劉焱雄，李夢(mèng)昊，劉 楊，何秀鳳，陳冠旭，張林虎，唐秋華

（1.自然資源部 第一海洋研究所，山東 青島 266061；2.自然資源部 海洋測(cè)繪重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266061；3.河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211100）

我國(guó)是海洋大國(guó)，海域面積十分遼闊。認(rèn)識(shí)海洋、經(jīng)略海洋，探索海洋奧秘、發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)、深耕藍(lán)色國(guó)土，需要建設(shè)海底觀測(cè)網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施；海底觀測(cè)網(wǎng)已是繼地面/洋面、空間之后，觀測(cè)地球系統(tǒng)的第三個(gè)平臺(tái)[1]。海底大地基準(zhǔn)網(wǎng)是海底觀測(cè)網(wǎng)的重要組成，是國(guó)家大地基準(zhǔn)網(wǎng)由陸域向海域的自然延伸[2-3]，也是構(gòu)建陸?？仗煲惑w化空間基準(zhǔn)的國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施。海洋空間基準(zhǔn)是一切海洋活動(dòng)的前提和基礎(chǔ)，大力發(fā)展海洋大地測(cè)量技術(shù)，加快布設(shè)海底大地基準(zhǔn)網(wǎng)，滿(mǎn)足國(guó)防安全保障和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需求，對(duì)推動(dòng)海洋導(dǎo)航定位技術(shù)進(jìn)步、推進(jìn)我國(guó)海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略實(shí)施具有重要支撐作用。

海底大地基準(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。美國(guó)、加拿大、俄羅斯等海洋強(qiáng)國(guó)早已開(kāi)啟海底大地基準(zhǔn)網(wǎng)的研究[2,4-6]，日本也建立了海底大地基準(zhǔn)網(wǎng)[7-8]。目前，我國(guó)僅僅在南海3 000 m 水深的海域開(kāi)展了海底大地基準(zhǔn)網(wǎng)試驗(yàn)，但尚未大規(guī)模布設(shè)海底大地基準(zhǔn)網(wǎng)[2]。研究海洋大地測(cè)量技術(shù)，完善自主海底大地基準(zhǔn)基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)支撐我國(guó)2035 年前建成國(guó)家綜合PNT（Positioning,Navigation and Timing）系統(tǒng)意義重大。

海底大地基準(zhǔn)網(wǎng)由若干海底大地基準(zhǔn)站組成，需要首先確定這些基準(zhǔn)站的準(zhǔn)確位置。聯(lián)合全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）和水下聲學(xué)定位系統(tǒng)（GNSS-聲學(xué)或GNSS-A），可實(shí)現(xiàn)海底大地基準(zhǔn)站的位置標(biāo)定，可以將全球統(tǒng)一的時(shí)空基準(zhǔn)傳遞到海底[3]。穩(wěn)定的海底大地基準(zhǔn)站是海底大地基準(zhǔn)網(wǎng)的基礎(chǔ)和構(gòu)成，海底大地基準(zhǔn)站建設(shè)需要?dú)v經(jīng)站址勘選、設(shè)備布放回收、站址位置標(biāo)定等流程。鑒于此，本文聚焦海底大地基準(zhǔn)建設(shè)技術(shù)，首先梳理水下聲學(xué)導(dǎo)航定位系統(tǒng)及技術(shù)背景，然后總結(jié)海底大地基準(zhǔn)建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)，最后探討GNSS-A 定位數(shù)據(jù)處理方法，并對(duì)未來(lái)海底大地基準(zhǔn)網(wǎng)建設(shè)技術(shù)及應(yīng)用進(jìn)行了展望。

1 水聲導(dǎo)航定位系統(tǒng)及技術(shù)

1.1 水下聲學(xué)導(dǎo)航定位系統(tǒng)

水下聲學(xué)定位系統(tǒng)依據(jù)聲學(xué)單元的距離分為超短基線(xiàn)系統(tǒng)（＜1 m）、短基線(xiàn)系統(tǒng)（1～50 m）、長(zhǎng)基線(xiàn)（100～6 000 m）系統(tǒng)等類(lèi)型[9]。國(guó)外聲學(xué)定位系統(tǒng)的研發(fā)較為成熟，產(chǎn)品呈現(xiàn)多樣化和系統(tǒng)化。挪威Kongsberg Simrad 公司研發(fā)了HiPAP 系列和μPAP 系列水下聲學(xué)定位系統(tǒng)，作用距離可達(dá)10 000 m，測(cè)距精度達(dá)到0.02 m[10]；法國(guó)iXBlue 公司的GAPS 系列產(chǎn)品集成了慣導(dǎo)設(shè)備，定位精度可達(dá)到0.2%斜距，Posidonia 超短基線(xiàn)定位系統(tǒng)最大作用距離超過(guò)10 000 m[11]；英國(guó)Sonardyne 公司研發(fā)的水下聲學(xué)定位系統(tǒng)，如Fusion 系列、Ranger 系列、Scout 系列以及Marksman 系列等，囊括了長(zhǎng)基線(xiàn)、短基線(xiàn)、超短基線(xiàn)定位系統(tǒng)以及組合定位系統(tǒng)[12]。

美國(guó)、俄羅斯等國(guó)家已開(kāi)啟新型水下導(dǎo)航系統(tǒng)研發(fā)[13]。2015 年,美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）提出構(gòu)建“深海導(dǎo)航定位系統(tǒng)”，開(kāi)始研究在海床上安裝聲學(xué)信號(hào)源，組成類(lèi)似全球定位系統(tǒng)（GPS）的水下GPS；2016 年，美國(guó)在菲律賓海開(kāi)展海洋聲學(xué)深水計(jì)劃，驗(yàn)證水下GPS；俄羅斯也開(kāi)展了水下導(dǎo)航定位系統(tǒng)研制，并通過(guò)低頻、被動(dòng)接收的水聲定位方式進(jìn)行水下導(dǎo)航誤差校準(zhǔn)。

我國(guó)水聲定位技術(shù)研究和系統(tǒng)研發(fā)起步較晚，目前進(jìn)入快速發(fā)展期。哈爾濱工程大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所、西北工業(yè)大學(xué)和自然資源部第一海洋研究所等單位對(duì)水下聲學(xué)導(dǎo)航定位技術(shù)進(jìn)行了深入研究[6,9,14]，經(jīng)過(guò)近20 a 的努力，國(guó)內(nèi)具備了全海深高精度聲學(xué)導(dǎo)航定位能力。在國(guó)家“十一五”“國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃”的支持下，中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院和中船重工715 研究所研制了“水下GPS 高精度導(dǎo)航定位系統(tǒng)”。哈爾濱工程大學(xué)牽頭、自然資源部第一海洋研究所合作研制了“長(zhǎng)程超短基線(xiàn)定位系統(tǒng)”，工作水深超過(guò)3 700 m，作用距離達(dá)到8.6 km，定位精度為0.2%～0.3%斜距，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，并獲得國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)。

1.2 GNSS-A 定位技術(shù)研究背景及進(jìn)展

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)和聲學(xué)組合的定位方法（GNSS-A）由美國(guó)斯克利普斯海洋研究所（Scripps Institution of Oceanography,SIO）率先提出[4,15]，是一種將海面平臺(tái)上的動(dòng)態(tài)GNSS 定位和水下聲學(xué)測(cè)距（海面平臺(tái)與海底聲學(xué)信標(biāo)之間）相組合的技術(shù)。通過(guò)GNSS-A 定位，可以實(shí)現(xiàn)國(guó)際橢球參考框架（International Terrestrial Reference Frame，ITRF）下海底信標(biāo)的位置測(cè)定（圖1）。美國(guó)Scripps 海洋研究所采用GPS-A（GNSS-A 的早期形式）定位系統(tǒng)同時(shí)對(duì)3 個(gè)海底信標(biāo)進(jìn)行聲學(xué)測(cè)量，24～48 h 連續(xù)測(cè)量的點(diǎn)位精度達(dá)到厘米級(jí)，80 h 連續(xù)測(cè)量的點(diǎn)位誤差則小于1 cm[16-17]。日本東京大學(xué)于1987 年首次嘗試在Sagami 灣進(jìn)行海底定位實(shí)驗(yàn)[18]。在20世紀(jì)90 年代中期，日本海上保安廳海洋水文部開(kāi)始研發(fā)GPS-A 定位系統(tǒng)，2000 年在日本南部海槽2 000 m水深的熊野盆地部署了海底大地基準(zhǔn)點(diǎn)[19]。目前，日本已采用GNSS-A 定位系統(tǒng)，獲取了許多重要的海底大地測(cè)量結(jié)果，包括探測(cè)地震之間的關(guān)系、同震以及震后與地震周期有關(guān)的俯沖區(qū)變形，和山脊變形邊界附近的板塊運(yùn)動(dòng)等[5,20]。近年來(lái)，在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“海洋大地測(cè)量基準(zhǔn)與海洋導(dǎo)航新技術(shù)”的支持下，楊元喜院士帶領(lǐng)國(guó)內(nèi)相關(guān)科研團(tuán)隊(duì)，開(kāi)展了海洋大地基準(zhǔn)的技術(shù)攻關(guān)，采用GNSS-A 進(jìn)行了海底大地基準(zhǔn)站位置標(biāo)校試驗(yàn)，并布設(shè)了3 000 m 水深的海底大地基準(zhǔn)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了分米級(jí)精度的海底定位和米級(jí)精度的水下聲學(xué)導(dǎo)航[2]，取得了系列研究成果。

圖1 GNSS-A 定位原理Fig.1 Schematic of GNSS-A positioning

目前，我國(guó)GNSS-A 定位技術(shù)方面主要集中于定位模型和算法研究，包括誤差處理、隨機(jī)模型和函數(shù)模型優(yōu)化等。為了提高定位效率，Yang 等[21]、Zhao 等[22]研究了利用聲速剖面的先驗(yàn)信息反演聲速進(jìn)行定位解算的方法；孫文舟等[23]利用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)（Empirical Orthogonal Function，EOF）反演了聲速剖面信息，張林虎等[24]研究了基于分層EOF 函數(shù)的區(qū)域聲速場(chǎng)模型構(gòu)建方法。為了提高定位精度，Chen 等[25]針對(duì)桿臂矢量垂向偏心誤差與海底基準(zhǔn)點(diǎn)高程間的耦合問(wèn)題，提出了基于樣本搜索法的偏心誤差解算方 法；Chen 等[26]、Chen 等[27]、趙建虎等[28]、曾安敏等[29]分析了圓形航跡的定位優(yōu)勢(shì)。針對(duì)聲速結(jié)構(gòu)時(shí)空變化，Yang 等[30]結(jié)合Fujita 等[31]方法，從定位殘差中擬合聲速長(zhǎng)期時(shí)域變化項(xiàng)、聲速周期性變化項(xiàng)；劉楊等[32-33]通過(guò)構(gòu)建聲速時(shí)變引起的水聲垂向總時(shí)延，聯(lián)合估計(jì)了聲速時(shí)域變化和海底大地基準(zhǔn)點(diǎn)位置，估計(jì)改正的聲速與實(shí)測(cè)聲速的偏差小于0.13 m/s，提高了海底大地基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)的準(zhǔn)確度；Wang 等[34]采用兩步估計(jì)法，分別估計(jì)了海底大地基準(zhǔn)點(diǎn)的位置、系統(tǒng)誤差，以及聲速長(zhǎng)周期項(xiàng)誤差。關(guān)于隨機(jī)模型優(yōu)化，Zhao 等[35-36]、王薪普等[37]提出了與聲線(xiàn)入射角相關(guān)的分段指數(shù)隨機(jī)模型，馬越原等[38]指出了海洋環(huán)境的復(fù)雜性影響隨機(jī)模型的效果?？紤]函數(shù)模型對(duì)定位的影響，Li 等[39]、閆鳳池等[40]研究了基于單向、雙向聲學(xué)傳播時(shí)間的定位觀測(cè)方程；鄺英才等[41-42]研究了聯(lián)合解算船載換能器與海底大地基準(zhǔn)點(diǎn)位置的方法；Xu 等[43]基于GNSS 差分定位思路，提出了水下定位差分觀測(cè)方程；Chen 等[26]、孫文舟等[44]研究了附加深度約束的差分定位算法；Xue 等[43]進(jìn)一步證明了水下定位差分解和非差解的等價(jià)性。趙建虎等[45-46]提出了基于絕對(duì)標(biāo)校+相對(duì)測(cè)量的海底網(wǎng)平差思路，實(shí)現(xiàn)海底大地基準(zhǔn)網(wǎng)的整體解算。面對(duì)復(fù)雜海洋環(huán)境，為了增加海底大地基準(zhǔn)測(cè)量的可用性、可靠性、精確性，需要進(jìn)一步完善定位算法，建立海洋場(chǎng)景的自適應(yīng)彈性隨機(jī)模型、彈性函數(shù)模型[30]。

2 海底大地基準(zhǔn)建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)

海底大地基準(zhǔn)站包含水下潛標(biāo)和海床基兩類(lèi)。水下潛標(biāo)基站一般由浮球、觀測(cè)設(shè)備、纜繩、聲學(xué)釋放器、配重等組成[47-48]。隨著潛標(biāo)離海底高度的增加，可以有效擴(kuò)大基準(zhǔn)站的服務(wù)范圍。由于水下潛標(biāo)隨著海水運(yùn)動(dòng)而晃動(dòng)，潛標(biāo)通常需要搭載壓力計(jì)、姿態(tài)傳感器等設(shè)備以實(shí)時(shí)修正其位置，因此這種類(lèi)型的海底基準(zhǔn)站技術(shù)難度大、位置精度低。海床基是主要的海底基準(zhǔn)站布放方式，具有穩(wěn)定性好、集成度高等優(yōu)勢(shì)[49]。海床基基站通常包括坐底平臺(tái)（包括配重）、聲學(xué)釋放器、水下電源、回收浮體，以及搭載的各種傳感器等。常見(jiàn)的淺海海床基基站外觀主要以圓形和多邊形為主，圓形尺寸一般以直徑1～6 m 為主，如加拿大“海王星”海底觀測(cè)網(wǎng)（NEPTUNE）使用的海床基直徑約6 m；意大利PROTECOSUB 公司的海床基以圓形結(jié)構(gòu)為主，美國(guó)伍茲霍爾海洋研究所研制的海床基則以多邊形結(jié)構(gòu)為主。深海海床基基站通常配備支撐框架，框架中間部分集成有觀測(cè)儀器、電池倉(cāng)等設(shè)備，框架支撐腿與腳部配重盤(pán)則作為坐底的配重。

穩(wěn)定的海底大地基準(zhǔn)站是海底大地基準(zhǔn)網(wǎng)的基礎(chǔ)，“放得穩(wěn)、測(cè)得準(zhǔn)、待得久”是海底大地基準(zhǔn)站的建設(shè)目標(biāo)?！按镁谩敝饕婕半娫茨芰抗?yīng)問(wèn)題，這里暫不討論；本文按照“放得穩(wěn)”和“測(cè)得準(zhǔn)”的要求，從海底基準(zhǔn)的站址勘選、布放回收、位置標(biāo)校等關(guān)鍵技術(shù)，討論海底大地基準(zhǔn)建設(shè)的研究進(jìn)展。

2.1 站址勘選

海底大地基準(zhǔn)站的站址尤為關(guān)鍵。由于海底環(huán)境復(fù)雜，極易造成基準(zhǔn)站失穩(wěn)，導(dǎo)致海底大地基準(zhǔn)網(wǎng)失準(zhǔn)，進(jìn)而影響水下導(dǎo)航定位精度。為此，海底大地基準(zhǔn)站的站址選擇一般遵循大范圍（面）→局部區(qū)域 →布放點(diǎn)（點(diǎn)）的總原則，需要開(kāi)展桌面研究和現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)等工作，涉及到海底地形、地貌、底質(zhì)、水文、聲學(xué)等觀測(cè)技術(shù)。由于水深地形、地貌底質(zhì)、水文環(huán)境調(diào)查屬于通用技術(shù)，這里不再贅述，只介紹相關(guān)工作和技術(shù)要求。

2.1.1 桌面研究

收集歷史調(diào)查資料，包括水深地形地貌、工程地質(zhì)、水文環(huán)境、聲速環(huán)境等資料，分析海底地形地貌特征，考慮海底淺表層底質(zhì)分布及其工程地質(zhì)特征，了解海底底流和聲學(xué)傳播狀況，獲取海底平整度、淺表地層活動(dòng)性與穩(wěn)定性，以及水動(dòng)力特征，同時(shí)依據(jù)海底大地基準(zhǔn)站的外部形態(tài)、重量、工作方式與性能指標(biāo)[2,50]。初步甄選海床自身穩(wěn)定性較好的局部區(qū)域作為海底大地基準(zhǔn)站布放海區(qū)，保證站址選擇的合理性與科學(xué)性。桌面研究主要考慮如下因素。

1）地形坡度

收集水深地形數(shù)據(jù)，生成海區(qū)坡度DEM（Digital Elevation Model）和坡度等值線(xiàn)。以3°和5°為閾值進(jìn)行劃分，按坡度將海區(qū)劃分為小于3°區(qū)域、3°～5°區(qū)域、大于5°區(qū)域。盡量選取坡度小于3°海區(qū)。

2）動(dòng)力地貌類(lèi)型

選取海區(qū)海底地貌應(yīng)具有地形平坦、起伏小等特征，如深海平原地貌，其底部流場(chǎng)相對(duì)穩(wěn)定，且具有地面平坦或無(wú)起伏等特征。

3）表層沉積物承載力

選取海區(qū)表層沉積物類(lèi)型應(yīng)以粉砂和黏土為主；以粉砂（包含粉質(zhì)黏土和黏土質(zhì)粉砂等類(lèi)型）的承載力滿(mǎn)足地層穩(wěn)定和承載力條件。

4）地質(zhì)災(zāi)害

不管是具有活動(dòng)能力的破壞性地質(zhì)災(zāi)害，還是不具有活動(dòng)能力的地質(zhì)災(zāi)害，都是對(duì)海底穩(wěn)定性造成影響的潛在因素。因此，海區(qū)的選擇要避開(kāi)各種海底地質(zhì)災(zāi)害的分布區(qū)域，如斷層、滑坡、沖刷槽、海底峽谷、沙波沙丘、麻坑、淺層氣、易液化砂層、軟弱地層等。

5）試驗(yàn)成本

除了上述從自然環(huán)境條件進(jìn)行布放位置的考慮，同時(shí)從交通便利性角度出發(fā)，對(duì)距離和通航條件進(jìn)行分析?？紤]試驗(yàn)成本，確定試驗(yàn)海區(qū)。

2.1.2 現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)及定址

現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)采用多波束測(cè)深系統(tǒng)（Multi-beam Echo Sounder System）、側(cè)掃聲吶儀（Sidescan sonar）、淺地層剖面儀（Sub-bottom Profiler）等高分辨聲學(xué)探測(cè)系統(tǒng)，利用高頻和低頻聲吶，對(duì)目標(biāo)海域進(jìn)行全覆蓋水深、海底地形地貌測(cè)量、工程地質(zhì)調(diào)查和水文環(huán)境調(diào)查，查明目標(biāo)海域的詳細(xì)環(huán)境信息[50]。其中，多波束測(cè)深系統(tǒng)從海面換能器發(fā)射聲波束條帶，通過(guò)水聽(tīng)器接收海底反射回波,以獲取高精度水深信息、海底地形數(shù)據(jù)，如德國(guó)L-3 ELAC Nautik 公司的SeaBeam 3012 全海深型多波束，發(fā)射頻率為12 kHz，測(cè)量水深為50～11 000 m[51-52]；多波束測(cè)深系統(tǒng)還能獲取海底的反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)，用于海底底質(zhì)分類(lèi)[53]。側(cè)掃聲吶的發(fā)射頻率范圍為50～500 kHz，可用于海底地形地貌測(cè)量[54]。淺地層剖面儀的發(fā)射頻率較低，具有較強(qiáng)的穿透力，能夠有效地穿透海底數(shù)十米的地層，通過(guò)反射波的走時(shí)、振幅、頻率等信息，連續(xù)探測(cè)水下淺部地層結(jié)構(gòu)、構(gòu)造和底質(zhì)等信息[55]。

勘測(cè)期間，配合多波束測(cè)深、側(cè)掃聲吶掃測(cè)等需要，采用聲學(xué)多普勒流速剖面儀（Acoustic Doppler Current Profiler，ADCP）、重力取樣儀等進(jìn)行海洋流場(chǎng)測(cè)量、底質(zhì)取樣調(diào)查也是重要的勘測(cè)內(nèi)容。海底大地基準(zhǔn)站的背景聲速場(chǎng)是站址勘選需要考慮的重要因素，需要開(kāi)展聲速剖面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)處理和系統(tǒng)分析，獲得調(diào)查區(qū)域的水深地形地貌、沉積物類(lèi)型、工程地質(zhì)特征、水文環(huán)境和聲速環(huán)境等成果。根據(jù)這些成果，選取海底起伏度、海底坡度、沉積物類(lèi)型分布、構(gòu)造穩(wěn)定性、工程地質(zhì)力學(xué)性質(zhì)、地層沖淤特征與地層穩(wěn)定性等作為站址勘選主要評(píng)價(jià)指標(biāo)。在遵循選址總原則的基礎(chǔ)上，基準(zhǔn)站需布放安全、運(yùn)行穩(wěn)定，滿(mǎn)足作業(yè)要求，由此確定海底大地基準(zhǔn)站站址勘選的5 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，其中1 級(jí)最優(yōu)、3 級(jí)適宜、5 級(jí)最差（表1）。

表1 海底大地基準(zhǔn)站站址勘選指標(biāo)集與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Index set and evaluation criteria of station site survey

2.2 布放與回收

海底大地基準(zhǔn)站的布放包括直接投放方法、吊裝布放法、ROV（Remote Operated Vehicle）布放法等。直接投放方法針對(duì)淺海及簡(jiǎn)單水下環(huán)境的場(chǎng)景，通常在貼近水面上方將脫鉤打開(kāi)，利用基準(zhǔn)站自重下沉到海底[56]。該方法操作簡(jiǎn)單、投放速度快，但受海水動(dòng)力影響，基準(zhǔn)站的實(shí)際坐底地點(diǎn)與預(yù)期位置容易出現(xiàn)較大偏差。吊裝布放法是在調(diào)查船甲板由絞車(chē)進(jìn)行吊裝布放[48,56]（圖2a）；布放時(shí)絞車(chē)以0.5～1.0 m/s 的速度下放基準(zhǔn)站，為避免觸碰海底，基準(zhǔn)站距海底約10～20 m 時(shí)，由聲學(xué)釋放器甲板單元向水下發(fā)送釋放指令，命令聲學(xué)釋放器脫鉤，基準(zhǔn)站自由落體坐底。吊裝布放法容易受到涌浪及海流的共同作用，吊放狀態(tài)下基準(zhǔn)站的擺動(dòng)幅度可達(dá)十多米，無(wú)法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定點(diǎn)布放。ROV 布放法可將海底大地基準(zhǔn)站精準(zhǔn)布放于預(yù)定位置[57]，該方法首先通過(guò)ROV 將海底大地基準(zhǔn)站運(yùn)送到近海底位置并懸停，然后操作ROV 移動(dòng)到目標(biāo)位置后釋放海底大地基準(zhǔn)站。加拿大科學(xué)潛水設(shè)施的海洋科學(xué)遙控操作平臺(tái)（Remotely Operated Platform for Ocean Science，ROPOS），采用ROV 布放法，先后實(shí)現(xiàn)了加拿大和美國(guó)的觀測(cè)網(wǎng)設(shè)備的精確定位布放。ROV 布放法操作復(fù)雜，且需要多種設(shè)備同時(shí)作業(yè)，成本較高。

圖2 海底大地基準(zhǔn)站布放示例Fig.2 Example of seafloor geodetic station deployment

海底大地基準(zhǔn)站回收主要有2 種方式[48-49]。一種方式是水面甲板單元向海床基聲學(xué)釋放器發(fā)送釋放指令，海床基釋放器打開(kāi)，丟掉配重，浮體攜帶儀器上浮海面并打撈回收。另一種方式是利用浮體攜帶的回收繩索將海床基打撈回收，這種方式只適合于淺海，通常，儀器設(shè)備回收后可拋棄海床基。

2.3 位置標(biāo)校

位置標(biāo)校即獲得海底大地基準(zhǔn)站的絕對(duì)位置，需要通過(guò)GNSS-A 定位系統(tǒng)將陸地的絕對(duì)基準(zhǔn)傳遞到海底大地基準(zhǔn)站。采用海床基方式布放的海底大地基準(zhǔn)站，一般需在海床基上搭載一個(gè)聲學(xué)應(yīng)答器，應(yīng)答器的相位中心即為海底大地基準(zhǔn)站位置（圖2b）。另外，海底大地基準(zhǔn)站也需配備電池以供長(zhǎng)期、穩(wěn)定地運(yùn)行[58]，也可搭載其他傳感器，如自容式溫鹽深測(cè)量?jī)x、壓力傳感器等設(shè)備[59]。海底大地基準(zhǔn)站在布放時(shí)，一般按照組網(wǎng)的方式，通常由3～6 個(gè)基準(zhǔn)站組成三角形或方形的基準(zhǔn)網(wǎng)[60-62]；位置標(biāo)校時(shí)通常采用圓形標(biāo)校線(xiàn)路，圓形經(jīng)驗(yàn)半徑一般采用1.414 倍水深。

2.3.1 GNSS-A 定位系統(tǒng)

GNSS-A 定位系統(tǒng)主要包括GNSS 天線(xiàn)/接收機(jī)、水下聲學(xué)傳感器、姿態(tài)傳感器等[60,63]。位置標(biāo)校首先通過(guò)秒脈沖信號(hào)或GPS 時(shí)間完成GNSS-A 定位系統(tǒng)的時(shí)間同步，然后使用GNSS 測(cè)量海面平臺(tái)上GNSS 天線(xiàn)的位置，利用GNSS 天線(xiàn)和聲學(xué)換能器之間的相對(duì)位置，以及海面平臺(tái)的姿態(tài)（航向、俯仰和橫滾角），確定海面平臺(tái)上聲學(xué)傳感器的位置，接著基于聲學(xué)傳感器發(fā)射聲學(xué)信號(hào)并接收來(lái)自海底聲學(xué)應(yīng)答器的反射信號(hào)，獲得海面聲學(xué)傳感器和海面應(yīng)答器之間的往返傳播時(shí)間(Time of Flight，TOF)，最后，通過(guò)最小化TOF觀測(cè)值和計(jì)算值之間的偏差，估計(jì)海底應(yīng)答器的位置。

GNSS-A 定位系統(tǒng)使用的海面觀測(cè)平臺(tái)種類(lèi)較多，主要包括調(diào)查船、無(wú)人艇、浮標(biāo)等觀測(cè)平臺(tái)[64-67]。

1）調(diào)查船觀測(cè)平臺(tái)

調(diào)查船觀測(cè)平臺(tái)根據(jù)觀測(cè)方式主要包括船舷懸掛方式、船底固定方式兩種[60]。船舷懸掛方式將設(shè)備安裝在船舷的一根桿子上，GNSS 天線(xiàn)和姿態(tài)傳感器安裝在桿的頂部，聲學(xué)換能器安裝在桿的底部。每次采集數(shù)據(jù)時(shí)，連接桿需要單獨(dú)安裝；連接聲學(xué)換能器的一端放入海水中，為避免干擾、保證觀測(cè)質(zhì)量，需盡量遠(yuǎn)離螺旋槳和發(fā)動(dòng)機(jī)，遠(yuǎn)離船底1 m 以上。為了避免船只螺旋槳引起的噪音和水中負(fù)荷過(guò)大而導(dǎo)致的桿子變形，要求在船只漂流或低速運(yùn)行時(shí)進(jìn)行聲學(xué)測(cè)量[31]。船舷懸掛方式需要花費(fèi)2～4 d，才能夠獲得足夠多的聲學(xué)觀測(cè)數(shù)據(jù)。船底固定方式將設(shè)備固定安裝在船上，如聲學(xué)傳感器安裝在船底月池內(nèi)，GNSS 天線(xiàn)安裝在主桅桿頂部。船底固定方式能夠在船只沿預(yù)定航跡航行的情況下進(jìn)行聲學(xué)觀測(cè)，并且觀測(cè)時(shí)間可縮短至16～24 h。為了進(jìn)一步提高觀測(cè)頻次、減少觀測(cè)時(shí)間，開(kāi)發(fā)了多聲測(cè)距換能器，可在一個(gè)觀測(cè)序列中進(jìn)行多次信號(hào)發(fā)射和接收[60]。這種新的換能器連續(xù)發(fā)射聲學(xué)信號(hào)，一次性接收所有的回波信號(hào)，可以在3～4 h 內(nèi)完成聲學(xué)觀測(cè)。

調(diào)查船觀測(cè)平臺(tái)能達(dá)到厘米級(jí)海底定位精度，可以獲取高分辨率、長(zhǎng)周期的海底基準(zhǔn)站位置變化，但需投入大量資金和人力，且作業(yè)期間一旦船體安裝的換能器發(fā)生故障，無(wú)法及時(shí)進(jìn)入船塢修復(fù)，使得長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)變得困難[68]。由于觀測(cè)頻次的不足，調(diào)查船觀測(cè)平臺(tái)難以檢測(cè)到海底基準(zhǔn)站短期位置變化，需要提高GNSS-A 觀測(cè)的時(shí)間分辨率，理想解決方案是使用海面無(wú)人平臺(tái)進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，如浮標(biāo)、海面無(wú)人艇等[58,65-66,69]。

2）無(wú)人艇觀測(cè)平臺(tái)

Kido 等[65]測(cè)試了使用海面無(wú)人艇（Autonomous Surface Vehicle，ASV）搭載的GNSS-A 定位系統(tǒng)，其配備導(dǎo)航和聲學(xué)測(cè)距系統(tǒng)的ASV，可以獲得與調(diào)查船觀測(cè)平臺(tái)同等質(zhì)量和精度的結(jié)果，有助于降低調(diào)查成本、增加GNSS-A 觀測(cè)頻次[70-71]。與調(diào)查船觀測(cè)平臺(tái)相比，ASV 動(dòng)力系統(tǒng)由大型電池提供電力，并由船上的柴油發(fā)電機(jī)充電，推進(jìn)器噪音可以忽略不計(jì)；且ASV 在定點(diǎn)位置可保持3 m 以?xún)?nèi)，沿著預(yù)定航跡航行的路徑差異小于2 m。因此，ASV 可作為GNSS-A 定位的候選平臺(tái)。Sakic 等[72]將GNSS-A 定位系統(tǒng)安裝在美國(guó)L3 Harris 公司設(shè)計(jì)的小型雙體船上，系統(tǒng)主要包括GNSS 天線(xiàn)/接收機(jī)，超短基線(xiàn)模塊，并集成慣性系統(tǒng)來(lái)校正船體位置；該GNSS-A 定位系統(tǒng)對(duì)淺水應(yīng)答器的定位實(shí)現(xiàn)了5 cm 的可重復(fù)性。Linuma 等[68]證明了波浪滑翔器（Wave Glider，WG）同樣具備搭載GNSS-A 定位系統(tǒng)的能力。波浪滑翔器可以依靠太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生足夠的電力，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)航、衛(wèi)星通信和GNSS-A 觀測(cè)；該GNSS-A 定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，目前，仍需完善聲學(xué)傳播時(shí)間的實(shí)時(shí)檢測(cè)問(wèn)題[73]。無(wú)人艇觀測(cè)平臺(tái)受海面風(fēng)浪的影響較大，平臺(tái)姿態(tài)精密測(cè)量、及由此帶來(lái)的聲信號(hào)傳播與定位的影響也是需要考慮的問(wèn)題。

3）浮標(biāo)觀測(cè)平臺(tái)

錨系浮標(biāo)作為海面平臺(tái)，能利用GNSS-A 定位系統(tǒng)對(duì)海底地殼形變進(jìn)行連續(xù)的實(shí)時(shí)測(cè)量[66]。Imano 等[67]驗(yàn)證了使用浮標(biāo)進(jìn)行3 000 m 深度海底定位的準(zhǔn)確性，但是由于浮標(biāo)是錨系的，在黑潮洋流影響下，浮標(biāo)在半徑4 000 m 的范圍內(nèi)漂移。Tadokoro 等[58]基于一個(gè)直徑為8 m 的大型錨系浮標(biāo)開(kāi)發(fā)了GNSS-A 定位系統(tǒng)，浮標(biāo)的漂移范圍在150～200 m 內(nèi)。該系統(tǒng)的GNSS 天線(xiàn)和衛(wèi)星通信天線(xiàn)安裝在浮標(biāo)的頂部，聲學(xué)傳感器用一根不銹鋼柱子連接并安裝在水下約1.7 m 處。使用浮標(biāo)觀測(cè)平臺(tái)進(jìn)行了106 d 測(cè)試，GNSS-A 定位系統(tǒng)能夠獲得高質(zhì)量的聲學(xué)數(shù)據(jù)。日本東北大學(xué)在2010 年采用小型浮標(biāo)進(jìn)行了海上試驗(yàn)，由于電力供應(yīng)問(wèn)題，試驗(yàn)僅持續(xù)了2 d 時(shí)間[65]。在此基礎(chǔ)上，日本東北大學(xué)改用大型錨系浮標(biāo)，并在熊野灘進(jìn)行了2 次實(shí)時(shí)的GNSS-A 觀測(cè)試驗(yàn)，成功獲取了近10 個(gè)月的觀測(cè)數(shù)據(jù)。目前，浮標(biāo)觀測(cè)平臺(tái)仍需解決電氣系統(tǒng)問(wèn)題，以滿(mǎn)足系統(tǒng)運(yùn)行的電力需求。

2.3.2 數(shù)據(jù)采集方法

GNSS-A 定位系統(tǒng)的測(cè)量值為聲學(xué)信號(hào)從換能器到應(yīng)答器的往返傳播時(shí)間。聲學(xué)信號(hào)傳播時(shí)間與海水中的聲波傳播速度密切相關(guān)，需要利用聲速剖面儀(Sound Velocity Profiler，SVP)、溫鹽深測(cè)量?jī)x(Conductivity-Temperature-Depth profiler,CTD)和拋棄式溫鹽深測(cè)量?jī)x(Expendable Conductivity-Temperature-Depth profiler,XCTD）等設(shè)備采集現(xiàn)場(chǎng)聲速剖面，每隔幾小時(shí)進(jìn)行一次。系統(tǒng)同時(shí)收集動(dòng)態(tài)GNSS 數(shù)據(jù)，船只的姿態(tài)由姿態(tài)傳感器測(cè)量，GNSS 天線(xiàn)和換能器之間的相對(duì)位置在船塢通過(guò)地面測(cè)量確定，用于確定換能器相對(duì)于GNSS 天線(xiàn)的坐標(biāo)。

1）測(cè)量策略

GNSS-A 定位系統(tǒng)的測(cè)量策略按海面觀測(cè)平臺(tái)與海底大地基準(zhǔn)站的位置關(guān)系，可分為靜態(tài)測(cè)量和動(dòng)態(tài)測(cè)量。靜態(tài)測(cè)量將海面觀測(cè)平臺(tái)維持在海底大地基準(zhǔn)網(wǎng)中心上方連續(xù)進(jìn)行聲學(xué)測(cè)量，其主要應(yīng)用代表為美國(guó)Scripps 海洋研究所和日本東北大學(xué)[17,74]。靜態(tài)測(cè)量需要事先確定海底大地基準(zhǔn)站之間的相對(duì)位置和深度，只能獲得海底大地基準(zhǔn)網(wǎng)中心的水平位移[4]。在此基礎(chǔ)上，日本海上保安廳、東京大學(xué)以及名古屋大學(xué)開(kāi)發(fā)了動(dòng)態(tài)測(cè)量策略，通過(guò)海面平臺(tái)按預(yù)定航跡圍繞海底大地基準(zhǔn)站動(dòng)態(tài)觀測(cè)聲學(xué)數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)測(cè)量策略還可以進(jìn)行垂直方向定位[19]。與GNSS 衛(wèi)星分布對(duì)定位影響類(lèi)似，空間分布良好的聲學(xué)數(shù)據(jù)可以減少估計(jì)基準(zhǔn)站的位置偏差。通過(guò)航行觀測(cè)收集幾何對(duì)稱(chēng)的數(shù)據(jù)，GNSS-A 定位精度和觀測(cè)效率都得到了提高[60,63]。為了提高定位的穩(wěn)定性，通常假設(shè)在整個(gè)觀測(cè)期海底大地基準(zhǔn)網(wǎng)的幾何形狀是恒定的[75-76]。Honson 等采用了兼容的測(cè)量策略，同時(shí)使用靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)量模式采集GNSS-A 數(shù)據(jù)來(lái)確定海底大地基準(zhǔn)網(wǎng)中心位移[74,77-78]。對(duì)于海底大地基準(zhǔn)網(wǎng)的標(biāo)校，也可采用靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)量策略?？紤]標(biāo)校效率和精度，可以采用對(duì)單個(gè)海底大地基準(zhǔn)站進(jìn)行絕對(duì)校準(zhǔn)，對(duì)海底大地基準(zhǔn)網(wǎng)（站）進(jìn)行相對(duì)測(cè)量，即絕對(duì)校準(zhǔn)+相對(duì)測(cè)量策略[45-46,79]。前者實(shí)現(xiàn)絕對(duì)基準(zhǔn)從海面?zhèn)鬟f到海底大地基準(zhǔn)站（時(shí)間長(zhǎng)且受全水深聲速誤差影響），海底大地基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)之間相對(duì)測(cè)距（海底等溫層，聲速的影響非常小，相對(duì)測(cè)量精度高），類(lèi)似于GNSS 控制網(wǎng)測(cè)量方法，采用網(wǎng)平差技術(shù)實(shí)現(xiàn)整體解算。

2）聲學(xué)觀測(cè)

GNSS-A 定位的核心是聲學(xué)觀測(cè)，需要精確測(cè)量聲學(xué)信號(hào)在換能器和應(yīng)答器之間的往返傳播時(shí)間。海面換能器向海底應(yīng)答器發(fā)送聲學(xué)信號(hào)，海底應(yīng)答器作為信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)射器，接收并返回從海面平臺(tái)發(fā)出的聲學(xué)信號(hào)。東京大學(xué)開(kāi)發(fā)的GNSS-A 定位系統(tǒng)中，換能器發(fā)射2 個(gè)雙相調(diào)制的聲學(xué)信號(hào)，分別用于信號(hào)識(shí)別和測(cè)距信號(hào)，載波頻率為10 kHz；系統(tǒng)中使用的調(diào)制序列碼是8 階、9 階M 序列碼（M-sequence）。名古屋大學(xué)開(kāi)發(fā)的GNSS-A 定位系統(tǒng)則采用了5 階M 序列碼[58,60]。如果應(yīng)答器識(shí)別信號(hào)，應(yīng)答器就會(huì)記錄下后續(xù)的測(cè)距信號(hào)，并在設(shè)定的間隔時(shí)間后，應(yīng)答器將重新編碼的測(cè)距信號(hào)與新的識(shí)別信號(hào)一起發(fā)送海面。在聲學(xué)測(cè)距期間，利用M 序列碼的特性，可以通過(guò)檢測(cè)合成信號(hào)和接收的聲學(xué)信號(hào)之間的互相關(guān)函數(shù)（Cross-Correlation Function，CCF）峰值，確定精確的信號(hào)傳播時(shí)間[19,73]。

GNSS-A 測(cè)量的聲學(xué)信號(hào)傳播時(shí)間需要轉(zhuǎn)換為換能器與應(yīng)答器之間的空間距離?？臻g距離計(jì)算值由聲線(xiàn)跟蹤確定，需要海水中的聲速剖面，利用SVP 測(cè)量數(shù)據(jù)，或者利用CTD 測(cè)量的溫鹽深數(shù)據(jù)采用經(jīng)驗(yàn)公式轉(zhuǎn)換為聲速[80]。采用線(xiàn)性或方形方式布設(shè)聲速剖面測(cè)量站位，聲速剖面測(cè)量采用定點(diǎn)SVP 為主、CTD 為輔的方式，適當(dāng)補(bǔ)充XCTD 測(cè)量。調(diào)查區(qū)內(nèi)影響聲速的水文條件（溫度、鹽度等）變化較大時(shí)，需增加聲速剖面的測(cè)量次數(shù)，在XCTD 作業(yè)時(shí)，船速必須降至適當(dāng)航速。

2.3.3 標(biāo)校線(xiàn)路設(shè)計(jì)

空間分布良好的聲學(xué)數(shù)據(jù)可以提高GNSS-A 定位精度。靜態(tài)測(cè)量策略中，海面觀測(cè)平臺(tái)保持在海底大地基準(zhǔn)網(wǎng)中心上方，觀測(cè)平臺(tái)與基準(zhǔn)站形成一個(gè)圓錐形對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)；動(dòng)態(tài)測(cè)量策略中，海面觀測(cè)平臺(tái)通常圍繞海底大地基準(zhǔn)站沿圓形航跡航行，觀測(cè)平臺(tái)與基準(zhǔn)站形成倒圓錐形對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，圓形航跡被認(rèn)為是定位精度最高的標(biāo)校線(xiàn)路[28,81]?？紤]到船舶姿態(tài)和海水湍流對(duì)聲學(xué)測(cè)量的影響，海面平臺(tái)最大航行速度為6～7 n mile/h[82]。因此，往往需要相對(duì)較長(zhǎng)的觀測(cè)時(shí)間，而且很難通過(guò)提高船速來(lái)減少觀測(cè)時(shí)間。

為了提高定位精度和效率，趙建虎等[27]利用幾何精因子（Geometric Dilution Of Positioning，GDOP）表示定位精度，通過(guò)尋求GDOP 的最小值，給出圓形航跡最佳半徑。如果修正了聲速誤差，航行半徑為海底大地基準(zhǔn)站深度的1.414 倍時(shí)，定位精度最高；若考慮聲速影響，航行半徑為深度的1.045 倍時(shí)，定位精度最高。另外，海面觀測(cè)平臺(tái)與海底大地基準(zhǔn)站形成的幾何結(jié)構(gòu)決定了Fisher 信息量，航行半徑為深度的1.414 倍時(shí)，F(xiàn)isher 準(zhǔn)則矩陣表征的定位精度也達(dá)到最佳[26]。

由于GNSS-A 定位中平面方向的幾何對(duì)稱(chēng)性，平面定位精度有了很大的提高[81]，但海面觀測(cè)平臺(tái)與海底大地基準(zhǔn)站的高度差幾乎是相同的，導(dǎo)致GNSS-A 定位在垂直方向上存在固有的幾何缺陷，需要增加垂直方向的約束，如海底深度傳感器測(cè)量的深度[26,79]。另外，增加一個(gè)過(guò)頂?shù)氖纸徊婧桔E也可以提高垂直方向定位精度[26]?？紤]聲速空間變化，同時(shí)利用多條聲學(xué)路徑可以實(shí)現(xiàn)高精度的聲學(xué)觀測(cè)[71]。因此，設(shè)計(jì)空間對(duì)稱(chēng)的圓形和十字交叉標(biāo)校線(xiàn)路是合理和科學(xué)的（圖3）。

圖3 標(biāo)校線(xiàn)路設(shè)計(jì)Fig.3 Design of survey line

3 GNSS-A 數(shù)據(jù)處理技術(shù)

3.1 誤差來(lái)源分析

GNSS-A 定位誤差源包括2 類(lèi)：一類(lèi)是海面換能器有關(guān)的誤差，如GNSS 定位誤差、GNSS 天線(xiàn)與海面換能器相對(duì)位置偏差、姿態(tài)偏差等；另一類(lèi)是聲學(xué)信號(hào)傳播有關(guān)的誤差。聲學(xué)換能器位置通過(guò)GNSS 定位獲取，如Hexagon 公司的VeriPos、NavCom 公司的Starfire、Fugro 集團(tuán)的OmniSTAR 等實(shí)時(shí)定位服務(wù)，以及后處理精密單點(diǎn)定位（Precise Point Positioning，PPP），前者可提供分米量級(jí)的實(shí)時(shí)導(dǎo)航定位服務(wù)，后者則能夠?qū)崿F(xiàn)厘米級(jí)的動(dòng)態(tài)定位精度[83-84]；慣性測(cè)量單元的姿態(tài)測(cè)量精度可達(dá)0.01°[72]；GNSS 天線(xiàn)與海面換能器相對(duì)位置可通過(guò)全站儀精確測(cè)定，也可作為待估參數(shù)參與定位解算[25]。聲學(xué)信號(hào)傳播有關(guān)的誤差有2 種：一種是傳播時(shí)間的量測(cè)誤差，一種是聲速誤差。

GNSS-A 定位系統(tǒng)可以精確測(cè)量直達(dá)波聲學(xué)信號(hào)傳播時(shí)間，時(shí)間量測(cè)誤差約為3～10 μs，海水中聲學(xué)信號(hào)若以1 500 m/s 的速度傳播，聲學(xué)測(cè)距的分辨率優(yōu)于1.5 cm[43,59,80]。直達(dá)波聲學(xué)信號(hào)經(jīng)常受到海面反射波的影響，在互相關(guān)波形時(shí)序中，波峰與直達(dá)信號(hào)到達(dá)時(shí)刻存在偏差[64]。反射波表現(xiàn)為多重峰值，若將反射波錯(cuò)誤識(shí)別為直達(dá)波，會(huì)導(dǎo)致聲學(xué)信號(hào)傳播時(shí)間的量測(cè)誤差[58,85]。Honsho 等[86]考慮了聲學(xué)信號(hào)入射角與互相關(guān)波形的關(guān)系，提出了一種相位互相關(guān)法（Phase-Only Correlation，POC），以減少傳播時(shí)間測(cè)量的不確定性；Tadokoro 等[58]引入了能量比概念（Energy Ratio，ER）檢測(cè)識(shí)別直接波。由于Tadokoro 等設(shè)計(jì)了浮標(biāo)平臺(tái)搭載GNSS-A 定位系統(tǒng)，直接波和海面反射波之間存在1.3～1.8 ms 的時(shí)間延遲，即使聲學(xué)信號(hào)被海面反射污染，也可以有效地分辨出反射波。此外，動(dòng)態(tài)測(cè)量策略中海面觀測(cè)平臺(tái)與海底大地基準(zhǔn)站的相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)引起聲學(xué)信號(hào)的多普勒頻移，通常在聲學(xué)信號(hào)的探測(cè)與識(shí)別過(guò)程中需移除多普勒效應(yīng)影響[63,87]。

聲速誤差是GNSS-A 定位的主要誤差，來(lái)源于沿聲學(xué)信號(hào)傳播路徑的海洋聲速結(jié)構(gòu)（Sound Speed Structure，SSS）的時(shí)空變化。海洋聲速主要與海水溫度、鹽度和靜壓力有關(guān)[88]。海表面混合層的存在改變了層內(nèi)的溫度和鹽度分布，而溫度和鹽度主要影響上層海洋的聲速值，隨著深度增加，海水混合作用減弱，溫度和鹽度分布趨于穩(wěn)定，壓力隨著深度的增加而增加，聲速也呈單向增加趨勢(shì)。因此，從海表面到海底的SSS 主要呈垂向分層[89]，SSS 的時(shí)空變化主要體現(xiàn)在海洋上層。此外，SSS 具有混合的時(shí)空異質(zhì)性，聲速的時(shí)間、空間變化尺度均有所不同[61,90]。相比聲學(xué)信號(hào)傳播時(shí)間，海洋聲速變化具有更大的空間和時(shí)間尺度，難以實(shí)現(xiàn)聲速的連續(xù)測(cè)量以表征聲速時(shí)空變化，而且聲速測(cè)量準(zhǔn)確度通常是相對(duì)的，由于聲速測(cè)量設(shè)備的校準(zhǔn)誤差，可能每秒會(huì)出現(xiàn)幾米的偏差，一個(gè)恒定的聲速偏差也可作為未知參數(shù)參與定位解算[89]?；趯?shí)測(cè)聲速數(shù)據(jù)，使用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)反演的聲速存在時(shí)空分辨率不足等問(wèn)題[23]。聲學(xué)信號(hào)傳播時(shí)間包含了聲學(xué)信號(hào)路徑的聲速變化信息[89]，因此，在GNSS-A 定位中，可以同時(shí)估計(jì)聲速的變化和海底大地基準(zhǔn)站的位置[31,77,89]。

3.2 參數(shù)估計(jì)方法

結(jié)合GNSS 和聲學(xué)的觀測(cè)數(shù)據(jù)可以估計(jì)海底大地基準(zhǔn)站的位置。理想情況下，如果海底大地基準(zhǔn)站位置的估計(jì)值與真實(shí)值一致，那么計(jì)算出的兩個(gè)單程傳播時(shí)間之和應(yīng)該等于觀測(cè)的往返傳播時(shí)間；當(dāng)海底大地基準(zhǔn)站位置的估計(jì)值與真實(shí)值有偏差時(shí)，計(jì)算的傳播時(shí)間與觀測(cè)時(shí)間也存在偏差。海底大地基準(zhǔn)站位置最優(yōu)估計(jì)的過(guò)程，是使傳播時(shí)間測(cè)量值和計(jì)算之間的時(shí)間偏差（Observation Minus Computed，OMC）平方和最小的過(guò)程[31,87,91]，即

3.2.1 解算策略

GNSS-A 定位用于獲取海底大地基準(zhǔn)站的位置，其參數(shù)估計(jì)策略分為整體解和歷元解兩類(lèi)。整體解算方法通過(guò)長(zhǎng)期觀測(cè)的GNSS-A 測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)完成定位解算[31,76-77]，24 h 的觀測(cè)數(shù)據(jù)可獲得±1.5 cm 的定位精度，3～4 d 的觀測(cè)數(shù)據(jù)可獲得亞厘米級(jí)定位精度[5]。歷元解算則利用1 組聲學(xué)觀測(cè)數(shù)據(jù)完成定位解算[61]，由于海洋聲速結(jié)構(gòu)的時(shí)空變化，歷元解算存在幾十厘米的定位誤差[91-92]。通常利用靜態(tài)測(cè)量策略的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行定位解算，即在海底大地基準(zhǔn)網(wǎng)的中心上方采集GNSS-A 數(shù)據(jù)，其定位精度隨距離海底大地基準(zhǔn)網(wǎng)中心越遠(yuǎn)會(huì)逐漸下降[64,67,71]。基于海洋聲速結(jié)構(gòu)具有垂向分層特征假設(shè)，利用對(duì)稱(chēng)分布的長(zhǎng)時(shí)間聲學(xué)觀測(cè)數(shù)據(jù)，可以削弱聲速時(shí)域變化對(duì)海底大地基準(zhǔn)站位置估計(jì)的影響，提高海底大地基準(zhǔn)網(wǎng)中心的水平方向位置精度，但是靜態(tài)測(cè)量策略無(wú)法獲取精確的垂直方向位置[31,87]。因此，靜態(tài)測(cè)量策略需要額外的觀測(cè)，如壓力傳感器觀測(cè)的深度信息，以增加垂直方向的約束。將聲學(xué)信號(hào)到達(dá)方向和聲學(xué)信號(hào)傳播時(shí)間觀測(cè)數(shù)據(jù)同時(shí)納入最優(yōu)化反演，可以提高定位解算精度[72]。動(dòng)態(tài)測(cè)量策略按預(yù)定航跡動(dòng)態(tài)采集GNSS-A 數(shù)據(jù)，可以獲得海底大地基準(zhǔn)站的水平和垂直方向位置。部分學(xué)者通過(guò)GNSS-A 動(dòng)態(tài)測(cè)量策略的觀測(cè)數(shù)據(jù)估計(jì)單個(gè)海底大地基準(zhǔn)站的位置[32-33,77,87]，進(jìn)而確定海底大地基準(zhǔn)網(wǎng)幾何形狀。在假設(shè)海底大地基準(zhǔn)網(wǎng)幾何形狀是恒定的情況下，約束基準(zhǔn)網(wǎng)的幾何形狀，然后根據(jù)靜態(tài)測(cè)量策略的觀測(cè)數(shù)據(jù)，可精確估計(jì)基準(zhǔn)網(wǎng)的中心位置[4,75,77,91]。對(duì)于海底大地基準(zhǔn)網(wǎng)的絕對(duì)校準(zhǔn)+相對(duì)測(cè)量策略，可以采用網(wǎng)平差技術(shù)實(shí)現(xiàn)整體解算。受海底大地基準(zhǔn)網(wǎng)的網(wǎng)形結(jié)構(gòu)影響，海底大地基準(zhǔn)站的垂線(xiàn)解精度不高，甚至出現(xiàn)解算不穩(wěn)定問(wèn)題，因此同樣需要引入外部約束，如壓力傳感器測(cè)量的深度/深度差[45-46]。

3.2.2 聲速誤差估計(jì)

參數(shù)估計(jì)策略受到海洋聲速結(jié)構(gòu)時(shí)域變化的影響。在聲速結(jié)構(gòu)具有垂向分層特征的基礎(chǔ)上，F(xiàn)ujita 等[31]、Ikuta 等[87]提出了同時(shí)估計(jì)海底大地基準(zhǔn)站的位置和聲速時(shí)域變化的方法，前者利用定位殘差提取多項(xiàng)式擬合的聲速時(shí)域變化，迭代修正位置參數(shù)，后者則基于B 樣條函數(shù)參數(shù)化表示平均聲速時(shí)域變化，聯(lián)合位置參數(shù)迭代計(jì)算；進(jìn)一步地，GNSS 定位中“天頂對(duì)流層延遲”（Zenith Total Delay，ZTD）[93]的概念被引入，Kido 等[89]、Honsho 等[77]提出了用“垂向總延遲”（Nadir Total Delay，NTD）表示平均聲速時(shí)域變化，聯(lián)合解算NTD 和位置參數(shù)的方法。

實(shí)際海洋聲速結(jié)構(gòu)同時(shí)存在時(shí)間和空間變化。Yasuda 等[94]假設(shè)1 000 m 以淺水層的聲速結(jié)構(gòu)受黑潮的影響向一個(gè)方向傾斜，構(gòu)建了包含聲速時(shí)域及其水平梯度變化的模型；Yokota 等[95]從直接估計(jì)的聲速時(shí)域變化中提取了淺水層的聲速水平梯度變化，但與海底大地基準(zhǔn)站位置有關(guān)的深水層梯度變化無(wú)法用聲速時(shí)變模型表示，結(jié)合Fujita 等[31]的方法從定位殘差中可以提取這部分聲速變化；Honsho 等[78]在NTD 的基礎(chǔ)上，考慮了更為普遍的方向性聲速梯度（Direction NTD Gradient），主要與海底大地基準(zhǔn)站位置有關(guān)。Tomita 等[61]、Watanabe 等[96]分別測(cè)試了靜態(tài)、動(dòng)態(tài)測(cè)量策略的海底大地基準(zhǔn)站位置、聲速時(shí)域變化和聲速水平梯度參數(shù)聯(lián)合估計(jì)方法。

海洋聲速結(jié)構(gòu)還具有混合的時(shí)空異質(zhì)性，包括短周期（短波長(zhǎng)）的異質(zhì)性以及長(zhǎng)周期（長(zhǎng)波長(zhǎng)）的異質(zhì)性。通過(guò)空間對(duì)稱(chēng)分布的長(zhǎng)時(shí)間GNSS-A 數(shù)據(jù)，整體解算策略可以成功消除聲速結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)周期異質(zhì)性[78]。而受到聲速結(jié)構(gòu)的短周期異質(zhì)性影響，歷元解算策略的定位結(jié)果較差[74]。劉楊等[32-33]指出定位的聲速殘余誤差主要來(lái)自海流、內(nèi)波等引起的聲速水平梯度變化，通過(guò)聯(lián)合估計(jì)聲速垂向結(jié)構(gòu)和聲速水平梯度的時(shí)域變化，降低了聲速殘余誤差，提高了海底大地基準(zhǔn)站坐標(biāo)精度。目前仍缺乏深入的海流、內(nèi)波引起聲速變化物理機(jī)制探究，需要進(jìn)一步了解其時(shí)空特征（如時(shí)間、空間范圍）[71,90]。除了更密集頻繁的船載GNSS-A 定位，結(jié)合多個(gè)觀測(cè)平臺(tái)的協(xié)同觀測(cè)方式，可以更加有效地建立短周期異質(zhì)性模型[60-61,90]。

3.3 精度評(píng)定方法

GNSS-A 定位結(jié)果精度評(píng)價(jià)通過(guò)比較不同解算結(jié)果的可重復(fù)性，如考慮不同策略觀測(cè)之間的重復(fù)性[63,97]。Sato 等[63]對(duì)比了不同觀測(cè)策略的定位結(jié)果，動(dòng)態(tài)觀測(cè)策略的重復(fù)性約為2 cm，比靜態(tài)觀測(cè)策略平均降低了30%。GNSS-A 定位精度也可以通過(guò)對(duì)斜距殘差的統(tǒng)計(jì)分析間接描述[98]。而Chen 等[59]設(shè)計(jì)了1 套海底聲學(xué)應(yīng)答器系統(tǒng)（Seafloor Acoustic Transponder System，SATS）來(lái)直接評(píng)估GNSS-A 定位的準(zhǔn)確性。SATS 有3 個(gè)應(yīng)答器和1 個(gè)姿態(tài)傳感器，可以提供應(yīng)答器基線(xiàn)的真實(shí)長(zhǎng)度和真實(shí)姿態(tài)信息，以確保對(duì)GNSS-A 定位評(píng)估的可靠性和有效性。使用GNSS-A 定位數(shù)據(jù)估計(jì)SATS 上3 個(gè)應(yīng)答器的位置，并計(jì)算基線(xiàn)長(zhǎng)度和姿態(tài)角，通過(guò)比較真實(shí)基線(xiàn)和姿態(tài)與計(jì)算結(jié)果，可以直接評(píng)估GNSS-A 海底定位的準(zhǔn)確性。Chen 等[59]還進(jìn)行了敏感性分析，以研究GNSS-A 定位結(jié)果對(duì)聲速變化的穩(wěn)健性。在聲速偏差很大的情況下會(huì)嚴(yán)重惡化GNSS-A 定位的質(zhì)量，敏感性分析同樣可以證實(shí)GNSS 和聲學(xué)測(cè)量是可靠的。

4 應(yīng)用及展望

4.1 海底大地基準(zhǔn)建設(shè)技術(shù)主要應(yīng)用

海底大地基準(zhǔn)建設(shè)技術(shù)除滿(mǎn)足水下潛航器導(dǎo)航定位需求外，目前主要應(yīng)用于海底精密工程測(cè)量、海底形變監(jiān)測(cè)。近幾十年來(lái)，陸地大地測(cè)量手段，如合成孔徑雷達(dá)（InSAR）和全球定位系統(tǒng)（GNSS），提供了近地空間、海洋表面高時(shí)空分辨率的定位和監(jiān)測(cè)能力[5,99-100]。然而，InSAR 或GNSS 無(wú)法適用于水下、海底場(chǎng)景。采用GNSS 和聲學(xué)測(cè)距的海底定位技術(shù)可以應(yīng)用于海底精密工程測(cè)量，包括大型海洋平臺(tái)安裝和穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)、海底大型沉管隧道對(duì)接等。監(jiān)測(cè)海底地殼形變對(duì)于掌握全球地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)至關(guān)重要，自20 世紀(jì)80 年代提出聲學(xué)方法監(jiān)測(cè)海底形變的概念以來(lái)[4]，基于GNSS-A 定位技術(shù)已實(shí)現(xiàn)了在全球參考框架內(nèi)對(duì)海底點(diǎn)的精確測(cè)量[5]，海底水平構(gòu)造運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)的分辨率達(dá)到了厘米級(jí)[17]，并成功應(yīng)用于揭示大洋構(gòu)造板塊的運(yùn)動(dòng)和變形、俯沖帶和其他板塊的地震過(guò)程，以及海底火山和擴(kuò)張中心的變形[101-102]。

基于海底大地基準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)的海底形變監(jiān)測(cè)應(yīng)用在日本取得了較好的發(fā)展[8]。日本水文和海洋局(Hydrographic and Oceanographic Department,Japan Coast Guard)已經(jīng)在日本太平洋一側(cè)的海底部署了15 個(gè)以上的海底大地基準(zhǔn)站，用以檢測(cè)和監(jiān)測(cè)由大洋板塊俯沖引起的海底地殼形變[31]。2011 年日本東北9.0 級(jí)(Mw)地震后，日本開(kāi)發(fā)了一種新型的海底大地基準(zhǔn)站，可以在5 000 m 以深的海底工作，其聲學(xué)通信范圍大于15 km[65]。2012 年沿日本海溝建造了20 個(gè)新的GNSS-A 海底大地基準(zhǔn)站，大部分站點(diǎn)位于海溝軸線(xiàn)兩側(cè)，深度大于5 000 m。

4.2 海底大地基準(zhǔn)網(wǎng)建設(shè)展望

海底大地基準(zhǔn)網(wǎng)是新型海洋觀測(cè)平臺(tái)。雖然以GNSS-A 為代表的海底大地測(cè)量技術(shù)已取得了顯著的進(jìn)步，海底大地基準(zhǔn)網(wǎng)的建設(shè)工作仍然任重道遠(yuǎn)，面對(duì)新一代國(guó)家綜合PNT 系統(tǒng)的建設(shè)需求和水下導(dǎo)航定位實(shí)時(shí)應(yīng)用需求，需要進(jìn)一步開(kāi)展海底大地測(cè)量技術(shù)的海洋聲速誤差處理、時(shí)間同步及標(biāo)校方法等方面的技術(shù)研究，也需要在分級(jí)組網(wǎng)和立體觀測(cè)方面開(kāi)展應(yīng)用研究。

4.2.1 技術(shù)層面

1）聲速誤差處理

GNSS-A 定位精度受聲速時(shí)空變化影響，需要精細(xì)化處理聲速。通過(guò)海洋環(huán)境信息構(gòu)建區(qū)域/全球海洋聲速場(chǎng)模型，采用同步觀測(cè)方式反演聲速誤差、生成并播發(fā)聲速誤差改正產(chǎn)品，提高水下導(dǎo)航定位精度。

2）時(shí)間同步

海底大地基準(zhǔn)網(wǎng)的空間基準(zhǔn)可統(tǒng)一至國(guó)際橢球參考框架，但是在時(shí)間基準(zhǔn)統(tǒng)一方面差距巨大，需要重點(diǎn)解決海底大地基站間的時(shí)間同步以及水下用戶(hù)與基準(zhǔn)網(wǎng)之間的時(shí)間同步，海底大地基準(zhǔn)網(wǎng)的時(shí)間基準(zhǔn)統(tǒng)一方法將是建設(shè)海洋綜合PNT 的難點(diǎn)和關(guān)鍵。

3）標(biāo)校方式

調(diào)查船沿預(yù)定航跡航行標(biāo)校海底大地基準(zhǔn)站位置觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、觀測(cè)頻次低，且耗費(fèi)大量人力物力，需要進(jìn)一步優(yōu)化GNSS-A 定位方法。一方面可發(fā)展多種觀測(cè)手段，如聯(lián)合船舶、浮標(biāo)、無(wú)人艇、水下滑翔器等平臺(tái)，優(yōu)化觀測(cè)航跡及觀測(cè)采樣頻率，實(shí)現(xiàn)快速實(shí)時(shí)標(biāo)校；另一方面可借助立體組網(wǎng)優(yōu)勢(shì)，綜合多源信息，提高GNSS-A 位置標(biāo)校的效率、精度，增加海底大地基準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)的可用性、可靠性、精確性。

4.2.2 應(yīng)用層面

1）分級(jí)布設(shè)

考慮到我國(guó)海底大地基準(zhǔn)網(wǎng)建設(shè)的需要和巨大的經(jīng)費(fèi)需求，需進(jìn)一步探索海底大地基準(zhǔn)網(wǎng)的分級(jí)布設(shè)方法。由于海底大地基準(zhǔn)網(wǎng)使用率低且不易長(zhǎng)期保存，在布設(shè)海底大地基準(zhǔn)站時(shí)，應(yīng)采用“分級(jí)布設(shè)”原則，先在大范圍內(nèi)布設(shè)首級(jí)網(wǎng)，然后在建成區(qū)域或急需提供水下導(dǎo)航定位服務(wù)區(qū)域布設(shè)次級(jí)網(wǎng)。這樣既能達(dá)到合理布網(wǎng)、滿(mǎn)足急需急用的目的，又能方便大地基準(zhǔn)網(wǎng)的擴(kuò)展和加密。考慮不同用戶(hù)的應(yīng)用需求，在布設(shè)海底大地基準(zhǔn)站時(shí)，還應(yīng)采用“低頻引導(dǎo)，高頻定位”原則，通過(guò)在海底大地基站搭載低頻信號(hào)聲吶設(shè)備提供遠(yuǎn)距離位置引導(dǎo)服務(wù)，布設(shè)高頻信號(hào)聲吶設(shè)備提供近距離高精度導(dǎo)航定位服務(wù)。

2）立體組網(wǎng)

面向大范圍、高精度、多領(lǐng)域的海洋觀測(cè)需求，需進(jìn)一步發(fā)展海底大地基準(zhǔn)組網(wǎng)和服務(wù)方式，也需要綜合海底觀測(cè)網(wǎng)和海底大地基準(zhǔn)網(wǎng)的統(tǒng)一建設(shè)問(wèn)題。通過(guò)構(gòu)建海面、水下、海底一體化立體觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步優(yōu)化網(wǎng)型設(shè)計(jì)、布放回收、位置標(biāo)校等方法，擴(kuò)大服務(wù)范圍、提高定位精度；同時(shí)，支持多傳感器協(xié)同作業(yè)，實(shí)現(xiàn)大范圍、多領(lǐng)域的海洋觀測(cè)。