水下滑翔機組網通用規(guī)范+第1部分：總則編制說明

1標準編制說明一、工作簡況根據《全國海洋標準化技術委員會關于開展2022年度自然資源（海洋）標準制計量中心、青島海洋科技中心（原青島海洋科學與技術國家實驗室發(fā)展中心）、中國電子科技集團公司電子科學研究院參加起草。由全國海洋標準化技術委員會歸口管當前海洋觀測系統的發(fā)展趨勢是不斷向大范圍、長期連續(xù)、立體觀測方向發(fā)展，觀測方式正在由定點陣列觀測向多平臺協同組網觀測方向發(fā)展。水下滑翔機在巡航時時序的特點，通過組網技術編建以水下滑翔機為主體的水下無人系統協同網絡，可以信道傳輸，實現海上突發(fā)情況的快速響應以及對敏感海區(qū)的多源水文氣象數據觀測及要的海洋觀測系統和海洋觀測計劃中都存在水下滑翔機組網任務和試驗，在此過程中，水下滑翔機數據傳輸協議、數據質量控制、存儲等方面的研究和標準化也不斷完國內水下滑翔機研制起步晚，發(fā)展迅速，在水下滑翔機網絡組建方面進行了相關2網綜合觀測，參與組網的以“海燕”水下滑翔機為代表的無人系統達74臺（89臺次）。中國科學院沈陽自動化研究所等單位也開展了相關試驗。在標準化方面，我國各型水下滑翔機軟硬件接口、通訊協議、數據結構等各不相同，尚未有相關的標準化文件。起草組在現有研究基礎上，編制本文件。編制水下滑翔機組網系列通用規(guī)范，研制現狀，編寫組整理組網相關過程和規(guī)范性修訂工作計劃建議的函，天津大學聯合國家海洋標準計量中心、青島海洋科學與技術國家實驗室發(fā)展中心、中國電子科技集團公司電子科學研究院，提交了標準草案和建源部天津海洋中心、中國海洋大學、海軍參謀部某建設辦公室、32021部隊、中國電科電子科學研究院、中國船舶重工集團有限公司第七一〇研究所、浙江大學等單位的7名專家組成專家組。專家組聽取了起草工作組關于標準前期調研、結構框架、主要水下滑翔機組網的一般過程和要求，為組網的實施提供基本指導，目標明確，適用范翔機組網的一般過程和要求，提出了組網任務分類和參數、入網要求、任務分配方法、任務實施、標準數據存儲格式等項目，其核心技術內容有一定實驗基礎，具有較好的適用性和可操作性。4建議起草工作組啟動標準研制，嚴格按照標準化工作規(guī)范內容的起草》、GB/T20003《標準制定的特殊程序》等相關要3本標準主要起草人：王樹新、姚勇、王延輝、楊紹瓊、湯海榮、楊明、牛文棟、楊明、牛文棟、馬偉、譚攻克、苗展展、周會會負責國內外相關標準收集及相關二、標準編制原則和確定標準主要內容(如技術指標、參數、公式、性能要求、試驗方法、檢驗規(guī)則等)的論據（包括試驗、統計數1）本標準充分遵循了海洋標準制定程序的規(guī)定，按照GB/T1.1-2020《標準化2）在本標準編制過程中，盡量做到既要考慮國際先進水平，又要結合我國現有4）深入研究水下滑翔機組網發(fā)展戰(zhàn)略并跟蹤國內外水下滑翔機組網現狀與發(fā)展46）制定本標準的目的是為水下滑翔機組網研究機構和應用單位提供標準化的借路徑規(guī)劃、任務實施、信息傳輸、數據存儲等要求。適用于各類水下滑翔機組網任水下滑翔機組網是指以提高任務效率，提升綜合作業(yè)能力為目的，通過任務分任務分類。水下滑翔機網絡構建，其目的是開發(fā)和利用海洋，維護國家海洋安全和深海安全等，在維護領海安全、和平探索和利用國際海底區(qū)域，增強安全進出、科學考察、開發(fā)利用的能力，加強國際合作，維護我國在外層空間、國際海底區(qū)域和極地的活動、資產和其他利益的安全等方面具有重要意義。因此，主要任務分類包括面任務參數。面向不同組網任務，需建立相應任務模型，所包含任務信息決定所需觀測設備的數量和類型，主要有五個方面：一是組網海域深度信息，即任務需求規(guī)定的海域深度信息；二是組網海域位置信息，任務需求規(guī)定的海區(qū)，面向移動目標時宜根據其變化速度動態(tài)決定；三是組網觀測時間信息，任務規(guī)定的觀測時間，面向海洋現象時應考慮其壽命及觀測能力；四是組網任務觀測參數，任務決定的觀測信息，涵蓋溫度、鹽度、深度、海洋微結構、葉綠素、海洋背景噪聲等海洋物理生化參數；五面向不同組網任務，所需水下滑翔機種類、數量以及其應滿足的要求不同，主要5根據不同任務海域，為實現海域立體、全范圍覆蓋需求，參與組網的水下滑翔機應根據任務要求，滿足最大工作深度和最大航程或最長工作時間的要求。面向不同任務種類，需能搭載面向組網任務的傳感器，并具有一定擴展能力，能攜帶負載在水下控系統數據及指令交互能力；信息傳輸量不小于50byte/min；采用標準硬件接口，保證各型水下通信單元與岸控系統能正常連接；制定標準的數據傳輸協議，保證各型水水下滑翔機數據的后處理與數據共享。岸基操作與控制平臺能滿足數據傳輸和轉化，對于信息傳輸量不小于50byte/min，是根據水下滑翔機的數據傳輸要求，以及目前通信方式的指標來確定的，水下滑翔機長幀數據約為86byte，短幀數據約為通信短數據小于等于70B，數據≤9.6kpbs；常用北斗二號單次報文最大長度120漢口軟件硬件接口標準制訂時應考慮硬件接口限制，進行可行性分析及驗證；數據轉換服務器，并將其嵌入岸基操作與控制平臺的數據轉換模塊；應能顯示組網態(tài)勢圖；數組網任務是面向大范圍的海洋現象或目標，在實際組網中需進行任務分配，確定先級劃分；根據子任務初始范圍及動態(tài)特征建立子任務運動模型；通過任務指令交互6出一條從起始點到目標點的最優(yōu)解路徑，且要保證與障礙物無碰撞。合理有效的路徑行路線較為均勻地分割觀測區(qū)域；自適應采樣路徑規(guī)劃——根根據海洋現象典型特征和探測目標特性及其他任務的動態(tài)特性，利用近實時的采樣數據估計待測區(qū)域數據，利用相應航向角選擇策略，驅動水下滑翔機完成觀測任務。一般采用自適應采樣路徑模型。以一組離散位置點的采樣參數值表達整個區(qū)域的采樣參數場，位置點由該區(qū)域的經緯度按照一定分辨率離散得到。其中，二維海洋采樣參數場在經緯度方向以0.001°進行劃分；三維海域網格化需增加深度分辨率，以一系列深度層表示，參考HYCOM預報數據的垂向深度分層進行；假設在采樣任務完成之前，海洋采樣參數場環(huán)境參數與水下滑翔機模型。三是出水點航向角規(guī)劃。水下滑翔機浮出水面時，將該剖面采集到的數據傳遞給岸基平臺，高斯過程回歸模型將該剖面數據與歷史剖面采集到的數據相結合，并進行任務區(qū)域采樣參數場重構，給出基于當前訓練數據（當前剖面數據與歷史剖面數據）的采樣參數場重構結果，計算出采樣參數場對應的網格點的標準差。根據標準差最大化準則來選擇水下滑翔機下一剖面航行的航向角，進而結合采樣深度與滑翔角度確定采樣點。四是觀測任務結束判定。一般判定準則有：平均標7準差，事先確定一個平均標準差值作為閾值；固定觀測剖面數或均方根誤差，可以固定觀測剖面數比較均方根誤差，也可以固定均方根誤差比較觀測剖面數；覆蓋程度，當水下滑翔機采樣軌跡大致覆蓋整個觀測區(qū)域時，認為此時觀測數據已經能夠較好地自適應采樣路徑規(guī)劃一般采用互信息準則、極大熵準則和標準差最大化準則?；バ畔蕜t：對于兩個隨機變量，互信息是一個隨機變量由于已知另一個隨機變量而減少的“信息量”，采樣方案的目標應該朝向減少未觀測區(qū)域的條件熵，具體到互信息的話就是將某個觀測位置加入已有觀測點集后，已觀測點集與待觀測點集的互信息最極大熵準則：選擇采樣位置使未采樣區(qū)域的不確定性最小，也就是在已知某些觀測點的情況下，選擇未采樣中不確定性最大的點作為下一步的采樣點。標準差最大化準網格點對應的采樣參數觀測值是一個連續(xù)隨機變量，該隨機變量的信息熵和方差存在著一定關系。以信息熵為采樣標準的規(guī)劃結果和以標準差為采樣標準的規(guī)劃結果大致 組網任務實施主要包括編隊控制和信息傳輸兩大部分，具體實施細節(jié)將在本系列水下滑翔機在到達指定觀測區(qū)域后，根據任務模型進行組網隊形的保持及變換。水下滑翔機組網隊形控制是對水下滑翔機組網任務分配完成后進行隊形控制，具體實施時包括下述步驟：a）結合任務需求，設定水下滑翔機組網隊形與路徑；建立水下滑翔機動力學模型，并結合組網區(qū)域的海洋參數設定運行航點、剖面數量與剖面深水下滑翔機組網隊形的軌跡偏差以及編隊系統的能量消耗狀態(tài)；采用編隊控制算法進行實際軌跡與設定軌跡之間偏差計算，并將系統續(xù)航力作為優(yōu)化目標，采用輪換計算8制平臺將浮力參數與滑翔角度參數注入其控制系統，進而實現水下滑翔機的組網隊形水下信息傳輸。保證設備數據傳輸時的唯一性、可靠性和可辨識性；為保證數據傳輸安全性，可采取一定的加密處理；為保證傳輸的穩(wěn)定性和數據協議的通用性，制定規(guī)范化的水下滑翔機組網信息傳輸標準，確保水下滑翔機與岸控系統之間的通信需可采用NetCDF/xml/csv等物理海洋格式，通用數據涵蓋水下滑翔機編號、運行時間、位置（經緯度信息）、溫度、鹽與控制平臺具備集中存儲能力，便于對數據進行統一管理，收到水下滑翔機發(fā)回或下載的數據后，按照設備的單位、類型及編號等進行區(qū)分存儲；當組網臺數超10臺時，可按照5臺一組進行數據批量存儲；每臺設備數據都應有單獨子文件夾進行存儲，文件夾命名規(guī)則為時間_設備單位_設備類型_設備編號。岸基操作與控制平臺應專項課題“重點海區(qū)聲場－動力環(huán)境同步觀測與聲學探測”任務中，使用10臺“海燕”長航程水下滑翔機在南海瓊東海域開展了海洋動力環(huán)境及聲場精細觀測示范應技術與裝備”重點專項課題“南海北部關鍵中尺度現象聯合組網觀測”任務中，使用95臺“海燕”湍流觀測型水下滑翔機在南海北部開展了中尺度渦同步虛擬錨系定點觀南海北部開展了海洋動力環(huán)境及聲場精細觀測示范應用，引用《水下滑翔機組網通用四、采用國際標準和國外先進標準的程度，以及與國際、國外同類標準水平的對比情況，或與測試的國外樣品、樣機的有關數據對比情況?；A上搭載了熒光計、光合有效輻射傳感器，主要觀測冷水羽流及其相關結構。形對海洋特征進行自適應采樣，通過三次編隊試驗驗證了面向滑翔機編隊的自適應控北太平洋渦流和羅斯貝波對生物群落氧氣凈生產量的影響。為分解中尺度變異，2臺2006年秋季，海洋學家們在加利福尼亞中部海域開展samplingandprediction,ASAP)試驗。為行了定時修改，以獲得最有用的數據。此外，滑翔機編隊如何以不同的隊形覆蓋大面組建EGO(Everyone'sGlidingObservatories)的倡球范圍內建立多級合作，執(zhí)行全球、區(qū)域和近岸海域等不同范圍內長期多參數海洋監(jiān)測任務，隨后，澳大利亞、加拿大、南非和美國的海洋學家們也加入其中。迄今為AustralianNationalF翔機均搭載CTD、三參數光學傳感器和溶解氧傳感器，承擔域的測量任務，對該海域海洋現象，如渦旋內部物理和生物地球化學特性，內潮汐和沉積物再懸浮以及東澳大利亞洋流對陸架動力學影響等方面的研究做出了重大貢獻。2008年春季水華期間，美國WHOI和華盛頓大學合作在北大西洋海域布放了4岸鹽度、含氧量及營養(yǎng)物質分布的影響，“SFB754Climate-BiogeochemistryInteractionsintheTropicalOcea翔機是本次試驗的核心組成部分。試驗中，所有Slocum均沿直線重復采樣，共獲得環(huán)境調查時的位置以及對水下滑翔機數據的綜合利用，以提升海軍預測海洋環(huán)境的能力。同時，研究團隊在北卡羅來納近海進行了試驗，結果表明如既采用編隊，又改變以水下滑翔機為核心裝備，天津大學、中科院沈陽自動化所、青島海洋科學與技術國家實驗室發(fā)展中心（以下簡稱“海洋試點國家實驗室”）等均已開展了移動組網2017年7月，沈陽自動化研究所研導專項南海綜合調查航次第一航段科考任務中，共布放水下滑翔機12臺，實現了我觀測實驗，其中移動觀測平臺包括“海燕”水下滑翔機、各型波浪滑翔機等共計302018年6月，中科院沈陽自動化所組織開展的空海一體化立體協同觀測聯合試驗，投放的裝備有“云鸮100”無人直升機、“GZ-01”無人水面艇、“遠征二號”了含“海燕”水下滑翔機、兩型波浪滑翔器、HM-2000浮標、實時傳輸潛標等共計觀測區(qū)域以南海中部、南海北部為核心，輻射呂宋海峽及黑潮延伸體等海域，覆蓋海編制水下滑翔機組網通用規(guī)范總則，作為水下滑翔機組網系列規(guī)范的骨架和脈絡，有助于提高組網效率，其他水下無人系統參照執(zhí)行，可擴大組網范圍，更有