为极地作业而生 解析无人船在南极科考中的技术要求

第34次南极科考

国产无人船首进南极海域

       2017年11月，中国第34次南极科学考察正式启动。国家海洋局南海调查技术中心使用珠海云洲智能科技股份有限公司（以下简称“云洲智能”）研发生产的4艘无人船，代表“中国智造”远赴南极，执行为极地科考船“雪龙号”寻找新锚地的任务。

图 | 2017年11月，云洲无人船伴随“雪龙号”前往第34次南极科考

       无人船此次“为国出征”，一路向南，目的地是中国科学家几经寻觅才发现的一处可供建站的区域——位于罗斯海西岸的难言岛（恩科斯堡岛）。

       罗斯海离南极点很近，是南极大陆所有边缘海里最向南延伸的一片海，自然条件非常恶劣，“盛产”超强、超干、超冷的风。尽管自然条件越独特，往往意味着科考价值越大，但这确实会给工程建设和前期的准备工作带来巨大的挑战。而且此前大家都没有抵达过罗斯海区域，更没有掌握当地完整的地理数据，如果没有找到合适的锚地，就让“雪龙号”贸然进入，存在很大风险。即便是用传统方式，用有人艇去探测，风险也很高。

       于是，无人船被委以重任，替“雪龙号”先行探路，寻找合适的锚地，开始了在南极科考的“无人探索之旅”。

恶劣环境下

无人船展现出色作业能力

       无人船出发前，云洲智能的技术人员为了这次南极任务，提高了无人船的设计等级，包括板材的厚度、结构强度，以及电子元器件的设计都做了相应的考虑。最终，经过一系列严酷的测试，云洲智能无人船的动稳性、噪音等各项指标均达到了这次探测任务的要求。

       抵达目的地后，云洲智能的4艘无人船就第一时间开始运作。因为肩负“先行探路者”使命，这次无人船的南极之行并不轻松——时间紧，任务重，必须把握好时间窗口，在最短时间内掌握数据提供给大船“雪龙号”并为其找到合适的锚地，才能确保下一步考察工作尽快顺利开展。

图 | “雪龙号”布放云洲无人船

       无人船执行任务时，虽然南极区域已是极昼，温度有所回升，但气温也在-10℃左右，瞬间的阵风风速可达到40米/秒。面对如此恶劣的天气条件和地理数据缺失的复杂水域，4艘无人船不惧风雪和低温，立刻投入工作。其中，一艘体长5.65米、船宽2.4米、续航能力超过100海里的M80B“极行者”海洋调查无人船平台（以下简称“M80B”），搭载多波束设备进行深水区扫测。另外三艘体长1.6米的SE40全自动采样监测无人船，则搭载单波束，主要负责近岸区域的水深地形勘测。

图 | “M80B“极行者”海洋调查无人船平台测量现场

图 | SE40全自动采样监测无人船测量现场

       经过大约20小时的工作，4艘无人船在难言岛（恩科斯堡岛）周边海域，完成了5㎞²海域多波束全覆盖海底地形测量，出色完成了任务，同时也填补了该区域的数据空白，为船舶的安全航行和中国第5个南极科考站建设提供了基础空间地理信息数据支撑。

图 | 无人船测量现场航行监控

图 | SM80B搭载多波束条带测深系统采集的难言岛海域水深地形

（海床上可见明显的冰川侵蚀痕迹）

无人船在极地海域的

“暗藏绝技”

       用于极地海域的无人船，在实际作业中会面临各种严峻的考验，从设计研发阶段就需要充分考虑环境限制与功能需要，在船体结构强度、动力系统选型、电子元器件选型等方面做大量“功课”，方能赋予无人船一身“绝技”，保障其充分发挥智能化优势。

绝技一：为极地作业而生

       目前水面定位导航主要依靠卫星，即GNSS（Global Navigation Satellite System）和罗经（GYRO）相结合的方式，GNSS可提供实时平面坐标，罗经可提供艏向信息，然而高纬度地区一方面卫星数量有限，定位精度下降，同时靠近极点地磁指向作用失效，罗经无法“寻北”，因此使用传统的GNSS+GYRO组成定位导航系统的方案在极地是无法正常使用的。M80B设计之初就针对极地特殊工况，在定位导航设备的选型、集成优化方面下了功夫：用通过双卫星定位天线载波相位差定向的POS（Position & Orientation System）方案替代GNSS+GYRO方案实现定位定向功能，并加入惯性测量设备（IMU）与POS紧耦合为无人船、多波束条带测深系统提供高精度定位、定向数据以及高精度姿态数据；为了提高卫星定位数据的信噪比，在较低矮的艏天线安装位设计能够削弱水面多径效应的扼流结构安装面，提高卫星定位数据质量。

图 | SM80B艏部GNSS天线安装位的扼流结构

绝技二：比人“抗冻”，无人船可在-55℃环境下作业

       第二大考验是低温环境。

       当气温低于-50℃时，飞溅的海水会在船体表面结冰。无人船上因为无人值守和除冰，如果大量结冰后不能自行滑落，会影响船上设备及系统正常工作，对船体的稳性也会影响，从而导致探测数据误差加大甚至作废。

       云洲智能的无人船采用耐低温的新型材料，确保在-20℃到-55℃的气温条件下电控硬件仍能正常使用。而且，其船体设计也有亮点：云洲M80B“极行者”海洋调查无人船平台应用的“穿浪式”球艏，不仅能有效减少船舶纵向晃动，也有助于降低对船体搭载声学探测设备的干扰，更好地保证测量数据精度。无人船还可按现场需要选配升降鳍和全水密设备舱，有利于在低温环境中有效保护测量设备。

绝技三：比人“结实”，无人船可抵御浮冰和海浪的反复冲击

       第三大考验是浮冰和海浪的反复冲击。

       为了更好地在极地海域破冰逐浪，云洲智能的海洋调查无人船采用三体船型设计，在快速性、稳定性、耐波性等方面表现出色；壳体采用高耐候性铝合金锻造，充分利用了铝合金强度高、耐蚀性能好、低温下不冷脆的优点；考虑到海水盐分较高，无人船还采用了抗腐蚀材料。

       所以，无人船只要各项性能出色，完全可以在极地海域劈波斩浪、高效作业。

绝技四：比人“能走”，无人船可进入复杂水域 拓宽作业范围

       第四大考验是极地海域水况复杂。

       南极一到夏季，就会有大片大片的浮冰在水面上“游走”。如果使用传统的有人艇去做海洋探测，驾船在这些浮冰缝隙里，一旦浮冰相撞就非常危险。1914年，一艘英国的探险船曾到南极有“魔海”之称的威德尔海考察，遇到浮冰相撞被瞬间吞噬。除了浮冰，南极还有更可怕的鲸鱼群，它们中的虎鲸被喻为“海上屠夫”，对人类而言也是不小的威胁。

       此时，运用无人船就充分展示出了安全、高效、省心的优势。科考人员只需要在后方指挥无人船操作，即可轻松进行海洋探测，获取高质量的数据。还能操控无人船深入复杂水域，进一步拓宽作业范围。

       综上所述，无人船具备在部分严苛自然环境下工作的能力，在规定时间内完成预定任务，提高工作效率，降低劳动强度，保障人员安全。若采用多船协同测量，还可进一步提高测量效率。最后，从费用角度而言，采用无人船进行测量作业，消耗能源仅为有人船作业的十分之一。这将为远洋作业的母船节省大量的燃油成本，同时宝贵的载荷可以让给其它物资。

结语

       “雪龙号”和“雪龙2”号的双龙探极，让我们看见的不仅是万吨巨轮的破冰远行，还有极地科考人员不畏艰辛、百折不挠、探索不止的初心。无人船体型虽小，但也和这两艘巨轮一样，承载着兴海强国的光荣与梦想。

       极地科考从对个别海域的观测，到长期、持续、大范围海域开展独立调查，调查的深度、广度不断增加，对海洋调查无人船充实科考力量的需求亦与日俱增。用无人科技，探无人之境，让更多的极地海域调查依靠无人船实现自动化，将助推我国加快从极地考察大国向强国迈进。