地球最后未被開(kāi)發(fā)的區(qū)域——海底，直接測(cè)量的海底精細(xì)地形占比不足1%……
2月19日，一項(xiàng)名為“智能敏捷海洋立體觀測(cè)儀”的項(xiàng)目啟動(dòng)，擬解決的重要科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題，正是針對(duì)上述3個(gè)難題。該項(xiàng)目的實(shí)施是我國(guó)海洋觀測(cè)走向“無(wú)人時(shí)代”的又一標(biāo)志性事件。
那么，“智能敏捷海洋立體觀測(cè)儀（ISOOD）”是一種什么樣的設(shè)備？目標(biāo)如何實(shí)現(xiàn)？近日，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、中國(guó)科學(xué)院院士陳大可對(duì)這項(xiàng)為期5年的科學(xué)行動(dòng)進(jìn)行科普和解讀。
什么是“智能敏捷海洋立體觀測(cè)儀”
2021年7月20日，古老的黃埔文沖船廠，開(kāi)始建造一艘新船——全球首艘智能型無(wú)人系統(tǒng)母船。
陳大可稱(chēng)其為海洋科考“新物種”，為其命名“珠海云”。
這艘智慧母船作為多種無(wú)人裝備的運(yùn)載工具和控制中心，可根據(jù)任務(wù)需求攜帶大批無(wú)人機(jī)、無(wú)人艇、自主水下潛器等裝備快速到達(dá)目標(biāo)區(qū)域，并通過(guò)專(zhuān)用的布放回收裝置實(shí)現(xiàn)無(wú)人裝備的批量化高效部署。
母船部署到位后，可形成從空中4000米到水下1500米、水平跨度160千米的立體協(xié)同觀測(cè)網(wǎng)，同時(shí)可投放剖面浮標(biāo)、表面漂流浮標(biāo)、漂流小浮子、探空儀等拋棄式裝備作為補(bǔ)充。
“智能敏捷海洋立體觀測(cè)儀”，正是以智慧母船為載體，通過(guò)空、海、潛的各型無(wú)人平臺(tái)跨域協(xié)同組網(wǎng)，提供一種全新的海洋觀測(cè)模式。
“縱觀海洋科學(xué)史，所有重大突破無(wú)一不是觀測(cè)技術(shù)和儀器設(shè)備創(chuàng)新的結(jié)果。”陳大可介紹，海洋科學(xué)作為一門(mén)以觀測(cè)為主要研究手段的科學(xué)，其發(fā)展在很大程度上依賴于海洋觀測(cè)儀器設(shè)備的技術(shù)水平。
近幾十年來(lái)，隨著海洋衛(wèi)星、自沉式剖面浮標(biāo)、錨定浮標(biāo)/潛標(biāo)網(wǎng)、自主水下潛器等技術(shù)手段的發(fā)展，全球海洋觀測(cè)取得長(zhǎng)足進(jìn)步。然而目前的觀測(cè)能力仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足海洋科學(xué)發(fā)展和工程應(yīng)用的迫切需求。
當(dāng)前，海洋資源開(kāi)發(fā)、海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展、海洋科技創(chuàng)新、海洋生態(tài)文明建設(shè)等方面的活動(dòng)日益增加，亟須提升快速、機(jī)動(dòng)、高效地獲取高時(shí)空分辨率海洋信息的能力，而發(fā)展和鞏固這一能力的關(guān)鍵在于自主研發(fā)先進(jìn)的海洋觀測(cè)儀器設(shè)備，并實(shí)現(xiàn)基于不同儀器設(shè)備的智能化組網(wǎng)觀測(cè)。
現(xiàn)有的各種海洋觀測(cè)平臺(tái)各有優(yōu)勢(shì)，但均存在一定的局限性。
例如，大型科考船的綜合調(diào)查能力強(qiáng)，但其運(yùn)營(yíng)成本非常高，且無(wú)法開(kāi)展大范圍同步觀測(cè)；衛(wèi)星遙感平臺(tái)能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)同步大范圍覆蓋，但難以獲取水下數(shù)據(jù)，尤其對(duì)深海的觀測(cè)能力不足；Argo（全球海洋觀測(cè)計(jì)劃）浮標(biāo)觀測(cè)網(wǎng)能提供海洋狀態(tài)的大尺度信息，但時(shí)空分辨率不夠，且缺乏機(jī)動(dòng)能力。
以無(wú)人機(jī)、無(wú)人艇和自主水下潛器為代表的無(wú)人智能觀測(cè)平臺(tái)具備智能、靈活、快速、機(jī)動(dòng)的特點(diǎn)，無(wú)疑代表了海洋觀測(cè)技術(shù)的前沿發(fā)展方向。但目前這些平臺(tái)搭載傳感器的類(lèi)型和數(shù)量有限，單一平臺(tái)無(wú)法滿足海洋任務(wù)多樣性的需求。雖然已有不少針對(duì)同類(lèi)無(wú)人自主平臺(tái)的組網(wǎng)觀測(cè)研究，但在跨平臺(tái)、跨域組網(wǎng)并形成敏捷、機(jī)動(dòng)集成系統(tǒng)方面的應(yīng)用實(shí)踐仍處于起步階段。在這方面搶得先機(jī)，對(duì)于促進(jìn)我國(guó)海洋科技發(fā)展和海洋強(qiáng)國(guó)建設(shè)具有重大意義。
目標(biāo)一：刻畫(huà)海洋三維圖像
“傳統(tǒng)海洋觀測(cè)手段的局限使得很多重要科技問(wèn)題至今懸而未決。”陳大可說(shuō)，“盡管 ISOOD的應(yīng)用范圍極廣，本項(xiàng)目將聚焦于海洋次中尺度渦旋、海洋與臺(tái)風(fēng)相互作用、海底精細(xì)地形測(cè)繪這三個(gè)重要問(wèn)題。”
刻畫(huà)海洋次中尺度渦旋的立體圖像，揭示其在海洋能量傳遞、物質(zhì)平衡和海氣耦合系統(tǒng)中的作用，是 ISOOD的目標(biāo)之一。
海洋次中尺度過(guò)程是指海洋中特征空間尺度為10千米、特征時(shí)間尺度為1天量級(jí)的運(yùn)動(dòng)。次中尺度過(guò)程廣泛存在于海洋上層，作為連接大尺度環(huán)流和小尺度湍流的物理過(guò)程，次中尺度過(guò)程在海洋能量級(jí)串中扮演著十分重要的角色。此外，由于通常伴隨強(qiáng)烈的垂向運(yùn)動(dòng)，次中尺度過(guò)程對(duì)海洋垂向物質(zhì)交換起著關(guān)鍵性作用，使得海洋中的熱量、鹽度和營(yíng)養(yǎng)鹽等物質(zhì)得以重新分配，進(jìn)而潛在影響地球氣候系統(tǒng)以及海洋生物化學(xué)平衡。次中尺度過(guò)程是目前海洋學(xué)研究的熱點(diǎn)話題，理解其特征和動(dòng)力機(jī)制對(duì)于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)海洋水文環(huán)境和未來(lái)氣候變化有重要意義。
2009年，美國(guó)國(guó)家研究委員會(huì)召開(kāi)了一場(chǎng)別開(kāi)生面的研討會(huì)，請(qǐng)與會(huì)專(zhuān)家提出2025年之前應(yīng)該并可能解決的最重要的海洋學(xué)問(wèn)題，次中尺度過(guò)程赫然名列榜首。雖然這方面的研究在此后十余年里取得了不小的進(jìn)展，但遺憾的是至今從未能有人在海上直接觀測(cè)到次中尺度渦旋完整的三維結(jié)構(gòu)，只能分析次中尺度渦的表象。
傳統(tǒng)海洋觀測(cè)手段的局限性是難以在海上完整捕獲次中尺度渦旋的主要原因。為突破這個(gè)局限，新的觀測(cè)手段必須滿足幾個(gè)條件。首先，由于海洋次中尺度渦旋空間尺度較小、持續(xù)時(shí)間較短，必須通過(guò)快速、立體、同步、組網(wǎng)的觀測(cè)方式來(lái)窺探其全貌。其次，由于伴隨次中尺度渦旋的垂向過(guò)程非常重要，必須獲取高精度的三維水文數(shù)據(jù)來(lái)準(zhǔn)確診斷其垂向速度。再次，為了追蹤和有效覆蓋多變的次中尺度渦旋，組網(wǎng)觀測(cè)必須具備靈活的調(diào)度、控制和自適應(yīng)能力。
擬研制的 ISOOD則可以滿足以上條件。利用 ISOOD，海洋科學(xué)研究人員可以首先利用衛(wèi)星遙感確定其所在的目標(biāo)海域，然后使用智慧母船快速抵達(dá)，布放多艘拖曳無(wú)人艇，一字排開(kāi)往復(fù)觀測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)次中尺度渦旋的同步覆蓋和精細(xì)化測(cè)量。科學(xué)家們將有可能捕捉到次中尺度渦旋完整的三維結(jié)構(gòu)，從而清晰刻畫(huà)海洋次中尺度過(guò)程的物理圖像，揭示其在海洋能量傳遞、物質(zhì)平衡和海氣耦合系統(tǒng)中的作用。這是令人興奮、期待的一刻。
目標(biāo)二：提高臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)能力
闡明上層海洋對(duì)臺(tái)風(fēng)的響應(yīng)過(guò)程和反饋機(jī)理，提高對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度和臺(tái)風(fēng)過(guò)程中海洋環(huán)境的預(yù)報(bào)能力，是 ISOOD的另一個(gè)主要目標(biāo)。
我國(guó)是世界上飽受臺(tái)風(fēng)影響的國(guó)家之一。提高臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)水平一直是國(guó)家防災(zāi)減災(zāi)的重大需求，也是海洋與大氣研究的前沿課題。
過(guò)去幾十年間，臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)水平一直穩(wěn)步提升，但其強(qiáng)度預(yù)報(bào)卻沒(méi)有明顯改善。大量研究證實(shí)，在預(yù)報(bào)模式中同化臺(tái)風(fēng)到來(lái)前的海洋現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，能夠有效改善初始條件從而提高臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)水平。
可是，在海上直接觀測(cè)臺(tái)風(fēng)以及海洋與臺(tái)風(fēng)的相互作用過(guò)程既危險(xiǎn)又昂貴。以往臺(tái)風(fēng)期間的海上觀測(cè)主要依靠衛(wèi)星遙感、少量的錨定浮標(biāo)和漂流浮標(biāo)，現(xiàn)場(chǎng)資料極其稀缺。最近，水下滑翔機(jī)和波浪滑翔器也開(kāi)始得到應(yīng)用，但還未形成多平臺(tái)智能化組網(wǎng)觀測(cè)的優(yōu)勢(shì)。
傳統(tǒng)的“守株待兔”式的海上臺(tái)風(fēng)觀測(cè)方法有顯而易見(jiàn)的局限性，不僅運(yùn)維成本高昂，而且空間分辨率低，缺乏機(jī)動(dòng)能力。為了突破這些局限，需要發(fā)展一個(gè)適應(yīng)于極端海況、可以根據(jù)臺(tái)風(fēng)路徑變化隨時(shí)調(diào)整、且兼顧水面和水下的跨域組網(wǎng)立體觀測(cè)儀器。
ISOOD的研制，正是為了更好地滿足上述要求。利用 ISOOD，科學(xué)家可以在臺(tái)風(fēng)到來(lái)前，將智慧母船開(kāi)到目標(biāo)區(qū)域?qū)嵤┙M網(wǎng)立體觀測(cè)，同時(shí)可潛無(wú)人艇下潛懸停，等待臺(tái)風(fēng)到來(lái)。臺(tái)風(fēng)過(guò)程中，可潛無(wú)人艇上浮發(fā)射探空火箭，并跟隨臺(tái)風(fēng)中心運(yùn)動(dòng)，獲取氣象水文信息。臺(tái)風(fēng)過(guò)去后，再次實(shí)施立體觀測(cè)。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)臺(tái)風(fēng)前、中、后期的上層海洋與海氣邊界層變化的精細(xì)觀測(cè)，以此闡明上層海洋對(duì)臺(tái)風(fēng)的響應(yīng)過(guò)程和反饋機(jī)理，提高對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度和臺(tái)風(fēng)過(guò)程中海洋環(huán)境的預(yù)報(bào)能力。
目標(biāo)三：繪制海底地形地貌
提升高精度海底地形地貌制圖效率，為海洋科學(xué)研究、環(huán)境保障、防災(zāi)減災(zāi)等提供關(guān)鍵基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，是 ISOOD要解決的第三個(gè)問(wèn)題。
海底地形對(duì)于地球和海洋科學(xué)的重要性怎么強(qiáng)調(diào)都不過(guò)分。例如，美國(guó)科學(xué)家瑪麗·薩普和布魯斯·希森于1977年繪制的第一張世界海底全景圖，首次為板塊漂移學(xué)說(shuō)提供了可靠證據(jù)，并為海底擴(kuò)張和俯沖理論奠定了基礎(chǔ)。
海洋科學(xué)家要依靠測(cè)深圖集來(lái)制定海洋科考計(jì)劃；遠(yuǎn)洋船隊(duì)需要精準(zhǔn)的測(cè)深地圖來(lái)確保安全高效的航行路線；業(yè)務(wù)部門(mén)要靠測(cè)深地圖來(lái)預(yù)報(bào)海嘯、風(fēng)暴潮并規(guī)劃應(yīng)對(duì)方案……
對(duì)于研究海洋環(huán)流、潮汐波浪、漁業(yè)資源、沉積物輸送、環(huán)境變化、水下地質(zhì)災(zāi)害、電纜和管道路線、海洋資源勘探和開(kāi)發(fā)、海洋基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等，海底地形都是必不可少的基本數(shù)據(jù)，同時(shí)也是當(dāng)今海洋信息中缺失極其嚴(yán)重的一項(xiàng)數(shù)據(jù)。
根據(jù)海床2030計(jì)劃規(guī)定的分辨率標(biāo)準(zhǔn)，全球已直接測(cè)量的海床面積僅占總面積的6%左右，而水平分辨率高于200米的海底精細(xì)地形占比更是小于1%。因此，海床被稱(chēng)為地球上最后的未開(kāi)發(fā)地帶。
高分辨率海底地形數(shù)據(jù)奇缺的原因是缺乏高效的測(cè)量手段。由于電磁傳感在海洋中的局限性，世界海洋的水深測(cè)量大多要利用現(xiàn)代聲學(xué)測(cè)繪技術(shù)，從水面或水下艦船平臺(tái)獲得。然而，使用單一平臺(tái)（單艘科考船、水面無(wú)人艇、自主水下潛器）開(kāi)展走航聲學(xué)測(cè)量的效率極低，嚴(yán)重滯后于人類(lèi)認(rèn)知海洋、開(kāi)發(fā)海洋的需求。為了彌補(bǔ)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料的匱乏，衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)也被用來(lái)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)資料制作海底地形圖，但這類(lèi)產(chǎn)品與多波束聲吶獲得的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量資料相比仍有相當(dāng)大的不確定性。
國(guó)際上首次大規(guī)模多平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)協(xié)同探測(cè)的嘗試發(fā)生于2018年對(duì) MH370疑似失事海域的搜索。使用8臺(tái)自主水下潛器搭載水深設(shè)備近底探測(cè)，并通過(guò)8艘無(wú)人艇對(duì)自主水下潛器提供一對(duì)一的水面通信和高精度定位支持，歷時(shí)138天完成了12.5萬(wàn)平方千米海域的搜索，是傳統(tǒng)單船走航作業(yè)方式效率的6倍。但目前該類(lèi)技術(shù)仍大多停留在一條大型母船支撐一臺(tái)自主水下潛器或遙控?zé)o人潛水器的階段，且在水面、水下無(wú)人節(jié)點(diǎn)的自適應(yīng)組網(wǎng)方面研究甚少。
針對(duì)海底地形地貌制圖強(qiáng)調(diào)測(cè)量精度和效率的特點(diǎn)，科學(xué)家們可以利用ISOOD快速、機(jī)動(dòng)的水面水下組網(wǎng)觀測(cè)能力，高效獲取所關(guān)注海底區(qū)域高精度和高分辨率的形貌信息。在深水區(qū)域，發(fā)揮水下平臺(tái)近底探測(cè)的高分辨率優(yōu)勢(shì)和水面平臺(tái)的高定位精度優(yōu)勢(shì)，自適應(yīng)組網(wǎng)，加速全球未知海床的精細(xì)化探測(cè)；在淺水區(qū)域，利用水面艇吃水淺、快速、機(jī)動(dòng)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)海陸過(guò)渡帶和島礁附近海域精細(xì)化海底地形地貌數(shù)據(jù)的有效采集，從而為海洋科學(xué)研究、環(huán)境保障、防災(zāi)減災(zāi)等提供關(guān)鍵基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
從技術(shù)角度考慮，ISOOD還面臨一系列不同于傳統(tǒng)觀測(cè)平臺(tái)的挑戰(zhàn)。擬研制的 ISOOD包括如下關(guān)鍵核心技術(shù)：廣域異構(gòu)無(wú)人節(jié)點(diǎn)集群組網(wǎng)協(xié)同控制；復(fù)雜海洋環(huán)境下的高可靠跨域異構(gòu)組網(wǎng)通信；廣域跨介質(zhì)環(huán)境下的時(shí)間同步與定位導(dǎo)航；數(shù)據(jù)可視化與科考作業(yè)管理；適用于復(fù)雜任務(wù)場(chǎng)景的多功能無(wú)人節(jié)點(diǎn)。在解決這些關(guān)鍵核心技術(shù)的基礎(chǔ)上，本項(xiàng)目擬分別研制無(wú)人節(jié)點(diǎn)集群組網(wǎng)協(xié)同控制部件、跨域異構(gòu)組網(wǎng)通信部件、時(shí)間同步與定位導(dǎo)航一體化部件、數(shù)據(jù)可視化與科考作業(yè)管理部件等四大核心部件，以及多功能海洋立體觀測(cè)專(zhuān)用無(wú)人控制節(jié)點(diǎn)。
如果把 ISOOD比作一款大型機(jī)器人，那么“協(xié)同控制”和“組網(wǎng)通信”部件是它的大腦，“時(shí)間同步與定位導(dǎo)航”是它的五官，“拖曳無(wú)人艇”“雙模無(wú)人潛器”“可潛無(wú)人艇”等多功能無(wú)人節(jié)點(diǎn)是它的臂膀，“數(shù)據(jù)可視化與科考作業(yè)管理”則是它的心臟。最關(guān)鍵和創(chuàng)新性最強(qiáng)的部件就是大腦和臂膀。值得一提的是，ISOOD項(xiàng)目啟動(dòng)前，智慧母船“珠海云”、批量化布放回收裝置和常規(guī)水面無(wú)人艇已于2022年底建成并投入使用。
可以預(yù)見(jiàn)，ISOOD將成為經(jīng)略海洋必不可少的“大國(guó)重器”。（信息來(lái)源：中國(guó)自然資源報(bào)）
