基于当前水流分层情况，研究设计了具备可变角度自适应虚拟系泊策略的空投式水下剖面浮标

《Ocean Engineering》：Research on the design of air-dropped underwater profiling buoys with a variable-angle adaptive virtual mooring strategy based on current stratification

　　青超夏|瑞周|邓俊西|吴定泽|侯家宇|孙新宇|吴世军
浙江大学宁波创新中心，宁波，315100，中国

**摘要**
随着海洋学研究向开阔海域的扩展，迫切需要能够快速部署和长期固定监测的观测平台。然而，现有的空投设备由于缺乏有效的抗漂移机制，在动态的海环境中共难保持位置稳定，而传统的基于船舶的部署方式则受到响应速度慢的限制。为了解决这一挑战，本文提出了一种空投式水下剖面浮标（AUPB），该浮标创新性地集成了可折叠翼结构和双质量重心调节机制，实现了垂直剖面测量与水平滑行运动之间的灵活切换。其核心突破在于基于垂直分层海洋电流预测的自适应虚拟系泊策略，该策略能够动态调整俯仰角和偏航角，以实现对表层和深层水流的不同补偿。仿真结果表明，与固定角度方法相比，这种变角度策略将位置误差降低了41.05%。在千岛湖进行的实地测试验证了原型的可靠性和所提出的虚拟系泊策略的有效性。这项研究为开阔海域的长期精确监测提供了一种有前景的原型级方案，并通过湖基验证展示了初步可行性。

**引言**
近年来，海洋研究领域不断取得重大突破。随着海洋学研究的深入，对海洋数据的需求逐渐从沿海区域扩展到开阔海域，观测和数据收集工作也开始覆盖更广阔的海域（Clark等人，2020；潘和郭，2013；Roemmich等人，2009；Stevenson等人，2009；杨等人，2024；周等人，2020）。这一发展趋势不仅加深了我们对海洋环境变化的全面理解，还为全球海洋灾害预防与控制、海洋资源开发和可持续利用提供了更准确可靠的科学支持（Morrison等人，2000）。与传统的基于船舶的部署方式相比，空中部署具有响应速度快、部署范围广、设置灵活便捷以及成本效益高等优势。

空投式水下设备是一种高科技装备，可以通过空投快速部署到水域中，通常用于水下探索、环境监测、救援行动或军事任务。其设计旨在承受从空中落入水面的冲击，并能迅速投入使用。目前已开发的空投式水下设备主要分为两类：一类以小巧的体积和轻量化的结构为特点，这些设备不受标准化外形尺寸的限制，通常具备姿态调节能力，便于在指定水域内进行长期观测任务。例如，科罗拉多大学博尔德分校的研究人员开发了一种用于测量边缘冰区地下温度的空投微浮标（ADMB）（Bradley等人，2015）。这种小型低成本浮标可以通过无人机（UAV）部署，收集从水面到1-2米深度的海洋温度数据，持续运行时间可达10天。同样，上海交通大学的一个团队设计了一种名为DRAGONFLY的空投式微剖面浮标阵列，用于观测水下温跃层（Lyu等人，2022）。该系统既可以在固定点进行周期性剖面观测，也可以在广阔区域内进行快速多点测量，以研究温跃层的时空变化。然而，由于尺寸和质量的限制，这类浮标通常只能在相对较浅的水域内使用。此外，它们的非标准化配置也给部署方式带来了额外要求。另一类设备则符合标准化的空投容器规范，特别是A尺寸标准，从而可以通过常规发射管进行部署。 wood Hole海洋研究所开发的ALAMO（Air-Launched Autonomous Micro-Observer）浮标就是这类设备的典型代表（Jayne和Bogue，2017）。该系统专门用于在严重气象事件发生前和期间监测目标海域的温跃层动态。ALAMO浮标的尺寸为长91.44厘米、直径12.48厘米，大气重量约为8.4千克，上升和下降速度分别为45厘米/秒和25厘米/秒。此外，尤其是在美国国防项目中的大量研究计划中，产生了多种A尺寸的声呐浮标配置（McCandless等人，1998）。著名的实现包括用于海洋热剖面测量的AN/SSQ-36B系统、采用被动声学方法的DIFAR系列（Rudnicki，2017）、利用主动声学技术的DICASS系统、结合垂直线性阵列水听器的AN/SSQ-77 VLAD系列以及为了增强回声测距能力和被动方向分析而设计的AN/SSQ-101 ADAR系列。这种标准化配置的一个根本设计限制在于空投容器带来的形态约束，这些约束排除了集成主动姿态和控制机制的可能性。因此，这些系统在动态海洋环境中维持长时间固定位置观测所需的位置稳定性方面存在显著不足（Djapic等人，2018；Higgins和Constantinides，1991；Wang等人，2024）。现有两种范式的根本局限性在于它们无法同时满足快速空中部署、持续位置稳定性以及百米深度作业能力这三项要求。这一性能困境阻碍了它们在动态开阔海域进行长期、固定位置、全水柱观测的有效部署。

除了现有设备结构上的限制外，针对固定海域的虚拟系泊策略中的海洋电流处理方法也存在明显不足。例如，周等人（2017）开发的EMD-LSSVM框架利用水下滑翔机的历史时间序列数据预测平均深度电流；然而，在快速变化或高度湍流的流体动力学条件下，其预测精度会显著下降。Qian等人（2022）提出了一个基于多层相关性的模型，该模型利用深度学习架构根据相邻层次的数据推断流速。尽管如此，这种方法需要同步的多层测量和高精度传感器。同时，Ali等人（2021）基于Navier-Stokes方程构建了动态数值模型来分析目标水域的电流变化，但这种方法需要精确的边界条件输入和大量计算资源。总之，这些研究共同指出了现有局部电流处理技术的持续缺陷和研究空白，这些技术仍不完全适合空中部署式剖面浮标的操作需求。

为了系统地解决上述两类设备以及现有电流处理方法中的技术局限，本研究提出了一种标准化的A尺寸空中部署式水下剖面浮标（AUPB），能够在百米深度范围内运行。所开发的原型集成了自主水下姿态调节和运动方向控制功能，同时保持了与常规空投系统的兼容性。此外，还开发了一种基于垂直分层海洋电流预测的自适应虚拟系泊策略。该方法根据表层和深层电流的特点动态调整重心和姿态角，实现对不同深度水流的差异化抵抗策略。因此，所提出的系统有望提高空中部署式剖面浮标的定点保持能力。AUPB的完整运动过程如图1所示。

**本文结构如下：**
第2节介绍了AUPB的原型设计及其动态行为分析。第3节介绍了计算最佳抗流角的理论框架，并选出了最合适的海洋电流预测方法，同时还介绍了基于前述内容的虚拟系泊策略。第4节描述了虚拟系泊策略的运动学仿真。第5节验证了原型的性能，并介绍了千岛湖试验的结果。第6节总结了我们的研究并提出了未来工作的方向。

**原型设计与动态分析**
AUPB主要由内部腔体和外部部分组成，如图2所示。内部腔体包含重心调节机制和浮力调节机制，而外部部分包括天线部分、可折叠侧翼和可折叠尾鳍。上端盖、碳纤维腔体、法兰和下端盖通过O型圈密封，形成一个封闭的腔体。内部的重心调节机制用于调整……

**方法**
AUPB采用了小型化和轻量化的设计原则。虽然这些设计选择提高了部署灵活性，但它们对性能特性产生了显著影响。特别是控制表面（如侧翼和尾鳍）的尺寸减小，对流体动力学性能和机动性产生了不利影响。此外，轻量化结构影响了稳定性，使得设备在流体动力学作用下更容易发生振荡运动。

**仿真与结果**
为了初步验证基于海洋电流分层特性的变角度虚拟锚定策略的可行性，本研究进行了相关的运动学仿真。仿真基于运动叠加原理，假设AUPB的水下位置由其滑行运动和电流引起的运输共同决定。在仿真中，AUPB的线速度设为0.4米/秒，表面漂移时间为120秒……

**实验与结果**
为了进一步验证原型的结构性能，本研究通过水池实验验证并优化了整体重量分布。如图11所示，在水池实验中，当重心调节机制中的双配重分离且整个配重组件位于其运动范围的最低点时，原型在水中保持直立位置，俯仰角为88.9°。相反，当……

**结论**
本文介绍了一种空投式水下剖面浮标（AUPB）的设计和原型级验证，该浮标旨在通过运输飞机进行部署，初步可行性通过基于UAV的替代平台得到验证。该系统旨在结合快速部署和虚拟系泊功能，以满足固定开阔海域的长期监测需求。针对AUPB的运动特性，提出了基于CRediT的动态行为控制方法……

**作者贡献声明**
青超夏：撰写 – 修订与编辑、验证、调查、资金获取、概念化。
瑞周：撰写 – 原始草稿、验证、方法论、数据管理。
邓俊西：验证、方法论。
吴定泽：方法论、形式分析。
侯家宇：验证。
孙新宇：项目管理、资金获取。
吴世军：项目管理、资金获取。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

**致谢**
本工作得到了汉江国家重点实验室开放基金项目（编号KF2024005）、国家自然科学基金（编号52205074）、国家重点研发计划（编号2021YFC2800202、2023YFC2810000）、浙江省大学生科技创新计划（编号2023R401216）、浙江省教育厅科研经费支持的项目（编号Y202352887）以及中国博士后科学基金的支持。