我國臺灣島以東、南海大部分海域以及第一島鏈以外至西太平洋和北印度洋都屬于深海范疇。深海蘊含豐富的自然資源,應用空間廣闊,戰(zhàn)略價值極高,是我國海洋強國戰(zhàn)略的重要組成部分。加強深海認知與開發(fā),不僅是我國自身發(fā)展的需要,而且是為人類謀取更大生存空間的重要方向。搶占深海先機即可獲得未來海洋權益的主動權。因此,深海控制權成為海洋強國競相爭奪的戰(zhàn)略制高點。作為深海認識和開發(fā)的基礎,海洋環(huán)境保障建設必然成為關注的焦點和研究的重點。
深海開發(fā)海洋環(huán)境保障涉及平臺、裝備和技術等多個層面,但目前國內外尚無體系層面的分析總結。本研究首先分析深海開發(fā)建設對海洋環(huán)境保障的需求,然后從航海導航、海洋測繪、海洋調查3個方面分別分析國內外現狀,最后提出發(fā)展建議,以期為深海開發(fā)科研和建設工作提供參考。
1 需求
深海海域具有廣闊性、連通性、隱蔽性特點,但開發(fā)探索尚淺、經略潛力巨大,愈發(fā)呈現出戰(zhàn)略地位和應用價值,各海洋強國近些年都在加緊深?；亍摵狡?、通信等領域的科技研發(fā)。認知環(huán)境是開發(fā)利用的前提條件,因此海洋環(huán)境保障必須與時俱進,深入研究深海對海洋環(huán)境信息的需求,加強深海海洋環(huán)境保障建設。
1.1 深海導航定位
深海導航定位是深海航行的基礎和難點問題。水上方向,可使用多種導航定位方式,其中衛(wèi)星導航是主要方式。水下方向,深海導航定位無法依靠衛(wèi)星導航系統(tǒng),可運用慣性導航、聲學導航和海洋地球物理導航及組合導航等多種方式,其特點分別如下:慣性導航僅能在入水前根據初始點推算導航定位,無法實時反饋和修正位置信息,隨著深海航行距離和時間的累積,不可避免存在偏差;聲學導航利用信標發(fā)射和接收聲學信號,通過一定的算法推算導航定位,分為長基線、短基線和超短基線3類,但受海水介質制約,存在嚴重延遲、易受干擾和易暴露等問題;海洋地球物理導航的誤差與作業(yè)距離和時間無關,具有受限少和隱蔽性強等優(yōu)勢,是全球研究熱點,通過識別和提取采集到的實時地球物理信息和內置數字圖像的特征點,實現深海探測定位和環(huán)境地圖合成,但是匹配精度與海域特征變化程度相關。
1.2 深海航行操控
深海航行需要可靠的海洋環(huán)境信息提供保障。深海潛器使用需要掌握海流、內波、躍層、海底地形、海底底質等海洋環(huán)境要素信息;深海裝備使用需要海流、海洋聲速場、海洋重力場、海洋地磁場、海底地形等海洋環(huán)境要素信息的支撐;海流、內波等海洋環(huán)境參數對水下平臺裝備的使用效能影響很大。此外,深海生物、化學物質、地震、火山等環(huán)境也對航行安全帶來影響。
1.3 深?；亻_發(fā)
深?；厥且陨詈：５诪榛A的人工構筑物,可用于水下物資和能源儲存,是深海開發(fā)的重要基站。海流、內波、溫度、鹽度、密度、地形、底質、重力、磁力、聲道、噪聲、生物、化學等環(huán)境要素深刻影響深?；氐氖┕そㄔO、使用壽命和效能發(fā)揮等方面,因此必須在充分考慮深海環(huán)境的前提下,認真開展空間選址、規(guī)劃和建設。
1.4 深海救援打撈
潛航器失事及海上沉船等海難事故時有發(fā)生,催生了深海救援與打撈技術的發(fā)展。深海救援打撈需要通過聲吶探測技術獲得海底地形數據和失事海域圖像,判別失事艦艇及其人員方位信息,綜合分析海風、海流、海浪、海溫等信息,研究并確定搜救方案。
2 現狀與差距
2.1 現狀
當前,美國具有國際領先的全球海洋環(huán)境數據獲取與處理能力,在深海海洋環(huán)境綜合觀測與信息應用的技術水平和保障能力均處于國際領先;我國在海洋科技領域起步較晚,近些年開始在海洋方向加大投入,相應的支撐保障能力在不斷提升,部分領域達到國際先進水平。
2.1.1 航海導航
(1)水上方向。美國的GPS是世界上最先進的全球衛(wèi)星導航定位系統(tǒng),其軍用定位精度水平可達0.1 m,民用單點定位精度優(yōu)于5 m、高程精度優(yōu)于10 m,可以為地球表面98%的地區(qū)提供準確的定位服務,在世界各國的船舶、軍艦上得到廣泛應用。我國衛(wèi)星導航應用設備可接收GPS、GLONASS、北斗二號導航衛(wèi)星信號;我國的北斗三號已實現全球大部分覆蓋,性能與GPS相當。
(2)水下方向。美國的慣性導航技術屬國際領先。環(huán)形激光陀螺導航系統(tǒng)已經大批量生產并得到廣泛應用。“深海導航定位系統(tǒng)”項目通過在海床安裝聲吶信標,幫助水下平臺精準定位。水下潛航裝備配有海洋物理場輔助導航模塊。我國水下導航裝備研制取得一定突破,慣性導航設備精度不斷提高,長基線定位和差分水下GPS定位系統(tǒng)處于技術吸收與消化階段,聲學定位集成應用已為深海石油勘探提供重要技術保障。海洋地球物理導航方面目前處于理論體系研究與仿真驗證階段。
2.1.2 海洋測繪美國方面:①航天測量裝備已成規(guī)模。在軌測高衛(wèi)星、地球物理場測量衛(wèi)星和遙感衛(wèi)星眾多,可快速獲得并更新海面浪高、重力場、磁力場、海底地形等海洋環(huán)境信息。②水面測量裝備性能先進。美國測量船自動化程度高,電子設備齊全,綜合測量能力強,可準確測量多種海洋環(huán)境參數。③水下測量裝備技術領先。廣泛使用水下無人航行器,加裝測深儀、多波束測深系統(tǒng)、側掃聲吶、合成孔徑聲吶等裝備,用于海底地形等測量。
在衛(wèi)星和測量平臺方面,我國處于國際先進水平,但是在測量設備儀器方面遠落后于世界先進國家。近些年由于國內加大投入,取得了一些突破,如研制成功具有自主知識產權的淺水多波束測深系統(tǒng),此外深水多波束測深系統(tǒng)、側掃聲吶和淺地層剖面儀正在研制中,重磁力測量信息采集平臺逐步實現多樣化,海洋重力和磁力測量儀器研制國產化取得成效。在數據處理方面,具備數據融合處理和誤差處理能力,如構建全球海域2'×2'平均海平面高模型,建立15'×15'全球海洋潮汐模型;構建多尺度多專題海洋測繪數據庫,初步建立數據庫驅動的海圖生產體系,具備數字海圖、紙質海圖、航海書表、航海通告等產品數字化生產能力,基本具備深遠海航海安全保障能力。
2.1.3 海洋調查美國方面:①衛(wèi)星遙感海洋環(huán)境監(jiān)測能力較強。通過在軌20余顆氣象衛(wèi)星和海洋衛(wèi)星,可獲取各種大氣和海洋環(huán)境參數,提供風場、海水透明度、海表溫度等海洋環(huán)境信息,用于保障飛機和船舶航行等。②海洋調查船性能先進。美國擁有專業(yè)調查船500余艘,可實現全球作業(yè),配裝的調查裝備性能先進,綜合調查能力強。③水下調查裝備發(fā)展快。溫鹽深儀、聲速剖面儀等裝備能夠實時獲取海洋環(huán)境信息。廣泛使用水下無人航行器、潛標和浮標,能夠實現水下環(huán)境的大范圍自主測量。美國重視海洋環(huán)境無人值守監(jiān)測技術的發(fā)展,研制成功ARGO浮標并被世界各國廣泛使用,目前在用3600余枚,能夠實時獲取海洋0～2000 m的溫鹽深數據;重視深海潛器的發(fā)展,引領全球深海環(huán)境探測技術。我國航天測量平臺共有海洋系列衛(wèi)星3組、風云系列衛(wèi)星(FY-2、FY-3、FY-4)9顆、高分系列衛(wèi)星33顆。民方共有48艘調查船,個別調查船已經具備國際同等或者領先水平。除平臺外,另有系列海洋水文氣象裝備,主要包括溫/鹽/密、潮汐、海浪、流速/流向、海水透明度、云、風、溫/壓/濕、降水、能見度、天氣現象等12類設備;聲學調查裝備包括底質取樣與測量系統(tǒng)、水聲探測浮標系統(tǒng)、拖曳式水聲信號發(fā)射系統(tǒng)、海底表層底質探測系統(tǒng),具備海洋聲傳播、海洋環(huán)境噪聲、海洋混響、海底底質分類、海底底質取樣等調查能力。同時,我國也在努力發(fā)展國產化的水下無人航行器、潛標和浮標,并在南海開展了中尺度渦觀測實驗。
2.2 差距
進入21世紀以來,國內外在深海開發(fā)海洋環(huán)境保障方面已取得不少成績,但與人類認知海洋、開發(fā)海洋、經略海洋的迫切需求仍有不少差距。
2.2.1 深海導航定位能力不足,時空精度有待增強無論是北斗還是GPS,在海上都難以建立常規(guī)CORS站,同時水下無法使用衛(wèi)星導航技術;慣性導航設備自主定位精度不斷提升,但是高精度設備造價太高,難以大范圍推廣。同時,海洋地球物理導航理論方法研究有待深化,未能形成實用化輔助導航能力。
2.2.2 深海信息獲取手段有限,自主保障能力待提升尚未建立深海立體探測技術體系,大面積快速探測能力與需求存在差距;水下潛器與海底觀測平臺有待建設,對重要海域自主觀探測能力不足;基于無人平臺的觀探測設備在續(xù)航能力、穩(wěn)定性、可靠性等方面仍有較大提升空間。
2.2.3 深海信息處理水平較低,業(yè)務化運行有差距基于現代海洋科學技術的多源海量異構海洋環(huán)境數據處理、分析、預報、輔助決策等能力建設還需加強,大數據、云計算和人工智能等高新技術未能有效落地應用;海底地形、重力場、磁力場等模型數據標準未統(tǒng)一,未建立生產和應用體系;缺乏新型裝備觀探測數據質量控制與標準化處理手段,缺乏多源同步觀測數據融合處理、典型復雜海洋環(huán)境診斷分析、海洋環(huán)境信息檢驗評估與典型海洋現象高精度診斷裝備。
2.2.4 深海信息應用層次不高,決策支撐能力不足未充分掌握深海環(huán)境時空規(guī)律和分布特征,難以深入分析、挖掘、運用深海海洋環(huán)境信息,僅作為宏觀了解之用;海洋環(huán)境數據對平臺裝備影響模型掌握不清,對深?；匮芯颗c開發(fā)、各類平臺裝備運用難以形成具體、針對性評估指導。
2.2.5 深海信息傳輸接收困難,可靠性和效率待提升深海水下信息傳輸是國際性難題,主要利用海底通信電纜、水聲中繼站、低頻大功率聲吶系統(tǒng)等設備。目前,水下通信網發(fā)展尚未成熟,深海信息傳輸量少,限制了大規(guī)模使用。
2.2.6 深海信息整合能力薄弱,服務保障能力有限海洋環(huán)境領域標準化體制機制相對不完善,更多是面向科學應用,導致海洋環(huán)境信息分析、評估、處理、應用等方面效率不高;海洋環(huán)境數據大多分散于各個涉海部門和單位,以滿足部門需求為主,各自調查和搜集的重點和水平存在較大差異;近些年國內外通過數據共享計劃實現部分資源的開放共享,但是仍有大量數據、軟件、模型只在實驗室內部,難以被外界了解,影響科技成果的價值發(fā)揮。
3 發(fā)展建議
從全球角度來看,深海開發(fā)海洋環(huán)境保障仍有較大發(fā)展空間。針對海洋環(huán)境保障存在的6個方面問題,本研究從學科發(fā)展與技術研究層面提出重點發(fā)展建議。
3.1 深海導航定位:組合導航、高精地圖、量子導航
為滿足深海作業(yè)時空框架建立和位置服務需求,應重點開展新一代高精度水下導航定位關鍵技術攻關,持續(xù)提升水下航行安全保障能力。針對水下平臺長時間自主航行需要,應加強深海定位標校和被動定位理論方法研究,繼續(xù)推進慣性導航系統(tǒng)、多普勒導航系統(tǒng)、重力場輔助導航系統(tǒng)、海底地形輔助導航系統(tǒng)和磁羅經等若干手段共同組成的組合導航技術研究;開展量子導航技術應用研究,推進完善高精度水下導航地圖模型構建,推動高度集成化、模塊化、小型化的導航定位裝備研制。
3.2 深海信息獲取:無人化、多平臺、智能化
為提高深海數據獲取能力,應重點開展水下監(jiān)測系統(tǒng)、水下無人觀探測和海底觀測網組網技術等方面研究,增強水下信息獲取保障能力。應深化海底觀/監(jiān)測技術研究,重點解決海底觀/監(jiān)測網水下數傳以及水聲通信區(qū)域網絡接入、接駁、控制和供電等技術難題,形成布局合理、運行穩(wěn)定、自動化程度高的海底觀/監(jiān)測網。重點突破AUV和水下機器人自主觀探測作業(yè)能力建設,在重點海域形成自主觀探測能力。重點開展具備多平臺協(xié)同感知和機動組網能力的海底觀/監(jiān)測網絡建設,突破海底觀/監(jiān)測網能源供給、水下通信傳輸、水下接駁安全防護等技術瓶頸。突破水下無人自主測量系統(tǒng)智能診斷及遠程測試、深海平臺遠程遙控等技術瓶頸,水下自主觀探測技術趨于成熟。
3.3 深海信息處理:大數據、空間站、實時化
為提高深海海洋環(huán)境掌控能力,應重點開展模型精化理論方法研究,提升海洋環(huán)境保障的算力和效率。依托岸基算力,面向長周期深海自主巡航,開展海洋溫鹽結構場、聲速梯度場、地球物理場的標準化數據處理方法研究,提升高性能計算機、服務器、工作站性能,利用云計算和大數據相關技術,建立分布式數值預報和產品制作平臺;精化深海海洋環(huán)境時空結構特征及其變化規(guī)律,豐富完善深海海洋環(huán)境對裝備運用影響評估的理論方法體系,探索利用深海空間站作為海洋環(huán)境數據存儲、分發(fā)和預處理的新平臺,提升深海環(huán)境保障的自主性、安全性和時效性。
3.4 深海信息應用:全息仿真、全域賦能、全維融合
為促進深海海洋環(huán)境數據融合,應重點開展多源異構深海海洋環(huán)境信息的融合處理、仿真和輔助決策支持,提升深海海洋環(huán)境信息應用支撐能力。建立融合各類海洋環(huán)境信息的全空間信息表達模型和基礎平臺;為海底基地和設備部署等海洋建設提供空間選址輔助決策;利用虛擬現實、增強現實和混合現實等技術構建分布式動態(tài)仿真系統(tǒng);建立支持云計算、邊緣計算、物聯(lián)網的泛地理信息管理系統(tǒng),面向海洋各類傳感器平臺提供空間計算和管理能力,完成海洋環(huán)境分布式動態(tài)仿真與可視化系統(tǒng),實現應用領域全覆蓋。
3.5 深海信息傳輸:綜合組網、遠程控制、量子通信
為滿足深海各平臺之間以及深海平臺與天基平臺之間的互聯(lián)互通需求,應重點開展?jié)摶吞旎畔鬏斈芰ㄔO,提升深海海洋環(huán)境保障的效率、安全性和可靠性。加強水下光纜、聲學通信和衛(wèi)星通信組網建設,實現多手段綜合組網,提高網絡覆蓋、容量、接入、服務、管控、安全防護等能力,初步構建深海海洋環(huán)境數據傳輸和交換能力;進一步拓展通信手段,發(fā)展不同頻段水下無線通信裝備,實現深海水下設備的遠程控制,為深海海洋環(huán)境信息提供傳輸服務保障,提升大深度通信能力,滿足遠距離、大深度對潛通信需求。
3.6 深海信息整合:開放共享、眾源眾包、知識圖譜
為解決當前海洋環(huán)境數據散亂問題,應重點開展多源數據融合、共享與互操作機制生成和技術方法研究,充分挖掘數據價值。加強對ISO(國際標準委員會)和IHO(國際海道測量組織)等國際組織最新行業(yè)內標準的跟蹤分析、消化吸收和轉化應用,推動國際范圍內融合數據標準體系和評估體系的構建。整合多方渠道數據資源,建設海洋環(huán)境垂直搜索引擎,重點發(fā)展深海方向,構建多源數據評估、轉換、同化、融合和應用技術體系和運行機制,形成可應用于深海環(huán)境的標準化產品數據集,構建海洋環(huán)境知識圖譜,實現多源異構數據集成、關聯(lián)與動態(tài)可視化。
4 結語
深海開發(fā)具有戰(zhàn)略意義,又極具挑戰(zhàn)。目前對于深海環(huán)境的認知程度與深海大開發(fā)的愿望還有較大差距。由于海水覆蓋,人類對于海底信息的獲取手段十分匱乏、精度十分有限,對其認知還不如月球表面,尤其對深?？臻g知之甚少。深海環(huán)境信息獲取、處理與運用必然是當前及未來一段時間內需要重點發(fā)展的方向。隨著深海開發(fā)利用的逐步推進,人類對于海洋環(huán)境信息的需求將越來越迫切,對于海洋環(huán)境數據采集、存儲、處理、應用、分發(fā)的研究與應用將不斷豐富,對海洋環(huán)境的認識也將不斷深化。從未來一段時間來看,深海開發(fā)海洋環(huán)境保障仍然“問題多、空白多、短板多”,本研究更多是從體系角度分析,給出一些全局思考和建議,希望能夠拋磚引玉、啟發(fā)思維。作者：陳長林,高級工程師,博士,工作 單位：中國科學院地理科學與資源研究所 資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點實驗室
