），但信號所攜帶的信息量較少。另外，隨著水下藍綠激光通信技術的發展，AUV 在某些水質清澈但光線暗淡的水域，可以進行200 m 以內的藍綠激光通信，這種通信方法信息量大、信噪比高，但距離受限。

相對于無線電通信和藍綠激光通信，水下最常用的水聲通信方法數據速率低、信噪比低，僅能傳輸數據、語音、文字或靜態圖像數據。

1.5 能源系統

由于水下沒有足夠的氧氣助燃，因此水下裝備不能使用燃料作為能源，只能使用水面支持船輸送的電力，或者靠自身攜帶的電池提供能量。AUV作為一種無纜水下裝備，必須依靠自身攜帶的電池供電，但由于各個設備用電電壓、電流、功率等參數不盡相同，再加之為了提升電池使用的安全性，因此需要配備電池管理系統[4]。

早期AUV 采用銀鋅電池或鉛酸電池，近年來隨著電池技術的發展，能量密度更大的鋰離子電池在AUV 上得到廣泛應用。適配于AUV 的電池應具有體積小、質量輕、能量密度高且安全性好的特點[2]。

1.6 推進系統

AUV 推進裝置通常位于尾部，多采用無刷直流電機帶動螺旋槳進行推進。為確保AUV 的航向穩定性，會在其首部或尾部加裝穩定鰭（stabilized fin）。

與一般船舶的操縱方式相同，AUV 可通過調整方向舵角度來實現轉向。不過，有些AUV 為了提高其水下靈活性與推力，會在尾部加裝多臺推進器，利用差速來實現轉向。此外，也有一些AUV會在尾部加裝直接與推進器相連的舵機，通過舵機的轉動來調整推進器的方向，從而達到轉向目的。

1.7 任務載荷

載體結構、導航系統、控制系統、通信系統、能源系統與推進系統構成了AUV 完整的載體平臺。AUV 的使用人員則根據其工作目標的不同，搭配不同類型的傳感器組成其任務載荷。例如：若AUV 需要進行水下地形的掃測，則會裝備側掃聲吶或多波束聲吶；若需要進行水下礦產資源探測，則會安裝磁力計；若需進行水下防蛙人任務，則可能會安裝多波束成像聲吶并搭配高清攝像頭。因此，任務載荷由AUV 所要執行的工作目標所決定[5-6]。

目前雖然有人員研究可攜帶機械手的作業型AUV，但這并不是一個有意義的方向。AUV 的優勢在于其廣域航行性能，而能懸停進行水下作業則是ROV 和載人潛水器（human occupied vehicle, HOV）的強項，因此機械手不太適合安裝于AUV[2]。

另外，AUV 的一種變體——水下滑翔機也在近20 年受到了海洋科考界的廣泛重視。水下滑翔機僅依靠其自身重心的調節，便可實現水下滑翔式前進。由于水下航行時無需依靠螺旋槳的主動推進，因此其耗能更少、自持力更長，適用于無時效要求的大面積水下探測工作。

2 AUV 在極地科考中的應用概況及其優勢

2.1 AUV在極地科考中的應用

1972 年，華盛頓大學使用AUV 在阿拉斯加北部進行水下冰情冰貌測量，這是公開資料所記載的全球范圍內首次AUV 極地科考作業。在此之后，AUV 被頻繁應用于極地科考項目。表1 對已公開發表、報道的大部分AUV 科考任務進行了總結。

表1 全球范圍內部分極區AUV 任務統計

從表1 中可以看出，AUV 被廣泛應用于冰形冰貌測量（水下）、水文探測、地質探測、生化取樣、氣候變化監測等領域，尤其對冰山、浮冰水下部分的測繪工作最為普遍，也最具有代表性。在此之前，科考專家尚無有效手段進行相關觀測。

隨著近年來電子信息技術、人工智能技術、通信導航技術的快速發展，AUV 的技術成熟度也越來越高，加之廣大極地科研工作者意識到AUV 為水下觀測帶來了方式上的革新，因此近20 年來，AUV 在極地科考領域的使用頻率明顯高于之前。

在極地科考任務中使用的AUV 與在敞水環境下使用的AUV 在外觀形態、科學共載荷上并無區別，但一些執行特殊任務的AUV 會進行載荷的重新布置或改形。如圖2 和下頁圖3 所示，若AUV需在水下執行對冰山、浮冰的測繪工作，則其成像聲吶或側掃聲吶會置于AUV 的頂部而不是底部，方便聲吶向上發射信號；若AUV 需執行水下冰洞的探測工作，則AUV 的外形會被設計成球形，成像聲吶會依據球體外殼呈發散式布置。但總體而言，若無特殊需求，呈譜系且標準化程度高的商用AUV 也可被用于極地科考。

圖2 聲學設備置于AUV頂部且方向朝上

圖3 聲吶依據球體AUV 外殼發散布置

2.2 我國AUV在極地科考中的應用

隨著我國對于極地科考的重視程度日益增強，極地科考裝備技術水平逐步提升，科考模式也由單一的水面、冰面/雪面的平面模式延伸到了空間與水下，形成了立體式的科考架構。目前，我國正在大力發展適用于極地的AUV 產品，并積極探索AUV 在極地的運營，以加強極地水下科考能力。

根據公開報道，來自我國2 個團隊共3 種型號的AUV，在南極和北極各參與了2 次作業，任務種類涵蓋海冰測量、水文探測、地質探測等。

相較于美國，我國在極區使用AUV 的頻次較少，積累的數據與經驗也不多，仍處于起步階段。但在國際上，利用AUV 等無人裝備進行極地水下科考已呈現出勢不可擋之勢。隨著我國海洋科技的蓬勃發展以及對極地科考重視程度的日益提升，未來將會有更多的AUV 投入到極地科考任務中。

2.3 AUV在極地科考中的優勢

由于極區水域常年被海冰覆蓋，因此在開敞水域使用空基或天基平臺進行海洋遙感測繪的方式在極地并不適用。雖然破冰船舶可以進入極地冰區，但破冰過程中所產生的噪聲會對船載聲學設備的測量效果產生負面影響。因此，能夠在冰下水域自主航行的AUV 便逐漸成為極地海洋科考之利器。其主要有以下優勢：

（1）大范圍、高分辨

由于AUV 能耗小、自持力大，故可進行大面積的探測任務；而目前AUV 朝著大深度發展的趨勢也擴大了其垂向活動的范圍。極區的海洋數據極度匱乏，亟需開展大范圍的極區環境調查工作，而AUV 可以很好地解決該問題。

AUV 在工作時全浸沒在水中，因此可實時精準感知與記錄重要海洋指標。對于水下冰形冰貌、地形地貌、地質特點、剖面流速等需要用聲學儀器進行探測的數據，AUV 可以抵近目標測量，從而提高了圖像、數據等觀測結果的精度和準確度，有利于科研人員的后期工作。

（2）多用途、多功能

極區水下科考有著顯著的多學科和跨學科特點，因此需要搭載不同的科考設備以滿足各種科研需求。AUV 是一種極為開放的水下科研平臺，只要在控制與電力上留足接口、空間上合理規劃，就可以搭載集成聲學、光學、電學、磁學的傳感器。此外，隨著以極地、深海為代表的海洋科研方向在全球范圍內受到廣泛的關注，許多傳感器生產商也推出了適配于AUV 的標準化產品。

（3）安全性、可靠性

相對于敞水水域的水下科考作業，極區冰下環境面臨更多的不確定性與未知性，因此在極區冰下使用載人型科考裝備風險極高，這也是目前全世界范圍內僅俄羅斯有過一次極區冰下載人深潛嘗試的原因。若使用AUV 等無人裝備，則損失的僅是財產與數據，而不用擔心人員生命安全問題。

根據目前的公開資料，在極區冰下很少會出現AUV 丟失的情況。大多數AUV 完成既定任務后都能順利返航[22]，由此也說明AUV 的巡線技術與返航技術成熟度較高、可靠性好。

（4）全球洋區適應

雖然極地水面環境具有低溫、天氣多變等特點，但極地冰下水域的溫度和流速與全球其他洋區的差別并不顯著，而且隨著深度的增加，溫度和流速的參數會更加趨同。因此AUV 具有適應全球洋區的特點，即在溫帶、熱帶海洋環境中可以工作的AUV 在極區水下同樣可正常工作。

3 科考型AUV 極地作業面臨的挑戰

3.1 布放回收

由于極地水域被冰覆蓋，操作人員需要先鑿冰洞再布放AUV。若AUV 在水下工作時間過長，則極有可能遇到冰洞被再次凍結封住的狀況。不僅如此，極地天氣的變化十分迅速，惡劣天氣也會對AUV 的回收工作產生極大的負面影響[23]。另外，極夜時自然光線的不足也會對AUV 的回收造成困難。

一般來說，包括AUV 在內的水下航行器會具備微正浮力，即航行器在水下的浮力略大于其重力。這是一種故障安全原則（fail-safe principle），一旦水下航行器失去動力，航行器便會自動浮出水面，以便搜尋人員尋找，AUV 的設計也遵循此原則[2]。然而由于極地存在冰層，因此即使AUV 失去動力時從水中浮起，也會被困冰下。有些團隊曾嘗試在AUV 上綁安全繩，以期AUV 失聯時可人為將其拽回，但現實操作中卻出現因AUV 螺旋槳將安全繩打斷以及安全繩被水下冰切斷而導致AUV 回收失敗的案例[31-32]。

3.2 定位導航

極區的地磁場線幾乎和地面垂直，而地磁極與地理極點并不重合，因此磁羅經在極區的定位與指向會產生很多問題；也因為極區接近地理極點，陀螺儀的指向能力也會受到很大影響。由于極地水域表層冰面的阻擋以及無線電信號在水中的快速衰減，極地AUV 器也無法使用全球衛星定位系統進行定位。

由于上述限制，極地的水下導航通常采用聲學定位系統。不過，受限于水下定位的距離和精度，若要在水下進行大范圍的定位，需要布置大量聲學信標，這將導致定位成本大幅增加。

3.3 通 信

極地冰層下AUV 的通信也面臨著很大的挑戰。由于冰層的阻礙，AUV 很難浮出水面并以無線電進行通信，而目前水下藍綠激光通信技術也不夠成熟，且具有很強的指向性，因此目前水下通信最常用的手段仍是水聲通信。

然而，水下聲學通信（包括聲學導航）會遇到以下2 個問題：

（1）水下不規則冰脊對信號的阻攔

浮冰或層冰的底部形狀很多情況下并非平板，而是不規則的，因此聲學信號很可能會被這些不規則的水下冰脊所阻攔。

（2）聲學信號在極地水域的向上折射

在溫帶和熱帶洋區，表層水相對于深層水溫度更高、密度也更小。由于聲學信號更偏向于向密度大的介質發生偏折，因此溫帶和熱帶的聲學信號更容易向遠離表層的方向折射。極地的水溫分布卻不同：表層海水更冷且密度相對較大，深層海水則較為溫暖且密度較小，因此聲學信號在極地的傳播更容易向表層折射，從而導致聲學信號很容易打到浮冰底部而損失大量能量[33]。

3.4 低 溫

在嚴寒狀態下，極地水面和水下的溫差很大：水面以上的溫度可以達到-50 ℃，但水下的溫度卻接近0 ℃。巨大的溫差會導致水下裝備中的一些橡膠密封件產生破損，從而嚴重影響其密封效果[34]。

低溫和潮濕的環境也會導致AUV 的外部設施在露出水面后迅速結冰。例如有團隊曾記錄了AUV 的GPS 天線因露出水面后迅速結冰，而導致裝備無法接收信號的案例[13]。

低溫環境對于AUV 所攜帶的鋰離子電池也有負面影響。在-20 ℃的溫度下，鋰離子電池有明顯的虧電現象，而低溫環境下的充電也會極大損傷鋰離子電池的使用壽命[35]。

3.5 復雜水文環境

現代海洋學認為全球范圍內大洋環流的“驅動引擎”在兩極，尤其是南極。北極的冰與南極的西風帶會讓其他大洋輸送而來的溫暖表層水下沉，從而驅動全球洋流，因此極地海域有很明顯的垂向洋流[36]。另外，當兩極處于春夏季時，冰雪的融化會使附近的海水鹽度顯著降低，造成較為復雜的水文環境，導致潛航器在水下的浮力發生顯著變化，不利于AUV 這類無人潛航器的下潛深度調節[37]。

4 極地科考AUV 的發展趨勢

4.1 長航程

對于AUV 或水下滑翔機等無纜、無人的水下裝備而言，長航程是一個非常重要的實際要求[38]。航程越長意味著作業范圍越廣，由此發揮的效用也越高。極區海洋由于冰雪的覆蓋人類對其知之甚少，因此長航程AUV 能極大地幫助人類提升對極區海洋的認知。

目前對于長航程的解決方案除了提高AUV自帶電池的能量密度外，一些科研單位也開展了AUV 水下充電與駐留的研究[39-41]，為AUV 提供“水下充電樁”和“水下服務區”，延長其在水下的工作時間與工作范圍。

4.2 大深度

目前的載人/無人潛航器都有大深度化的趨勢，而下潛深度越大意味著潛航器在垂向上的作業范圍越廣。根據目前已測得的數據，北冰洋的平均深度為1 205 m、最大深度為5 567 m[42]，南極海的平均深度3 270 m、最大深度為7 432 m[43]。若對極區洋底進行細致的探測，也需大深度AUV 的支持。

4.3 多功能

極地科學考察涉及眾多學科的交叉，因此AUV 也需要一次任務搭載多種類型科考載荷,這對AUV 的接口布置、電力分配、空間排布及聲學信號兼容等都提出了較高要求。

4.4 自主化

在極區海洋開展科考作業的AUV 不僅要面對未知的洋底環境，更需要面對復雜的頂部冰情。若AUV 要在水下自主開展作業，則對其避障、航線再規劃工作提出了更高的要求。不僅如此，由于冰下環境中的AUV 缺乏定位校準和對岸通信手段，故AUV 既無法向外界傳遞信息，也無法收到水面控制臺的更新指令。這就需要AUV 具備可靠的自我決斷能力，才能開展好既定任務。

4.5 集群化、組網化

受到近幾年多無人機、多無人船集群作業的啟發，學界正在研究多AUV 聯合作業的相關算法、通信策略、集群協調、自主決策的可能性[44]，這是AUV 相關前沿且具有實用價值的技術趨勢之一。

無論是極區還是大洋的水下科考探測，都正在朝著覆蓋廣、快變跟蹤、信息反饋即時的方向發展。這不僅要求AUV 進行集群化的運營，更需要AUV集群與潛標、浮標、水面艦船、無人航行器、衛星等裝備形成組網系統運行，去執行更復雜、更持久、覆蓋范圍更廣的任務[45]。

4.6 耐低溫、耐冰雪

AUV 所面臨的低溫和冰雪挑戰，作者已經在前文中進行了闡述。因此，若要在極區開展常態化的AUV 運行，則需要重點解決密封件在低溫狀態下的熱疲勞問題；另外，應同時對頂部天線等部位設置加熱除冰功能，在操作上則要注意低溫環境下對鋰電池的保護。

4.7 低成本

目前無論是AUV 或者其他水下航行器，都是比較昂貴的作業裝備。因此，如果能夠在保證AUV 基本功能的情況下盡可能降低其設計、建造和使用成本，則更有利于AUV 的廣泛使用。

5 適配AUV 等無人裝備的新一代極地科考母船設計思考

AUV 等無人科考裝備需要由科考船將其運抵目標水域開展作業。若在船上進行AUV 的釋放和回收工作，那么隨船吊可提供起重支持。在AUV進行作業的同時，科考船為AUV 的水面控制臺提供操作空間和電力供應，同時也可以在AUV 距船較近時監測其位置。但除此之外，AUV 與科考母船之間的聯系并不緊密，科考母船目前的功能僅限于運輸、起吊與近距離監測平臺。

不過，隨著AUV 為代表的無人裝備在極地科考中的應用已成為大勢所趨，新一代極地科考船在設計理念上也需要進行相應適配?？瓶即璩蔀闊o人裝備（包括無人航空器、無人船、無人潛航器等）的自動布放回收平臺、定位與通信中繼以及無人裝備信息融合平臺與決策大腦，使科考母船能為無人裝備提供更多支持，從而形成更加立體高效的科考系統[46]。

由圖4[47]可見， 自主機器人近年來所收集的海洋科考數據量正逐年快速上升，占比也越來越高。

圖4 自主機器人近年來所收集的海洋科考數據量

6 結 語

如果要更深入更全面地了解極地，那么必須要潛入冰下海洋、冰下湖、冰川洞穴一探究竟。但由于技術手段的缺乏，人類一直都對這些冰下水體知之甚少。20 世紀70 年代，美國科研人員在阿拉斯加使用AUV 進行科學考察，開啟了極地科考的新模式。隨著越來越多的極地研究人員認識到AUV具有長續航、高分辨、多功能、安全可靠、全球航區適應性等特點，近20 年來已被廣泛應用于極地冰下（水下）科考領域，助力科研產出。AUV 因其出眾的表現，已逐漸成為各國極地科考裝備中的標配。

然而，由于極地的特殊環境，AUV 在極地的使用會遇到布放回收、定位導航、通信、低溫、極地復雜水文環境的挑戰。這不僅需要操作人員的嫻熟業務水平，也需要提升AUV 的極地適配性。在未來，極地科考型AUV 不僅能夠克服環境所帶來的挑戰，也定會變得更加自主。同時，AUV 將不再孤軍奮戰，而是會與無人航空器、無人船、科考母船、浮標、潛標或多個AUV 組網一起形成極地水下觀測網，從而實現更大范圍、更精細、更快速地監測極地海洋，反饋科考數據。而AUV 在極地的無人化、自主化應用，也為人類探索諸如“木衛二”等擁有冰下海洋的外星球奠定了基礎[48]。

我國正式使用AUV 進行極地科考的時間較晚，但使用過程中的技術含量并不低，所產出的科研成果也很顯著。隨著我國更加扎實地推進海洋強國建設，定會有更多、更先進的AUV 投入到極地科考領域，支持我國產出更豐碩的極地科研成果。