海底大地控制網(wǎng)無(wú)人觀測(cè)系統(tǒng)研究進(jìn)展

薛樹(shù)強(qiáng)，楊 誠(chéng)，趙 爽，肖 圳，李景森，卞加超

海底大地控制網(wǎng)無(wú)人觀測(cè)系統(tǒng)研究進(jìn)展

薛樹(shù)強(qiáng)1,2，楊 誠(chéng)3，趙 爽1，肖 圳1，李景森1，卞加超1

（1. 中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院，北京 100039；2. 地理信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710054；3. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100083）

針對(duì)海底大地控制網(wǎng)觀測(cè)維護(hù)通常采用基于大型測(cè)量船的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）-聲吶組合觀測(cè)系統(tǒng)，不僅導(dǎo)致控制網(wǎng)觀測(cè)維護(hù)成本高昂，也限制了控制網(wǎng)的復(fù)測(cè)頻次和全球大規(guī)模應(yīng)用的問(wèn)題，研究綜述海底大地控制網(wǎng)無(wú)人觀測(cè)系統(tǒng)：指出近年來(lái)，基于海面浮標(biāo)、無(wú)人船、波浪滑翔機(jī)、無(wú)人機(jī)等無(wú)人系統(tǒng)的GNSS-聲吶組合觀測(cè)系統(tǒng)快速發(fā)展，大幅降低了傳統(tǒng)海底大地控制網(wǎng)觀測(cè)成本，提升了海底控制網(wǎng)觀測(cè)維護(hù)效率；闡述國(guó)內(nèi)外GNSS-聲吶無(wú)人觀測(cè)系統(tǒng)研究進(jìn)展，并分析現(xiàn)有無(wú)人觀測(cè)平臺(tái)的優(yōu)缺點(diǎn)；最后提出GNSS-聲吶無(wú)人觀測(cè)系統(tǒng)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)和可能的發(fā)展方向。

海底大地測(cè)量；全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）-聲吶；無(wú)人系統(tǒng)；水下定位

0 引言

海底大地測(cè)量在研究地球動(dòng)力學(xué)過(guò)程中具有重要的科學(xué)意義，包括地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以及海洋、大氣和固體地球?qū)又g的耦合相互作用[1-2]。根據(jù)科學(xué)估計(jì)，人類(lèi)只探索了大約5%的海洋，這使得海洋觀測(cè)成為人類(lèi)認(rèn)識(shí)海洋的關(guān)鍵技術(shù)手段[3-4]。水下大地測(cè)量參考網(wǎng)是進(jìn)行水下大地觀測(cè)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，也是未來(lái)國(guó)家水下海洋觀測(cè)和建立綜合時(shí)空系統(tǒng)的重要組成部分。因此，海底大地測(cè)量是大地測(cè)量的重要新興發(fā)展方向，也是未來(lái)地球科學(xué)的重要支撐學(xué)科方向[5-6]。

美國(guó)斯克利普斯海洋研究所（Scripps Institution of Oceanography，SIO）最早提出了將全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）-聲吶技術(shù)應(yīng)用于海底大地測(cè)量[7]，并在1998年成功應(yīng)用于胡安·德富卡板塊[8]，開(kāi)展了卓有成效的工作。海底聲學(xué)大地測(cè)量技術(shù)是基于聲學(xué)手段實(shí)施海底大地測(cè)量的技術(shù)，自20世紀(jì)七八十年代提出至今[9-10]，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system，GNSS）-聲吶組合觀測(cè)技術(shù)逐漸成為海底大地測(cè)量的主流觀測(cè)技術(shù)，在大尺度海底板塊運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、地震活動(dòng)監(jiān)測(cè)等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)[8,11-14]。然而，受GNSS-聲吶觀測(cè)成本限制，長(zhǎng)期以來(lái)GNSS-聲吶觀測(cè)采用定期觀測(cè)模式，通常每年復(fù)測(cè)3～5次。因此，要進(jìn)行海底1 cm的位移監(jiān)測(cè)，GNSS-聲吶組合觀測(cè)技術(shù)至少需要2～3 a的復(fù)測(cè)資料[2]。近年來(lái)，隨著無(wú)人機(jī)、海面浮標(biāo)/無(wú)人船、半潛式自主式水下航行器和波浪滑翔器等無(wú)人觀測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展，替代大型測(cè)量船的無(wú)人平臺(tái)GNSS-聲吶觀測(cè)系統(tǒng)受到廣泛關(guān)注，在經(jīng)濟(jì)性、自主性、連續(xù)性觀測(cè)等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)[15-16]，預(yù)計(jì)海底大地控制網(wǎng)觀測(cè)維護(hù)成本可下降近百倍。

近年來(lái)，海洋定位導(dǎo)航授時(shí)（positioning，navigation and timing，PNT）基準(zhǔn)網(wǎng)建設(shè)是當(dāng)今世界大國(guó)必爭(zhēng)的高技術(shù)戰(zhàn)略領(lǐng)域[17-18]。相比于其他海洋觀測(cè)平臺(tái)，大型科考船舶觀測(cè)平臺(tái)人工成本、燃料成本和時(shí)間成本較為昂貴。GNSS-聲吶觀測(cè)通常基于大型海面測(cè)量船實(shí)施，即海面測(cè)量船按一定航跡對(duì)海底控制網(wǎng)進(jìn)行跟蹤觀測(cè)[8]，并且必須在測(cè)量區(qū)域連續(xù)測(cè)量數(shù)小時(shí)甚至近一天，才能實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)的海底定位。早先，GNSS浮標(biāo)主要用于海嘯預(yù)警，可直接測(cè)量海平面的厘米級(jí)的變化[19]，解決海底壓力傳感器監(jiān)測(cè)信息存在飄移的問(wèn)題[19]。為了盡早發(fā)現(xiàn)海嘯及引起海嘯的地殼形變[20-21]，有學(xué)者開(kāi)發(fā)了一套用于海底地殼運(yùn)動(dòng)和海嘯監(jiān)測(cè)預(yù)警的松弛系泊浮標(biāo)系統(tǒng)，并于2013年在距紀(jì)伊半島100 km、水深3000 m處進(jìn)行了為期3個(gè)月的海上實(shí)驗(yàn)[22]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該浮標(biāo)系統(tǒng)提升了抵抗高速海流（約2.7 m/s）的能力，并于2014、2016年分別進(jìn)行了為期5個(gè)月和12個(gè)月的海上實(shí)驗(yàn)[23]，取得了與傳統(tǒng)觀測(cè)精度相當(dāng)?shù)亩ㄎ唤Y(jié)果。

水面無(wú)人船（unmanned surface vehicle，USV）和水下滑翔機(jī)（underwater glider，UG）均已成功應(yīng)用于GNSS-聲吶觀測(cè)。水面無(wú)人船是一種集船舶設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)控制、人工智能、環(huán)境感知等技術(shù)于一體的無(wú)人水面平臺(tái)，具有高自主性、高靈活性、強(qiáng)機(jī)動(dòng)性、可模塊化、多任務(wù)化等優(yōu)點(diǎn)[24]。國(guó)內(nèi)水面無(wú)人船處于迅速發(fā)展時(shí)期，已在水文物理勘察、海洋牧場(chǎng)巡檢、海底海床地形地貌掃描等領(lǐng)域獲得應(yīng)用[25]。水下滑翔機(jī)是一種無(wú)外掛驅(qū)動(dòng)，依靠自身浮力和姿態(tài)調(diào)節(jié)控制其運(yùn)動(dòng)的新型水下機(jī)器人，是一種逐漸成熟的適用于長(zhǎng)時(shí)間、大范圍海洋環(huán)境觀測(cè)的新技術(shù)平臺(tái)。

表1 水面無(wú)人船性能特點(diǎn)

按照動(dòng)力能源方式劃分為多模式推進(jìn)式UG、電能UG、溫差能UG和波浪滑翔機(jī)（wave glider，WG）。其中，波浪滑翔機(jī)依靠波浪能作為動(dòng)力源，同時(shí)結(jié)合波浪能發(fā)電裝備優(yōu)勢(shì)，將浮體在波浪作用下的沉浮運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為前進(jìn)的運(yùn)動(dòng)。WG能克服攜帶能源有限的不足，完全依靠清潔、可再生波浪能作為驅(qū)動(dòng)能源；且波浪能儲(chǔ)備豐富，可全天候滿足遠(yuǎn)海航行，尤其是在海洋環(huán)境復(fù)雜海域具有優(yōu)勢(shì)。另外，通過(guò)精心設(shè)計(jì)的測(cè)量航跡，在淺水中使用WG對(duì)單個(gè)應(yīng)答器的測(cè)量也能達(dá)到厘米級(jí)的水平定位精度[26]。

自2009年第一款波浪滑翔機(jī)研制成功至今，波浪滑翔機(jī)在水文氣象環(huán)境觀測(cè)、海洋水體要素監(jiān)測(cè)等方面應(yīng)用廣泛。鑒于波浪滑翔機(jī)在能源動(dòng)力、生存能力、實(shí)施便捷性、深遠(yuǎn)海支持等方面的突出優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)基于波浪滑翔機(jī)的GNSS-聲吶無(wú)人觀測(cè)系統(tǒng)逐漸獲得海洋大地測(cè)量學(xué)者的關(guān)注和青睞。目前，日本東北大學(xué)、日本海洋地球科學(xué)技術(shù)機(jī)構(gòu)、美國(guó)斯克里普斯海洋研究所、德國(guó)亥姆霍茲基爾海洋研究中心、荷蘭皇家殼牌等科研單位和企業(yè)已采用此類(lèi)型無(wú)人觀測(cè)系統(tǒng)分別在日本千島海域和青森縣海域[15]、美國(guó)卡斯卡迪亞俯沖帶和阿留申俯沖帶海域[27]、智利納斯卡-南美板塊邊界海域[28]，以及墨西哥灣海域進(jìn)行了海底大地測(cè)量[29]。

本文回顧GNSS-聲吶觀測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，跟蹤國(guó)外無(wú)人化GNSS聲吶觀測(cè)系統(tǒng)研究進(jìn)展，梳理浮標(biāo)觀測(cè)系統(tǒng)、無(wú)人船觀測(cè)系統(tǒng)和無(wú)人化系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，提出未來(lái)無(wú)人化平臺(tái)GNSS-聲吶觀測(cè)裝備標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)想，分析未來(lái)無(wú)人化觀測(cè)系統(tǒng)所面臨的聲速剖面觀測(cè)難題，并指出后續(xù)GNSS聲吶觀測(cè)數(shù)據(jù)處理所面臨的主要挑戰(zhàn)。

1 GNSS-聲吶觀測(cè)系統(tǒng)

如圖1所示為GNSS-聲吶觀測(cè)模型。圖中BDS為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou navigation satellite system）。

圖1 GNSS-聲吶觀測(cè)構(gòu)型

一般由多個(gè)海底大地點(diǎn)構(gòu)建一個(gè)海底基準(zhǔn)陣列（或稱(chēng)海底局域網(wǎng)），由船載聲學(xué)換能器向海底陣列發(fā)送聲學(xué)測(cè)距信號(hào)，海底單元接收信號(hào)后返回聲學(xué)應(yīng)答信號(hào)，然后再次被海面換能器接收，據(jù)此進(jìn)行聲信號(hào)往返程傳播時(shí)間測(cè)量，從而進(jìn)行海底基準(zhǔn)站或局域控制網(wǎng)定位[30-31]?？山NSS-聲吶組合觀測(cè)模型為

1.1 GNSS高精度定位技術(shù)

GNSS高精度定位是實(shí)現(xiàn)海底精密定位的前提。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分定位（real time kinematic，RTK）技術(shù)和精密單點(diǎn)定位 (precise point positioning，PPP)技術(shù)是2種被用戶廣泛使用的高精度定位技術(shù)[32]。RTK技術(shù)采用經(jīng)典的站星雙差觀測(cè)值模型消除站星鐘差，削弱電離層延遲等空間相關(guān)誤差。偽距和載波觀測(cè)方程為[33-34]

利用站間單差消除衛(wèi)星鐘差和衛(wèi)星硬件延遲，對(duì)衛(wèi)星做站間單差為

利用站星雙差觀測(cè)值進(jìn)一步消除接收機(jī)鐘差和接收機(jī)端硬件延遲，有

RTK技術(shù)通過(guò)流動(dòng)站與基準(zhǔn)站構(gòu)成差分觀測(cè)，消除了衛(wèi)星鐘差、接收機(jī)鐘差以及公共環(huán)境誤差，模糊度保留了其整數(shù)特性，因而具有很高的定位精度。需要指出，當(dāng)流動(dòng)站與基準(zhǔn)站距離超過(guò)一定限制，會(huì)因公共環(huán)境誤差消除不凈而導(dǎo)致定位精度下降，無(wú)法有效支撐遠(yuǎn)海高精度定位需求。通常認(rèn)為RTK定位技術(shù)用于海洋定位時(shí)，流動(dòng)站最遠(yuǎn)不能超過(guò)岸邊20 km[37]。然而，對(duì)于海底地震以及海嘯預(yù)警應(yīng)用而言，20 km外的浮標(biāo)預(yù)警信息僅能提前10 min疏散人員，疏散岸上人員的時(shí)間顯然不夠。因此，須將監(jiān)測(cè)點(diǎn)放置在距岸邊更遠(yuǎn)處[23]。當(dāng)流動(dòng)站與基準(zhǔn)站距離超過(guò)20 km時(shí)，若要確保厘米級(jí)精度定位，應(yīng)考慮對(duì)差分殘余環(huán)境誤差實(shí)施改正或參數(shù)化估計(jì)，因此需要發(fā)展長(zhǎng)距離RTK技術(shù)或RTK-PPP技術(shù)[38-39]。

實(shí)時(shí)PPP技術(shù)利用國(guó)際GNSS 服務(wù)組織（International GNSS Service，IGS）通過(guò)網(wǎng)絡(luò)播發(fā)的實(shí)時(shí)軌道和鐘差的改正信息，在綜合考慮各項(xiàng)誤差模型的精確改正或進(jìn)行參數(shù)估計(jì)的條件下，采用單臺(tái)接收機(jī)就可以達(dá)到厘米級(jí)精度[40-41]。根據(jù)對(duì)電離層延遲的不同處理方法，通常分為采用無(wú)電離層組合和電離層參數(shù)估計(jì)這2種方法，對(duì)應(yīng)2種不同PPP函數(shù)模型，即雙頻消電離層組合以及基于原始觀測(cè)值的非差非組合模型。采用雙頻消電離層組合模型是PPP中最為常用的觀測(cè)模型，可表示為[42-44]

常用的無(wú)電離層組合不能消除高階電離層的影響，且觀測(cè)噪聲放大[45]。近年來(lái)，部分學(xué)者開(kāi)始研究基于原始觀測(cè)值的非組合PPP模型（如式（2）所示），該模型可以利用所有觀測(cè)信息，任何頻率的觀測(cè)值均可以按照這種模型建立觀測(cè)方程，不再局限于雙頻，且不改變觀測(cè)噪聲，能避免高階電離層誤差影響，回避雙差觀測(cè)值的數(shù)學(xué)相關(guān)性等[44-46]。

由于接收機(jī)端和衛(wèi)星端的載波相位觀測(cè)值信號(hào)延遲，非差非組合的PPP模糊度不具有整數(shù)特性[43]。針對(duì)這一問(wèn)題，學(xué)者們先后提出了未校準(zhǔn)相位偏差[47]、整數(shù)鐘[48]、解耦鐘[48]，以及相位鐘等[49]方法恢復(fù)非差模糊度的整數(shù)特性。模糊度的整數(shù)固定解不僅能提高實(shí)時(shí)PPP的定位精度，還能顯著縮短PPP定位的初始化時(shí)間，實(shí)現(xiàn)與RTK相當(dāng)?shù)亩ㄎ痪群投ㄎ恍?。相比于RTK技術(shù)，PPP技術(shù)不依賴參考站和作業(yè)距離，且在遠(yuǎn)海區(qū)域具有顯著的優(yōu)越性。到海洋高精度定位領(lǐng)域，文獻(xiàn)[50]發(fā)展了一種新的海嘯預(yù)警系統(tǒng)[50]，采用精密單點(diǎn)定位-非差模糊度固定方法（precise point positioning-ambiguity resolution，PPP-AR），其定位可突破20 km的距離限制[51]。該技術(shù)的前提是能夠通過(guò)衛(wèi)星系統(tǒng)獲得精確的軌道和時(shí)鐘，即可在海洋上的任意位置實(shí)時(shí)高精度連續(xù)監(jiān)測(cè)。

在遠(yuǎn)洋區(qū)域，RTK和實(shí)時(shí)PPP服務(wù)仍受限于網(wǎng)絡(luò)覆蓋。目前可提供實(shí)時(shí)高精度服務(wù)的運(yùn)營(yíng)商和其服務(wù)內(nèi)容主要有麥基嘉（NavCom）的星火（StarFire）服務(wù)、天寶（Trimble）的實(shí)時(shí)差分拓展技術(shù)（real time extended，RTX）服務(wù)等，即通過(guò)衛(wèi)星通信鏈路給付費(fèi)用戶播發(fā)實(shí)時(shí)改正數(shù)而進(jìn)行實(shí)時(shí)PPP等定位方式[52]。PPP-RTK技術(shù)是集成了PPP和RTK的優(yōu)勢(shì)，為用戶提供厘米級(jí)精度的定位服務(wù)，具有高精度、靈活性和保護(hù)用戶隱私的優(yōu)點(diǎn)，然而需要網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)孛鎱⒖季W(wǎng)的改正數(shù)，因在遠(yuǎn)海區(qū)域網(wǎng)絡(luò)傳輸不穩(wěn)定，易導(dǎo)致定位精度下降[39]。有學(xué)者針對(duì)遠(yuǎn)海高精度定位提出采用BDS短報(bào)文傳輸改正信息，使傳輸衛(wèi)星改正信息不再受距離的限制，但受限于BDS短報(bào)文通信頻率和帶寬限制，須采用不同的編碼方式播發(fā)衛(wèi)星軌道和鐘差，所以針對(duì)改正數(shù)的傳播分別提出了不同的編碼方式，并證明利用BDS短報(bào)文傳輸改正信息可以滿足遠(yuǎn)海的高精度定位[53-54]。需要指出北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou-3 global navigation satellite system，BDS-3）通過(guò)靜止地球軌道（geostationary Earth orbit，GEO）衛(wèi)星的B2b信號(hào)播發(fā)精密軌道和鐘差改正數(shù)，為用戶提供實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位服務(wù)[55-56]，在BDS-3實(shí)時(shí)PPP服務(wù)覆蓋范圍內(nèi)，可以解決遠(yuǎn)海高精度定位難題[57]。

1.2 臂長(zhǎng)改正技術(shù)

GNSS-聲吶定位受到多種誤差因素的影響。臂長(zhǎng)參數(shù)（GNSS天線到聲學(xué)換能器的矢量）即為其中之一。由于換能器的位置是根據(jù)GNSS天線位置、臂長(zhǎng)參數(shù)信息以及船體姿態(tài)觀測(cè)信息計(jì)算得到，因此，臂長(zhǎng)參數(shù)的測(cè)量誤差會(huì)影響換能器位置的準(zhǔn)確性，進(jìn)而影響海底控制點(diǎn)的定位精度。針對(duì)臂長(zhǎng)參數(shù)誤差對(duì)聲學(xué)換能器坐標(biāo)的影響，有學(xué)者采用基于線性化誤差傳播的測(cè)量不確定度評(píng)定與表示方法以及基于非線性誤差傳播的蒙特卡羅方法對(duì)其進(jìn)行了不確定度評(píng)估[58]。標(biāo)定臂長(zhǎng)參數(shù)是GNSS-聲吶系統(tǒng)集成后的重要步驟。暫時(shí)忽略聲速場(chǎng)環(huán)境參數(shù)，臂長(zhǎng)參數(shù)校準(zhǔn)觀測(cè)方程為

圖2 GNSS-聲吶無(wú)人船觀測(cè)系統(tǒng)與海底控制點(diǎn)校準(zhǔn)

在對(duì)超短基線水聲定位系統(tǒng)校準(zhǔn)過(guò)程中，將臂長(zhǎng)參數(shù)與海底控制點(diǎn)位置進(jìn)行聯(lián)合參數(shù)化估計(jì)，可以提高臂長(zhǎng)校準(zhǔn)及海底定位精度[59]。研究表明，直接將臂長(zhǎng)參數(shù)與海底控制點(diǎn)坐標(biāo)作為待估參數(shù)共同解算，可能會(huì)因參數(shù)之間強(qiáng)相關(guān)而出現(xiàn)觀測(cè)方程病態(tài)的問(wèn)題，導(dǎo)致解算結(jié)果不可靠。對(duì)于臂長(zhǎng)參數(shù)的垂直偏移量與海底控制點(diǎn)垂向坐標(biāo)存在強(qiáng)相關(guān)的問(wèn)題，可采用樣本搜索法對(duì)垂直偏移量進(jìn)行修正[62]。有學(xué)者通過(guò)分析臂長(zhǎng)參數(shù)誤差對(duì)定位結(jié)果的影響，以及推導(dǎo)臂長(zhǎng)參數(shù)和海底控制點(diǎn)坐標(biāo)參數(shù)之間的相關(guān)性，從理論上闡述了觀測(cè)方程產(chǎn)生病態(tài)的原因，進(jìn)而構(gòu)建了一種顧及臂長(zhǎng)參數(shù)先驗(yàn)信息的貝葉斯估計(jì)模型，有效提高了臂長(zhǎng)參數(shù)和海底控制點(diǎn)坐標(biāo)的解算精度[63]。

相比于傳統(tǒng)測(cè)量船，無(wú)人平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)化程度高，為標(biāo)準(zhǔn)化定制GNSS-聲吶臂桿及GNSS、聲吶和姿態(tài)傳感器一體化觀測(cè)平臺(tái)提供了可能，特別是可以提供更為精確的垂向偏移量量測(cè)信息，從而解決GNSS-聲吶臂桿精確量測(cè)難題。需要指出，由于天線相位中心和聲吶環(huán)能器的電氣中心很難精確確定，從而再精確的事前臂桿量測(cè)信息也無(wú)法替代系統(tǒng)集成后的GNSS-聲吶臂長(zhǎng)標(biāo)校測(cè)量。

1.3 聲速誤差補(bǔ)償技術(shù)

海洋環(huán)境復(fù)雜多變，海洋聲線折射比電磁波折射更為嚴(yán)重。由于很難實(shí)時(shí)獲取測(cè)區(qū)高精度、高時(shí)空分辨率海洋聲速場(chǎng)，因而通常只能獲取少量聲速剖面信息。因此，補(bǔ)償聲速剖面誤差成為海底高精度定位的重要途徑。

式中：為聲速誤差相關(guān)參數(shù)相對(duì)于初值的改正；為待估聲速誤差相關(guān)參數(shù)的系數(shù)矩陣。在海底單點(diǎn)定位觀測(cè)條件下，可以采用聲吶天頂延遲改正模型，此時(shí)為天頂聲吶延遲參數(shù)；為天頂延遲映射函數(shù)構(gòu)成的矩陣，為觀測(cè)天頂角和方位角的函數(shù)。

無(wú)人觀測(cè)系統(tǒng)難以獲取全水深聲速剖面，其在降低了觀測(cè)成本的同時(shí)，亦增加了海底精密定位的難度，因此亟須發(fā)展更為有效的時(shí)空聲速場(chǎng)反演模型，考慮更多聲速模型誤差補(bǔ)償問(wèn)題，特別是聲速場(chǎng)垂向變化補(bǔ)償。當(dāng)不存在聲速剖面時(shí)，可將其與海底站坐標(biāo)進(jìn)行聯(lián)合反演，以提高海底定位的精度。當(dāng)不考慮聲速的時(shí)空變化時(shí)，單純利用GNSS-聲吶反演的聲速剖面實(shí)施海底定位，則難以滿足厘米級(jí)精度定位要求。最近有學(xué)者通過(guò)構(gòu)建更為合理的經(jīng)驗(yàn)聲速剖面模型并顧及聲速時(shí)空變化，實(shí)現(xiàn)了厘米級(jí)精度的海底大地測(cè)量定位[71]。

2 GNSS聲吶浮標(biāo)觀測(cè)系統(tǒng)

GNSS浮標(biāo)在潮汐監(jiān)測(cè)[37]、大氣研究以及電離層研究[72]等方面都得到了應(yīng)用。由于應(yīng)變系泊浮標(biāo)抵抗洋流能力較差，可將錨與浮標(biāo)間的連接方式改為松弛系泊浮標(biāo)，以更好地抵抗洋流、風(fēng)浪的影響[21,73-74]。松弛系泊浮標(biāo)原型系統(tǒng)中的系泊線由浮標(biāo)和線端站之間的鋼絲繩、尼龍繩、聚丙烯繩和錨組成[73]，隨后由鐵鏈替代。針對(duì)附著在浮標(biāo)體上的藤壺是否會(huì)引起浮力或傾斜的變化，以及鐵鏈?zhǔn)欠駮?huì)因摩擦而發(fā)生斷裂等問(wèn)題，有學(xué)者于2013—2016年在室戶岬進(jìn)行了3年零7個(gè)月的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，附著在浮標(biāo)體上的藤壺并沒(méi)有對(duì)浮標(biāo)的浮力或者傾斜產(chǎn)生影響[50]。此外，對(duì)鐵鏈進(jìn)行耐摩擦設(shè)計(jì)，也可使浮標(biāo)運(yùn)行10 a甚至更長(zhǎng)時(shí)間而不發(fā)生斷裂[50]。

為盡早發(fā)現(xiàn)海嘯以及引起海嘯的地殼形變[20]，同時(shí)具備海嘯和海底地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)功能的松弛系泊浮標(biāo)系統(tǒng)已成為海洋大地測(cè)量及相關(guān)科學(xué)研究的重要觀測(cè)系統(tǒng)。一套用于海底地殼運(yùn)動(dòng)和海嘯監(jiān)測(cè)的松弛系泊浮標(biāo)系統(tǒng)被開(kāi)發(fā)，且具有抵抗高速海流（約2.7 m/s）的能力[73]，并于2014年和2016年分別進(jìn)行了為期5個(gè)月[22]及1 a[75]的海上實(shí)驗(yàn)。該松弛系泊浮標(biāo)原型系統(tǒng)[73]由3部分組成：一個(gè)海底壓力單元，用于監(jiān)測(cè)海嘯和地殼形變的垂直分量；6個(gè)應(yīng)答器構(gòu)成虛擬海底基準(zhǔn)，用于測(cè)量地殼形變；一個(gè)浮標(biāo)系統(tǒng)，用于控制該系統(tǒng)并進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。浮標(biāo)系統(tǒng)由浮標(biāo)站作為主要控制中心，一個(gè)GNSS定位系統(tǒng)（4個(gè)GNSS天線，用于估計(jì)浮標(biāo)的位置、傾斜和旋轉(zhuǎn)）和聲學(xué)站接收海底應(yīng)答器發(fā)出的聲學(xué)信號(hào)。在1000 m的電線末端設(shè)置一個(gè)線端站，用于在浮標(biāo)站和海底壓力裝置之間傳遞信號(hào)，并為海嘯數(shù)據(jù)添加時(shí)鐘信息（如圖4所示）。另外，壓力數(shù)據(jù)和聲學(xué)觀測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)2個(gè)不同的衛(wèi)星通信系統(tǒng)從浮標(biāo)站的數(shù)據(jù)記錄儀傳輸?shù)疥懨嬲?。其中，壓力?shù)據(jù)發(fā)送到陸地站的周期根據(jù)正常模式和海嘯模式分別為1 h和15 s，聲學(xué)觀測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送周期為7 d[22]。海底至少需要3個(gè)應(yīng)答器作為一組，通常形成正多邊形陣列，尺寸大小大致等于測(cè)量區(qū)域的深度[74]。

圖4 海嘯和地殼形變觀測(cè)系統(tǒng)示意

在松弛系泊浮標(biāo)系統(tǒng)中，由于風(fēng)和海流的影響導(dǎo)致浮標(biāo)發(fā)生漂移，進(jìn)而產(chǎn)生2個(gè)問(wèn)題：一是浮標(biāo)逐漸遠(yuǎn)離陣列中心時(shí)測(cè)量分辨率很差[76]；二是來(lái)自不同位置的測(cè)量妨礙了對(duì)陣列幾何結(jié)構(gòu)不確定性影響的消除[77]，然而，海面觀測(cè)構(gòu)型改變?cè)诹硪环矫嬗欣谔岣吆５锥ㄎ痪萚73]。有學(xué)者在同步幾何確定算法[78]的基礎(chǔ)上提高了海底定位精度（在2倍的標(biāo)準(zhǔn)差時(shí)小于1 m）[74]；但該學(xué)者主要描述了浮標(biāo)上GNSS-聲吶系統(tǒng)的技術(shù)問(wèn)題[74]，未過(guò)多地討論這些系統(tǒng)的準(zhǔn)確性評(píng)估問(wèn)題。有學(xué)者使用松弛系泊浮標(biāo)對(duì)GNSS聲學(xué)測(cè)量的定位精度進(jìn)行了評(píng)估[79]。

除單浮標(biāo)系統(tǒng)外，已有研究采用多浮標(biāo)系統(tǒng)的形式獲得水平梯度變化，進(jìn)而提高海底基準(zhǔn)坐標(biāo)的準(zhǔn)確性[80]。為了利用浮標(biāo)間的基線信息，有學(xué)者提出了一種浮標(biāo)間基線約束的聯(lián)合平差方法，仿真結(jié)果表明，該方法的定位精度比不考慮浮標(biāo)間的基線信息提高了24%～53%[81]。

需要指出，海面浮標(biāo)系統(tǒng)采用太陽(yáng)能供電，若進(jìn)一步解決海底的供電問(wèn)題，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)海面與海底變化實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)，并通過(guò)衛(wèi)星通信可將監(jiān)測(cè)信息傳輸?shù)桨痘行?，從而?shí)現(xiàn)海嘯預(yù)警。然而，該系統(tǒng)目前主要依靠海流和風(fēng)浪實(shí)現(xiàn)漂移式觀測(cè)，機(jī)動(dòng)性相對(duì)較差，因而海底定位精度也會(huì)受到一定限制。因此，未來(lái)發(fā)展微動(dòng)力浮標(biāo)，有望實(shí)現(xiàn)在不影響海面變化監(jiān)測(cè)的同時(shí)，改善海面聲吶測(cè)線幾何構(gòu)型，從而提高海底控制網(wǎng)定位精度。同時(shí)，當(dāng)海面浮標(biāo)具備無(wú)線電或衛(wèi)星通信功能時(shí)，可將GNSS-聲吶及相關(guān)海洋環(huán)境參數(shù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，從而實(shí)現(xiàn)海平面變化監(jiān)測(cè)、海底構(gòu)造和形變及海洋環(huán)境等海洋綜合監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)主要是近海社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)對(duì)該觀測(cè)系統(tǒng)的生存性造成一定影響，因此，該系統(tǒng)主要適用于深遠(yuǎn)海空曠海域，或可發(fā)展隱蔽式下潛、自保護(hù)浮標(biāo)系統(tǒng)。

3 GNSS聲吶無(wú)人船觀測(cè)系統(tǒng)

3.1 基于水面無(wú)人船的GNSS聲吶觀測(cè)系統(tǒng)

小型化海面無(wú)人船、無(wú)人艇可以代替海面大型測(cè)量船，是一種連續(xù)、便捷、智能、廉價(jià)的海面觀測(cè)平臺(tái)，特別是多海面無(wú)人船載體協(xié)同構(gòu)成的GNSS-聲吶無(wú)人觀測(cè)系統(tǒng)，有望實(shí)現(xiàn)精度更高的海底大地測(cè)量定位[81]?；谒鏌o(wú)人船的GNSS-聲吶無(wú)人觀測(cè)系統(tǒng)如圖5所示，其主要工作原理是水面無(wú)人船按照設(shè)計(jì)航線進(jìn)行走航，期間水面無(wú)人船搭載的聲吶設(shè)備對(duì)海底聲學(xué)信標(biāo)進(jìn)行持續(xù)觀測(cè)。其中，聲信號(hào)收發(fā)時(shí)刻的海面換能器位置可根據(jù)GNSS提供的天線坐標(biāo)信息進(jìn)行桿臂和姿態(tài)等改正得到。基于聲吶時(shí)延信息（或方位信息）和聲速剖面信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)海底信標(biāo)的定位。圖中USBL表示超短基線（ultra-short baseline）。

圖5 GNSS-聲吶無(wú)人船系統(tǒng)

在基于無(wú)人船的GNSS聲吶無(wú)人觀測(cè)系統(tǒng)中，水面無(wú)人船通常搭載GNSS天線、USBL定位模塊、慣性單元。其中，GNSS天線與USBL模塊直接相連，可降低大型科考船的海面GNSS天線與浸水端聲學(xué)設(shè)備間的桿臂測(cè)量難度；慣性單元可提供三維姿態(tài)信息，用于GNSS天線坐標(biāo)到USBL聲學(xué)基陣坐標(biāo)的精確轉(zhuǎn)化。USBL定位的基本原理是聲學(xué)陣列中心發(fā)射器向目標(biāo)應(yīng)答器發(fā)射聲學(xué)詢問(wèn)信號(hào)，應(yīng)答器接收到詢問(wèn)信號(hào)后反饋應(yīng)答信號(hào)，據(jù)此測(cè)量基陣陣元間接收到反饋信號(hào)的傳播時(shí)間差或相位差，并基于平面波近似原理，計(jì)算目標(biāo)在聲學(xué)基陣坐標(biāo)系下的相對(duì)位置。

以法國(guó)研制的GNSS聲吶無(wú)人觀測(cè)系統(tǒng)為例。該系統(tǒng)采用法國(guó)艾克斯藍(lán)公司（Ixblue）全球聲學(xué)定位系統(tǒng)（global acoustic positioning system，GAPS）M7型號(hào)超短基線，聲學(xué)基陣由中心發(fā)射器和互相間距21 cm的4個(gè)水聽(tīng)器構(gòu)成，信號(hào)頻率為26 kHz，測(cè)量間隔為0.8 s，在信噪比優(yōu)于20 dB條件下可實(shí)現(xiàn)2 cm測(cè)距精度和0.03°測(cè)角精度[82]。為獲得海底基準(zhǔn)站的絕對(duì)位置，通常需要進(jìn)行船系、基陣系以及大地坐標(biāo)系之間的嚴(yán)格校準(zhǔn)。為了坐標(biāo)系校準(zhǔn)，水面無(wú)人船以海底目標(biāo)點(diǎn)為中心進(jìn)行順向、逆向繞圈觀測(cè)的短時(shí)觀測(cè)（如20～30 min）。此外，該系統(tǒng)還包括靜態(tài)斜距模式和靜態(tài)垂距模式下的長(zhǎng)時(shí)觀測(cè)。歐洲學(xué)者在法國(guó)布雷斯特灣的淺海實(shí)驗(yàn)表明，在水深40 m環(huán)境下，利用2 d內(nèi)采集的多組觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)約為20 min的數(shù)據(jù)集，可獲得5 cm的海底應(yīng)答器坐標(biāo)重復(fù)觀測(cè)精度[82]。

基于USV平臺(tái)的GNSS-聲吶系統(tǒng)對(duì)于改善海底大地測(cè)量具有重要參考價(jià)值，除了可以獲取時(shí)間頻次更高和空間分別更密集的GNSS-聲吶觀測(cè)外，未來(lái)可將多個(gè)USV平臺(tái)以及母船組合起來(lái)，即部署水面無(wú)人船編隊(duì)，有望實(shí)現(xiàn)更高精度的海底大地測(cè)量定位和更高時(shí)空分辨率的海洋聲速場(chǎng)反演，同時(shí)提高海洋PNT網(wǎng)絡(luò)的立體化服務(wù)能力。該系統(tǒng)雖然機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、作業(yè)效率高，但其主要缺點(diǎn)主要是長(zhǎng)期自主生存能力、長(zhǎng)距離自主遷徙能力還有待提高，包括復(fù)雜海況及能源供給受限情況下的自治維持問(wèn)題。

3.2 基于波浪滑翔機(jī)的GNSS聲吶觀測(cè)系統(tǒng)

解決無(wú)人船生存能力和遷徙能力的重要途徑是采用海面波浪滑翔機(jī)實(shí)施海底大地控制網(wǎng)觀測(cè)。如圖6所示，波浪滑翔機(jī)一般由水面船和水下滑翔機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)以及連接二者的柔性纜繩組成。水面船由海浪波谷運(yùn)動(dòng)到波峰，通過(guò)纜繩拉動(dòng)水下動(dòng)力系統(tǒng)上升，串列水翼順時(shí)針被動(dòng)俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生向前的推力，通過(guò)纜繩拉動(dòng)水面船向前運(yùn)動(dòng)；類(lèi)似地，當(dāng)水面船由波峰向波谷運(yùn)動(dòng)，此時(shí)水下驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)依托自身重力向下運(yùn)動(dòng)，串列水翼逆時(shí)針被動(dòng)俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生向前的推力，拉動(dòng)水面船向前運(yùn)動(dòng)。

圖6 基于波浪滑翔機(jī)的GNSS-聲吶系統(tǒng)

目前，美國(guó)自動(dòng)化機(jī)器人公司（Liquid Robotics）是研究波浪能滑翔機(jī)的主要研發(fā)機(jī)構(gòu)，具備樣機(jī)研制能力，相繼推出SV2和SV3型號(hào)，其物理參數(shù)和航行性能如表2[83-84]所示，其中SV3型號(hào)船有行駛了1 a時(shí)間、行程約12874.752 km的記錄。我國(guó)自2014年研制出“黑珍珠”“海哨兵”和“海鷂號(hào)”等波浪滑翔器，其中“海哨兵”最大航時(shí)320 d、航程14271.4 km。

表2 波浪滑翔機(jī)物理參數(shù)和航行性能信息

日本東北大學(xué)于2019年7月在青森海域開(kāi)展了GNSS-聲吶觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，波浪滑翔機(jī)在調(diào)查船甲板上完成配置后，開(kāi)始對(duì)G02測(cè)區(qū)4個(gè)測(cè)站進(jìn)行觀測(cè)，先后進(jìn)行了7月3日23:50—7月5日8:17（持續(xù)約32 h）和7月5日23:00—7月6日4:32（約5.5 h）共計(jì)2段連續(xù)測(cè)量。波浪滑翔機(jī)采集的數(shù)據(jù)原始波形分析表明，聲信號(hào)背景噪聲嚴(yán)重，信噪比較低，但經(jīng)過(guò)高精度的互相關(guān)時(shí)延估計(jì)技術(shù)，有效削弱了多徑效應(yīng)引起的聲學(xué)測(cè)時(shí)誤差，處理后的各海底基站對(duì)應(yīng)的聲信號(hào)數(shù)據(jù)與采用海面大型測(cè)量船所獲得的聲學(xué)數(shù)據(jù)質(zhì)量相當(dāng)。GNSS-聲吶觀測(cè)數(shù)據(jù)解算結(jié)果表明，基于滑翔機(jī)觀測(cè)的陣列中心平均定位結(jié)果優(yōu)于10 cm，各歷元定位序列標(biāo)準(zhǔn)差在北方向和東方向分別為7.0和6.1 cm。該實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于海面波浪滑翔機(jī)進(jìn)行厘米量級(jí)的海底大地測(cè)量定位的可行性，對(duì)開(kāi)展高精度、長(zhǎng)航時(shí)GNSS-聲吶無(wú)人觀測(cè)具有重要參考價(jià)值。

需要指出，波浪滑翔機(jī)平臺(tái)雖然機(jī)動(dòng)性較差，但長(zhǎng)期生存能力極強(qiáng)，因此基于波浪滑翔機(jī)的GNSS-聲吶觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)于發(fā)展大規(guī)模海底大地控制網(wǎng)自動(dòng)巡檢和定期觀測(cè)維護(hù)具有很大潛力，是高機(jī)動(dòng)海面無(wú)人船/艇的有效補(bǔ)充。

4 GNSS聲吶無(wú)人機(jī)觀測(cè)系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)（unmanned aerial vehicle，UAV）具有制造成本低、運(yùn)營(yíng)成本低和高機(jī)動(dòng)性等優(yōu)點(diǎn)，在海洋監(jiān)測(cè)、水下通信、海上生產(chǎn)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用[85-87]。無(wú)人機(jī)大致分為小型直升機(jī)和大型飛機(jī)。小型直升機(jī)具有短距離飛行能力、高機(jī)動(dòng)性、小載荷能力，適合開(kāi)展定期定點(diǎn)觀測(cè)、多點(diǎn)觀測(cè)，以及不需要船舶的近距離有限工作等，例如執(zhí)行拋棄式快速溫鹽深儀剖面觀測(cè)，輔助海洋網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集和傳輸以及海面基站與水下UAV進(jìn)行通信或聯(lián)合作業(yè)等[86-88]。該類(lèi)無(wú)人機(jī)即使在較惡劣的環(huán)境仍能運(yùn)行（風(fēng)速約5～10 m/s），不足之處在于飛行距離和有效載荷能力或遙感控制并不能滿足遠(yuǎn)距離、長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)的要求，若要對(duì)離岸10 km以上的區(qū)域進(jìn)行作業(yè)，需要配備汽油發(fā)動(dòng)機(jī)或類(lèi)似設(shè)備。

大型飛機(jī)具有遠(yuǎn)距離飛行能力、低機(jī)動(dòng)性、大載荷能力。由于飛行距離的限制，小型無(wú)人機(jī)不能用于自主進(jìn)行海底大地測(cè)量觀測(cè)（目標(biāo)深度1000 m或以上）。因此，需要一種可在海面上起飛和降落的浮動(dòng)無(wú)人機(jī)。為實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)遠(yuǎn)距離飛行，其有效載荷重量需要遠(yuǎn)低于船舶和浮標(biāo)的載荷。相比于船舶觀測(cè)，這種無(wú)人機(jī)在制造和燃料成本方面具有顯著優(yōu)點(diǎn)，并且能夠快速到達(dá)觀察地點(diǎn)。

如圖7所示，假若將海底大地測(cè)量觀測(cè)設(shè)備安裝在無(wú)人機(jī)上，則可研制兼顧海底控制點(diǎn)投放、標(biāo)校觀測(cè)、維護(hù)更新的GNSS-聲吶無(wú)人機(jī)觀測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由浮動(dòng)無(wú)人機(jī)作為主要控制中心，配備GNSS定位系統(tǒng)（2根GNSS天線、1套姿態(tài)測(cè)量設(shè)備，用于獲取無(wú)人機(jī)的位置和姿態(tài)）、遠(yuǎn)程飛行控制設(shè)備（通過(guò)岸基中心對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行備航控制、航線設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)監(jiān)控）和聲學(xué)交互設(shè)備（用于海底控制網(wǎng)通信測(cè)距）或其他作業(yè)設(shè)備（如聲學(xué)信標(biāo)等）。其作業(yè)模式如下：

1）無(wú)人機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航到目標(biāo)點(diǎn)。

2）無(wú)人機(jī)海上懸?；蚝Ｃ嬷?。

3）無(wú)人機(jī)聲學(xué)信標(biāo)投放或?qū)σ延锌刂凭W(wǎng)進(jìn)行觀測(cè)數(shù)據(jù)采集。

4）無(wú)人機(jī)作業(yè)結(jié)束，然后自動(dòng)返回基地。

圖7 GNSS-聲吶無(wú)人機(jī)觀測(cè)系統(tǒng)

在海底大地測(cè)量方面，已有研究基于無(wú)人機(jī)的GNSS-聲吶觀測(cè)實(shí)現(xiàn)高頻、近實(shí)時(shí)部署和低成本的海底大地測(cè)量觀測(cè)[16]。該研究中使用的無(wú)人機(jī)為日本太空娛樂(lè)實(shí)驗(yàn)室（Space Entertainment Laboratory）有限公司研制的浮動(dòng)平面無(wú)人機(jī)HAMADORI6000，配備了專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的輕便緊湊的觀測(cè)設(shè)備，如圖8所示。該無(wú)人機(jī)能夠飛行750 km，最長(zhǎng)飛行8 h，巡航飛行速度約為80 km/h或更高，可在海面上進(jìn)行2節(jié)高速移動(dòng)，即使是強(qiáng)流環(huán)境下也能獲得觀測(cè)結(jié)果。無(wú)人機(jī)GNSS-聲吶觀測(cè)設(shè)備主要有：GNSS設(shè)備為u-blox Neo-M8N GNSS接收機(jī)和ANT-2B天線；姿態(tài)計(jì)和飛行控制器分別是慣性測(cè)量單元（ICM-20689，TDK InvenSense）和Holybro Pixhawk 4；聲吶是一個(gè)小型圓柱形換能器（ITC-3013，Gavial ITC）；處理數(shù)據(jù)個(gè)人電腦（personal computer，PC）是一個(gè)NucBox (GMKtec)，帶有Inter Celeron J4125處理器；觀測(cè)設(shè)備有效載荷總重量約為6 kg，明顯輕于一般的GNSS-聲吶設(shè)備。在觀測(cè)期間，飛行、海面導(dǎo)航和聲音傳輸由飛行控制器Holybro Pixhawk 4遠(yuǎn)程控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于無(wú)人機(jī)的GNSS-聲吶反演地殼運(yùn)動(dòng)的各分量值與基于船舶的GNSS-聲吶值基本一致。

圖8 GNSS-聲吶無(wú)人機(jī)傳感器配置

需要指出，為了實(shí)現(xiàn)基于無(wú)人機(jī)的厘米級(jí)精度GNSS-聲吶觀測(cè)，需要雙頻GNSS天線；對(duì)于翼型無(wú)人機(jī)，天線必須安裝在遠(yuǎn)離機(jī)翼的位置，以免被機(jī)翼和其他部件遮擋。另外，還需要考慮無(wú)人機(jī)聲吶系統(tǒng)部署深度問(wèn)題，避免海面附近產(chǎn)生的氣泡對(duì)通信導(dǎo)航信號(hào)的影響。此外，基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)的GNSS-聲吶觀測(cè)系統(tǒng)難免受海面復(fù)雜環(huán)境以及無(wú)人機(jī)本身噪聲的影響，從而影響GNSS-聲吶觀測(cè)質(zhì)量。

5 結(jié)束語(yǔ)

正在快速發(fā)展的海洋智能化無(wú)人系統(tǒng)有望革新GNSS-聲吶組合觀測(cè)技術(shù)，大幅降低傳統(tǒng)基于大型測(cè)量船的海底大地控制網(wǎng)建設(shè)與運(yùn)行維護(hù)成本。此外，對(duì)于傳統(tǒng)調(diào)查船觀測(cè)平臺(tái)，GNSS、姿態(tài)和聲吶的安裝只能被動(dòng)適配調(diào)查船，而無(wú)人觀測(cè)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化程度高，易于實(shí)現(xiàn)GNSS、姿態(tài)和聲吶測(cè)量單元的一體化集成。此外，無(wú)人系統(tǒng)集群可進(jìn)一步提高GNSS-聲吶觀測(cè)效率，改善海面觀測(cè)幾何構(gòu)型，從而有望極大地提高海底大地控制網(wǎng)的定位精度。

海面浮標(biāo)、無(wú)人船、波浪滑翔機(jī)、無(wú)人機(jī)等觀測(cè)平臺(tái)的自治能力、機(jī)動(dòng)能力和生存能力各有不同，用戶可根據(jù)海底大地控制網(wǎng)的不同用途，選擇不同的觀測(cè)平臺(tái)，構(gòu)建靈活、彈性、智能的無(wú)人觀測(cè)裝備體系。例如，對(duì)于海底構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與形變實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)應(yīng)用，可選擇海面自治浮標(biāo)系統(tǒng)，而應(yīng)急保障適合采用無(wú)人機(jī)系統(tǒng)。建議我國(guó)構(gòu)建多種無(wú)人技術(shù)綜合的彈性化海底大地測(cè)量建設(shè)、觀測(cè)和維護(hù)技術(shù)體系，革新現(xiàn)有海底大地控制網(wǎng)觀測(cè)維護(hù)技術(shù)，為海洋PNT網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與維護(hù)提供低廉、彈性、智能的多技術(shù)綜合解決方案。具體發(fā)展方向歸納如下：

1）對(duì)于長(zhǎng)期駐留的GNSS-聲吶浮標(biāo)觀測(cè)系統(tǒng)，有望實(shí)現(xiàn)海底控制網(wǎng)連續(xù)跟蹤監(jiān)測(cè)，但當(dāng)使用單個(gè)浮標(biāo)時(shí)，海面觀測(cè)構(gòu)型受系統(tǒng)設(shè)計(jì)、海流以及氣象等多種條件限制，未來(lái)如何利用海流以及氣象條件，甚至考慮動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)一個(gè)自治性更好、可控性更好的智能浮標(biāo)觀測(cè)系統(tǒng)，仍然需要開(kāi)展大量研究。此外，如何利用多枚浮標(biāo)協(xié)調(diào)觀測(cè)，長(zhǎng)期保持一個(gè)良好的海面觀測(cè)構(gòu)型，也是需要研究的課題。

2）對(duì)于無(wú)人船GNSS-聲吶觀測(cè)系統(tǒng)，由于其具有很好的機(jī)動(dòng)性，未來(lái)有望通過(guò)多載體協(xié)同觀測(cè)，提高海底控制網(wǎng)觀測(cè)效率以及海底大地控制網(wǎng)定位精度。

3）對(duì)于波浪滑翔機(jī)平臺(tái)，其具有強(qiáng)生存能力，但機(jī)動(dòng)性差，亦適用于常規(guī)性海底大地控制網(wǎng)巡檢與復(fù)測(cè)作業(yè)。

4）對(duì)于多棲無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，由于其機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、作用距離遠(yuǎn)，是一種極具潛力的高效敏捷的海底大地控制網(wǎng)觀測(cè)技術(shù)。

智能無(wú)人觀測(cè)系統(tǒng)在提高觀測(cè)效率、降低作業(yè)成本的同時(shí)，也面臨一系列挑戰(zhàn)，例如，平臺(tái)姿態(tài)穩(wěn)定性差，姿態(tài)測(cè)量精度要求相對(duì)較高，且GNSS天線-聲吶換能器連接臂桿長(zhǎng)度受限，導(dǎo)致聲吶觀測(cè)易受海表層復(fù)雜信號(hào)折射影響。此外，無(wú)人系統(tǒng)難以實(shí)施海洋聲速剖面測(cè)量，這對(duì)GNSS-聲吶觀測(cè)數(shù)據(jù)處理帶來(lái)諸多挑戰(zhàn)，例如需要發(fā)展免聲速剖面的厘米級(jí)精度海底大地測(cè)量定位模型[71]。

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Review of unmanned observation systems for seafloor geodetic network

XUE Shuqiang1,2, YANG Cheng3, ZHAO Shuang1, XIAO Zhen1, LI Jingsen1, BIAN Jiachao1

（1. Chinese Academy of Surveying and Mapping, Beijing 100039, China;2. State Key Laboratory of Geographic Information Engineering, Xi’an 710054, China;3. School of Land Science and Technology, China University of Geosciences, Beijing 100083, China）

Aiming at the problem that the observation and maintenance of the seafloor geodetic control network usually adopts a global navigation satellite system (GNSS)-acoustic combined observation system based on large measurement ships, which not only leads to high observation and maintenance costs of the control network, but also limits the frequency of remeasurement and global large-scale applications of the control network, the paper reviewed unmanned observation systems for seafloor geodetic network: it was pointed out that in recent years, the GNSS-acoustic combined observation system based on unmanned systems such as sea buoys, unmanned ships, wave gliders and unmanned aerial vehicles has developed rapidly, greatly reducing the observation cost of traditional seafloor geodetic control network and improving the observation and maintenance efficiency of seafloor control network; moreover, the research progress of GNSS-acoustic unmanned observation systems at home and abroad was described, and the advantages and disadvantages of existing unmanned observation platforms were analyzed; finally, and the challenges and possible development directions of GNSS-acoustic unmanned observation system were proposed.

seafloor geodesy; global navigation satellite system (GNSS)-acoustic; unmanned systems; underwater positioning

薛樹(shù)強(qiáng), 楊誠(chéng), 趙爽, 等. 海底大地控制網(wǎng)無(wú)人觀測(cè)系統(tǒng)研究進(jìn)展[J]. 導(dǎo)航定位學(xué)報(bào), 2023, 11(6): 8-21.（XUE Shuqiang, YANG Cheng, ZHAO Shuang, et al. Review of unmanned observation systems for seafloor geodetic network[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2023, 11(6): 8-21.）DOI:10.16547/j.cnki.10-1096.20230602.

P228

A

2095-4999(2023)06-0008-14

2023-11-14

嶗山實(shí)驗(yàn)室科技創(chuàng)新項(xiàng)目（LSKJ202205100，LSKJ202205105）；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2020YFB0505802）；國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)基金（41931076）；中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目（AR2313）。

薛樹(shù)強(qiáng)（1980—），男，山東東營(yíng)人，博士，研究員，研究方向?yàn)榇蟮販y(cè)量數(shù)據(jù)處理理論與方法。