水下滑翔机海流垂向速度观测方法与流程

本发明属于水下滑翔机海流垂向速度观测领域。

背景技术：

水下滑翔机是一种新型水下自主航行器，它依靠浮力驱动，通过位姿调节，实现锯齿状轨迹航行。水下滑翔机具有精确控制浮力的能力，能够实现目标水层的中性体悬停，同时可以调节重心位置，实现对其位姿的有效控制，具有功耗低、航程长、工作时间长、隐蔽性高等优点。

海流是海水在大范围里相对稳定的流动，既有水平，又有垂直的三维流动，它存在于表层和深层海水中，是海水运动的普遍形式之一。海流速度是海洋现象的重要动力学参数。

目前海流观测手段丰富，既有观测表层流的观测浮标，也有观测深层海流的走航观测方法。但对于海流的垂直速度而言，到目前为止，由于没有实用、有效的观测手段，一直被忽略。这严重制约了人们对海洋运动的认知、理解、把握和应用。

本发明提出了水下滑翔机海流垂向速度观测方法，能够准确、有效的观测海流垂向速度。

技术实现要素：

本发明所要解决的问题是获得海流垂向运动的准确变化过程。

本发明采用拉格朗日观测方法，主要包括三个方面：

1.在滑翔机上搭载加速度计和压力传感器，记录滑翔机跟随海流运动过程。

2.利用水下滑翔机的无滑脱随流运动能力，滑翔机中性悬停在目标水层，在海流的作用下跟随流运动。

3.通过流体力学仿真和模型试验建立海流-滑翔机滞后算法模型，获得水下滑翔机在速度变化的垂向海流作用下的滞后特征。

附图说明

下面结合附图和实例对本发明进一步说明。

图1是水下滑翔机海流垂直速度观测位姿图。

图2是垂直海流-水下滑翔机模型建立流程图。

图3是海流垂直速度推算流程图。

1.海平面。2.垂向海流

具体实施方式

水下滑翔机在中性悬停状态下速度为零，在遭遇定常海流后，其速度会逐渐增大，短时间内达到和海流速度一致。因此在长时间的海流观测中可以通过水下滑翔机在净浮力为零(即速度为零)情况下的速度推算海流的运动过程。

水下滑翔机在海流中主要遭受海流的绕流阻力，其公式：

ma＝cd·ρ·s·vr²/2

式中m为水下滑翔机的质量，a为水下滑翔机在垂直方向上的加速度，cd为作用力系数随物体的形状和倾角而定，即使对于同样形状的物体，cd也是雷诺数re的函数，随雷诺数而变化，ρ为流体的密度，s表示物体在垂直于流体运动方向的横截面积，vr为水下滑翔机相对于海流的运动速度。水下滑翔机质量、加速度、作用力系数、垂直于流体运动方向的横截面积以及流体的密度都可以通过模型试验和水下滑翔机搭载的传感器测量得到。

观测步骤：

1.目标区域预先测量。水下滑翔机守株待兔式的观测方式，需要观测区域的海洋要素的垂直分布结构，因此由遥感卫星确定观测区域后，甲板单元控制水下滑翔机航行至该区域，并先做2到3个剖面的测量以获得该区域温盐数据，分析该区域海水分层结构，为水下滑翔机中性悬停精确控制提供数据支持。

2.水下滑翔机下潜至目标深度，并设置参考点。如图1所示，在获得海水分层结构后，通过计算获得在不同水层保持中性体所需浮力来确定水下滑翔机的排油量，使得水下滑翔机水平悬停在指定深度。通过内置的加速度计和压力传感器获取当前运动状态，当加速度计和压力传感器在固定时间的测量结果变化很小时，认定水下滑翔机进入指定区域，并且稳定悬停。水下滑翔机此位置为参考点，开始测量。

3.水下滑翔机上浮重新定位。水下滑翔机以一个月为周期，每两天上浮一次，传输数据、接收指令，同时重新定位。如果水下滑翔机因为水平海流的作用而偏离目标区域，可以重新寻址，返回目标区域。至此，对目标区域的一个周期观测结束，随后安排后续的观测任务。

4.海流垂向速度推算。如图2所示，在推算稳定海流时，通过流体力学仿真和模型试验获取水下滑翔机在不同速度海流下的运动特征，由此建立水下滑翔机-垂直流运动模型，根据水下滑翔机的运动特征推算海流垂直速度。如图3所示，在遭遇非稳态的垂直流时，水下滑翔机的运动速度跟随海流改变，并且在速度响应上滞后于海流。因此推算垂直流时，需要以压力传感器获得的深度位置信息推算水下滑翔机的垂直速度；以加速度计记录的加速度信息推算水下滑翔机所受的绕流阻力，再由绕流阻力推算海流和水下滑翔机的速度差，最后速度差与水下滑翔机垂向速度求和得到海流垂向速度。

技术特征：

技术总结
本发明属于水下滑翔机海流垂向速度观测技术领域，提出了一种实用、有效的水下滑翔机海流垂向速度观测方法。本方法属于拉格朗日观测方法，首先，在水下滑翔机上集成加速度计和压力传感器，通过它们记录滑翔机的加速度和深度变化。对加速度计测量得到的加速度积分获得滑翔机的速度变化过程，压力传感器记录的垂直位移过程；然后，由水下滑翔机的运动过程，通过由模型试验和流体力学计算所建立的海流‑水下滑翔机运动模型滞后算法，推算海流的运动过程。本发明集成加速度计和压力传感器，充分利用水下滑翔机原位观测、中性悬停精确控制能力以及姿态调节能力，实现了对海流垂向速度的准确测量，为水下滑翔机观测内波、中尺度涡等海洋现象提供理论依据和现实基础。

技术研发人员：熊学军;刘曙光;胡筱敏;王红
受保护的技术使用者：熊学军
技术研发日：2017.08.07
技术公布日：2018.02.02