李林陽，呂志平，崔 陽

(1. 信息工程大學地理空間信息學院，河南 鄭州 450001； 2. 后勤工程學院，重慶 401331)

海洋占地球表面積的71%，是人類可持續(xù)發(fā)展的重要空間，已成為世界各國激烈爭奪的重要戰(zhàn)略目標。維護海洋權益、發(fā)展海洋經(jīng)濟和研究海洋科學，需要高精度的海洋大地測量基準；海洋大地測量基準也是海島礁資源環(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[1]。

通過在陸地布設基準站，利用空間大地測量技術進行連續(xù)觀測，可以建立高精度的陸地大地測量基準，并可以有效監(jiān)測陸地上的板塊運動和地殼形變。一方面，絕大多數(shù)的板塊至少有一個邊界位于海底，因此對板塊研究來說，在板塊邊界建立海底控制點十分必要；另一方面，海底存在許多活躍的地質學現(xiàn)象，如洋中脊、海溝及板塊匯聚處的俯沖帶，同樣也需要建立控制點并進行連續(xù)觀測。

為了直接觀測海洋巖石層的俯沖作用并取得地殼形變長期可靠的觀測結果，可以采用布設單個傳感器(壓力、傾斜傳感器)或傳感器網(wǎng)的方式，如日本1988年安裝的第一臺由人工操作潛入深海長期觀測地殼形變的地球物理儀器——海底傾斜儀(ocean bottom implanted tiltmeter,OBIT)[2]。在海底也可以同時布設兩個控制點，采用聲學測量的方式獲得相對距離，然而這種方法易受海底地形的影響，信號易被隔斷[3]。上述兩種方法只能獲得控制點之間的相對位置變化，無法取得與已建立的陸地基準點之間的聯(lián)系，當形變發(fā)生在一個大的區(qū)域時，所有的控制點受相同位移的影響(如冰后期回彈)，這種方法就失效了[4]。此外，重力測量也可以監(jiān)測地質學現(xiàn)象[5]，如文獻[6]利用GRACE衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)計算了2004年蘇門答臘(Sumatra)地震引起的海底地殼形變，然而衛(wèi)星重力測量的分辨率較低，也無法清楚區(qū)分海底表層和深層質量遷移。

由于電磁波在水中傳播時衰減嚴重，無法在海底利用甚長基線干涉測量(very long baseline interferometry,VLBI)、全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(global navigation satellite system,GNSS)、衛(wèi)星激光測距(satellite laser ranging,SLR)等技術布設控制點。1985年，斯克里普斯海洋研究所(Scripps Institution of Oceanography,SIO)的Spiess教授首次提出采用GNSS/Acoustic定位相結合的方式建立海底大地測量控制網(wǎng)[7]，該方法在海面上使用GNSS接收機采集GNSS數(shù)據(jù)，并與岸基基準站組差，動態(tài)差分解算測量船/浮標位置；海底利用聲學信號測量換能器至應答器之間的傳輸時間，聯(lián)合GNSS觀測值和聲脈沖信號解算得到海底控制點在全球參考框架(如ITRF)中的坐標。相比傳統(tǒng)方法，該方式具有以下4個優(yōu)勢：①可以獲得海底控制點在特定參考框架下的絕對坐標；②操作靈活、簡單；③海底控制點上的聲學應答器只需回答“問詢”信號，功能單一，設計簡單；④無需鋪設海底光纜或安裝聲學數(shù)據(jù)發(fā)射裝置來傳輸數(shù)據(jù)，相對比較廉價。因此，GNSS/Acoustic定位方法成為近年來布設海底控制網(wǎng)、監(jiān)測海底板塊運動和地殼形變，以及建立海洋大地測量基準的首選[8-9]。

本文系統(tǒng)論述了國外采用GNSS/Acoustic定位方式建立海底大地測量控制網(wǎng)的方法，并概述了國內海底控制網(wǎng)的研究現(xiàn)狀。

1 GNSS/Acoustic系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)組成

GNSS/Acoustic系統(tǒng)由3部分組成：岸基GNSS基準站、海上測量船和海底控制點，可以采用如圖1所示的雙角錐法布設海底控制網(wǎng)。

(1) 在海面上方的角錐由GNSS衛(wèi)星和測量船組成，稱為倒角錐；測量船同時搭載GNSS接收機、姿態(tài)測量傳感器、溫鹽探測儀((conductivity temperature depth meter,CTD)或(salinity temperature depth meter,STD))、聲學換能器等測量單元。GNSS接收機實時采集GNSS數(shù)據(jù)，獲取GNSS天線至衛(wèi)星之間米級精度的偽距觀測值和毫米級精度的載波相位觀測值；姿態(tài)測量傳感器實時確定測量船的旋轉、俯仰和傾斜角；CTD記錄測量作業(yè)時的溫度、鹽度和深度等。其中，GNSS天線與聲學換能器之間的幾何位置關系在船下水之前就已精確測定。

(2) 位于水下的角錐由海底應答器與測量船底部的聲學換能器組成，稱為正角錐。正角錐中采用聲脈沖測距，其中的換能器以受控的重復率發(fā)射聲脈沖，并獲取來自一組海底應答器(不少于3個)的“回答”數(shù)據(jù)。由聲脈沖往返經(jīng)歷時間計算換能器與應答器之間的斜距。

圖1 GNSS/Acoustic系統(tǒng)組成

通過采集以下4種類型的數(shù)據(jù)，確定海底應答器的位置。

(1) 船載GNSS接收機的偽距和載波相位觀測值，以獲取GNSS天線位置。

(2) 姿態(tài)測量傳感器的姿態(tài)測量值，以確定GNSS天線與聲學換能器位置之間的轉換關系。

(3) CTD記錄水溫、鹽度和深度等，以對聲速建模，確定聲速的變化。

(4) 聲學換能器記錄聲脈沖信號往返時間，以確定換能器至應答器之間的距離。

1.2 系統(tǒng)發(fā)展

Spiess教授提出利用GNSS/Acoustic定位方式建立海底大地測量控制網(wǎng)的想法后，美國研制了原型系統(tǒng)和實用型系統(tǒng)，并進行了試驗驗證。日本處于地震活躍帶，且地震多發(fā)生于海底，為了滿足監(jiān)測海底地殼形變和板塊運動的要求，布設了許多海底控制點，監(jiān)測了諸如2004年紀伊半島(off Kii Peninsula)7.4級地震[10]、2005年宮城縣(Off-Miyagi Prefecture Earthquake)7.2級地震[11]和2011年東北部(Tohoku-oki)9.0級大地震[12]。

1.2.1 美 國

自20世紀80年代中期以來，美國噴氣推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory,JPL)、科羅拉多航天動力學研究中心(Colorado Center for Astrodynamics Research,CCAR)和SIO聯(lián)合開展了軟件和硬件的研發(fā)，早期研制的原型系統(tǒng)為一個三角形的浮標，在三角形的3個頂點分別放置一個GNSS天線，在浮標的底部安裝聲學換能器，同時在海底投放一個應答器。1989年12月13—15日，采用該原型系統(tǒng)，美國在海域較為平靜的碼頭進行了海上GNSS浮標定位試驗，以測試浮標接收GNSS信號的穩(wěn)定性和浮標高程分量的精度[13]；1990年5月22日至25日，在圣克魯斯海盆(Santa Cruz Basin)2 km深的海底進行了第一次GNSS/Acoustic定位試驗，由一艘船拖拽浮標，船的航跡是半徑約為水深的圓，數(shù)據(jù)處理時假定聲速是不變的常量，因此結果中包含系統(tǒng)性的誤差，聲脈沖測距的系統(tǒng)誤差達到了8.8 cm[14]。

美國后期設計的實用型系統(tǒng)對海面和海底設備進行了3處升級[15-16]：①由于浮標投放和回收比較耗時，海面測量載體由GNSS浮標變?yōu)闇y量船，由測量船搭載3個分別安裝在主桅桿的頂端、左舷和右舷船尾的GNSS天線，以及1個安裝在測量船船體中部的聲學換能器，3個GNSS天線提供定位的同時也提供了船體傾斜信息(后來加裝了姿態(tài)測量傳感器)，并事先利用光學和激光設備以毫米級的精度測定GNSS天線與聲學換能器之間的相對位置[17]；②在海底同時布設3個/4個應答器作為控制點，控制點均勻布設在一個圓上，圓的半徑為海底水深，并將圓心作為海底虛擬控制點；③測船測量時靜止于圓心上方，這樣的好處是：聲學換能器至每個應答器的測量時間基本相同，即使聲速隨深度在水平方向和垂直方向變化，但聲速的變化不會影響圓心水平分量的坐標，只會使圓心在垂線方向上下移動。

隨著GNSS動態(tài)定位技術的發(fā)展、水下傳播時間的精確測定[18]和水下聲脈沖傳播速度的研究[19]，該技術逐步由試驗轉變?yōu)閼谩?991年，在胡安·德富卡板塊(Juan de Fuca plate)海域2.6 km深處，采用GNSS/Acoustic定位方式建立了世界上第一個海底控制點，通過1994—1996年連續(xù)3年的觀測，海底應答器陣列中心的坐標重復性可以達到：北分量0.8 cm，東分量3.9 cm[15]。

1.2.2 日 本

在日本，GNSS/Acoustic定位系統(tǒng)是由日本海洋水文部(The Hydrographic and Oceanographic Department of Japan,JHOD)、工業(yè)技術研究所(Institute of Industrial Science,IIS)和東京大學(University of Tokyo)聯(lián)合研制的。1998年10月21日，在日本白濱(Shirahama)海域的60～70 m深處，以及同年12月8日，在相模灣(Sagami Bay)海底1.3 km深處，分別開展了試驗驗證[20]，通過使測量船處于漂流狀態(tài)下航行，采用類似于確定震源位置的方式，單獨確定每個應答器的位置，再取所有應答器坐標的均值作為海底的虛擬控制點。這不同于上文提到的美國學者的做法，他們是將測量船靜止在應答器陣列中心的海面上。由于溫鹽數(shù)據(jù)不足降低了聲速改正模型的精度，日本的試驗僅取得了水平分量和高程分量各為10 cm的定位精度，還不能滿足震間厘米級板塊運動監(jiān)測的要求。但是，由于獲得了多條測線的數(shù)據(jù)，這種方法可以同時得到各個應答器水平分量和高程分量的坐標，而美國學者的方法只能獲得應答器陣列中心水平分量的坐標。這種方法同樣也被Tadokoro等采用[21]。2000年2月，日本在其南海海槽(Nankai trough)熊野海盆(Kumano trough)的2 km深處，將3個海底應答器放在一個直角邊為1.4 km的等腰直角三角形上，建立了日本第一個海底控制點，并進行了充分的溫度、鹽度和深度的測量，取得了水平分量標準差約為4 cm的定位精度[22]。迄今為止，日本建立了世界上最密集的海底控制網(wǎng)[9]。

日本早期(2000—2007年)采用Pole系統(tǒng)(如圖2(a)所示)，該系統(tǒng)在船體尾部加裝一根可升降的圓柱，并在其頂端放置GNSS天線和姿態(tài)傳感器，在底端安裝聲學換能器。Pole系統(tǒng)的缺點包括：①為了避免螺旋槳噪聲的影響，測量船必須在發(fā)動機停機后，在漂流模式下，降下圓柱后進行測量；②一般情況下，換能器至應答器之間的角度超過45°時，需要重新調整測線，這時必須先升起圓柱，再進行船位的調整，測量耗時，夜間又通常無法進行測量，作業(yè)效率較低；③如圖3所示，測量船在漂流狀態(tài)下，只在海風和水流的作用下航行，得到的測量軌跡(測線)是不可控制的，很難得到空間幾何結構上均勻分布的測線。2008年之后日本采用了Hull系統(tǒng)(如圖2(b)所示)，該系統(tǒng)在船體中部安裝聲學換能器，并遠離螺旋槳，以避免噪音干擾，有效克服了以上3個缺點，測量船在正常航行狀態(tài)下(航速為5～8節(jié))即可進行測量，大大提高了作業(yè)效率，并且可以通過控制航行軌跡得到幾何結構分布均勻的測線，均勻分布的測線進而可以有效削弱甚至消除聲速的誤差，提高水平分量和高程分量的定位精度[23]。除了在測量船上安裝3根GNSS天線外，美國研制的實用型系統(tǒng)與Hull系統(tǒng)類似。

圖3(a)為2008年1月15日，日本SIOW站的測線分布；圖3(b)為2008年7月12日，日本TOKW站的測線分布；圖3(c)為2009年3月3日，日本MAGI站的測線分布[23]。從圖中可以看出，Hull系統(tǒng)的測線由輻射狀的射線和正方形組成，空間幾何結構分布非常均勻，而Pole系統(tǒng)在低水速情況下的測線是雜亂無章的，尤其是在如圖3(b)所示的弱風和弱水流條件下。

圖2 日本GNSS/Acoustic系統(tǒng)發(fā)展

圖3 Pole系統(tǒng)和Hull系統(tǒng)作業(yè)時的測線分布

2 數(shù)據(jù)處理及精度分析

GNSS/Acoustic定位數(shù)據(jù)處理的過程主要分為3步：①船載GNSS接收機動態(tài)定位解算；②換能器至應答器之間的聲脈沖傳播時間測定，并對聲速建模；③采用基于最小二乘的線性反演方法，聯(lián)合①和②的結果，迭代確定應答器位置。

2.1 船載GNSS接收機動態(tài)定位解算

船載GNSS接收機位置解算時，已有研究均與岸基距離較近的GNSS基準站組成雙差觀測方程，采用擴展卡爾曼濾波，并固定雙差模糊度，可取得厘米級精度的動態(tài)定位結果[3,7-12,14-23]。但這種單基線動態(tài)定位的方法受作業(yè)距離的限制，基線過長時會降低大氣延遲等誤差之間的空間相關性。通過布設空間分布大體均勻的陸基基準站，采用網(wǎng)絡RTK模式，可以有效解決誤差精確表達的問題，從而使作業(yè)不受距離的限制[24-25]。然而，在廣闊的海域周圍布設均勻分布的基準站網(wǎng)的難度較大，不易實現(xiàn)。文獻[26]采用非差模糊度固定的方法，實現(xiàn)了海上作業(yè)平臺動態(tài)厘米級定位，該方法不受作業(yè)距離限制，將來有望應用于海底控制點的定位。

2.2 換能器至應答器之間聲脈沖傳播時間確定及聲速建模

首先采用互相關方法解析聲脈沖信號，獲得換能器至應答器之間聲脈沖往返傳播的時間；目前聲學換能器的時間分辨率能達到微秒級，對應的測距分辨率為毫米級。

其次是對聲速的處理，這也是聲學定位最主要的誤差源。海底聲學信號的傳播速度受溫度、鹽度(或電導率)、深度、壓力等因素的影響，而且難以對上述因素建立精確有效的模型，目前一般假設聲速在水平方向分層，利用CTD采集的數(shù)據(jù)，可采用文獻[27—28]等所述的公式計算聲速。

2.3 應答器位置線性反演

以分別確定海底每個應答器的位置為例，采用貝葉斯最小二乘反演理論[29]，應答器位置參數(shù)的估計流程[30]如圖4所示。

首先，分別給定每個應答器的坐標初值，基于溫度、鹽度和深度數(shù)據(jù)等建立聲速模型，利用聲脈沖信號的往返時間及GNSS動態(tài)定位和姿態(tài)測量得到的特定參考框架下的換能器坐標，依據(jù)換能器至應答器之間的水平距離定權，解算每個應答器的坐標；其次，利用上述估計的應答器坐標，采用二次多項式精化聲速模型，依據(jù)等權模型解算二次多項式的聲速改正系數(shù)a0、a1、a2；最后，利用改正后的聲速重新計算每個應答器的坐標。按此流程循環(huán)迭代，直至應答器坐標參數(shù)收斂。

圖4 海底應答器位置參數(shù)估計流程

2.4 精度分析

聲速是影響海底控制點精度的最大誤差源。海洋表層500 m內的聲速變化尤為明顯，這一深度的海況對聲速影響最大。如按文獻[28]的公式，當水溫在20°左右時，溫度升高1℃，聲速提高約2.7 m/s。當利用CTD采集的溫度、鹽度和深度數(shù)據(jù)時，聲學測距的殘差可以有效降低20～30 cm[15,31]。文獻[3]采用仿真試驗的方式，分別對影響單個應答器定位精度的因素進行了研究，結果表明：①季節(jié)性的聲速變化對定位結果基本沒影響，而日變化和海水內部浪涌造成的聲速變化對定位精度影響較大，大小超過了10 cm；②通過測線上的CTD數(shù)據(jù)計算聲速，聲脈沖測距誤差可以控制在大約18 cm以內；③通過布設多于3個的應答器陣列，并在應答器陣列中心對應的海面上方進行測量，可以有效消除聲速變化未模型化的誤差影響，應答器陣列中心的重復性可以達到厘米級。

聲脈沖傳播時間測定方面，采用圖4所示的參數(shù)估計處理流程，將應答器坐標和聲速未模型化的誤差均作為未知參數(shù)進行估計，聲脈沖往返傳播時間的殘差介于70～80 μs之間，對應的單向測距誤差為5～6 cm[30]。

通過采用Hull系統(tǒng)，測量船按照圖3(c)所示的軌跡航行，海底控制點水平分量的定位精度能達到厘米級，一般情況下為2 cm左右；但在垂直方向精度略差，約為3～6 cm[23]。這是因為，一方面在聲速模型處理上，已有研究均假設聲速在水平方向分層，在垂直方向不變；另一方面，在高程方向，測量船與應答器構成的空間幾何結構是不對稱的，即只有控制點上方有測量數(shù)據(jù)，在線性反演中，高程分量是不敏感的。震間地殼運動速度的量級一般為每年數(shù)厘米，因此控制點水平方向的精度完全滿足監(jiān)測地殼形變的需要，垂直方向的精度暫時尚不能滿足，有待進一步提升。

此外，文獻[4]采用動態(tài)GNSS定位結合壓力傳感器的方式，在不到20 m深的平靜海域進行了初步試驗，結果表明垂直分量的精度可以達到1 cm，將來可能會應用于海底控制點高程分量的精確測定及地殼高程分量的形變監(jiān)測。

3 我國海底大地測量控制網(wǎng)現(xiàn)狀分析

我國是一個海洋大國，南海、東海、黃海和渤海的海域面積達到300多萬km2。我國提出了“經(jīng)略海洋”戰(zhàn)略，首先要維護海洋權益，確保領海安全，其次是發(fā)展海洋經(jīng)濟、保護航海運輸通暢、建設21世紀海上絲綢之路，最后還需要加強海洋科學研究，預防并減少海洋災害影響等[1]。

海洋大地測量基準是陸基大地基準在海洋的自然延伸，是空間數(shù)據(jù)基礎設施的重要組成部分。以2000國家大地坐標系[32]和2000國家重力基準[33]為代表，我國已在陸地建成了較為完善的陸地大地測量基準。但我國至今還沒有建立起一個高精度海底基準控制點，海底大地測量控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理技術幾乎處于空白，與國際先進水平存在較大差距，嚴重影響海洋權益維護及其他海洋活動。我國水下導航定位起步較晚，但已取得了比較大的突破，如將GNSS定位技術與聲學技術結合，研制了長基線定位系統(tǒng)和差分水下GNSS定位系統(tǒng)[34-38]。目前這些系統(tǒng)可實現(xiàn)米級至分米級的定位精度，但與國外分米級至厘米級的定位精度還存在較大的差距[1]，系統(tǒng)整體性能、工程化和實用化水平還有待提高。

4 總結與展望

本文系統(tǒng)分析了GNSS/Acoustic定位系統(tǒng)的組成，美國和日本海底控制網(wǎng)的發(fā)展及研究現(xiàn)狀，詳細歸納了海底控制點定位的數(shù)據(jù)處理流程，并對影響海底控制點精度的因素及其定位精度作了細致的分析。

我國現(xiàn)階段海底大地測量控制網(wǎng)建設和研究幾乎為空白，海洋大地測量基準尚未建立，應加緊進行海底控制網(wǎng)論證、建設與研究，突破海底三維坐標基準精密傳遞、聲線改正殘余誤差抑制技術和具有某些先驗信息的海陸基準連接技術，發(fā)展經(jīng)濟可行的海洋大地測量組網(wǎng)觀測技術，構建海洋大地測量基準與位置服務技術體系，服務于數(shù)字海洋和水下網(wǎng)絡中心戰(zhàn)。

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