海翼水下滑翔机测流应用

水下滑翔机其通过集成生物、化学、物理传感器可以测量如温度、盐度、溶解氧等多种海洋基础水文要素,其利用卫星定位系统获得实际出水速度和理论出水模型获得理论出水速度之差可以计算深度平均流,。本文利用海翼水下滑翔机获得温盐场及卫星定位数据评估深度平均流,结果显示利用温盐场获得深度平均地转流与水下滑翔机获得深度平均流相关系数0.95,表明其流场的一致性,同时根据船载观测ADCP误差分析法估算深度平均流误差约为0.036 m/s。借助深度平均流可以估算绝对地转流,包括正压地转流和斜压地转流。在零动力面的假设下,我们选取了海翼号水下滑翔机在南海的一组实验对流量误差进行了评估。该实验为2019年1月3日-2月16日海翼号水下滑翔机自南向北穿越西沙群岛附近一个中尺度涡观测。观测结果表明,该中尺度涡为冷涡流核,在涡心以南,绝对地转流为东向流,最大流速约为0.48 m/s;涡心以北,绝对地转流为西向流,最大流速约为0.47 m/s,稍弱于南侧。受不均匀时空观测计划影响,本文未对流量做出估计。     

水下滑翔机温盐深观测数据处理研究

为提高水下滑翔机搭载的温盐深剖面仪(CTD)数据处理质量及效率,在船载CTD数据处理方法基础上,研究了国产水下滑翔机CTD数据处理方法,基于Matlab GUI编程技术设计与研发了水下滑翔机CTD数据处理软件,利用该软件处理了“海燕”水下滑翔机GPCTD观测数据并与船用SBE 911 plus CTD、XCTD及MVP300传感器成果数据进行了对比,结果表明：GPCTD观测数据经处理得到的温、盐、声剖面整体趋势与各传感器成果数据基本一致,数据质量介于各传感器之间,其中温度、声速与XCTD、MVP数据更接近,而盐度与CTD数据更吻合,本文研究将为规范处理与使用水下滑翔机海洋水文数据提供参考。     

“海翼号”水下滑翔机盐度数据的热滞后效应偏差订正方法探讨

水下滑翔机可以高效地观测海水的温度、盐度和压强等海洋参数,但由于热滞后效应,盐度数据,特别是在温度梯度较大的温跃层,会出现一定程度的偏差。本研究选取了3种目前常用的盐度热滞后订正方法,对带泵的“海翼号”水下滑翔机,于2019年8月在中北太平洋所观测的盐度数据因热滞后效应引起的偏差进行订正处理,与船载911型温盐深测量仪(Instrument for Measuring Conductivity Temperature and Depth,CTD)观测盐度进行对比,在比较了3种方法对滑翔机盐度订正前后下降和上升剖面偏差的减少程度、订正后剖面与船载CTD观测剖面的偏差大小和下降上升温盐曲线(T-S曲线)的一致程度后,得出了水下滑翔机盐度订正的最优方法,即在订正电导池中实际温度的前提下,采用计算机图形分割方法,最小化滑翔机机载CTD测得的下降和上升两个剖面T-S曲线围成面积所确定的目标函数,来确定合适的热滞后修正振幅和时间常数,从而修正下降和上升两个剖面之间盐度偏差。     

SZC6—1型数字传输式温盐深剖面仪

本文介绍了国内首次研制的用单芯铠装电缆传送编码信号的温盐深剖面仪的技术性能、工作原理、数据处理及海上试用情况,并对其今后发展方向提出设想。     

水下滑翔机海上试验研究

介绍了水下滑翔机工程样机"海翔1"号2015年在南海的海上试验情况,包括试验对象、试验海区、试验步骤和试验数据分析等。本次试验最大下潜深度达到503.7 m,最大垂直速度为0.15m/s,最大水平航速为0.33 m/s,水中航行里程总计41.2 km。在4级海况下完成了通信定位、数据传输、布放与回收作业,搭载了CTD、叶绿素和溶解氧浓度传感器进行海洋环境参数测量,获得了500 m深度剖面内的温度、电导率、叶绿素浓度和溶解氧浓度参数信息。本次海上试验为水下滑翔机产品设计定型和示范应用奠定基础。     

大深度水下滑翔机总体设计

水下滑翔机(Autonomous Underwater Glider,AUG)是一种浮力驱动的自主水下航行器 (Autonomous Underwater Vehicle,AUV),通过调整滑动质量块来改变重心与浮心的相对位置,从而控制自身的运动姿态。完成了水下滑翔机的外形设计,同时,对其各系统组成部分进行了初步设计与布局。利用 MATLAB 软件基于计算得到的流体动力参数对滑翔机进行运动特性分析,得出定常运动状态下攻角、俯仰角和水平速度等参量随重心水平位移和净浮质量之间的关系。最后使用 Simulink 软件对垂直面内滑翔机的运动模型进行弹道仿真,验证了水下滑翔机总体设计方法的有效性和可行性。     

国产水下滑翔机2014年南海海试实验数据分析

水下滑翔机(Underwater Glider)是将浮标、潜标技术以及水下机器人技术相结合并依靠自身浮力和重力作为推进方式的一种新型海洋调查系统.文中详细介绍了中国科学院自动化研究所研制的水下滑翔机的组成部分及其工作方式和原理,并对2014年6月南海海试的数据进行了分析.结果表明,Glider的下降和上升速度主要分布在0.1～0.2 m/s之间,占整体分布的85％以上;该速度分布对获取高质量的数据提供了极大保障.单剖面完成时间以及出入水的水平距离主要受滑翔机的预设浮力以及俯仰角的变化以及洋流的影响.获取的高分辨率温盐数据结果表明,Glider发现了南海表层存在的一个中尺度暖涡过程,并就该暖涡分析了其锋面结构.海试总体结果表明,国产Glider的各项性能指标已经能够满足在深海海域实现无人值守的长时间自主海洋调查.     

泵喷推进水下滑翔机尾舵设计及仿真分析

泵喷推进水下滑翔机是在传统浮力驱动型水下滑翔机基础上配置泵喷推进器发展而来的一种混合驱动型水下滑翔机。为了提高其机动性,泵喷推进水下滑翔机采用尾舵式结构设计方案。采用数值仿真方法,针对尾舵翼型、展弦比、后掠角、舵轴位置等相关参数开展研究,完成了尾舵水动力结构设计。利用动力学仿真方法,对比分析了泵喷推进水下滑翔机与同尺度下横滚式水下滑翔机的转向性能,仿真结果表明： 尾舵式结构的转向性能明显优于横滚式。     

水下滑翔机三维定常运动建模与分析

针对水下滑翔机运动过程中的特点,水下滑翔机实际运动过程可以分为定常运动段和非定常运动段,对自设计的水下滑翔机原理样机建立了基于单刚体六自由度的定常运动段的数学模型并进行了数值仿真,在此基础上分别对水下滑翔机运动过程中的两种定常运动—直线定常运动和螺旋定常运动进行了分析。结论显示在直线定常运动中俯仰角和攻角随平移质量块位置的增大先变化迅速后变化缓慢。滑翔角随平移质量块位置的增大近似呈线性增大的关系。在螺旋定常运动中通过模型仿真得到螺旋运动特征参数(螺旋半径、螺旋线螺距、螺旋时间周期、速度)和状态参数(滑翔角、翻滚角、各方向速度分量、各方向角速度分量),根据最小二乘法拟合得到它们之间的关系,从而说明了螺旋运动状态是如何通过调整平移质量块移动距离,旋转质量块旋转角度和净重力等控制量而变化的。     

装载GPCTD传感器的海翼水下滑翔机观测数据实时质量控制

Profiles observed by Sea-Wing underwater gliders are widely applied in scientific research. However, the quality control(QC) of these data has received little attention. The mismatch between the temperature probe and conductivity cell response times generates erroneous salinities, especially across a strong thermocline. A sensor drift may occur owing to biofouling and biocide leakage into the conductivity cell when a glider has operated for several months. It is therefore critical to design a mature real-time QC procedure and develop a toolbox for the QC of Sea-Wing glider data. On the basis of temperature and salinity profiles observed by several Sea-Wing gliders each installed with a Sea-Bird Glider Payload CTD sensor, a real-time QC method including a thermal lag correction, Argo-equivalent real-time QC tests, and a simple post-processing procedure is proposed. The method can also be adopted for Petrel gliders.     

Dynamic modeling and motion simulation for a winged hybrid-driven underwater glider

PETREL,a winged hybrid-driven underwater glider is a novel and practical marine survey platform which combines the features of legacy underwater glider and conventional AUV (autonomous underwater vehicle).It can be treated as a multi-rigid-body system with a floating base and a particular hydrodynamic profile.In this paper,theorems on linear and angular momentum are used to establish the dynamic equations of motion of each rigid body and the effect of translational and rotational motion of internal masses on the attitude control are taken into consideration.In addition,due to the unique external shape with fixed wings and deflectable rudders and the dual-drive operation in thrust and glide modes,the approaches of building dynamic model of conventional AUV and hydrodynamic model of submarine are introduced,and the tailored dynamic equations of the hybrid glider are formulated.Moreover,the behaviors of motion in glide and thrust operation are analyzed based on the simulation and the feasibility of the dynamic model is validated by data from lake field trials.     

水下滑翔机在识别水团新结构中的应用

本研究基于中国科学院沈阳自动化研究所自主研发的水下滑翔机在热带东太平洋观测获取的连续剖面温盐数据,并通过与多套不同数据的比测,证实国产水下滑翔机观测的温盐数据准确可靠,未来可大范围应用于深海大洋。观测结果首次发现该海域北太平洋中央水（NPCW）（50~100 m）的60~80 m层分布着中间层低盐水,分析认为该低盐水来源于水团下方的加利福尼亚流系水（CCS）,中间层低盐水形成的动力机制主要受跃层附近的内波控制,并与内波强度密切相关,同时受上层（20~60 m）障碍层的影响,该中间层低盐水仅仅出现在60~80 m。本研究发现内波与障碍层能够通过影响动能与热能的传输进而促进水团新结构的形成,相关成果丰富了内波与障碍层对上层海洋响应的研究,具有重要的科学价值。     

考虑海水强跃层特征的MVP系统盐度剖面校正方法试验

走航式海洋剖面测量系统（Moving Vessel Profiler,MVP）具有空间高分辨率温盐剖面探测的优势,但由于采用无泵型CTD进行温盐测量,对测量数据进行传感器响应时间匹配和热惯量校正处理是其数据应用的重点和难点。本文针对现有热惯量校正方法在强温跃层处仍然存在盐度尖峰的局限性,提出一种基于测量温度梯度廓线分析的分层热惯量校正参数寻优方法,校正温度和电导率,进而校正盐度剖面。利用西太平洋某航次实测数据进行试验,结果表明,该方法显著降低了MVP上下行测量剖面的盐度差异,盐度尖峰基本被剔除,特别是温跃层处得到明显改善,上下行剖面的平均绝对盐度差从0.031降低到0.016 1,总体的盐度误差减小48.1%,验证了本文提出的MVP盐度剖面校正方法的合理性。     

基于牛顿力学积分的水下滑翔机群协同控制研究

水下滑翔机是开展海洋无人移动观测的重要平台,其实际航行轨迹往往与预设路径存在较大差异,多台水下滑翔机协同观测时,难以始终保持预设的组网阵列.本研究提出一种基于牛顿力学积分的水下滑翔机群协同控制算法,根据水下滑翔机群出、入水的异步性调节水下滑翔机入水前的运动参数.基于对水下滑翔机受力分析,利用牛顿力学积分还原水下滑翔机在...     

水下滑翔机器人运动机理仿真与实验

对水下滑翔机器人SEA-WING的定常滑翔运动和空间定常螺旋回转运动进行机理分析,针对其特定水动力系数进行仿真,得出其运动机理特性.在此基础上,通过湖试实验数据对仿真结果进行验证,认为对于定常滑翔运动,以约36°航迹角滑行可得到最大水平速度;在相同航迹角航行情况下,水平方向速度随净浮力的增大而增大.对于定常回转运动,回转半径由载体的质量、俯仰角、水动力参数、横滚角确定.在质量和俯仰角保持不变条件下,横滚角对回转半径的影响较明显,系统的回转半径可以通过控制横滚角来实现的.     

Kuroshio intrusion into the South China Sea with an anticyclonic eddy: evidence from underwater glider observation

In this study, high-resolution temperature and salinity data obtained from three Sea-Wing underwater gliders were used together with satellite altimeter data to track the vertical thermohaline structure of an anticyclonic eddy that originated from the loop current of the Kuroshio southwest of Taiwan, China. One of the gliders crossed the entire eddy and it observed a remarkable warm anomaly of as much as 3.9℃ extending to 500 dbar from the base of the mixed layer. Conversely, a positive salinity anomaly was found to be above 200 dbar only in the anticyclonic eddy, with a maximum value of >0.5 in the mixed layer. Below the mixed layer, water of higher salinity (>34.7) was found, which could have been preserved through constrained vertical mixing within the anticyclonic eddy. The salinity in the upper layer of the anticyclonic eddy was much similar to that of the northwestern Pacific Ocean than the northern South China Sea, reflecting Kuroshio intrusion with anticyclonic eddy shedding from the loop current.     

基于水下滑翔机观测数据的西北太平洋混合层特征研究

基于水下滑翔机在2019年8至10月观测到的温盐资料,本研究分析了西北太平洋混合层总体的变化情况,并探讨了混合层异常变化的原因。结果表明,混合层温度总体上呈现随季节转换逐渐降低的趋势,混合层深度总体上呈现随季节转换逐渐增大的趋势。进一步的相关性分析得出,该海域混合层温度、混合层深度的变化特征主要是由外部大气强迫场(海面风场和净热通量)所决定的。水下滑翔机还观测到了混合层温度异常降低、混合层深度异常变浅的现象。通过计算混合层热收支发现,垂向夹卷作用是海洋混合层内温度降低和混合层深度变浅的主要原因。通过进一步计算研究海域冷涡的上升速度与海水垂向夹卷速度的变化情况,并结合卫星遥感资料,得出海洋的中尺度涡旋活动主导了混合层异常现象的发生。