典型海气边界层空间内（海面以上500 m到海面以下50 m）的动量、热量和物质交换过程是研究多尺度海气相互作用的关键科学问题。一种可以同时在水中和空中运行的海空两栖航行器（Hybrid aerial underwater vehicle,简称HAUV）能够对海空立体环境中的海洋与气象特征进行连续不间断的高质量观测采样,其高机动性和低成本的特点将极大便利对海气边界层的科学观测活动,因此,HAUV已经成为极具应用潜力和使用价值的新兴研究热点。但目前HAUV技术尚不成熟,国内外对该领域的研究大多还处于原理样机试制与测试阶段,该阶段主要以验证各式系统研制方案的可行性为研究目的。本文深入分析了国内外关于HAUV系统研制技术的相关成果,发现当下两种主流的设计方案——固定翼式HAUV和多旋翼式HAUV——各有其优缺点。前者具有高速低能耗的飞行特性,后者具有高机动飞行特性和稳定垂直跨介质能力。但目前现有的样机实体潜深非常有限（水下数米）,均不能很好满足实际海空跨域观测任务的应用需求。因此,本文重点研究现阶段HAUV技术领域中的两个首要问题:“如何进一步提升HAUV的两栖运动能力?”和“如何保证HAUV稳定地往复穿越水空交界面?”。本文的主要研究工作和成果包括:1.为了有机融合固定翼式与多旋翼式HAUV的优势并提高系统的水下移动能力以全面提升HAUV两栖运动性能,提出了具备垂直飞行、水平飞行与水下滑翔模式的多模式海空两栖航行器（Multimodal hybrid aerial underwater vehicle,简称MHAUV）的全新概念,并就MHAUV各模式间的切换执行策略以及为保证MHAUV预期功能实现所必须考虑的关键技术问题（包括双重飞行模式、浮力与姿态耦合的水下滑翔行为、滑翔与竖直漂浮姿态切换、水面漂浮稳性）进行了详细的理论分析。2.结合航行器在不同环境和运动模式下的受力情况,通过多刚体动力学分析,建立了新型MHAUV的完整数学模型,用以描述系统在不同模式下以及模式间切换的行为。由于MHAUV在模式切换过程中,会经历超过90°的俯仰操作。为了避免90°俯仰角引发系统模型的奇点问题,将欧拉角空间姿态描述方法中常用的ZYX旋转规则改为ZXY旋转规则,把系统的奇点状态由90°俯仰角转移到了90°横滚角,又因为后者在实际操作中可以主动避免,因此这种处理方法在实际应用中是简单而有效的。随后,开展了关于垂直飞行、水平飞行、水下滑翔、滑翔姿态与竖直姿态切换的系列仿真测试,结果证明了本章建模方法的有效性。3.聚焦多旋翼式HAUV在理想海况（无风浪干扰）下的跨介质运动控制问题,首先建立了用以描述跨域过程的数学模型,将所有HAUV面临的共性问题——环境介质变化对机体造成的影响——视为模型参数的一种变化,由此将处于跨域过程中的HAUV抽象为一种具有未知时变参数的非线性时变（Nonlinear timevarying,简称NTV）系统。从此NTV模型出发,提出了一种自适应动态面控制方法（Adaptive dynamic surface control,简称ADSC）,保证航行器在跨域过程中能够对目标高度与姿态进行有效跟踪,继而实现稳定的出入水运动。随后,通过仿真试验证明了所提出的自适应控制方法能够主动依据介质变化自主调节控制性能,提高控制系统对不同环境的适应能力,保证HAUV在理想环境下跨域运动的稳定性和对目标高度与姿态的良好跟踪能力。4.聚焦MHAUV在复杂海况（有风浪干扰）下的水面起降控制问题,首先对风、浪干扰载荷进行建模,并与难以测量的时变的浮力和流体动力一同作为未知时变的广义干扰源引入MHAUV的动力学方程,建立了MHAUV在跨介质过程中的数学模型。从此模型出发,提出了一种基于非线性干扰观测器（Nonlinear disturbance observer,简称NDO）的动态面控制方法,保证MHAUV能够抵抗环境干扰,对目标轨迹进行有效跟踪,实现稳定的水面起降。随后,通过仿真试验证明了所提出的基于干扰补偿策略的非线性控制方法在复杂海况下能够准确估计干扰,提高系统对抗干扰的能力,保证MHAUV在复杂海况下垂直起降的稳定性和良好的跨介质轨迹跟踪能力。5.根据MHAUV的设计概念以及对其工作原理和关键技术的理论分析,先后迭代开发了三型原理样机,并重点针对第三型原理样机“哪吒III”开展了湖试试验。湖试成功测试了样机的多种运动模式,验证了MHAUV新概念的可行性,亦检验了关于MHAUV系统设计与研制技术探究结论的有效性。