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1、基于现代技术的海洋测量方法周庆冲( 广东海事局海测大队)【提要】根据海洋测量的特点，分析海洋测量定位与测深的发展状况及各种方法，对海洋测量的精度估算也提出新的方法，使之更趋于科学。【关键词】广域差分网络R T K 机载激光误差模型1 概述由于以空间技术、计算机技术、通讯技术和信息技术为支柱的测绘高新技术日新月异的迅猛发展，测绘学的理论基础、测绘工程的技术体系、其研究领域和学科目标，正在适应新形势的需要发生着深刻的变化，表现为正在以高新技术为支撑和动力，进入市场竞争求发展，测绘业已成为一项重要的信息产业。它的服务范围和对象也在不断扩大，不仅是原来的单纯从控制到测图，为国家制作基本地形图的任务，而
2、是扩大到国民经济和国防建设中与空间数据有关的各个领域。它必将随着2 l 世纪更加成熟的信息化社会的到来向更高层次发展，在未来数字地球的概念和技术框架中占据重要的基础性地位。作为测绘学科的一部分，海洋测量也随着现代技术的发展而不断得到发展，海洋测量定位的手段从常规发展到方式多样的卫星全球定位，海洋测深的手段从单波束回声测深发展到多波束、机载激光、海底摄影和海底遥感等方式。数字地球向海洋测量提出了挑战。从全球来说，目前海洋的精细测量基本上还是空白，多波束测深技术的发展加速了海底地形的测量精细程度，但要将陆地坐标参考框架以相近的精度扩展到海洋仍存在困难，海上G P S 定位精度还低于5 米；由于陆地
3、高程基准不能用水准测量传递到海洋，在卫星测高技术的支持下用某种去掉潮汐影响的平均海面作深度基准，精度可达米级，和多波束测深精度相当。但广大的开阔深海的海底地形测量不可能用船载测深仪完成，用卫星测高结合重力数据( 低阶或中阶重力场模型) 反演海底地形，目前试验精度可达1 0 - 1 0 0 米。数字地球将要求海洋测量技术有新的突破。2 海洋定位传统的海道测量主要是在沿岸海域进行。沿岸海域在天气较好、风浪较小的时候测量，通常使用光学仪器，利用陆地目标定位。这与陆地测量定位有些相似，只不过天气再好，测量船也是摇摆不定的，因而海洋测量定位精度要比陆地测量定位精度低得多。现代微波测距、激光测距等先进仪器
4、的使用，对海洋测量定位精度的提高十分有利。随着航海、海洋开发事业逐步向远海发展，海道测量也由沿岸逐步向远海发展。使用光学仪器和陆标进行定位已不能满足要求。为此，研制出了多种无线电定位仪器，近程的如无线电指向标、无线电测向仪、高精度近程无线电定位系统等；中远程的如罗兰c 、台卡、奥米加、阿尔法等双曲线无线电定位系统。这些定位系统定位距离都比较远，但精度一般都比较低。由于中远海海底地形都比较平坦，精度略低不会影响测量成果的使用。因此仍能满足航海等的需要。以G P S 为主导的卫星定位作为一种全新的现代定位方法，已逐渐取代了常规光学和电子仪器，特别是近一段时间以来，G P S 卫星定位和导航技术与现
5、代通信技术相结合，在空间定位技术方面引起了革命性的变化。用G P S 同时测定三维坐标的方法将测绘定位技术从陆地和近海扩展到整个海洋和外层空间，从静态扩展到动态，从单点定位扩展到局部与广域差分定位，从事后处理扩展到实时( 准实时) 定位与导航，绝对和相对精度扩展到米级、厘米级乃至亚毫米级，因此在比较长的时间里，卫星定位为海洋测量定位的主要方式。除了G P S 系统之外，目前比较成熟的卫星定位系统还有俄罗斯的G L O N A S S 系统和正在建设的伽俐略( G a l i l e o ) 卫星定位系统。俄罗斯G L O N A S S 系统在导航原理、伪码测距、精度估算甚至差分应用等方面 都
6、与G P S 系统十分相近，在已开发的G L O N A S S 接收机中，导航精度约为3 0 米，也与G P S 相近。伽俐略 ( G a l i l e o ) 卫星定位系统公开服务定位精度通常为1 5 一- 2 0 m ( 单频) 和5 1 0 m ( 双频) 两种档次，公开特许服务有局域增强时能达到l m ，如对信号加以修正，误差还有可能精确到i c m ，与G P S 兼容互动。伽俐略系统确定物体的精确度与G P S 相比高出1 0 倍。2 1 伪距差分定位8对于G N S S 卫星定位来说，其受到的卫星轨道、卫星钟差、接收机钟差、电离层延迟、对流层延迟等误差的影响难以用物理或数学的
7、方法加以消除，因此一般采用相对定位的方式，这也是高精度定位常用的方法。G P S 相对定位的精度对于c A 码伪距测量可以达到0 5 , - 一5 m ，相对定位的两点之间距离可以为5 m 2 0 0 k m 。但对于海洋测量来说，因为要求定位必须是实时的，因此基准站的作用距离与数据的传输能力有很大的关系。2 1 1 R B N D G P S中国沿海R B N - D G P S 系统主要由基准台、播发台、完善性监控台三部分组成。台站标称发射功率2 0 0 W ，单站设计作用距离3 0 0 K i n 。坐标系统采用W G S - 8 4 世界大地坐标系，基准台在W G S 一8 4 系中位
8、置精度保持在0 5 m 以内。中国沿海R B N - D G P S 系统于2 0 0 0 年全部建成，形成从鸭绿江口到西沙群岛，覆盖我国沿海港口、重要水域和狭窄水道的差分G P S 导航服务网。R B N D G P S 系统也是采用伪距差分方法，它的特点主要有两个，一是基准站的坐标精度高，二是使用信标作为数据传输链，传输的稳定性高。2 1 2 广域差分：将一个差分基准站与一个或多个主站组网，主差分站接收来自各监测站的差分G P S 改正信号，然后将其组合，以形成在扩展区域内的有效差分G P S 改正电文。通过卫星通信线路或无线电数据链把扩展G P S 改正信号传送给用户。这就是广域差分的模
9、式。广域差分比R B N - D G P S 系统更进一步，用户得到的改正信号不一定是某个基准站的改正数据，而是一个虚拟参考站的数据，用于改正的信号更合理，精度也更高。广域差分改正信号的数据处理可采用全矢量法在统一的数学模型中利用单历元的数据对卫星的三维 星历误差和钟差、基准站钟差一次求解，对理想的数据，广域差分用户可获得水平分量优于0 7 m 、垂直分量优于1 5 m 的定位精度。2 1 3 星站差分：星站差分的系统其实是一个G P S 广域差分增强系统。通过设在地面的参考站接收导航定位系统信息。原始观测数据经数据中心处理后，得到G P S 差分信息，并将这些信息由地面站注入国际海事卫星对地
10、面进行广播。用户利用这些信息对本机接收到的导航卫星信息施加差分改正，从而将原来的G P S 信号所提供的1 5 - - 一2 0 m 精度提高到2 m 。星站差分的系统是一个范围更加广阔的广域差分系统，对远离海岸的海洋测量定位非常方便，如果与正在建设的伽利略系统结合在一起，将是未来效果最好的海洋测量定位系统。2 2 载波相位差分定位：载波相位差分与伪距差分定位相比不同点主要在于载波相位差分采用的观测量为载波相位，它的特点是精度高，但有效作用距离短。载波相位差分方式主要有以下两种： R T K 定位：以G P S 的载波相位观测量为根据的实时G P S 差分技术，并利用了参考站和移动站之间观测误
11、差的空间相关性，通过差分的方式除去移动站观测数据中的大部分误差，从而实现高精度( 分米甚至厘米级) 的定位。R T K 技术在应用中遇到的最大问题是参考站校正数据的有效作用距离。G P S 误差的空间相关性最参考站和移动站距离的增加而逐渐失去线性，因此在较长距离下( 单频 l O k m ，双频 3 0 1 ( 1 n ) ，经过差分处理后的用户数据仍然含有很大的观测误差，从而导致定位精度的降低和无法解算载波相位的整周模糊度。所以，为了保证得到满意的定位精度，传统的单机R T K 的作业距离都非常有限。网络R T K 技术：为了克服传统R T K 技术的缺陷，人们提出了网络R T K 技术。在
12、网络R T K 技术中，线 性衰减的单点G P S 误差模型被区域型的G P S 网络误差模型所取代，即用多个参考站组成的G P S 网络来估计一个地区的G P S 误差模型，并为网络覆盖地区的用户提供校正数据。而用户收到的也不是某个实际参考站的观测数据，而是一个虚拟参考站的数据和距离自己位置较近的某个参考网络的校正数据，因此网络R T K技术又被称为虚拟参考站技术。组成：G P S 参考站网络、控制中心、从各参考站到控制中心的通信网络、控制中心和用户间的通信网络。其中控制中心是网络R T K 系统的核心和计算中心。2 3 水下G P S 高精度定位系统： 水下G P S 水下目标跟踪系统是国
13、际和国内上近几年发展起来的水下定位高新技术，水下G P S 定位9导航系统的研制开发，是一项综合大地测量、水声工程、无线电、海洋设备与机械工程和海洋物理多学科复杂的系统工程，它由多个G P S 浮标与水下导航收发机构成以浮标为基线的海面长基线水下定位导航系统。该系统不仅能对水下目标进行跟踪监视和动态定位，而且具备水下目标导航、水下目标瞬时水深监测等功能。试验表明，在水深4 5 米左右的水域，系统的水平定位精度达到5 厘米，测深精度为3 0 厘米，从而将过去传统水下定位精度从十多米提升到了亚米级。水下G P S 的意义如同陆地G P S 技术对大地测量的促进一样，如果这种新一代水下“指南针”在海
14、洋测量得到应用，必将开辟我国海洋测绘的新纪元。3 海洋测深： 长期以来，海洋测深主要应用声探测技术，利用声波在海水中传播具有直线性、匀速性和反射性的特点，开发水下测深设备，实现海洋的深度测量。随着技术的发展和研究的向前推进，很多新的技术手段和方法也被应用或即将应用到海洋测深设备的开发之中，如中国科技大学近代物理系快电子学实验室通过省部级专家鉴定会成果鉴定的“高速数据获取技术”，在机载海洋测深便具有重要的价值和广阔的应用前景。而条带测深仪近几年来的研究与开发更是快速，作为高新技术密集的多波束海底地形测绘设备，条带测深仪每次测量能同时获得几十个水深数据，其测量覆盖范围为水深的4 _ 2 倍，并且能
15、够现场提供高精度、高分辨率的数字成果图，提高工作效率1 0 倍左右，因此特别适合于大面积的海底地形测量。国内的哈尔滨工程大学水声研究所对条带测深仪的研发也在不断取得进展，有相关的设备提交用户使用。基于不同的目标有不同的测量手段，对于海洋测量来说，主要有以下三方面，一是海底地形测量，二是海底地貌测量，三是海底浅地层剖面测量。3 1 海底地形测量：海底地形测量的目的是获得水下海底精确的空间纵向位置关系。实现这一目标最常见的仪器是单频测深仪或者更进一步的双频测深仪，有些测深仪还实现了单频、双频可选。另外的一种设备是多波束测深系统，其类型有两种，一种是窄带多波束测深仪，另一种是宽带多波束测深仪，窄带多
16、波束测深仪波束数量少，张角小，覆盖宽度小，能测较深的水深，宽带多波束测深仪波束数量多，张角大，覆盖宽度大，适合于较浅的水深测量，不管那种类型的设备，均能同时获得多个深度数据，实现大范围的全覆盖测深。近几年来，机载激光测深方法国内外海洋测量工作者开展了很多研究，也取得了很多有价值的成果，现将机载激光测深的原理描述如下： 激光作为一种新型的探测光源，具有单色性高、方向性强、相干性好、强度大等特点。利用绿光或兰绿光易穿透海水，而红外光不易穿透海水的特点，用光激射器、光接收机、微机控制、采集、显示、存储及辅助设备组成机载激光海洋测深系统。在飞机平台上安装光激射器向海面发射两种不同波长的激光，一种为波长1 0 6 4 毫微米的脉冲红外光，另一种为波长5 3 2 毫微米的绿光。红外光被海面完全反射和散射，而绿光则能够透射至海水中，经水体散射、海底反射和光接收器分别接收这些反射光，组成探测回波信号波形如图，探测并数字化处理回波信号( 对每一个测深点，可获得一个激光波形，其上有两个与海面和海底相应的光波脉冲顶点，获取两顶点接收到回波脉冲时
