海洋中尺度涡旋（图1）作为海洋的 “隐形动力引擎”，剖析其三维水文结构对于理解气候系统演变、海洋生态过程以及海洋环境变化具有重要意义。但对中尺度涡内部三维温盐结构的准确刻画仍然面临较大观测挑战。水下滑翔机因其低能耗、长航时和多传感器搭载能力，已成为海洋原位观测的重要平台，但如何利用滑翔机稀疏采样数据实现三维场重建、如何优化滑翔机布放路径、以及如何在海流扰动下实现稳定航行，仍缺乏系统解决方案。

图 1 一个典型海洋中尺度涡温度场和盐度场的三维结构示意图

针对上述问题，研究从三个方面展开。首先，在三维水文场重建方面，研究提出了基于薄板样条插值（thin plate spline, TPS）的重建方法，并进一步设计了三维分块计算策略，在保持插值精度的同时显著降低计算负担。论文指出，传统 TPS 计算复杂度较高，而所提出的三维重叠分块策略可有效提升大规模滑翔机观测数据的重建效率，从而更适用于实际海上任务中的快速计算需求。

其次，在滑翔机路径设计方面，文章将路径设计表述为“以三维重建误差最小化为目标”的优化问题，重点考察了四类可操作的线性路径方案，包括平行式、垂向平行式、中心放射式和交叉式布放（图2a）。与以往主要关注二维表层重建误差或能耗最优的研究不同，该研究直接以三维水文场重建精度作为设计准则，从而使路径规划与科学观测目标更加一致。

再次，在滑翔机路径控制方面，文章提出了一种自适应控制算法。水下滑翔机航行速度较低，主要依靠周期性的下潜—上浮运动推进，且在水下航行过程中无法实时获取定位信号，只有在浮出海面后才能通过卫星定位获得当前位置（图2b），因此其路径控制面临海流扰动强、位置更新间断、实时纠偏能力受限等突出难点。针对这些问题，本文算法在每次滑翔机出水获得定位信息后，综合当前所处位置、预设航线以及海流信息，动态更新航向控制策略，并通过对“偏离设计路径的程度”和“接近目标终点的程度”进行加权平衡，使滑翔机在弱海流条件下尽量贴近预设路径，在强海流条件下仍能保证任务完成并安全返回，从而兼顾观测质量与运行安全。

图 2 水下滑翔机路径设计示意图：（a）水下滑翔机编队的四种路径设计方案在海表面的投影；（b）水下滑翔机的下潜-上浮运动过程

在模拟与真实海洋环境的综合实验中，研究系统验证了所提方法在三维重建、路径设计与路径控制三个层面的有效性：在插值重建方面，TPS在考虑垂向相关性的三维分块框架下优于反距离加权与克里金方法，相较于次优的三维 Kriging 使温度和盐度重建误差分别降低 9.3% 和 14.5%；在路径设计方面，随着滑翔机数量增加，三维重建误差总体下降，其中平行式和中心放射式路径表现较优，而当平台数量增加至约 7 台后，继续增加的边际收益已明显减弱（图3）；在真实海洋验证中，基于 2024 年 9 月黑潮延伸体区域三个真实中尺度涡的实验结果表明，所提 TPS 重建框架在背景流与观测误差存在的条件下仍具有较好稳定性，且随着平台数量增加和路径覆盖改善，重建精度显著提升；在路径控制方面，通过对 5 组任务场景和 8 种启发式优化算法的比较发现，即使在强海流扰动下，所提出的自适应控制策略仍能保证滑翔机完成任务，且单次控制求解时间通常不超过 30 秒，显示出良好的实际部署潜力。

图 3 (a) 8台滑翔机在不同布放方案下的涡旋重构误差；（b）平行方案下采用不同滑翔机数量的涡旋重构误差。

值得一提的是，本文提出的水下无人平台组网最优路径设计方案与自适应路径实时控制算法，已为团队于2024年9月依托基金委NORC2024-584共享航次计划在黑潮延伸体区域开展的中尺度涡旋精细化组网观测提供了关键算法支撑。该航次联合7台自主水下滑翔机实现了对目标中尺度涡旋三维结构的高分辨率、广覆盖观测。

这项研究的系统性框架，让水下滑翔机成为观测海洋中尺度涡旋的 “精准利器”，为海洋动力过程研究、海洋环境监测提供了重要技术支撑。  

论文详见：

Wu Su, Xiaoyuan E, Zhao Jing, Song Xi Chen; Glider path design and control for reconstructing three-dimensional structures of oceanic mesoscale eddies. Proc. A 1 March 2026; 482 (2333): 20250533. https://doi.org/10.1098/rspa.2025.0533