海底大地测量控制网研究进展综述

李林阳，吕志平，崔 阳

(1. 信息工程大学地理空间信息学院，河南 郑州 450001； 2. 后勤工程学院，重庆 401331)

海洋占地球表面积的71%，是人类可持续发展的重要空间，已成为世界各国激烈争夺的重要战略目标。维护海洋权益、发展海洋经济和研究海洋科学，需要高精度的海洋大地测量基准；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[1]。

通过在陆地布设基准站，利用空间大地测量技术进行连续观测，可以建立高精度的陆地大地测量基准，并可以有效监测陆地上的板块运动和地壳形变。一方面，绝大多数的板块至少有一个边界位于海底，因此对板块研究来说，在板块边界建立海底控制点十分必要；另一方面，海底存在许多活跃的地质学现象，如洋中脊、海沟及板块汇聚处的俯冲带，同样也需要建立控制点并进行连续观测。

为了直接观测海洋岩石层的俯冲作用并取得地壳形变长期可靠的观测结果，可以采用布设单个传感器(压力、倾斜传感器)或传感器网的方式，如日本1988年安装的第一台由人工操作潜入深海长期观测地壳形变的地球物理仪器——海底倾斜仪(ocean bottom implanted tiltmeter,OBIT)[2]。在海底也可以同时布设两个控制点，采用声学测量的方式获得相对距离，然而这种方法易受海底地形的影响，信号易被隔断[3]。上述两种方法只能获得控制点之间的相对位置变化，无法取得与已建立的陆地基准点之间的联系，当形变发生在一个大的区域时，所有的控制点受相同位移的影响(如冰后期回弹)，这种方法就失效了[4]。此外，重力测量也可以监测地质学现象[5]，如文献[6]利用GRACE卫星观测数据计算了2004年苏门答腊(Sumatra)地震引起的海底地壳形变，然而卫星重力测量的分辨率较低，也无法清楚区分海底表层和深层质量迁移。

由于电磁波在水中传播时衰减严重，无法在海底利用甚长基线干涉测量(very long baseline interferometry,VLBI)、全球卫星导航系统(global navigation satellite system,GNSS)、卫星激光测距(satellite laser ranging,SLR)等技术布设控制点。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定位相结合的方式建立海底大地测量控制网[7]，该方法在海面上使用GNSS接收机采集GNSS数据，并与岸基基准站组差，动态差分解算测量船/浮标位置；海底利用声学信号测量换能器至应答器之间的传输时间，联合GNSS观测值和声脉冲信号解算得到海底控制点在全球参考框架(如ITRF)中的坐标。相比传统方法，该方式具有以下4个优势：①可以获得海底控制点在特定参考框架下的绝对坐标；②操作灵活、简单；③海底控制点上的声学应答器只需回答“问询”信号，功能单一，设计简单；④无需铺设海底光缆或安装声学数据发射装置来传输数据，相对比较廉价。因此，GNSS/Acoustic定位方法成为近年来布设海底控制网、监测海底板块运动和地壳形变，以及建立海洋大地测量基准的首选[8-9]。

本文系统论述了国外采用GNSS/Acoustic定位方式建立海底大地测量控制网的方法，并概述了国内海底控制网的研究现状。

1 GNSS/Acoustic系统介绍

1.1 系统组成

GNSS/Acoustic系统由3部分组成：岸基GNSS基准站、海上测量船和海底控制点，可以采用如图1所示的双角锥法布设海底控制网。

(1) 在海面上方的角锥由GNSS卫星和测量船组成，称为倒角锥；测量船同时搭载GNSS接收机、姿态测量传感器、温盐探测仪((conductivity temperature depth meter,CTD)或(salinity temperature depth meter,STD))、声学换能器等测量单元。GNSS接收机实时采集GNSS数据，获取GNSS天线至卫星之间米级精度的伪距观测值和毫米级精度的载波相位观测值；姿态测量传感器实时确定测量船的旋转、俯仰和倾斜角；CTD记录测量作业时的温度、盐度和深度等。其中，GNSS天线与声学换能器之间的几何位置关系在船下水之前就已精确测定。

(2) 位于水下的角锥由海底应答器与测量船底部的声学换能器组成，称为正角锥。正角锥中采用声脉冲测距，其中的换能器以受控的重复率发射声脉冲，并获取来自一组海底应答器(不少于3个)的“回答”数据。由声脉冲往返经历时间计算换能器与应答器之间的斜距。

图1 GNSS/Acoustic系统组成

通过采集以下4种类型的数据，确定海底应答器的位置。

(1) 船载GNSS接收机的伪距和载波相位观测值，以获取GNSS天线位置。

(2) 姿态测量传感器的姿态测量值，以确定GNSS天线与声学换能器位置之间的转换关系。

(3) CTD记录水温、盐度和深度等，以对声速建模，确定声速的变化。

(4) 声学换能器记录声脉冲信号往返时间，以确定换能器至应答器之间的距离。

1.2 系统发展

Spiess教授提出利用GNSS/Acoustic定位方式建立海底大地测量控制网的想法后，美国研制了原型系统和实用型系统，并进行了试验验证。日本处于地震活跃带，且地震多发生于海底，为了满足监测海底地壳形变和板块运动的要求，布设了许多海底控制点，监测了诸如2004年纪伊半岛(off Kii Peninsula)7.4级地震[10]、2005年宫城县(Off-Miyagi Prefecture Earthquake)7.2级地震[11]和2011年东北部(Tohoku-oki)9.0级大地震[12]。

1.2.1 美 国

自20世纪80年代中期以来，美国喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory,JPL)、科罗拉多航天动力学研究中心(Colorado Center for Astrodynamics Research,CCAR)和SIO联合开展了软件和硬件的研发，早期研制的原型系统为一个三角形的浮标，在三角形的3个顶点分别放置一个GNSS天线，在浮标的底部安装声学换能器，同时在海底投放一个应答器。1989年12月13—15日，采用该原型系统，美国在海域较为平静的码头进行了海上GNSS浮标定位试验，以测试浮标接收GNSS信号的稳定性和浮标高程分量的精度[13]；1990年5月22日至25日，在圣克鲁斯海盆(Santa Cruz Basin)2 km深的海底进行了第一次GNSS/Acoustic定位试验，由一艘船拖拽浮标，船的航迹是半径约为水深的圆，数据处理时假定声速是不变的常量，因此结果中包含系统性的误差，声脉冲测距的系统误差达到了8.8 cm[14]。

美国后期设计的实用型系统对海面和海底设备进行了3处升级[15-16]：①由于浮标投放和回收比较耗时，海面测量载体由GNSS浮标变为测量船，由测量船搭载3个分别安装在主桅杆的顶端、左舷和右舷船尾的GNSS天线，以及1个安装在测量船船体中部的声学换能器，3个GNSS天线提供定位的同时也提供了船体倾斜信息(后来加装了姿态测量传感器)，并事先利用光学和激光设备以毫米级的精度测定GNSS天线与声学换能器之间的相对位置[17]；②在海底同时布设3个/4个应答器作为控制点，控制点均匀布设在一个圆上，圆的半径为海底水深，并将圆心作为海底虚拟控制点；③测船测量时静止于圆心上方，这样的好处是：声学换能器至每个应答器的测量时间基本相同，即使声速随深度在水平方向和垂直方向变化，但声速的变化不会影响圆心水平分量的坐标，只会使圆心在垂线方向上下移动。

随着GNSS动态定位技术的发展、水下传播时间的精确测定[18]和水下声脉冲传播速度的研究[19]，该技术逐步由试验转变为应用。1991年，在胡安·德富卡板块(Juan de Fuca plate)海域2.6 km深处，采用GNSS/Acoustic定位方式建立了世界上第一个海底控制点，通过1994—1996年连续3年的观测，海底应答器阵列中心的坐标重复性可以达到：北分量0.8 cm，东分量3.9 cm[15]。

1.2.2 日 本

在日本，GNSS/Acoustic定位系统是由日本海洋水文部(The Hydrographic and Oceanographic Department of Japan,JHOD)、工业技术研究所(Institute of Industrial Science,IIS)和东京大学(University of Tokyo)联合研制的。1998年10月21日，在日本白滨(Shirahama)海域的60～70 m深处，以及同年12月8日，在相模湾(Sagami Bay)海底1.3 km深处，分别开展了试验验证[20]，通过使测量船处于漂流状态下航行，采用类似于确定震源位置的方式，单独确定每个应答器的位置，再取所有应答器坐标的均值作为海底的虚拟控制点。这不同于上文提到的美国学者的做法，他们是将测量船静止在应答器阵列中心的海面上。由于温盐数据不足降低了声速改正模型的精度，日本的试验仅取得了水平分量和高程分量各为10 cm的定位精度，还不能满足震间厘米级板块运动监测的要求。但是，由于获得了多条测线的数据，这种方法可以同时得到各个应答器水平分量和高程分量的坐标，而美国学者的方法只能获得应答器阵列中心水平分量的坐标。这种方法同样也被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深处，将3个海底应答器放在一个直角边为1.4 km的等腰直角三角形上，建立了日本第一个海底控制点，并进行了充分的温度、盐度和深度的测量，取得了水平分量标准差约为4 cm的定位精度[22]。迄今为止，日本建立了世界上最密集的海底控制网[9]。

日本早期(2000—2007年)采用Pole系统(如图2(a)所示)，该系统在船体尾部加装一根可升降的圆柱，并在其顶端放置GNSS天线和姿态传感器，在底端安装声学换能器。Pole系统的缺点包括：①为了避免螺旋桨噪声的影响，测量船必须在发动机停机后，在漂流模式下，降下圆柱后进行测量；②一般情况下，换能器至应答器之间的角度超过45°时，需要重新调整测线，这时必须先升起圆柱，再进行船位的调整，测量耗时，夜间又通常无法进行测量，作业效率较低；③如图3所示，测量船在漂流状态下，只在海风和水流的作用下航行，得到的测量轨迹(测线)是不可控制的，很难得到空间几何结构上均匀分布的测线。2008年之后日本采用了Hull系统(如图2(b)所示)，该系统在船体中部安装声学换能器，并远离螺旋桨，以避免噪音干扰，有效克服了以上3个缺点，测量船在正常航行状态下(航速为5～8节)即可进行测量，大大提高了作业效率，并且可以通过控制航行轨迹得到几何结构分布均匀的测线，均匀分布的测线进而可以有效削弱甚至消除声速的误差，提高水平分量和高程分量的定位精度[23]。除了在测量船上安装3根GNSS天线外，美国研制的实用型系统与Hull系统类似。

图3(a)为2008年1月15日，日本SIOW站的测线分布；图3(b)为2008年7月12日，日本TOKW站的测线分布；图3(c)为2009年3月3日，日本MAGI站的测线分布[23]。从图中可以看出，Hull系统的测线由辐射状的射线和正方形组成，空间几何结构分布非常均匀，而Pole系统在低水速情况下的测线是杂乱无章的，尤其是在如图3(b)所示的弱风和弱水流条件下。

图2 日本GNSS/Acoustic系统发展

图3 Pole系统和Hull系统作业时的测线分布

2 数据处理及精度分析

GNSS/Acoustic定位数据处理的过程主要分为3步：①船载GNSS接收机动态定位解算；②换能器至应答器之间的声脉冲传播时间测定，并对声速建模；③采用基于最小二乘的线性反演方法，联合①和②的结果，迭代确定应答器位置。

2.1 船载GNSS接收机动态定位解算

船载GNSS接收机位置解算时，已有研究均与岸基距离较近的GNSS基准站组成双差观测方程，采用扩展卡尔曼滤波，并固定双差模糊度，可取得厘米级精度的动态定位结果[3,7-12,14-23]。但这种单基线动态定位的方法受作业距离的限制，基线过长时会降低大气延迟等误差之间的空间相关性。通过布设空间分布大体均匀的陆基基准站，采用网络RTK模式，可以有效解决误差精确表达的问题，从而使作业不受距离的限制[24-25]。然而，在广阔的海域周围布设均匀分布的基准站网的难度较大，不易实现。文献[26]采用非差模糊度固定的方法，实现了海上作业平台动态厘米级定位，该方法不受作业距离限制，将来有望应用于海底控制点的定位。

2.2 换能器至应答器之间声脉冲传播时间确定及声速建模

首先采用互相关方法解析声脉冲信号，获得换能器至应答器之间声脉冲往返传播的时间；目前声学换能器的时间分辨率能达到微秒级，对应的测距分辨率为毫米级。

其次是对声速的处理，这也是声学定位最主要的误差源。海底声学信号的传播速度受温度、盐度(或电导率)、深度、压力等因素的影响，而且难以对上述因素建立精确有效的模型，目前一般假设声速在水平方向分层，利用CTD采集的数据，可采用文献[27—28]等所述的公式计算声速。

2.3 应答器位置线性反演

以分别确定海底每个应答器的位置为例，采用贝叶斯最小二乘反演理论[29]，应答器位置参数的估计流程[30]如图4所示。

首先，分别给定每个应答器的坐标初值，基于温度、盐度和深度数据等建立声速模型，利用声脉冲信号的往返时间及GNSS动态定位和姿态测量得到的特定参考框架下的换能器坐标，依据换能器至应答器之间的水平距离定权，解算每个应答器的坐标；其次，利用上述估计的应答器坐标，采用二次多项式精化声速模型，依据等权模型解算二次多项式的声速改正系数a0、a1、a2；最后，利用改正后的声速重新计算每个应答器的坐标。按此流程循环迭代，直至应答器坐标参数收敛。

图4 海底应答器位置参数估计流程

2.4 精度分析

声速是影响海底控制点精度的最大误差源。海洋表层500 m内的声速变化尤为明显，这一深度的海况对声速影响最大。如按文献[28]的公式，当水温在20°左右时，温度升高1℃，声速提高约2.7 m/s。当利用CTD采集的温度、盐度和深度数据时，声学测距的残差可以有效降低20～30 cm[15,31]。文献[3]采用仿真试验的方式，分别对影响单个应答器定位精度的因素进行了研究，结果表明：①季节性的声速变化对定位结果基本没影响，而日变化和海水内部浪涌造成的声速变化对定位精度影响较大，大小超过了10 cm；②通过测线上的CTD数据计算声速，声脉冲测距误差可以控制在大约18 cm以内；③通过布设多于3个的应答器阵列，并在应答器阵列中心对应的海面上方进行测量，可以有效消除声速变化未模型化的误差影响，应答器阵列中心的重复性可以达到厘米级。

声脉冲传播时间测定方面，采用图4所示的参数估计处理流程，将应答器坐标和声速未模型化的误差均作为未知参数进行估计，声脉冲往返传播时间的残差介于70～80 μs之间，对应的单向测距误差为5～6 cm[30]。

通过采用Hull系统，测量船按照图3(c)所示的轨迹航行，海底控制点水平分量的定位精度能达到厘米级，一般情况下为2 cm左右；但在垂直方向精度略差，约为3～6 cm[23]。这是因为，一方面在声速模型处理上，已有研究均假设声速在水平方向分层，在垂直方向不变；另一方面，在高程方向，测量船与应答器构成的空间几何结构是不对称的，即只有控制点上方有测量数据，在线性反演中，高程分量是不敏感的。震间地壳运动速度的量级一般为每年数厘米，因此控制点水平方向的精度完全满足监测地壳形变的需要，垂直方向的精度暂时尚不能满足，有待进一步提升。

此外，文献[4]采用动态GNSS定位结合压力传感器的方式，在不到20 m深的平静海域进行了初步试验，结果表明垂直分量的精度可以达到1 cm，将来可能会应用于海底控制点高程分量的精确测定及地壳高程分量的形变监测。

3 我国海底大地测量控制网现状分析

我国是一个海洋大国，南海、东海、黄海和渤海的海域面积达到300多万km2。我国提出了“经略海洋”战略，首先要维护海洋权益，确保领海安全，其次是发展海洋经济、保护航海运输通畅、建设21世纪海上丝绸之路，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[1]。

海洋大地测量基准是陆基大地基准在海洋的自然延伸，是空间数据基础设施的重要组成部分。以2000国家大地坐标系[32]和2000国家重力基准[33]为代表，我国已在陆地建成了较为完善的陆地大地测量基准。但我国至今还没有建立起一个高精度海底基准控制点，海底大地测量控制网数据处理技术几乎处于空白，与国际先进水平存在较大差距，严重影响海洋权益维护及其他海洋活动。我国水下导航定位起步较晚，但已取得了比较大的突破，如将GNSS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GNSS定位系统[34-38]。目前这些系统可实现米级至分米级的定位精度，但与国外分米级至厘米级的定位精度还存在较大的差距[1]，系统整体性能、工程化和实用化水平还有待提高。

4 总结与展望

本文系统分析了GNSS/Acoustic定位系统的组成，美国和日本海底控制网的发展及研究现状，详细归纳了海底控制点定位的数据处理流程，并对影响海底控制点精度的因素及其定位精度作了细致的分析。

我国现阶段海底大地测量控制网建设和研究几乎为空白，海洋大地测量基准尚未建立，应加紧进行海底控制网论证、建设与研究，突破海底三维坐标基准精密传递、声线改正残余误差抑制技术和具有某些先验信息的海陆基准连接技术，发展经济可行的海洋大地测量组网观测技术，构建海洋大地测量基准与位置服务技术体系，服务于数字海洋和水下网络中心战。

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