院士论坛|杨元喜：我国海洋大地测量基准与海洋导航技术研究进展与展望
《测绘学报》
构建与学术的桥梁 拉近与权威的距离
我国海洋大地测量基准与海洋导航技术研究进展与展望
杨元喜1,2, 徐天河3, 薛树强4
1. 地理信息工程国家重点实验室, 陕西 西安 710054;
2. 西安测绘研究所, 陕西 西安 710054;
3. 山东大学(威海)空间科学研究院, 山东 威海 264209;
4. 中国测绘科学研究院, 北京 100830
收稿日期：2016-10-19； 修回日期：2016-10-30
基金项目：国家重点研发计划（2016YFB0501700）
第一作者简介： 杨元喜(1956-), 男, 博士, 研究员, 中国科学院院士, 主要从事动态大地测量数据与卫星导航数据处理研究。
摘要：领海是国家主权的重要组成部分，国家空间基准和位置服务应该覆盖陆地和海洋。以2000国家大地坐标系和2000国家重力基准为代表，我国已在陆地建成了较为完善的大地测量基准。然而，现有国家空间基准和重力基准未能有效覆盖海洋，海洋大地测量基准和海洋导航技术已严重滞后于国家社会经济发展新形势和国防战略需求。本文主要论述了我国海洋大地测量基准与海洋导航技术的研究现状，梳理了我国海洋大地测量基准所涉及的关键技术，分析了近期及未来我国自主发展海洋大地测量基准与海洋导航技术的主要方向。
关键词： 海洋测绘 大地测量 基准 水下导航 定位
Progresses and Prospects in Developing Marine Geodetic Datum and Marine Navigation of China
YANG Yuanxi1,2, XU Tianhe3, XUE Shuqiang4
Abstract: 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.
Key words: marine surveying geodesy datum underwater navigation positioning
海洋是人类可持续发展的重要空间，是资源勘探和开发的主要区域。我国是一个海洋大国，拥有300多万平方千米海域。“经略海洋”首先需要维护海洋权益，确保领海安全，其次是发展海洋经济、保护航海运输畅通、建设海上丝绸之路，最后还需要加强海洋科学研究，预防并减少海洋灾害影响等。无论是海洋权益维护、海洋经济发展还是海洋科学研究，都需要高精度、高可靠的海洋大地测量基准和海洋导航技术手段的支持；海洋大地测量基准也是海岛礁资源环境信息、海战场环境信息的基本参考框架，是谋划、决策、规划和实施一切国家海洋战略的重要基础。
21世纪以来，美国、加拿大、日本等发达国家通过布测技术先进的海底大地控制网[-]，不断完善海洋大地测量基础设施，有效提升了海洋科学和海洋地质等地球科学的研究水平和地质灾害的监测能力[-]；同时，其海洋导航定位技术也得到不断革新，显著提升了各种海洋活动的支持和保障力度。特别是近些年来美国提出建立海床声学信号源，组成类似GPS的水下全球定位系统，使其水下潜器无需浮出水面就可获得精确定位信息[]。
海洋大地测量基准构建技术虽然发展较晚，但发展却十分迅速。早在20世纪80年代末就有学者提出建设海底大地控制网的构想[-]，目前已有少数发达国家具备相对成熟的技术条件。海洋定位一般采用GNSS与声学定位相结合的技术方法[, -]，通过海面和海底控制网联测实现海洋大地测量基准与海洋无缝导航，该技术已成为海洋测绘与导航领域的研究热点和前沿方向。
自20世纪70年代以来，利用卫星测高技术确定平均海面高、大地水准面以及海洋重力场一直是大地测量热点研究问题[-]。基于高精度、高分辨率潮汐模型和垂直参考面模型建立陆海高程基准转换关系[]，是陆海高程基准统一技术的主要发展趋势，而将验潮站和测高卫星轨迹上的调和常数同化于潮波动力学模式是构建高精度潮汐模型的基本途径[]。在此基础上，也有学者研究采用潮汐模型附加残余验潮站水位实现瞬时水位推算[]。目前，美国、加拿大等发达国家在海洋垂直基准构建方面取得了许多重要进展，这对我国发展海洋大地测量基准技术体系具有一定的借鉴意义。
水下导航定位和位置服务系统是海洋活动、海洋安全、搜救执法、海洋资源环境调查、综合管理、海上生产生活及灾害防治的重要支撑条件。与海面及陆地导航定位不同，水下导航定位及位置服务信号要求具有穿透水体的能力。近几年，海面/水下定位装备推陈出新，呈现出设备组合化、功能集成化、体制宽带化的发展趋势，多传感器水上、水下无缝导航定位已成为其热点研究方向[-]。目前应用最广泛的水下声学导航定位系统主要有长基线定位系统(long baseline, LBL)、短基线定位系统(short baseline, SBL)与超短基线定位系统(ultra-short baseline, USBL)等[-]。在国外，上述系统已经日趋成熟并实现了商业化，在我国也占有一定市场。
为减弱部分水下定位系统误差和空间相关性误差影响，有学者提出水下差分定位技术，并得到了发展。水下差分导航定位原理是基于海底声波应答装置到海面测量装置之间的距离，采用单差及双差差分技术，进而精确计算海底应答器的三维坐标。差分水下定位技术提出以来[]，已被国内外广泛关注。
20世纪90年代，美国鲍尔航空航天实验室成功研制了水下潜器和潜艇导航的重力仪/重力梯度仪，重力梯度仪分辨率为1厄缶(10-9 m/s2)，系统导航定位精度可达到62 m/8 h；洛克希德-马丁公司也开发成功了通用重力匹配导航模板，能够实现潜艇14天精确导航[-]。随着水下声呐、惯导和重力匹配导航技术的不断发展和完善，水下多传感器组合导航技术已成为国内外导航技术领域的未来发展方向。
1 我国海洋大地测量基准研究进展
国内有学者自20世纪90年代就尝试讨论海岛控制网的水下传递方法，提出基于船载GNSS定位技术，结合声呐定位技术实现海底控制点的定位与定向[]。我国在短基线水下定位系统(SBL)和长基线水下定位系统(LBL)研制方面都取得重要成果，并发展了基于单差定位原理的差分水下定位技术[-]。此外，还针对水下控制网基准传递方法开展了相关研究，提出了通过改进海面GNSS浮标/AUV控制图形，以及采用控制网无约束平差和约束平差模型，研究水下控制网布测方案和高精度数据处理方法，以期改善水下基准点的坐标传递精度和水下控制网精度[, ]。进一步系统研究海洋大地测量基准理论体系，发展海面-海底控制网高精度数据处理模型与算法，是研究并实现陆海一致的高精度海底大地控制网的关键环节。
近20年来，我国海洋大地水准面和海洋潮汐等海洋模型精度不断提高。在中国近海及领海海域构建了2′×2′的重力异常数值模型，模型精度达到3~5 mGal; 确定了全球海域2′×2′平均海平面高模型序列，精度优于4 cm; 研究了近60年全球海平面变化特征，量化了海平面变化趋势及其主要贡献因素，反演并构建了全球海底地形数值模型; 建立了15′×15′全球海洋潮汐模型[]。我国在“十二五”期间还综合多源重力场资料研制了我国全海域大地水准面模型[]。
海洋垂直基准研究一直受到国内学者的重视[-]。初步探讨了我国海平面系统偏差及高程基准偏差[]，研究了全球高程基准统一以及高程基准统一问题[-]。在“十二五”期间，我国依托科技部重点项目“海岛(礁)测绘关键技术研究与示范应用”，研究了海洋无缝垂直基准构建技术，探索了海洋垂直基准的传递方法[-]。据不完全统计，我国目前拥有70多个海洋长期验潮站，这些站点在确定我国多年平均海面、深度基准面，以及研究海港的潮汐变化规律等发挥了重要作用。联合多代卫星测高资料以及长期验潮站资料建立了我国区域精密海潮模型[]；此外，还综合利用沿海及海岛礁卫星定位基准站和长期验潮站并置观测资料，建立了我国高程基准与深度基准转换模型[-]。然而，我国垂直基准模型精度还有待提高，无缝垂直基准的动态实现与维护方法也有待研究。
2 我国水下导航定位技术研究进展
在过去的20多年里，我国水下导航装备研制取得了一定突破，在水声测量方面逐渐打破国外技术壁垒，与国外的差距正在不断缩小。“十五”期间，我国研制成功了长程超短基线系统，实现了3800 m水下信标定位；通过将GPS定位技术与声学技术结合，研制了长基线定位系统和差分水下GPS定位系统[, -]。GRAT LBL水下定位系统是我国第一套高分辨率、大范围、无线电遥控浮标阵水声跟踪系统[]。差分水下GPS定位系统采用了先进的差分定位思想，在一定程度上削弱了诸如声线传播误差等系统误差的影响，但该系统海面的浮标个数有限，多余观测量不足，定位精度尤其是高程精度还需要进一步提高。尽管这些系统可实现米级精度定位，但系统整体性能、工程化和实用化水平还有待提高。在LBL数据处理技术方面，利用长基线同步定位原理对测阵方法进行了仿真研究[]。笔者认为，这类研究在我国仍处于相关技术的吸收和消化阶段。
海洋声学定位集成应用取得许多重要进展，为近海、深海石油勘探提供了重要技术保障[]。研究表明，声学定位技术用于海底电缆勘探、深海拖缆勘探、深海海底地震数据采集，可以完成放缆船、震源船、拖缆船、测深船的导航定位和数据采集任务，但其定位的精度还需要进一步提高。
近几年，重力实时测量与匹配导航引起国内学者广泛关注[-]，研制了重力辅助惯性导航系统，并开展了海上实船验证与应用[]。但是，绝大多数研究还只停留在数据仿真，模拟计算方面。
水下磁力匹配导航也有部分探索性成果[-]，但是，由于地磁基础资料欠缺，分辨率较低，而且地磁变化较快，易受其他因素的影响，离实用化水下导航还存在很大差距。
综上所述，我国虽然在水下导航定位装备研制和水下定位关键技术方面取得了许多重要成果，但在水下定位装备系列化、集成化、小型化等方面还有很大的发展空间，声呐、重力、惯导等多传感器集成的水上、水下无缝导航定位技术也有待发展和突破。
3 海洋大地测量基准与海洋导航定位关键技术
对于大区域控制网布测、运行、维护和导航应用而言，GNSS加声学定位体系还存在许多瓶颈技术问题[]，例如声线传播误差改正技术[-]。最新研究主要通过优化海面动态控制构型和改进水下框架网数据处理模型与算法[, -]，以提高水下参考点平面坐标的传递精度，然而在很多情况下水下高程方向定位精度还有待进一步提高[]。因此需要系统解决海洋三维基准构建与传递、水下基准装置建设与维护、海洋及水下无缝导航与位置服务等瓶颈技术问题。
(1)发展海洋大地测量基准建立理论与方法。需要突破陆海一致、连续动态的海洋大地测量基准构建瓶颈技术问题，发展海底高精度定位理论、模型和方法。首先，需要研究水下控制点(坐标框架点也是导航参考点)的密度、分布，于是需要精细研究海面及海底框架点组成及其分布[]，发展经济可行的海洋大地测量组网观测技术；利用海洋温度、盐度等信息研究建立声线延迟误差改正模型，发展声速残余误差抑制技术，构建多源海洋大地测量数据处理模型与算法，发展海底框架网高精度网解技术；探索全球/区域海洋大地测量观测网络和位置服务原型系统，构建海洋大地测量基准与位置服务体系。
(2)发展海洋基准与陆地基准无缝连接技术与方法。突破海底三维坐标基准精密传递、复杂多源数据的陆海大地水准面精化，海洋及水下无缝垂直基准实现等技术难题。为实现精密水下三维坐标基准传递，需要顾及短程测距方程非线性影响[-]，解决声线改正残余误差抑制技术和具有某些先验信息的基准连接技术；此外，还需综合利用CORS站、长期验潮站、GNSS浮标、卫星测高等多源数据，解决与陆地一致的海洋垂直参考框架动态维护与实现技术难题。
(3)发展水下参考框架点建设与维护技术。突破海底参考点勘选、方舱研制、校准等关键技术，解决深水方舱的抗压、防腐、布放和回收等技术瓶颈。此外，水下控制点的运行方式、能源供应、能源替换等也需要进行系统研究，以便提出切实可行的解决途径。
(4)发展海洋重力和磁力匹配导航技术。水下重力匹配和磁力匹配技术存在很多核心技术问题。如基准重力格网的分辨率问题，实时重力传感器测量值与基础重力格网快速匹配问题[, ]；地磁场时空模型建立是地磁导航的基础[]，而磁力场变化快，严重受外界环境的影响，基础磁场模型及其相应的精度和可靠性是制约磁场导航的关键问题。于是，需要突破重力场、磁力场信息与地理位置信息相关匹配技术，研制重力匹配和磁力匹配导航装备，发展声呐、惯性导航、重力和磁力匹配导航集成理论与方法。
(5)海洋多传感融合导航核心技术。水下多传感器集成、数据融合是水下导航十分重要的环节。多源导航传感器应该具备高度集成化、小型化[]，多源信息应该具备兼容与互操作前提[]，多源导航定位信息要具备自适应融合和智能化服务功能。此外，还需要突破水下导航定位装备的标定技术，形成国家自主多源传感器导航定位装备与数据处理平台。
(6)极区导航定位也是重要的关键技术。由于卫星导航信号在极区几何结构欠佳，电离层影响较大，定位效果比低纬度地区差；惯性导航在极区更易失去方向[]；极区地磁导航更难实施，于是，极区多源信息组合导航定位及其性能分析也值得研究。
4 结论与展望
我国虽然已形成了较为完备和先进的陆地大地测量基准体系，并在大地测量数据处理理论、模型与算法方面取得了丰硕成果[-]，但我国海洋大地测量基准和海洋位置服务技术与国际先进水平存在较大差距，水下导航技术单调、手段匮乏，陆海测绘地理空间信息未形成统一体系。为此，笔者认为，应该加紧进行海洋大地测量基准论证、研究与建设，研究可行的水下导航定位信息源，实现陆海大地测量基准统一；突破海底框架点建设与维护关键技术，攻克水下高精度动态定位及多传感器融合导航关键技术，构建我国自主可控的高精度海洋大地测量基准和位置服务技术体系；自主研发我国海洋导航定位硬件装备和软件平台，构建全球/区域海洋位置服务框架体系，为我国海上丝绸之路战略、海洋资源开发、海洋权益保护、水下潜器导航定位、舰船航行安全等提供技术支持。
此外，海洋大地测量基准及其水下导航技术还会极大促进海洋科学等相关领域研究，在监测重点海区海底沉积物运移变化、海洋地质变化、海洋灾害预测研究等领域具有重要应用前景。
（责任编辑：宋启凡）
【引文格式】杨元喜，徐天河，薛树强。 我国海洋大地测量基准与海洋导航技术研究进展与展望[J]. 测绘学报，2017，46(1)：1-8. DOI: 10.11947/j.AGCS.2017.20160519
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