一篇名为《基于海流预测的便携式水下剖面仪虚拟锚泊策略研究》的研究论文于2023年11月在applied ocean research期刊（2024年第142卷）上在线发表。该研究由浙江大学的杨灿军和吴定泽（并列一作）、周璞哲（杭州应用声学研究所）、马舒扬、周锐、张鑫（燕山大学）、张扬、夏庆超（通讯作者）以及吴泽亮共同完成，主要工作单位包括浙江大学宁波科创中心、浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室等。
本研究的学术背景属于海洋观测技术领域，具体聚焦于水下自主航行器的定点持续观测能力。全球Argo海洋观测网络是当前最主要的海洋剖面观测系统，但其浮标仅能随波逐流进行垂直剖面运动，缺乏横向机动能力，无法在指定的海域进行长期、固定的观测。然而，诸如研究海底采矿对周边海洋环境影响等任务，恰恰需要对特定水域进行长期监测。为解决这一问题，水下滑翔机概念被提出，并发展出了“虚拟锚泊”技术，即通过调整滑翔机的俯仰角和偏航角，使其进行螺旋运动，从而将自身限制在目标海域附近。然而，传统虚拟锚泊方法大多忽略海流影响，而考虑海流的改进方法又往往对计算能力和传感器有较高要求，且多应用于大型平台，缺乏在便携、低成本平台上的验证。因此，本研究旨在开发一种结合了剖面浮标与水下滑翔机功能的便携式水下剖面仪，并为其设计一种适应其性能特点的水平位移校正策略，以实现其在浅水区域的定点观测能力。
详细的工作流程主要包含三个核心部分：便携式水下剖面仪平台的设计与构建、水平位移校正策略的理论推导与算法开发，以及策略有效性的仿真与湖上试验验证。
首先，研究团队设计并研制了便携式水下剖面仪的原型机。该设备旨在满足快速响应和应急监测的需求，其总重仅11.25千克，总长1.26米，最大工作深度300米，最大线速度0.65米/秒。PUP的创新之处在于其宽广的俯仰角调节范围（-90°至0°），这使其既能像Argo浮标一样执行近乎垂直的剖面运动，又能像滑翔机一样进行有一定水平位移的滑翔运动。为实现这一特性，PUP没有采用大多数水下航行器使用的单配重块重心调节方案，而是创新性地采用了“双配重块”方案。该机制主要由两个电池舱配重块和一个可轴向移动的平台组成。在布放/回收阶段，两个配重块合并置于上限位，使设备保持水平姿态；在执行垂直剖面运动时，两个配重块对称分布并处于下限位，保证垂直姿态稳定；在执行滑翔校正运动时，通过两个合并配重块绕中心轴旋转来调整偏航角，通过移动平台的轴向位置变化来调整俯仰角。此外，其浮力调节机制采用电机驱动丝杠，带动伸缩活塞运动以改变净浮力，为上下运动提供动力。这种设计使得PUP在便携性和机动性之间取得了平衡。
其次，研究团队为PUP量身定制了一种基于虚拟锚泊概念的水平位移校正策略。该策略的核心目标是利用每个运动周期计算的“全深度平均海流速度”，在PUP的上浮阶段，通过计算出的目标俯仰角和偏航角进行滑翔，以修正时变海流引起的水平位移，实现定点观测。一个完整的PUP定点观测周期包括三个阶段：垂直下潜观测、滑翔上浮校正位移、水面定位与数据回传。HDCS算法大致可分为三个部分：海流速度预测、虚拟出水点位置估计以及滑翔校正运动姿态角规划。
在海流预测方面，研究团队优化了传统方法。传统方法如Merckelbach等提出的，通过水面漂流位移推算“深度平均海流速度”，存在两个问题：一是不同深度海流方向可能不同，仅凭表面流速推断深度平均流速方向误差大；二是不同时空条件下海流状况不一致，缩放系数难以确定。为此，本研究提出了“全深度平均海流速度”的计算方法。该方法以PUP第一个运动周期作为海流速度初始化周期，通过PUP首次垂直上下运动的入水点和出水点位置、下潜和上浮时间，直接计算出整个水柱的平均流速。从第二个周期开始，在已知滑翔校正产生的位移量的前提下，根据出水点相对于定点中心的位置偏差，可以反向推算出上一个周期运动期间海流引起的位移，进而预测下一个周期的海流速度。这种方法仅依赖PUP自身的定位信息和运动时间，无需额外传感器，计算量小，更适合PUP这样的便携式平台。
在确定了预测海流速度后，算法需要为下一个周期的滑翔上浮阶段计算最优的目标俯仰角和偏航角。其决策逻辑如下：首先，建立一个俯仰角知识库。基于运动学叠加原理，估计在仅受预测海流影响、尚未进行滑翔校正时，PUP下一个周期的虚拟出水点位置。然后，针对知识库中的每一个候选俯仰角，计算PUP以该角度滑翔上浮所需的时间以及能产生的水平校正距离。接着，通过遍历搜索，选择能使“虚拟出水点与定点中心之间的距离”与“滑翔校正距离”之间差值（即定点误差）最小的俯仰角，作为最优目标俯仰角。在选定俯仰角后，根据更新后的上浮时间重新计算更精确的虚拟出水点位置。最后，根据此位置与定点中心之间的方向，确定目标偏航角。整个算法的伪代码清晰明了，确保了在有限计算资源下的可实施性。
为了验证HDCS的有效性，研究团队进行了详细的运动学仿真。仿真使用了来自中国科学院南海海洋研究所发布的船载ADCP实测海流数据集（南海科学考察数据集），模拟了300米水深环境下PUP进行30个周期运动的情况，其中第1个周期为海流初始化（仅垂直运动），后29个周期以第1个周期的出水点为定点中心进行校正运动。仿真结果对比了使用HDCS和不使用HDCS（仅垂直运动）两种情况。结果显示，在使用HDCS的情况下，29个周期内PUP每个周期的出水点都基本被限制在以定点中心为原点、半径200米的区域内。水面定点误差最大为183.1米，最小为17.1米，平均误差为69.9米。相比之下，在不使用HDCS时，PUP在水面随波逐流，出水点逐渐远离部署点，29个周期后累积漂离定点中心最远距离达2603.6米，每个周期出水点相对于前一周期的平均位移为154.3米。仿真结果初步证明了HDCS在存在时变海流环境下实现定点观测的有效性。
最后，研究团队在千岛湖进行了实地湖试，以进一步评估PUP的运动性能并验证HDCS。试验分为两个阶段：前5个周期，PUP仅进行垂直上下运动作为对照；后5个周期，以第5个周期的出水点为定点中心，启用HDCS进行水平位移校正运动。湖试水深约30米。试验结果显示，在前5个非定点周期中，PUP的出水点逐渐漂离初始布放点，水平位置误差从6.5米增大至54.4米。而在后5个启用HDCS的定点周期中，各出水点与定点中心的平均误差为16.7米，最大误差为18.7米，并且误差呈现出收敛趋势。这表明，尽管千岛湖海流较弱且水深远浅于设计深度，PUP依然展现出了初步的定点观测能力。试验中也发现，由于水深较浅，PUP在滑翔上浮过程中偏航角未能完全调整到位或调整后剩余滑翔距离不足，导致了一定的定点误差，这为后续改进指明了方向。
本研究的结论是，成功研制了一款采用双配重块重心调节机制、具有大俯仰角调节范围（-90°至0°）的便携式水下剖面仪。基于虚拟锚泊概念，为PUP设计了水平位移校正策略，该策略通过使用“全深度平均海流速度”替代传统的基于表面流速推算的“深度平均海流速度”，提高了海流预测精度。仿真和湖试验证均表明，该策略具有良好的定点观测效果。在300米水深的仿真中，PUP能在较强时变海流下将平均定点误差控制在百米量级；在30米水深的千岛湖试验中，PUP能将平均定点误差控制在20米以内，初步具备了在指定区域实现长期观测的能力。
本研究的亮点在于：第一，平台创新：研制了重量轻、可快速部署、兼具垂直剖面和大范围姿态调整能力的便携式水下剖面仪原型，其双配重块重心调节机制设计巧妙。第二，算法创新：针对便携平台资源受限的特点，提出了计算简便、仅依赖自身导航信息的“全深度平均海流速度”预测方法，并在此基础上开发了完整实用的HDCS决策算法。第三，验证全面：研究流程完整，从理论推导、仿真验证到实地湖试，层层递进地证明了所提策略的有效性。第四，应用导向明确：着眼于解决Argo浮标无法定点观测的实际问题，为小尺度海洋环境长期监测提供了一种低成本、便携化的潜在技术方案。
研究的价值体现在科学价值与应用价值两方面。科学上，它推进了虚拟锚泊技术在小尺度、便携式观测平台上的应用，为海流影响下的水下航行器路径规划与控制提供了新的思路和算法。应用上，PUP及其HDCS有望用于近海环境监测、生态调查、应急事件跟踪（如污染物扩散）等需要长时间驻留特定水域的场景，弥补了大型观测设备成本高、部署不便，以及传统浮标机动性不足的缺点。
当然，研究也指出了不足之处和未来方向。千岛湖的浅水环境限制了PUP性能的充分发挥，未来需要在更深的水域（湖泊或海洋）进行试验。此外，还需要优化PUP在水平位移校正过程中的转弯性能和机动响应能力，并深入研究在浅水工作环境下提高滑翔校正过程的效率。这些都将为PUP最终走向实际业务化应用奠定坚实基础。