本研究由浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室、宁波研究院、汉江实验室、杭州应用声学研究所及燕山大学等机构的研究人员共同完成，其研究成果以论文形式发表于海洋工程领域知名期刊《Ocean Engineering》第328卷（2025年），具体文章编号为121053。
本研究隶属于海洋观测技术与水下机器人领域。随着海洋科学的发展，观测需求正从近岸向深远海拓展。在远离海岸的区域，传统依靠船只布放观测设备的方式面临着响应速度慢、成本高、大面积部署困难等挑战。空投（Air-dropped）部署方式凭借其快速响应、布放范围广、灵活便捷等优势，成为应对海洋突发事件（如污染泄漏、藻华）和快速获取偏远海域数据的重要手段。其中，符合A-size标准（直径124毫米，长度914毫米）的投放桶是目前最广泛使用的空投载体，可通过运输机、直升机等多种平台投放。
尽管已有一些可空投的剖面浮标或自主水下航行器（AUV），如美国科罗拉多大学博尔德分校的ADMBs、上海交通大学的Dragonfly、伍兹霍尔海洋研究所的ALAMO，以及MK-39 EMATT、EcoSUBμ5等AUV，但它们难以满足在固定海域进行长期观测的需求。水下滑翔机或剖面仪通过调节重心改变姿态角，可在垂向运动中产生水平分量，实现低功耗、长航程作业。然而，现有大多数水下航行器在进行虚拟系泊（Virtual Mooring）操作以抵消洋流影响时，通常采用恒定的俯仰角，并使用深度平均的洋流速度进行计算。这种做法未能充分利用“洋流速度随深度增加而减小”的海洋现象，导致位移校正效率不高。此外，为满足空投A-size标准而进行的设备小型化、轻量化设计，往往限制了其运动性能。
因此，本研究旨在填补这一空白，提出并研究世界上首款具有虚拟系泊能力的折叠刀式空投剖面仪（Switchblade Air-dropped Profiler, SAP）。其核心目标是：设计一款符合A-size标准、可折叠、能通过空投快速部署的水下剖面仪；并针对其在洋流中的位移问题，创新性地提出一种“变俯仰角虚拟系泊策略”，以提高其在目标海域进行长期定点观测的能力和效率。
本研究是一项系统的设计与验证工作，包含概念设计、动力学分析、策略开发、仿真验证与湖试验证等多个环节，流程严谨。
第一阶段：SAP结构设计与动力学行为分析。 研究团队首先设计并制造了SAP原型机。该设备主要由前整流罩、内含折叠尾翼的后整流罩、密封舱体和折叠侧翼构成。其核心创新在于采用了“折叠刀”结构的机翼。侧翼和尾翼在空投入水前通过水溶性细线捆绑折叠，入水后细线溶解，内部扭簧驱动翼面展开，使SAP从符合A-size的桶状形态转变为具有完整翼面的工作形态。原型机总长913毫米，舱体直径124毫米，重量9.25公斤，最大工作深度100米。密封舱内集成了双滑块重心调节机构和活塞缸式浮力调节机构。
为评估SAP的运动性能，研究团队建立了其动力学模型。首先定义了惯性坐标系、体坐标系和速度坐标系。基于牛顿-欧拉方程和流体动力学理论，建立了SAP在洋流影响下的动力学方程（公式5）。通过将SAP腔体近似为椭球体，将机翼近似为矩形平板，并运用切片理论（Strip Theory）和经验公式，计算了其附加质量系数等惯性水动力系数。同时，通过计算流体动力学（CFD）仿真，拟合得到了与攻角、侧滑角等相关的粘性水动力及力矩系数（如表3所示）。基于这些系数，团队分析了SAP在稳态滑翔阶段需满足的力学平衡条件（公式8, 14），推导出了其稳态滑翔角范围（-90°至-23°）、攻角/俯仰角/滑翔角三者关系（图6），以及体速度与净浮力和俯仰角的关系（图7）。此外，引入了“转向效率”（公式16）的概念，即单位深度消耗所能改变的偏航角。基于动力学模型的路径模拟表明，在俯仰角θ ∈ [-90°, -15°]区间内，俯仰角绝对值越小（即上浮时头部越水平），转向效率越高，尤其当俯仰角θ ≤ -40°时，转向效率急剧下降。这为后续变俯仰角策略中“在深水区使用小俯仰角以高效调整航向”提供了理论基础。
第二阶段：变俯仰角虚拟系泊策略设计。 为解决SAP因小型化导致的运动性能受限和易受洋流影响的问题，本研究创新性地提出了“变俯仰角虚拟系泊策略”。该策略的核心思想是：利用“洋流速度通常随深度增加而减小”的分层现象，不再在整个上浮过程中使用恒定俯仰角，而是分层作业。具体而言，在洋流速度较慢的深水区，采用小俯仰角滑翔，以获得更长的水平航程，从而校正更多的洋流导致的位移误差；在洋流速度较快的浅水区，采用大俯仰角滑翔，以更快的速度上浮至水面，减少在强流区的暴露时间，从而降低洋流输运的影响。整个策略是团队先前提出的“水平位移校正策略”（HDCS）的改进。
策略的算法流程（图10）如下：1) SAP完成一次下潜-上浮循环后，浮出水面，通过RTK获取精确的出水点位置。2) 结合入水点位置，基于运动学原理反推出深度平均洋流速度，并通过HDCS计算出下一个循环的目标俯仰角θ_t和需要校正的偏航角δψ。3) 为了确定深水区的小俯仰角θ_s，研究设计了一个双输入单输出的Mamdani型变俯仰角模糊推理系统（VPAFIS）。该系统以目标俯仰角θ_t和需校正偏航角δψ为输入，通过预设的模糊规则（例如，如果需校正的偏航角很大，则选择较小的小俯仰角以提高转向效率），输出小俯仰角θ_s的建议值，其范围被限定在[-40°, -15°]之间以兼顾效率与稳定性。4) 为了更精确地描述洋流分层，引入了“洋流速度比例因子λ”，将深度平均洋流速度v_c分解为浅水区高流速v_l和深水区低流速v_s（公式17）。基于运动学叠加原理，可以预估SAP在分层洋流作用下虚拟出水点的位置（公式19）。5) 以“使虚拟出水点尽可能接近虚拟系泊中心”为优化目标（公式20），采用双边扰动观察法（Bilateral Perturb and Observe Method）搜索最优的浅水区大俯仰角θ_l。6) 根据实际出水点相对于虚拟系泊中心和入水点的象限位置（图12），判断本次循环是“校正过度”、“校正不足”还是“适中”，并据此按规则（公式21）动态调整λ值，用于下一个循环，使策略具备自调节能力。
第三阶段：运动学仿真验证。 在实物试验前，研究团队进行了详细的运动学仿真以初步验证策略可行性。仿真基于运动学叠加原理，假设SAP的水下位置由其自身滑翔运动与洋流输运效应共同决定。仿真中，SAP的线速度设为0.5 m/s，水面漂移时间120秒，工作深度100米。洋流数据来自Copernicus Marine Service的全球海洋物理分析与预报数据集，将100米深度分为10个区间，每个区间使用对应深度区间的平均洋流速度。将距水面80米以内的区域划为浅水区，其余为深水区。仿真以第一个运动周期的出水点作为虚拟系泊中心，随后进行了15个周期的虚拟系泊操作模拟，并与恒定俯仰角策略进行了对比。
第四阶段：千岛湖湖试验证。 为进一步验证SAP结构可行性和变俯仰角策略的有效性，研究团队在千岛湖（118.9078°E， 29.5636°N）进行了湖上试验。由于湖泊流速远低于海洋，试验中特意将水面漂移时间延长至600秒，以增强洋流（实际上是湖流）对SAP的输运效应，同时也能检验策略在表面流速方向、大小变化较大（受行船波浪影响）环境下的抗干扰能力。试验流程为：首先进行5个周期的垂直运动（模拟浮标式上下运动，作为对比基线），以第5周期的出水点作为后续虚拟系泊中心。随后，进行10个周期的虚拟系泊定点实验，其中穿插进行恒定俯仰角滑翔和变俯仰角滑翔。
动力学分析结果： 通过理论推导与仿真，明确了SAP的运动能力边界。其稳态滑翔角范围为-90°至-23°。体速度随净浮力和俯仰角绝对值的增大而增大，最大上浮速度可达0.48 m/s。转向效率与俯仰角绝对值呈负相关，在俯仰角θ ≤ -40°时效率急剧下降，这从理论上支持了在需要调整航向的深水区使用小俯仰角（绝对值小）的合理性。
运动学仿真结果： 对比仿真结果（图14）清晰展示了变俯仰角策略的优势。两种策略都能将SAP的出水点控制在以系泊中心为圆心、半径200米的圆内。然而，变俯仰角策略下每个周期的出水点更接近系泊中心。定量数据显示，恒定俯仰角滑翔的平均定点误差为104.68米，而变俯仰角滑翔的平均定点误差为80.93米，误差降低了22.7%。此外，变俯仰角策略下误差的标准差也更小，稳定性提高了8.5%。图15显示，洋流速度比例因子λ随着运动周期增加趋于稳定，说明该策略能有效学习和适应实际的洋流分层结构。
千岛湖试验结果： 湖试验证了SAP原型机和所提策略的实际效能（图16，表4）。在前5个垂直运动周期中，SAP在湖流作用下逐渐漂离布放点，距离从9.07米增至96.34米。在后续10个定点周期中，所有周期的出水点均保持在以虚拟系泊中心为圆心、半径50米的范围内。其中，恒定俯仰角滑翔周期的平均误差为23.31米，而变俯仰角滑翔周期的平均误差为18.32米，误差降低了21.4%。特别是在第一个变俯仰角校正周期，定点误差从29.25米（上一恒定角周期）降至19.52米。试验数据表明，SAP能够较好地实现指令目标俯仰角和偏航角，大小俯仰角之间的过渡也相对平滑。尽管在第三个变俯仰角周期因校正过度导致误差增大，但在第四个周期通过策略自调节减小了滑翔距离，并缓慢向系泊中心靠拢，证明了策略的自适应能力。试验也暴露了在浅水湖泊中，水深和SAP机动能力的限制可能导致剩余水深不足以完成充分的航向调整，使得实际出水点仍存在偏差。
本研究成功提出并验证了全球首款符合A-size标准的折叠刀式空投剖面仪（SAP）及其配套的变俯仰角虚拟系泊策略。主要结论如下：1) SAP通过创新的折叠翼设计，实现了从空投桶状到水下工作形态的转变，满足了快速、远程、灵活部署的要求。2) 针对SAP运动特性引入的“转向效率”概念及相关分析，为优化其机动策略提供了理论依据。3) 提出的变俯仰角虚拟系泊策略，通过引入洋流速度比例因子对流速进行分层，并在不同流速层采用不同俯仰角滑翔，有效利用了洋流速度随深度变化的特性。仿真和湖试均证明，该策略相比恒定俯仰角策略，能显著降低定点观测的平均误差和提升稳定性，增强了SAP抵抗洋流输运的能力。
本研究的科学价值在于，为小型化、可空投水下观测平台的设计与控制提供了新的思路和解决方案，特别是在利用环境特性（洋流分层）优化运动策略方面做出了创新性探索。其应用价值巨大，所研制的SAP系统能够快速响应深远海或突发事件区域的小尺度、长期观测需求，在海洋环境监测、灾害预警、军事应用等领域具有广阔前景。
研究在最后部分进行了对比与讨论，指出了仿真与湖试中出水点分布形状（长条形 vs 扇形）差异的主要原因在于所使用的洋流速度量级不同。同时，坦承了当前研究的局限性：变俯仰角模型简化时忽略了偏航角调整过程和转弯半径误差，这会在决策中引入固定误差；湖试在浅水低速环境中进行，未能充分发挥变俯仰角策略在深水强流环境下的优势。研究团队也展望了未来工作方向，包括计划进行振动与空投实验，以及在更深湖泊或开放海域等高流速环境下进行试验，以进一步验证系统的鲁棒性和策略的普适性。