基于水下移动平台的近海海洋环境观测技术研究

For the practical demand of marine scientific research for high-resolution, real-time observing in complexed coastal marine environment, this project proposes a novel observation and performance evaluation method on multi-scale area coverage observation and environmental characteristic tracking observation based on underwater mobile platforms, mainly including underwater gliders and small AUVs. .The key basic technical issues, when applying underwater mobile platforms in costal environment involving complexed currents, terrain and water-column structures, mainly include observation behavior optimization of mobile platforms, cooperative observation and control under the influence of complexed coastal environment. The research results including developed strategies, methods and algorithms will be demonstrated and validated by simulation experiments and sea trial applications. The research results of this project will provide the necessary theoretical foundation and technical reserves for the establishment of multidisciplinary, three-dimensional and real-time offshore observation system based on the underwater mobile observation platforms in our country.

本项目针对近海海洋复杂环境下海洋科学研究对高分辨率、实时观测能力的实际需求，以水下滑翔机和小型AUV作为主要水下移动观测平台研究对象，开展基于水下移动平台的近海多尺度区域覆盖观测、环境特征跟踪观测等观测方法与效果评估问题研究；研究在近海复杂海流、地形和水体结构多样环境中水下移动平台自主观测应用涉及的基础技术问题，重点解决近海复杂环境影响下的移动平台观测行为优化、协作观测与控制等问题；最后通过仿真实验和海上试验性应用，对相关研究工作进行验证。本项目研究成果将为我国建立基于水下移动观测平台的多学科、立体、实时近海观测系统提供必要的理论基础和技术储备。

本项目针对长江口、浙江近海和临近东海交汇处等具有显著特征区域，以水下移动观测平台为研究对象，开展基于水下移动观测平台的近海海洋环境观测技术研究，建立基于水下移动平台的近海海洋环境自主观测体系。主要研究内容包括等值特征场自主跟踪观测、基于观测数据的近海海流估计、海流约束下的水下机器人路径规划、多水下机器人协同编队控制、近海海洋区域自适应覆盖观测、移动观测平台近海观测试验与应用研究。本项目已按照研究计划完成了全部研究内容，主要成果为：.（1）以温度场为例研究了基于多水下移动平台的海洋等值特征场的跟踪策略，实现基于锋面、涡流等海洋现象信息及对应梯度信息的特征场自主跟踪观测；.（2）提出了一种基于水下滑翔机舱体压缩和海水密度差异对速度影响的水平速度快速计算模型，实现了基于水下移动平台自感知数据的近海海流估计；.（3）提出了基于水平集的最优时间路径规划方法的后向路径搜索策略，保证了水下机器人在强流场中的运动的可行性；.（4）研究了多水下机器人协同编队控制方法，以满足观测任务中的协同观测需求；.（5）研究了面向区域自主覆盖观测的自适应区域覆盖观测方法，实现了将有限的观测平台资源布置在对了解海洋特征分布贡献最大的关键点或区域上，提高对该特征估计的精度；.（6）利用现有的水下滑翔机和小型AUV平台，开展了水下移动平台多次海上验证性应用试验，并验证了所提方法的可行性与有效性。