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1、 海洋地球物理导航06005105 何良摘要：海洋地球物理的海底探测技术在2O世纪里的迅猛发展推动了地球科学的进展。高精度的导航定位技术是实现海底高精度探测的基础。高精度的导航定住包括水面船只和水下探测系统的精确定住。现代水面船只定位依赖以全球卫星定位技术为主的导航定位系统；水下定住系统主要发展有超短基线定位系统(USBL)、短基线定住系统(SBL)和长基线定位系统(LBL)等。，近数十年快速发展起来的海底声学探测技术有多波束测深技术、声纳侧扫技术和浅层剞面测量技术等，这些技术已经在当代海底科学研究、海底资源勘查、海洋工程和海洋开发等方面发挥出极其重要的作用。一 导航定位技术海底探测技术的进步
2、与更新换代，为高精度的海底探测提供了重要的技术保证，而高精度的导航定位则是实现海底高精度探测的基础。要实现高精度的导航定位，不仅需对水面船只进行精确定位，还要实现水下探测系统的精确定位，对深海海底探测系统定位的精度要求将会越来越高。对于我们水面船只导航定位当前主要依靠卫星导航定位系统。其中包括全球定位系统(GPS)、全球导航卫星系统(GLONASS和将于2008年实现的伽利略系统(Galileo)(Ackroyd et a1，1994)。而伽利略系统(Galileo) 与GPS，GLONASS相比，Galileo 系统有较大的优越性：覆盖范围更大，可实现GPS，GLONASS无法定位的高纬度定
3、位。 定位精度更高，定位精度优于1 m，Galileo系统可提供3种信号免费信号、交费加密信号、满足更高要求的加密信号即使免费信号的精度也可达到6 m。Galileo 系统的最大特点在于它是民用系统，而GPS和GLONASS都是军用系统。我国将与欧盟15个国家以平等地位参与此项合作。 双星系统(GPSGLONASS组合系统)它与单独的GPS和GLONASS系统相比，在系统的空中卫星有效性、定位精度和系统的整体性方面都有所突破。水下定位系统主要测定水下探测系统相对水面母船的位置，如侧扫声纳系统、海底照相系统、海底摄像系统等拖体系统，水下机器人(ROV，AUV)，海底箱式取样器、多管取样器、电视抓
4、斗、潜钻、热液保真采样器，及海底土工原位测试仪等等。水下定位系统主要有超短基线定位系统(USBL)、短基线定位系统(SBL)、长基线定位系统(LBL)，及超短基线定位系统与长基线定位系统组合系统(SSBLLBL)，短基线定位系统目前已很少使用(Milne，1983)。【1】虽然这些技术都相对成熟但是常用的船位推测法、惯性导航系统都存在定位误差随时间积累的特性。因此，必须定期地用外部信息对其进行校准。提出采用多波束声纳实时获取海底地形再与海底地形数据库的地形数据进行相关匹配，并通过小波快速迭代求精匹配算法，得到当前潜艇位置信息，将其作为参考点对惯性导航系统误差进行修正，才使导航精度明显提高【2】
5、因此发展多波束声纳进行海底测深十分必要。二 声纳测深技术1.旁侧声呐(SideScan Sonar)旁侧声呐是1960年代研制出来的应用于海洋环境中目标物探测的1项新技术。其基本原理是用声呐的电声脉冲不断地向海底发射声波信号并接收回波信号，记录声信号从发射到接收的走时和反射脉冲强度，并在记录纸上形成海底二维平面图【3】在保测深密度和精度的前提下，提高系统的分辨率，改善系统的成像质量，进而达到取代侧扫声纳。2.多波束声纳测深原理多波束声纳测深系统也称为声纳阵列测深系统，它能以很高的分辨率同时测定多个位置的水深，达到精密测定一定条带范围内海底地形的目的。它是一种窄波束测深系统，随着换能器设计结构的
6、不断改进和信号处理技术的进一步完善，现有系统的扇面开角扩大到150，波束增至120个。实现了真正意义上的全覆盖式测量根据测量。同时为了保证中央波束和边缘波束分辨率的一致，一些厂家将等角和等面积发射模式应用于新型的多波束系统，使得中央波束脚印面积同边缘波束相近，测点间距基本一致，保证了成图质量。一个完整的多波束系统除拥有结构复杂的多阵列发射接收换能器和用于信号控制与处理的电子单元外，还应该配备高精度的运动传感器、定位系统、声速断面和计算机软、硬件及相应的显示设备。因此，现代多波束测深产品实际上已经发展成为由声学系统、波束空间位置传感器子系统以及数据采集与处理系统组成的综合系统。【4】多波束测深技
7、术具有精度高、测量范围广、测量速度快等优点，得到海洋测绘界的认可，促进了多波束测深技术的迅速发展【5】3.多波束外业测量的实施多波束为全覆盖、高精度的扫海设备，影响这两个重要技术指标的主要因素包括天气海况、船速控制、测线布设、声速测量、水位控制、参数设置等，其中天气海况、船速控制、测线布设等主要是保证全覆盖测量要求；声速测量、参数设置等主要影响测量精度，【6】当然，每一个因素之间不是独立的，而是相互影响和制约的。所以我们必须系统统筹以上各个相关因素才能很好的进行多波束外业。4.声纳改进在实际应用中我们可根据实施多波束测深外业的工作环境状况将声纳设备进行适当改装。【7】常见的改装类型有水面舰艇舰
8、壳声纳和拖曳基阵声纳，潜艇声纳，直升机声纳，猎雷声纳，鱼雷对抗三 多波束探测技术的具体应用多波束测深技术是一项极具实际作用的工程技术，利用研制的多波束测深系统我们可在很多领域发挥作用。比如快速准确确定通航尺度，水下搜寻，水下地形观测，水下建筑物观测，泥沙运动研究，预防地质灾害以及其他领域，如应用多波束进行水下考古、水下管线埋设实时监测、海洋资源调查等。1.多波束在工程中的应用前景三峡工程蓄水后，必将对长江中上游流域的地形地貌、工程建筑、水上运输、泥沙运动等产生重大的影响，如果利用多波束技术对三峡水下工程进行监控，就可以全面了解河床及岸坡、建筑物的水下变化情况，及时发现事故隐患，也能够采取相应措
9、施，防患于未然，保证三峡工程和水上运输等的安全；同时，可以深入探讨蓄水后三峡水库的水下地形动态变化规律、泥沙运动规律、坝体冲刷程度等，为三峡工程建设、水库安全运转等提供决策依据。【8】同时随着海洋资源开发的持续进行，各种海底油气管道工程也日益增多，海底管道的运行状态和安全维护越来越引起人们的关注，人们需要了解海底管道的确切位置和掩埋状态，多波束测深方法在海底管道敷设工程的施工期间和施工后检测中都有着重要应用【9】大连“五七”空难发生后，天津海事局海测大队利用SIS一1500侧扫声纳和SeaBat9003多波束测深系统对飞机失事海域进行了扫海测量，也取得了非常好的效果，准确的确定失事飞机的残骸，
10、为后一步的人员搜索和解救奠定了基.（袁文志，管志宁2005）四 多波束测深数据处理多波束条带测深系统最终给出的是以海平面为参考，以海深为参数的海底地形图。由于船舶的运动，加上海平面经常受到潮汐和气象条件的影响而时涨时落，还有鱼和水草等反回的假回声等复杂原因，最后所得海区地形资料的精度不仅依赖于各种先进的硬件设备，还依赖于完备的辅助数据和先进的数据处理技术。【10】常规的方法是基于图形拼接的方式，即先由测深数据插绘每一条带的等深线图形，再将相邻条带的等深线图形拼接起来。实际上，这种拼接处理只能解决重叠区域若干线迹的误差均衡问题，而不能解决连续覆盖问题。另外，由于相邻条带之间的重叠特性和采样数据的
11、非均匀性，最终得到的海深数据存在很大的冗余，因此也有必要进行海深数据的处理。处理的第一步就是对数据进行存储和分离提取，由于多波束测深系统所采集的原始数据量非常大，考虑到数据存储和传输的方便性，一般都是采取二进制格式进行数据编码存储，才能节省存储空间。【11】同时在进行数据分离提取之前，首先要对所用的多波束测量系统的原始数据结构进行详细分析，彻底明确各种数据存储结构的定义规则。数据大致可分为整体编码规则和具体数据类型编码规则两大类。然后我们需要先自定义数据结构，继而进行二进制数据的读取，最后将二进制数据转换为ASCII数据，从而完成该数据的处理。初步处理完数据后，我们需要对如痴庞大的数据进行管理
12、。最新的技术是利用GIS可视化工具对海底探测数据进行管理，建立了剖面性数据和面状分布数据间的空间可视关系，为海底科学研究的可视化提供了一条捷径。【12】通过对浅层剖面数据特征与海底地形地貌和沉积物分布之间关系的研究，可进一步挖掘沉积物分布的成因机制和沉积物的来源。采用标准的地理空间数据模型geodatabase对浅层剖面数据、海底地形地貌数据和海洋沉积分布图件进行存储管理，有利于海洋科学数据和研究成果的共享。以此可以建立海底测深数据库。例如金翔龙老师的基于geodatabase面向对象数据库模型存储海底探测数据等类型。五 多波束测深系统数据处理的发展趋势个人认为系统的研制基本成熟，近十年，随着
13、电子、计算机、新材料和新工艺的广泛使用，多波束测深技术已经取得了突破性的进展。因此未来的研究重点将倾向于数据处理和应用研究。【13】并且应该朝着全海深测量，高精度测量，集成化与模块化技术，高分辨率测量的方向发展。在数据处理和研究方面我们也可遵循一下五个方向进行研究1 声速及声线跟踪2 多波束辅助参数的测定和滤波3 深度数据滤波4 图像处理5 多波束数字信息与侧扫声纳图像信息的融合【14】六 想法和总结个人认为系统的研制基本成熟，因此未来的研究重点将倾向于数据处理和应用研究。这将是海洋地球物理走向成熟的一个重要表现，现代科技能否成熟运用与实际，很多情况下都是在于数据能否准确，快速的处理完成。当前
14、海洋地球物理系统研制已经成熟，外业已经可以实施，那么余下的数据处理的完成将是这一学科走向成熟的重要阶段。记得武汉大学李德仁院士的映像城市，武汉报告中提到基于可测量的数字地图技术，很有感触。感觉功能很强大，假使能在海洋导航中运用将是对海洋科学发展的重大推进。参考文献【1】金翔龙 海洋地球物理技术的发展 东华理工学院学报 2004。3 【2】程辉 田金文 柳健 声纳技术在海底地形辅助导航中的应用 军民两用技术与产品 2003.11【3】李安龙 曹立华旁侧声呐在海底探测中的应用和工作船动态定位施工技术 中国海洋大学学报 2006.3【4】李家彪 多波束勘测原理技术与方法 北京：海洋出版社，199【5
15、】于舟 海底声波探测的基础与应用 天津：天津教育出版社，1993【6】王闰成 黄永军 多波束测深外业实施研究 海洋测绘 2007.5 【7】崔峰 装备与技术【8】王闺成，卫国兵多波束探测技术的应用 海洋测绘 2003.9【9】来向华 多波束测深技术在海底管道检测中的应用 海洋工程 2006.8【10】朱庆 李德仁 多波束测深数据的误差分析和处理 武汉测绘科技大学学报 1998.3【11】丁继胜 多波束回声测深系统测量数据的分离提取方法海洋测绘 2006.7【12】杨春国，金翔龙 利用ArcGIS管理和分析海底探测数据海洋测绘 2007.7【13】黄谟涛 翟国君多波束测深技术研究进展与展望 海洋测绘，2001.3【14】刘经南 赵建虎多波束测深系统的现状和发展趋势海洋测 绘 2002.9(
