1. 课程导入与任务全景
水下滑翔机（Underwater Glider）是一种依靠浮力调节与姿态控制实现锯齿形滑翔的无人水下航行器。它没有螺旋桨推进，能耗极低，单次布放可连续工作数十天至数月，因此特别适合大范围、长时序的海洋观测。但低能耗的代价是航速慢（典型水平速度约0.2～0.5 m/s，约合0.4～1 kn）、机动能力弱、对海流敏感。这些特性决定了：滑翔机观测的成败，很大程度上在任务规划阶段就已经决定。航线设计不合理，轻则观测数据稀疏、覆盖不均，重则任务超期、能源耗尽、无法回收。
本课程围绕“观测航线与任务规划”展开，共30节。作为开篇，本节先建立任务全景：一次滑翔机观测任务由哪些环节构成，航线与任务规划处在什么位置，以及三类典型观测场景对规划分别提出了什么要求。
一、一次滑翔机观测任务的完整链条
从工程视角看，一次完整的滑翔机观测任务通常包含以下环节，它们构成一个闭环：
- 科学需求定义：明确观测目标（如某断面的温盐结构、某区域的中尺度涡、某目标的活动范围）、观测要素（温度、盐度、溶解氧、叶绿素、流速等）、时空分辨率要求。
- 任务规划：把科学需求翻译成可执行的航行方案，包括航路点序列、下潜/上浮深度、滑翔剖面参数、采样策略、时间窗口与能源预算。
- 布放与调试：船载或岸基布放，完成通信链路（铱星/北斗）、导航（GPS/罗经/深度计）、浮力系统与传感器的检查。
- 航行执行与监控：滑翔机按预设航路点自主航行，每次上浮通过卫星回传位置、剖面数据和状态；岸上团队据此评估偏差并下发修正指令。
- 回收与数据质控：回收后下载全部数据，进行传感器标定修正、位置插值、剖面质量控制。
- 数据产品与评估：生成网格化或剖面数据集，评估覆盖度、分辨率是否满足科学目标，反馈到下一次规划。
可以看到，任务规划是“科学需求”与“工程执行”之间的桥梁。它既要理解科学家要什么，又要清楚滑翔机能不能做到、代价多大。
二、航线规划与任务规划的关系
这两个概念常被混用，但侧重点不同。航线规划解决“走哪里”的问题：给定起点、终点和若干观测目标点，设计一条在时间、能源、海流约束下可行的水平路径，并确定每个滑翔周期的下潜深度与上浮深度，形成三维的锯齿形轨迹。任务规划的范围更宽，除航线外还包括采样配置（哪些剖面采什么、采样频率）、通信策略（上浮报位间隔）、能源分配、风险预案（避让渔网区、强流区、冰区）以及任务时间表。
可以这样理解：航线是任务的“骨架”，任务规划是让这副骨架在真实海洋环境中安全、按时、按质完成的全部安排。二者共享同一套约束条件——能源、时间、海流、深度限制、通信窗口。
三、三类典型观测场景及其规划需求
断面调查是最常见的场景，例如沿某条固定经线或跨陆架断面重复观测。规划要点是：断面线尽量垂直于主要海洋锋面或梯度方向，以保证捕捉到结构变化；往返重复观测时需考虑滑翔机横向漂移，通常采用“来回锯齿+端点修正”的方式，避免断面逐渐偏移。若断面长200 km、滑翔机水平速度0.3 m/s，单程约需7.7天，往返加上端点转向约需16天，规划时必须把这一时间尺度与海洋过程的变化周期（如潮周期、天气尺度）对照。
区域普查要求在一个面状区域内获得相对均匀的覆盖，例如对一片50 km×50 km的海域进行温盐背景调查。此时航线设计更接近“覆盖路径规划”：常用平行线（割草机式）或螺旋式路径，线间距根据目标分辨率与滑翔机观测半径确定。若要求每10 km有一条观测剖面，则需布置约6条平行线，总航程约300 km，按0.3 m/s计约需11.6天。规划中还要评估海流导致的路径畸变，必要时在强流区加密航路点。
目标跟踪难度最高，例如跟踪一个中尺度涡或一片藻华。目标本身在移动，滑翔机速度又慢，因此规划是“滚动式”的：每一到两天根据卫星遥感或现场观测更新目标位置，重新计算拦截或伴随航线。此时航线不再是预先固定的，而是一套“观测—估计—重规划”的循环策略，规划系统需要支持快速重算与指令下发。
四、本节知识结构总览
下图把上述任务链条、规划所处位置以及三类场景的规划需求组织在一起，作为后续各节的地图。
五、一个用于建立直觉的规划示例
为便于后续章节展开，这里给出一个简化但完整的规划算例（示例参数，非实测）。设某次区域普查任务区域为40 km×30 km，要求相邻观测剖面间距不大于8 km，滑翔机水平速度取0.3 m/s，单次下潜—上浮周期约6 h、水平前进约6.5 km，电池与浮力系统可用能源对应总航程约600 km。
按8 km间距沿30 km方向布设平行线，需约5条测线，每条40 km，加转向段总航程约220 km，对应航行时间约220000/0.3≈733000 s≈8.5天，能源余量充足。若把间距缩小到4 km，测线增至约8条，总航程约350 km，时间约13.5天，仍可行但留给异常处置的余量变小。规划者据此在“分辨率”与“鲁棒性”之间做取舍——这正是任务规划的核心工作方式：不是求唯一最优解，而是在多重约束下给出可解释、可调整的方案。
后续各节将依次深入滑翔机运动学与剖面参数、海流对航线的影响、航路点设计方法、能源与时间预算、通信与监控策略、三类场景的具体规划流程，以及规划结果的评估与复盘。本节只需记住一个判断：一条好航线，是科学目标、平台能力与海洋环境三者之间被明确论证过的平衡。