我國海洋大地測量基準(zhǔn)與海洋導(dǎo)航技術(shù)研究進展與展望

楊元喜，徐天河，薛樹強

1. 地理信息工程國家重點實驗室，陜西 西安 710054; 2. 西安測繪研究所,陜西 西安 710054; 3. 山東大學(xué)(威海)空間科學(xué)研究院，山東 威海 264209; 4. 中國測繪科學(xué)研究院，北京 100830

我國海洋大地測量基準(zhǔn)與海洋導(dǎo)航技術(shù)研究進展與展望

楊元喜1,2，徐天河3，薛樹強4

1. 地理信息工程國家重點實驗室，陜西 西安 710054; 2. 西安測繪研究所,陜西 西安 710054; 3. 山東大學(xué)(威海)空間科學(xué)研究院，山東 威海 264209; 4. 中國測繪科學(xué)研究院，北京 100830

領(lǐng)海是國家主權(quán)的重要組成部分，國家空間基準(zhǔn)和位置服務(wù)應(yīng)該覆蓋陸地和海洋。以2000國家大地坐標(biāo)系和2000國家重力基準(zhǔn)為代表，我國已在陸地建成了較為完善的大地測量基準(zhǔn)。然而，現(xiàn)有國家空間基準(zhǔn)和重力基準(zhǔn)未能有效覆蓋海洋，海洋大地測量基準(zhǔn)和海洋導(dǎo)航技術(shù)已嚴重滯后于國家社會經(jīng)濟發(fā)展新形勢和國防戰(zhàn)略需求。本文主要論述了我國海洋大地測量基準(zhǔn)與海洋導(dǎo)航技術(shù)的研究現(xiàn)狀，梳理了我國海洋大地測量基準(zhǔn)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)，分析了近期及未來我國自主發(fā)展海洋大地測量基準(zhǔn)與海洋導(dǎo)航技術(shù)的主要方向。

海洋測繪；大地測量；基準(zhǔn)；水下導(dǎo)航；定位

海洋是人類可持續(xù)發(fā)展的重要空間，是資源勘探和開發(fā)的主要區(qū)域。我國是一個海洋大國，擁有300多萬平方千米海域?！敖?jīng)略海洋”首先需要維護海洋權(quán)益，確保領(lǐng)海安全，其次是發(fā)展海洋經(jīng)濟、保護航海運輸暢通、建設(shè)海上絲綢之路，最后還需要加強海洋科學(xué)研究，預(yù)防并減少海洋災(zāi)害影響等。無論是海洋權(quán)益維護、海洋經(jīng)濟發(fā)展還是海洋科學(xué)研究，都需要高精度、高可靠的海洋大地測量基準(zhǔn)和海洋導(dǎo)航技術(shù)手段的支持；海洋大地測量基準(zhǔn)也是海島礁資源環(huán)境信息、海戰(zhàn)場環(huán)境信息的基本參考框架，是謀劃、決策、規(guī)劃和實施一切國家海洋戰(zhàn)略的重要基礎(chǔ)。

21世紀(jì)以來，美國、加拿大、日本等發(fā)達國家通過布測技術(shù)先進的海底大地控制網(wǎng)[1-3]，不斷完善海洋大地測量基礎(chǔ)設(shè)施，有效提升了海洋科學(xué)和海洋地質(zhì)等地球科學(xué)的研究水平和地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測能力[4-7]；同時，其海洋導(dǎo)航定位技術(shù)也得到不斷革新，顯著提升了各種海洋活動的支持和保障力度。特別是近些年來美國提出建立海床聲學(xué)信號源，組成類似GPS的水下全球定位系統(tǒng)，使其水下潛器無需浮出水面就可獲得精確定位信息[8]。

海洋大地測量基準(zhǔn)構(gòu)建技術(shù)雖然發(fā)展較晚，但發(fā)展卻十分迅速。早在20世紀(jì)80年代末就有學(xué)者提出建設(shè)海底大地控制網(wǎng)的構(gòu)想[9-10]，目前已有少數(shù)發(fā)達國家具備相對成熟的技術(shù)條件。海洋定位一般采用GNSS與聲學(xué)定位相結(jié)合的技術(shù)方法[7,11-14]，通過海面和海底控制網(wǎng)聯(lián)測實現(xiàn)海洋大地測量基準(zhǔn)與海洋無縫導(dǎo)航，該技術(shù)已成為海洋測繪與導(dǎo)航領(lǐng)域的研究熱點和前沿方向。

自20世紀(jì)70年代以來，利用衛(wèi)星測高技術(shù)確定平均海面高、大地水準(zhǔn)面以及海洋重力場一直是大地測量熱點研究問題[15-16]。基于高精度、高分辨率潮汐模型和垂直參考面模型建立陸海高程基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換關(guān)系[17]，是陸海高程基準(zhǔn)統(tǒng)一技術(shù)的主要發(fā)展趨勢，而將驗潮站和測高衛(wèi)星軌跡上的調(diào)和常數(shù)同化于潮波動力學(xué)模式是構(gòu)建高精度潮汐模型的基本途徑[18]。在此基礎(chǔ)上，也有學(xué)者研究采用潮汐模型附加殘余驗潮站水位實現(xiàn)瞬時水位推算[19]。目前，美國、加拿大等發(fā)達國家在海洋垂直基準(zhǔn)構(gòu)建方面取得了許多重要進展，這對我國發(fā)展海洋大地測量基準(zhǔn)技術(shù)體系具有一定的借鑒意義。

水下導(dǎo)航定位和位置服務(wù)系統(tǒng)是海洋活動、海洋安全、搜救執(zhí)法、海洋資源環(huán)境調(diào)查、綜合管理、海上生產(chǎn)生活及災(zāi)害防治的重要支撐條件。與海面及陸地導(dǎo)航定位不同，水下導(dǎo)航定位及位置服務(wù)信號要求具有穿透水體的能力。近幾年，海面/水下定位裝備推陳出新，呈現(xiàn)出設(shè)備組合化、功能集成化、體制寬帶化的發(fā)展趨勢，多傳感器水上、水下無縫導(dǎo)航定位已成為其熱點研究方向[20-21]。目前應(yīng)用最廣泛的水下聲學(xué)導(dǎo)航定位系統(tǒng)主要有長基線定位系統(tǒng)(long baseline,LBL)、短基線定位系統(tǒng)(short baseline,SBL)與超短基線定位系統(tǒng)(ultra-short baseline,USBL)等[22-23]。在國外，上述系統(tǒng)已經(jīng)日趨成熟并實現(xiàn)了商業(yè)化，在我國也占有一定市場。

為減弱部分水下定位系統(tǒng)誤差和空間相關(guān)性誤差影響，有學(xué)者提出水下差分定位技術(shù)，并得到了發(fā)展。水下差分導(dǎo)航定位原理是基于海底聲波應(yīng)答裝置到海面測量裝置之間的距離，采用單差及雙差差分技術(shù)，進而精確計算海底應(yīng)答器的三維坐標(biāo)。差分水下定位技術(shù)提出以來[24]，已被國內(nèi)外廣泛關(guān)注。

20世紀(jì)90年代，美國鮑爾航空航天實驗室成功研制了水下潛器和潛艇導(dǎo)航的重力儀/重力梯度儀，重力梯度儀分辨率為1厄缶(10-9m/s2)，系統(tǒng)導(dǎo)航定位精度可達到62 m/8 h；洛克希德-馬丁公司也開發(fā)成功了通用重力匹配導(dǎo)航模板，能夠?qū)崿F(xiàn)潛艇14天精確導(dǎo)航[25-26]。隨著水下聲吶、慣導(dǎo)和重力匹配導(dǎo)航技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，水下多傳感器組合導(dǎo)航技術(shù)已成為國內(nèi)外導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域的未來發(fā)展方向。

1 我國海洋大地測量基準(zhǔn)研究進展

國內(nèi)有學(xué)者自20世紀(jì)90年代就嘗試討論海島控制網(wǎng)的水下傳遞方法，提出基于船載GNSS定位技術(shù)，結(jié)合聲吶定位技術(shù)實現(xiàn)海底控制點的定位與定向[27]。我國在短基線水下定位系統(tǒng)(SBL)和長基線水下定位系統(tǒng)(LBL)研制方面都取得重要成果，并發(fā)展了基于單差定位原理的差分水下定位技術(shù)[28-29]。此外，還針對水下控制網(wǎng)基準(zhǔn)傳遞方法開展了相關(guān)研究，提出了通過改進海面GNSS浮標(biāo)/AUV控制圖形，以及采用控制網(wǎng)無約束平差和約束平差模型，研究水下控制網(wǎng)布測方案和高精度數(shù)據(jù)處理方法，以期改善水下基準(zhǔn)點的坐標(biāo)傳遞精度和水下控制網(wǎng)精度[28,30]。進一步系統(tǒng)研究海洋大地測量基準(zhǔn)理論體系，發(fā)展海面—海底控制網(wǎng)高精度數(shù)據(jù)處理模型與算法，是研究并實現(xiàn)陸海一致的高精度海底大地控制網(wǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

近20年來，我國海洋大地水準(zhǔn)面和海洋潮汐等海洋模型精度不斷提高。在中國近海及領(lǐng)海海域構(gòu)建了2′×2′的重力異常數(shù)值模型，模型精度達到3～5 mGal;確定了全球海域2′×2′平均海平面高模型序列，精度優(yōu)于4 cm;研究了近60年全球海平面變化特征，量化了海平面變化趨勢及其主要貢獻因素，反演并構(gòu)建了全球海底地形數(shù)值模型;建立了15′×15′全球海洋潮汐模型[31]。我國在“十二五”期間還綜合多源重力場資料研制了我國全海域大地水準(zhǔn)面模型[32]。

海洋垂直基準(zhǔn)研究一直受到國內(nèi)學(xué)者的重視[33-40]。初步探討了我國海平面系統(tǒng)偏差及高程基準(zhǔn)偏差[41]，研究了全球高程基準(zhǔn)統(tǒng)一以及高程基準(zhǔn)統(tǒng)一問題[42-43]。在“十二五”期間，我國依托科技部重點項目“海島(礁)測繪關(guān)鍵技術(shù)研究與示范應(yīng)用”，研究了海洋無縫垂直基準(zhǔn)構(gòu)建技術(shù)，探索了海洋垂直基準(zhǔn)的傳遞方法[44-45]。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國目前擁有70多個海洋長期驗潮站，這些站點在確定我國多年平均海面、深度基準(zhǔn)面，以及研究海港的潮汐變化規(guī)律等發(fā)揮了重要作用。聯(lián)合多代衛(wèi)星測高資料以及長期驗潮站資料建立了我國區(qū)域精密海潮模型[18]；此外，還綜合利用沿海及海島礁衛(wèi)星定位基準(zhǔn)站和長期驗潮站并置觀測資料，建立了我國高程基準(zhǔn)與深度基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換模型[46-47]。然而，我國垂直基準(zhǔn)模型精度還有待提高，無縫垂直基準(zhǔn)的動態(tài)實現(xiàn)與維護方法也有待研究。

2 我國水下導(dǎo)航定位技術(shù)研究進展

在過去的20多年里，我國水下導(dǎo)航裝備研制取得了一定突破，在水聲測量方面逐漸打破國外技術(shù)壁壘，與國外的差距正在不斷縮小?！笆濉逼陂g，我國研制成功了長程超短基線系統(tǒng)，實現(xiàn)了3800 m水下信標(biāo)定位；通過將GPS定位技術(shù)與聲學(xué)技術(shù)結(jié)合，研制了長基線定位系統(tǒng)和差分水下GPS定位系統(tǒng)[22,48-49]。GRAT LBL水下定位系統(tǒng)是我國第一套高分辨率、大范圍、無線電遙控浮標(biāo)陣水聲跟蹤系統(tǒng)[50]。差分水下GPS定位系統(tǒng)采用了先進的差分定位思想，在一定程度上削弱了諸如聲線傳播誤差等系統(tǒng)誤差的影響，但該系統(tǒng)海面的浮標(biāo)個數(shù)有限，多余觀測量不足，定位精度尤其是高程精度還需要進一步提高。盡管這些系統(tǒng)可實現(xiàn)米級精度定位，但系統(tǒng)整體性能、工程化和實用化水平還有待提高。在LBL數(shù)據(jù)處理技術(shù)方面，利用長基線同步定位原理對測陣方法進行了仿真研究[51]。筆者認為，這類研究在我國仍處于相關(guān)技術(shù)的吸收和消化階段。

海洋聲學(xué)定位集成應(yīng)用取得許多重要進展，為近海、深海石油勘探提供了重要技術(shù)保障[52]。研究表明，聲學(xué)定位技術(shù)用于海底電纜勘探、深海拖纜勘探、深海海底地震數(shù)據(jù)采集，可以完成放纜船、震源船、拖纜船、測深船的導(dǎo)航定位和數(shù)據(jù)采集任務(wù)，但其定位的精度還需要進一步提高。

近幾年，重力實時測量與匹配導(dǎo)航引起國內(nèi)學(xué)者廣泛關(guān)注[53-58]，研制了重力輔助慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，并開展了海上實船驗證與應(yīng)用[59]。但是，絕大多數(shù)研究還只停留在數(shù)據(jù)仿真，模擬計算方面。

水下磁力匹配導(dǎo)航也有部分探索性成果[60-62]，但是，由于地磁基礎(chǔ)資料欠缺，分辨率較低，而且地磁變化較快，易受其他因素的影響，離實用化水下導(dǎo)航還存在很大差距。

綜上所述，我國雖然在水下導(dǎo)航定位裝備研制和水下定位關(guān)鍵技術(shù)方面取得了許多重要成果，但在水下定位裝備系列化、集成化、小型化等方面還有很大的發(fā)展空間，聲吶、重力、慣導(dǎo)等多傳感器集成的水上、水下無縫導(dǎo)航定位技術(shù)也有待發(fā)展和突破。

3 海洋大地測量基準(zhǔn)與海洋導(dǎo)航定位關(guān)鍵技術(shù)

對于大區(qū)域控制網(wǎng)布測、運行、維護和導(dǎo)航應(yīng)用而言，GNSS加聲學(xué)定位體系還存在許多瓶頸技術(shù)問題[63]，例如聲線傳播誤差改正技術(shù)[64-67]。最新研究主要通過優(yōu)化海面動態(tài)控制構(gòu)型和改進水下框架網(wǎng)數(shù)據(jù)處理模型與算法[29,68-69]，以提高水下參考點平面坐標(biāo)的傳遞精度，然而在很多情況下水下高程方向定位精度還有待進一步提高[70]。因此需要系統(tǒng)解決海洋三維基準(zhǔn)構(gòu)建與傳遞、水下基準(zhǔn)裝置建設(shè)與維護、海洋及水下無縫導(dǎo)航與位置服務(wù)等瓶頸技術(shù)問題。

(1) 發(fā)展海洋大地測量基準(zhǔn)建立理論與方法。需要突破陸海一致、連續(xù)動態(tài)的海洋大地測量基準(zhǔn)構(gòu)建瓶頸技術(shù)問題，發(fā)展海底高精度定位理論、模型和方法。首先，需要研究水下控制點(坐標(biāo)框架點也是導(dǎo)航參考點)的密度、分布，于是需要精細研究海面及海底框架點組成及其分布[71]，發(fā)展經(jīng)濟可行的海洋大地測量組網(wǎng)觀測技術(shù)；利用海洋溫度、鹽度等信息研究建立聲線延遲誤差改正模型，發(fā)展聲速殘余誤差抑制技術(shù)，構(gòu)建多源海洋大地測量數(shù)據(jù)處理模型與算法，發(fā)展海底框架網(wǎng)高精度網(wǎng)解技術(shù)；探索全球/區(qū)域海洋大地測量觀測網(wǎng)絡(luò)和位置服務(wù)原型系統(tǒng)，構(gòu)建海洋大地測量基準(zhǔn)與位置服務(wù)體系。

(2) 發(fā)展海洋基準(zhǔn)與陸地基準(zhǔn)無縫連接技術(shù)與方法。突破海底三維坐標(biāo)基準(zhǔn)精密傳遞、復(fù)雜多源數(shù)據(jù)的陸海大地水準(zhǔn)面精化，海洋及水下無縫垂直基準(zhǔn)實現(xiàn)等技術(shù)難題。為實現(xiàn)精密水下三維坐標(biāo)基準(zhǔn)傳遞，需要顧及短程測距方程非線性影響[72-73]，解決聲線改正殘余誤差抑制技術(shù)和具有某些先驗信息的基準(zhǔn)連接技術(shù)；此外，還需綜合利用CORS站、長期驗潮站、GNSS浮標(biāo)、衛(wèi)星測高等多源數(shù)據(jù)，解決與陸地一致的海洋垂直參考框架動態(tài)維護與實現(xiàn)技術(shù)難題。

(3) 發(fā)展水下參考框架點建設(shè)與維護技術(shù)。突破海底參考點勘選、方艙研制、校準(zhǔn)等關(guān)鍵技術(shù)，解決深水方艙的抗壓、防腐、布放和回收等技術(shù)瓶頸。此外，水下控制點的運行方式、能源供應(yīng)、能源替換等也需要進行系統(tǒng)研究，以便提出切實可行的解決途徑。

(4) 發(fā)展海洋重力和磁力匹配導(dǎo)航技術(shù)。水下重力匹配和磁力匹配技術(shù)存在很多核心技術(shù)問題。如基準(zhǔn)重力格網(wǎng)的分辨率問題，實時重力傳感器測量值與基礎(chǔ)重力格網(wǎng)快速匹配問題[61,74]；地磁場時空模型建立是地磁導(dǎo)航的基礎(chǔ)[74]，而磁力場變化快，嚴重受外界環(huán)境的影響，基礎(chǔ)磁場模型及其相應(yīng)的精度和可靠性是制約磁場導(dǎo)航的關(guān)鍵問題。于是，需要突破重力場、磁力場信息與地理位置信息相關(guān)匹配技術(shù)，研制重力匹配和磁力匹配導(dǎo)航裝備，發(fā)展聲吶、慣性導(dǎo)航、重力和磁力匹配導(dǎo)航集成理論與方法。

(5) 海洋多傳感融合導(dǎo)航核心技術(shù)。水下多傳感器集成、數(shù)據(jù)融合是水下導(dǎo)航十分重要的環(huán)節(jié)。多源導(dǎo)航傳感器應(yīng)該具備高度集成化、小型化[75]，多源信息應(yīng)該具備兼容與互操作前提[76]，多源導(dǎo)航定位信息要具備自適應(yīng)融合和智能化服務(wù)功能。此外，還需要突破水下導(dǎo)航定位裝備的標(biāo)定技術(shù)，形成國家自主多源傳感器導(dǎo)航定位裝備與數(shù)據(jù)處理平臺。

(6) 極區(qū)導(dǎo)航定位也是重要的關(guān)鍵技術(shù)。由于衛(wèi)星導(dǎo)航信號在極區(qū)幾何結(jié)構(gòu)欠佳，電離層影響較大，定位效果比低緯度地區(qū)差；慣性導(dǎo)航在極區(qū)更易失去方向[77]；極區(qū)地磁導(dǎo)航更難實施，于是，極區(qū)多源信息組合導(dǎo)航定位及其性能分析也值得研究。

4 結(jié)論與展望

我國雖然已形成了較為完備和先進的陸地大地測量基準(zhǔn)體系，并在大地測量數(shù)據(jù)處理理論、模型與算法方面取得了豐碩成果[78-82]，但我國海洋大地測量基準(zhǔn)和海洋位置服務(wù)技術(shù)與國際先進水平存在較大差距，水下導(dǎo)航技術(shù)單調(diào)、手段匱乏，陸海測繪地理空間信息未形成統(tǒng)一體系。為此，筆者認為，應(yīng)該加緊進行海洋大地測量基準(zhǔn)論證、研究與建設(shè)，研究可行的水下導(dǎo)航定位信息源，實現(xiàn)陸海大地測量基準(zhǔn)統(tǒng)一；突破海底框架點建設(shè)與維護關(guān)鍵技術(shù)，攻克水下高精度動態(tài)定位及多傳感器融合導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建我國自主可控的高精度海洋大地測量基準(zhǔn)和位置服務(wù)技術(shù)體系；自主研發(fā)我國海洋導(dǎo)航定位硬件裝備和軟件平臺，構(gòu)建全球/區(qū)域海洋位置服務(wù)框架體系，為我國海上絲綢之路戰(zhàn)略、海洋資源開發(fā)、海洋權(quán)益保護、水下潛器導(dǎo)航定位、艦船航行安全等提供技術(shù)支持。

此外，海洋大地測量基準(zhǔn)及其水下導(dǎo)航技術(shù)還會極大促進海洋科學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域研究，在監(jiān)測重點海區(qū)海底沉積物運移變化、海洋地質(zhì)變化、海洋災(zāi)害預(yù)測研究等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。

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(責(zé)任編輯：宋啟凡)

Progresses and Prospects in Developing Marine Geodetic Datum and Marine Navigation of China

YANG Yuanxi1,2，XU Tianhe3，XUE Shuqiang4

1. State Key Laboratory of Geo-information Engineering, Xi’an 710054, China; 2. Xi’an Research Institute of Surveying and Mapping, Xi’an 710054, China; 3. Institute of Space Science, Shandong University, Weihai 264209, China; 4. Chinese Academy of Surveying and Mapping, Beijing 100830, China

Territorial water is a significant part of national sovereignty of China, thus the infrastructures of national space datum and location services should not only cover the land areas, but also the sea areas. China has established relatively complete geodetic datum in land areas over the past decades, including the new developed China Geodetic Coordinate System 2000 (CGCS 2000) and the national gravity datum 2000. However, the currently used geodetic infrastructures have not well covered the sea areas of China. The marine geodetic datum and marine navigation technologies need to be further developed and extended to satisfy the national demands of marine defense and marine economy development in new era of China. This paper mainly reviews the developing states and progress of Chinese marine geodetic datum and marine navigation, analyses key technologies in establishing the national marine geodetic datum. The develop current trends and future directions for the national marine geodetic datum and marine navigation technologies are listed.

marine surveying; geodesy; datum; underwater navigation; positioning Foundation support： The National Key Research and Development Program of China(No.2016YFB0501700)

YANG Yuanxi (1956—), male, PhD, professor, academician of Chinese Academy of Sciences, majors in dynamic geodetic data and satellite navigation data processing.

楊元喜，徐天河，薛樹強.我國海洋大地測量基準(zhǔn)與海洋導(dǎo)航技術(shù)研究進展與展望[J].測繪學(xué)報，2017,46(1)：1-8.

10.11947/j.AGCS.2017.20160519. YANG Yuanxi，XU Tianhe，XUE Shuqiang.Progresses and Prospects in Developing Marine Geodetic Datum and Marine Navigation of China[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2017,46(1):1-8. DOI:10.11947/j.AGCS.2017.20160519.

P229

A

1001-1595(2017)01-0001-08

國家重點研發(fā)計劃(2016YFB0501700)

2016-10-19

楊元喜(1956—)，男，博士，研究員，中國科學(xué)院院士，主要從事動態(tài)大地測量數(shù)據(jù)與衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理研究。

E-mail： yuanxi_yang@163.com

修回日期： 2016-10-30