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【知识就是力量】海洋探测“指挥家”

已有 2636 次阅读 2022-3-14 18:50 |个人分类:地球物理勘探进展|系统分类:科普集锦

在“一切皆可AI”的背景下，自动驾驶技术受到前所未有的关注。其实，自动驾驶技术早已被运用到海洋领域实现运行，甚至成为海洋探测的好帮手，在探测过程中起到至关重要的作用。

当海洋探测遇到自动驾驶

先进的海洋调查设备与调查方法为人类现代海洋科学的发展立下汗马功劳。以物理声学为基础的多普勒声速测量、单波束与多波束测深，单道与多道地震勘探更是走航（驾驶移动工具，在范围内边行驶、边检测、边反馈）式海洋探测大营中的“五虎上将”，这5位“大将”都是针对某一区域开展工作的。

区域性的海洋探测工作需要先将调查区域网格化，然后调查船拖带仪器、按照测线采集相关数据。那么，走航式海洋探测如何结合船舶自动驾驶？如何自动沿测线测量？何时自动转向？如何等间距激发设备呢？这都需要我们的“指挥家”——海洋综合导航系统进行统一安排。

探海之眼——全球卫星导航系统

那海洋探测中“指挥家”是怎么开展工作的呢？首先，我们需要介绍最基础的系统——全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System，简称GNSS）。它是利用多个卫星对地球表面以及近地空间的任何地点开展三维坐标定位、测量运动速度以及时间信息的空基无线电导航定位系统。全球卫星导航系统离我们的日常生活很近，我们的手机时间，运动监控以及常见的地图都是基于它的功能。

全球四大卫星导航定位系统标志（供图：尉佳）

现如今，全球共有四大卫星导航：美国的全球定位系统GPS，俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统GLONASS，欧盟的伽利略卫星导航系统GALLIEO以及令国人自豪的中国北斗卫星导航系统BDS。正是因为这些“天空之瞳”，才能够全天候地为我们提供坐标、速度、时间等信息，让自动走航式海洋探测成为现实。

在海上“画格子”

科考队员在进行测线设计与输入。（供图：尉佳）

区域海洋地质调查，首先需要将区域进行网格化。科考队员需要进行测线设计工作，确定测线的方位角、测线起止点坐标、测线长度等信息。

导航控制系统的自动计划绘制过程（供图：尉佳）

船载导航控制系统能够将测线信息转化为特有的格式，结合海图中出现的岛屿、浮标等障碍物的坐标信息，根据时间最优化原理绘制航次计划，包括施工顺序、施工完成时间等，以提高海洋探测作业效率。

自动驾驶的“最强大脑”——实时计算

当船舶拖带设备在测线上施工作业时，何时激发设备，何时存储数据呢？以海洋多道地震探测手段为例，按照施工原则，海洋多道地震勘探的震源应每间隔固定距离完成激发与接收。但是由于船舶在海上的状态就像摇曳的树叶，根本无法用传统的尺子测量距离，也就无法确定船舶走过的距离，但导航控制系统中的“最强大脑”——实时计算就能轻松解决这个问题。

顾名思义，实时计算就是导航系统对船舶与设备的当前坐标、速度、时间进行实时存储并计算，确定船舶相对于上一个计算点前进了多少距离，用了多少时间，速度变化是多少。这需要导航系统具有超强的计算能力与判断能力，时间误差精度控制在毫秒级，距离误差精度控制在亚米级。

图中橙红色部分为水鸟，通过卡环固定在地震电缆上，利用线圈感应与地震电缆通信，它的作用是通过改变“翅膀”的角度以实现深度的变化，从而带动电缆实现升降。（供图：尉佳）

除了实时计算前进距离的功能外，结合控制水鸟、定位尾标以及其他多道地震勘探的重要附件，导航系统能够实时计算出拖带电缆偏移测线的角度（专业术语为羽角），电缆在水中的方向与姿态，电缆的沉放深度以及各个控制附件距离船体的距离。

图为青岛海洋地质研究所自主研发的多用途水面自主测量平台，平台可按照预先规划的路径，自主开展海底地形地貌、浅部地层结构、重磁场以及海流等探测任务，获取有人船舶难以测量区域的数据。（供图：尉佳）

导航控制系统能够全方位全自动地控制整个调查仪器的状态，使得实验室中的科考队员随时掌握仪器动态，及时判断工作开展的程度与质量，确保整个工程高质量、高效率以及高精度的圆满完成。

自动识别系统——让定位监控更机敏

大家见惯了城市道路中的车水马龙，其实在海洋勘探工作区域中，尤其是近海区域，船舶的穿梭也很忙碌。与陆上车辆不同的是，船舶的体积与质量通常远远大于陆上的车辆，所以船舶在海上的安全制动距离要比陆地上汽车的制动距离大得多。

导航控制系统可以显示调查船周围的渔船。（圆形为调查船）（供图：尉佳）

导航控制系统利用船舶自动识别系统发出的信号，清楚地定位出几十海里范围内的所有船只，之后根据船舶的速度、航行方向、相距距离，实时计算出周围船舶是否处于安全范围。当船舶进入风险范围后，导航控制系统能够主动提示船舶驾驶人员，提前做出高频喊话、主动避让，同时科考人员能及时判断危险程度，提前做好设备的开关以及数据的保存。

通常情况下，大型船舶能够及时沟通与避让，最让科考队员们头疼的是“星云密布”的渔船。渔船、渔网等障碍物时常会影响到海洋科考任务，在无法通过的区域，科考船只好改变计划，偏离测线，这也给科学考察工作增加了时间成本。

自动化航行新图景——协同作业

多用途水面自主测量平台可与母船协同作业，提高母船作业效率，是一种智能化程度高、安全高效的技术手段。（供图：尉佳）

科研人员在甲板上调试多用途水面自主测量平台。（供图：尉佳）

现阶段，国内外已经开发出双船作业，主船利用声学装置，通过导航控制系统的设计规划、实时计算、同步传输等功能，控制副船进行联合协同海洋探测。随着船舶自动化航行技术的提升，导航控制系统的精度能够联合无人船、无人机乃至无人潜器协同作业，构建“一主多副”的走航式海洋探测平台集群，实现全方位、多角度、多手段以及多深度的联合协同作业方式。