「黑珍珠」波浪滑翔器長期實時波浪觀測應用
孫秀軍等
2016年7月7日，「黑珍珠」波浪滑翔器技術開發團隊（TOMOT）與國家海洋環境預報中心吳淑萍、王久珂等人利用「黑珍珠」大型波浪滑翔器在青島「千裡巖」海域進行了長時間的波浪要素的實時觀測，並與標準測波浮標的觀測數據進行了對比分析，驗證了「黑珍珠」波浪滑翔器波浪要素觀測的準確性和有效性。本報告擬詳細描述「黑珍珠」波浪滑翔器的波浪要素觀測方案、觀測過程、觀測數據和觀測結果等，感謝諸位海洋科學與技術專家提出寶貴改進建議！
一、波浪觀測方案
1. 觀測位置選擇
觀測海區選擇距離青島嶗山區雕龍嘴村50公裡，預計船舶行駛3小時到達（以10節航速計算）（圖1）。
圖1 選擇觀測比對海區
2. 租用科考船
海上試驗平臺為租用的嶗山當地漁船魯嶗山漁60089（圖2）。吊裝設備：該漁船船長31米，甲板寬5.75米，航速9節，馬力480kw（V26C日本發動機），噸位大於100噸，起吊能力大於0.5噸、伸出船舷外距離大於1米、起吊高度大於2米；動力絞盤；作業甲板面積大於6平方米；最大航速不小於10節；具備船載定位設備。
圖2 青島嶗山仰口風景區租用科考船
3. 大型波浪滑翔器與波浪傳感器
「黑珍珠」大型波浪滑翔器如圖3所示，其設計指標參數如表1所示。
圖3 大型波浪滑翔器母船模型
表1大型波浪滑翔器指標參數
項目
描述
平臺質量
雙體結構總質量120千克；
平臺尺寸
水面母船長2.6米、寬0.6米、高0.2米；
水下滑翔機有6對水翼，長1.8米、寬1.2米和高0.6米；
續航能力
最大航行距離大於1萬公裡，連續工作時間大於1年；
運動速度
最大航行速度：SS1:≥1.0kts；SS4:≥1.7kts；
長期大範圍平均航行速度：≥1.7Kts；
風浪等級
可以抵抗12級颱風，最大可生存浪高10米；
定位精度
24小時內虛擬錨泊定點誤差小於200米半徑概率≥50%，
24小時內直線路徑跟蹤偏差小於200米概率≥80%（3級海況，海流〈0.5Kts）；
發電功率
三塊太陽能電池板，峰值發電功率約為180瓦，長期平均功率≥20瓦；
負載能力
額外電能負載15瓦×12伏特，額外結構負載30千克×18升；
蓄電儲備
最大連續無光工作時間15天；
參與波浪觀測的「黑珍珠」大型波浪滑翔器如圖4所示，搭載的波浪傳感器的設計指標參數如表2所示，集成波浪傳感器的「黑珍珠」大型波浪滑翔器如圖4所示。
表2 搭載波浪傳感器指標參數
波浪傳感器
描述
型號
SWS-1
指標
波浪高度：測量範圍（0.2m～30m），測量準確度(±(0.2+5%×測量值)m)
波浪周期：測量範圍（2.0s～25s），測量準確度(±0.5s)
波浪方向：測量範圍（0°～360°），測量準確度(±10°)
圖4 集成測波傳感器的大型波浪滑翔器
4. 測波浮標
海上布放的測波浮標如圖5所示。
圖5 經過標定的測波浮標
5. 比測方法
測波浮標錨繫於海面，大型波浪滑翔器在測波浮標附近區域運行（如圖6所示），測波浮標的波浪測量值和大型波浪滑翔器的測波數據進行比對。
圖6 波浪滑翔器與測波浮標比對方式
二、比對觀測過程
比對觀測過程主要包括碼頭聯機測試、設備布放、遠程監控與系統回收4個階段。
v圖7 儀器設備布放點位圖
1. 碼頭聯調
2016年7月7日早晨4點半，課題組在青島嶗山附近海域碼頭開展碼頭聯機測試工作，主要檢查備航情況、樣機陸上裝配及調試情況，並強調了作業安全問題。
圖8 布放前實驗聯調
圖9 裝運上船
2. 設備布放
2016年7月7日上午6點30分，試驗船從嶗山碼頭出發，行駛大約3小時到達50公裡外的目標海域，經緯度為（121.503194°，36.287450°），在該處布放大型波浪滑翔器。
圖10 布放大型波浪滑翔器
布放完成後，通過岸基監控系統存儲銥星回傳的數據分析平臺的運行狀態及其搭載傳感器後的可行性。通過銥星回傳的數據包括：電子羅盤數據、AirMAR氣象傳感器數據、ADCP數據、溫鹽傳感器數據、波浪傳感器數據等。
3. 遠程監控
24天海上的軌跡和數據可以顯示如下：
圖11 運行軌跡
4. 系統回收
2016年8月2日下午回收，找漁民幫忙回收，漁民負責拍照和錄像。
三、觀測數據比對
由圖12～圖33看出，除了最大波高和最大波周期外，波浪滑翔器搭載測波傳感器測得的其他參數值與測波浮標獲取的數值相關度均達到95%以上，而兩種平臺測得的最大波高相關度為R=0.9001，最大波周期相關度為R=0.8325；由此看出，大型波浪滑翔器搭載的測波傳感器性能穩定良好。
1. 有效波高
圖12 有效波高數據對比及其絕對誤差
圖13 有效波高相關度分析曲線圖
2. 有效波周期
圖14 有效波周期數據對比圖及其絕對誤差圖
圖15 有效波周期相關度分析曲線圖
3. 平均波高
圖16 平均波高數據對比圖及其絕對誤差圖
圖17 平均波高數據相關度分析曲線圖
4. 平均波周期
圖18 平均波周期數據比對圖及其絕對誤差圖
圖19 平均波周期數據相關度
5. 十分之一波高
圖20 十分之一波高數據對比圖及其絕對誤差圖
圖21 十分之一波高數據相關度
6. 十分之一波周期
圖22 十分之一波周期數據對比圖及其絕對誤差圖
圖23 十分之一波周期數據相關度
7. 最大波高
圖24 最大波高數據對比圖及其絕對誤差圖
圖25 最大波高數據相關度
8. 最大波周期
圖26 最大波周期數據對比圖及其絕對誤差圖
圖27 最大波周期數據相關度
9. 譜有效波高
圖28 譜有效波高數據對比圖及其絕對誤差圖
圖29 譜有效波高數據相關度
10. 譜平均波周期
圖30 譜平均波周期數據對比圖及其絕對誤差圖
圖31 譜平均波周期數據相關度
11. 波浪數目
圖32 波浪數目數據對比圖及其絕對誤差圖
圖33 波浪數目數據相關度
四、觀測比對結論
1. 波浪滑翔器平臺
本次比對觀測過程中，波浪滑翔器自身狀態穩定，能夠達到觀測要求。本次觀測時長24天，累積航程為652.7365km，；海試全程均速0.3149m/s，波動幅度小，波浪滑翔器航行速度穩定；波浪滑翔器俯仰和橫滾的均值及波動都較小，波浪滑翔器在海試過程中姿態平穩；波浪滑翔器在海試過程中，電壓呈現預期的合理變化，穩定可靠。
2. 波浪滑翔器測波
波浪滑翔器搭載測波傳感器的波高和波周期數據與測波浮標數據吻合較好，然而波向數據相關度較前兩項參數符合度相對較弱，但符合波向20度偏差的要求，從分析數據來看，波浪的實際方向是可以通過波浪滑翔器的航向、波浪滑翔器所測波向和有效波高等數據聯合求解出來的。
【作者簡介】孫秀軍，中國海洋大學教授。2011年博士畢業於天津大學機械工程學院，美國喬治亞理工學院電氣與計算機工程專業聯合培養博士。自2012年至今，作為項目/課題負責人主持國家和省部級波浪滑翔器（WaveGlider）技術相關項目/課題7項。2015年獲得天津市技術發明一等獎1項，2016年獲得國家技術發明二等獎1項。
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