海洋时空基准控制网综述

1、海洋时空基准控制网综述21世纪是海洋的世纪。 海洋贮藏着丰厚的自然资源， 也 同时是影响全球环境和气候变化的主要动力因素。精准地感 知海洋动态和开发利用海洋资源已成为人类文明持续发展 的关键。中国共产党第十九次全国代表大会报告明确提出加 快“建设海洋强国”的战略。这一战略在实施中面临技术局 限性和环境复杂性的严峻挑战，如海洋资源、事件、目标等 信息发生的环境状态实时或快速感知的能力不足，以及相应 资源、事件、目标发生的准确时间和位置的获取能力不足等， 对于这些挑战我们需从基础设施做起。时空是一切自然和人类活动的载体，时间和位置信息也 是一切表征事物属性的物理空间状态和演化过程的标识；全 球性时

2、空基准网将时空参考框架与地球坐标系的位置、尺度 和方向基准“钉”在一起，是获取时空信息的基础设施。当 前，可以由全球导航卫星系统 （GNSS）作为基础来实现。 全球 时空基准网包括地基时空基准网、空间时空基准网和海洋时 空基准网。目前，构成 GNSS主体部分的地基和空间时空基 准网络已基本成形，并已在陆地和近地空间提供定位、导航、授时服务多年，而同时能提供海面、水下和海底定位与导航 授时服务的海洋时空基准网建设尚属起步阶段。由于全球导 航卫星系统的信号载体（电磁波）在水中衰减严重，而声波、 蓝绿激光和超低频电磁波等在水下环境中传播各具特点或 性能甚优，故现阶段海洋时空基准围绕声学定位技术为主并

3、 辅以其他手段进行建设。目前，采用水下三维导航定位方法 建立了若干局域的海洋大地基准，但该类基准目前还无法满 足高精度的定位导航需求。由此，大地测量学家提出基于声 学测距建立高精度水平定位基准以及基于压力计建立高精 度垂直定位基准，通过组合空间卫星定位技术、水下声学定 位技术和压力传感器技术等，将全球统一的时空基准传递到 海洋内部，能满足地球科学的研究需要和海洋时空基准建设 和海洋观测的需求。未来，还将引入新型激光技术和量子技 术等来提升海洋时空基准网的定位导航授时的性能。一、海洋时空基准网的定义、内涵与布设海洋时空基准网由布设在海洋表面、水体中以及海洋底 部的时空基准站（也称参考站）组成，以

4、海洋表面基准站装备 的高精度GNSS卫星动态定位结果为基准，对水下和海底基 准站展开声学定位和时间传递，同时进行海洋重力测量、磁 力测量和惯性导航，并将结果与GNSS陆地大地控制网融合， 提供海洋基准站在地球坐标系中的精确坐标及其随时间变 化的信息。海洋时空基准站由海面漂浮、海面下一定深度被动或主 动移动的观测舱和相对固定于海床上的观测舱组成。在海洋 表面布设按一定空间距离分布的浮标式观测舱或岛礁式工 作站，舱内的 GNSS接收机观测中国的北斗(BDS)、美国的 全球定位系统(GPS)、俄罗斯的GLONASS以及欧盟的伽利 略(Galileo)等系统的导航卫星，并进行实时动态定位，以分 米级甚

5、至厘米级精度确定载体的四维时空位置。舱内向水下 安置具有测距功能和数据通信传输功能的多种声呐，依需求 或者还有激光和超低频等，对水中和海底同类性质的观测舱 进行声学/激光测距与有线/无线通信，感知这些观测舱在地 球大地坐标系下的坐标及其移动速度。这些观测舱或悬浮于 海洋水体的不同深度处，或按适当分布和按探测任务要求相 对固定于海底，组成水下声学定位与通信网络系统，构成或 局域、或广域或全球的海洋时空基准网络。海洋时空基准网 包括移动式和固定式海洋基准站、定位系统、授时系统、电 能供给系统、通信系统、岸上中心台站及岛礁中继站等组成 部分。这一海面、水下和海底立体网络与陆基和岛基所建的北 斗/GN

6、SS地基增强系统同步观测、统一数据处理，实现海洋 陆地时空基准网联合组网，使海陆时空基准统一维护，构成 陆海空天一体化的时空基准网络。这一海洋时空位置基准同 时也作为信号源为水面、水下和海底其他目标提供定位导航 授时信号，反过来也可通过感知和分析所接受的多种声音信 号来探测跟踪水面、水下和海底的合作性或非合作性目标， 提取海洋与海底事件时空位置信息。海洋时空基准网的定位系统主要围绕声学测距和压力 计等技术进行工作，可实现导航定位和大地测量功能。在海 洋声速场不够精确时，其授时系统尚无精确的解决方案。利 用海面GNSS接收机、水下原子钟以及海底光电缆等设备进 行授时为水下时间同步提供了新思路。电

7、源供给系统包括用 于浮标和潜标的电源自给系统以及用于海底观测舱的电缆 供给系统。通信系统包括用于浮标与潜标的无线通信系统（声学、蓝绿光和超低频电磁波）以及用于海底观测舱的光缆通信 系统。岸上中心台站和岛礁中继站负责数据管理、呈现、分 析以及电源配送和各站点观测状态的监控，并连接陆基GNSS观测站。海洋时空基准站可加载多种传感器设备，包括导航卫星 信号接收机、声学、惯性、原子钟等时空位置传感器，重力 仪、磁力仪和地震仪等大地测量和地球物理传感器，温盐压 仪、流速计和压力计等水文传感器以及海洋通信设备。众多 类型传感器支撑的海洋时空基准网能为海域划界及权益维 护等主权问题，位置服务、海洋资源开发和

8、信息共享等工程 问题，目标探测、识别及跟踪等军事问题，海洋时空基准的 维护、大洋板块运动、地球重磁场建模、海洋生态环境变化 等科学问题提供时空信息解决方案。故海洋时空基准网可承 担位置与海洋要素等信息的收集、传播和共享的责任，形成 海洋环境监测网和海洋物联网 /互联网的雏形。完备的海洋时空基准网既可为水面及水下的各类人造设备提供时空信息，进行立体定位导航，执行预定的航行任 务或进行时空位置标注；也可以监测海底板块与水体等环境 的动态变化，完善海洋乃至地球系统的模型；承担环境监测 和设备互联的部分任务，支撑信息传播和共享等服务。故海 洋时空基准网是海洋定位导航、海洋环境监测网以及海洋互 联网/物

9、联网的共性基础设施， 既为海洋环境地理空间信息大 数据智能感知网络的时空基准，也是陆海空天全球时空基准 建立和维护的重要组成部分。海洋时空基准网海底部分的建设首先进行基准点布设，基于海面设备的 GNSS动态定位结果进行基准传递，获得海 底基准点的位置信息；根据海底基准点之间的测量结果进行 基准网的校正和平差，得到每个站点的精确位置，最后进行 组网观测。其中涉及的关键技术包括卫星与声学联合定位技 术、海陆控制网数据的联合处理、多源数据处理与融合、时 空基准维护及更新等。二、海洋导航定位及授时方法综述海洋时空基准网可为水面和水体中的人造设备提供时 空位置信息，进行三维定位导航。目前海洋环境中的导航

10、方 式主要包括5种：自感应传感器导航、地图匹配导航、多航 行器协作导航、卫星定位导航以及水声定位导航。自感应传 感器导航的原理是航迹推算，不仅需要绝对初始位置，且误 差累计会随时间迅速增大；地图匹配导航基于高精度地形、 磁力或重力图进行，为了使结果融入统一的时空框架，也需 为初始地图赋予绝对的时空信息；多航行器协作导航仅能提 供相对导航结果，需辅以时空基准才能获得绝对位置；电磁 波在海水中穿透能力有限，卫星导航定位仅能为海面设备导 航定位。不同于电磁波，声信号可在海水中长距离传播，故 水声定位导航得到广泛应用，成为海洋时空基准网立体定位 导航的主要方式。水声定位导航技术利用声脉冲对水面以及水体

11、中的人 造设备进行定位，服务于人类的海洋活动及研究，是海洋时 空基准网的重要技术组成部分。其基本原理是测量不同路径 传播的声脉冲之间的时间差或相位差，反演目标位置。根据 基线长短可将水声定位技术分为长基线(long baseline, LBL)、短基线(short baseline， SBL)、超短基线(ultra short baseline， USBL)定位技术，对应的定位系统分别称为长基线定位系统、 短基线定位系统和超短基线定位系统。长基线水声定位系统将时空基准布设在海底，基准间距 为几公里到几十公里的量级，测量目标声源到各基准的距 离，确定目标位置。短基线水声定位系统将时空基准布设于

12、海面平台的底部，基准间距一般为几米到几十米，利用目标 的声信号到达海面平台各基准的时间差，解算目标的方位和 距离。超短基线定位系统将一个声学换能器和数个水听器集 成为船载的基阵，以基阵的中心为参考点，形成一个时空基 准，水听器间距一般为几个厘米到几十厘米，利用声信号到 达各水听器的相位差确定目标的方位与距离。为充分发挥上 述定位系统的优势，达到取长补短的效果，组合式水声定位 系统应运而生，既包括海底基准，也包括船载基准，以提高 定位精度，拓展应用范围。近年来，又发展了网状长基线定 位系统(Net-LBL )，利用测船、浮标以及无人船等设备搭建 临时的海面长基线时空基准，以廉价的声学调制解调器代

13、替 专门的声学换能器，基于卫星动态定位结果进行水下人造设 备的导航定位。以上5种水声定位系统既可采用同步信标工作方式，也 可选用应答器工作方式。同步信标工作方式要求在基准站和 待测目标上均安装高精度的时钟同步系统，信标定时发射信 号，获取信号单程传播时间，确定目标位置。对于应答器工 作方式，长基线定位系统要求在待测目标上安装询问收发 机，基准站上安装应答收发机，而短基线和超短基线定位系 统的要求正好相反。在应答工作时，它们测量询问信号与应 答信号的总传播时间，反演空间距离，确定目标位置。为削弱水下声学定位的空间相关性误差，海洋大地测量 领域的学者提出规划航迹、声学差分以及压力传感器约束等 技术

14、手段。规划测船航迹可充分发挥观测值的冗余性和几何 对称性，使声速等系统误差可在解算中相互抵消，以提高海 底基准站的定位精度。声学差分技术以单差或双差模式削弱 信号传播时间上系统误差的影响，但该方法垂直定位结果不 稳定。针对海底基准站垂直定位结果容易发散的情况，利用 压力传感器反演的高精度水深值约束解算过程，可提升海底 基准站定位精度。作为分布式系统，时间同步是海洋时空基准网的一个关 键问题。由于分布式系统内的晶体振荡器并不完全相同，各 节点的本地时钟之间存在差异，故对于网络中发生的同一事 件和用于协同网络的消息，不同节点间必然存在时间观测偏 差。为使分布式系统正常运转，必须对各节点的时钟进行时

15、 间同步，将本地时钟校正到标准时钟上，进而在系统中确定 一个统一的全局时间。与采用电磁波通信的地基时空基准网不同，海洋时空基 准网采用声波信号进行通信，该通信方式具有传播速度慢、 延迟大且时变；信号链路距离长；信道带宽小；信号衰减严 重；发射能耗高；包含移动节点；误码率高；多路径效应严 重等特点。这些特点使成熟的陆地时空基准网时间同步算法 无法直接应用于水下环境。目前针对海洋时空基准网的授时 问题尚无精确的解决方案。有学者提出以浮标为中继，采用 北斗/GNSS时作为基准定时源，利用水下原子钟和海底光电 缆等对仪器设备进行授时，该方法为水下时间同步问题提供了新思路。基于水声定位技术可测得目标的三

16、维位置，但由于水下 误差改正技术的限制，其定位精度不能满足海底板块及水体 动态变化等研究的需求。对此，海洋大地测量学家将水声立 体定位拆为水平定位和垂直定位两部分，并通过技术改进或 设备研发的方式将定位精度从分米级提升到厘米级甚至毫 米级。其中，水平定位围绕声学测距技术进行，垂直定位围 绕以压力计为代表的设备展开。三、海洋高精度水平定位方法综述水声定位技术虽然能以很高的精度测量声波的时延，但 声速误差极大地限制了定位精度。声波在海水中的传播遵循 Snell定律，声速主要在垂直方向发生变化，属于深度相关的函数，呈现为分层模型。大地测量学家提出，通过改进测量 策略和解算方法，水声定位技术可获得高精

17、度水平定位结 果，以满足海底板块监测等地球科学的需求。海洋时空基准网高精度水平定位方法可分为直接测距 法、间接测距法和 GNSS/声学测量法。直接测距法在海底布 设时空基准站，连续监测它们的相对距离。由于海底声速呈 现负梯度变化，声线向海面弯曲，为避免声线触底，基准站 间距每增加1km，基站的架设需提高约 3m。由于基站架设 不易过高，以保证基准的稳定，故基准站间距一般设置为 1km左右。2012年，日本东北大学的 Osada等于900m基线上获 得1.5cm精度的水平测距结果。2013年，伍兹霍尔海洋研究 所McGuire等用直接测距法于 1km的基线上获得1mm精度 的测量结果。2016年

18、，法国、德国和土耳其的学者在北安纳 托利亚断层伊斯坦布尔-西利夫里段布设了 10个基准站，基 于直接测距法算得此段断层年位移量为1.52.5mm,处于闭锁状态。间接测距法的思想由美国Scripps海洋研究所（SIO）的Spiess于1985年提出。2005年，SIO的Sweeney等将该思 想精细化、具体化后，提出目前的间接测距法，并在胡安德 富卡板块的北部区域进行了实施。该方法在海底布设3个高精度应答器作为时空基准，相互间隔约 5km，由船拖曳换能 器从应答器阵上方约 300m处经过，进行声学测量。试验结 果表明，该方法能以12cm的精度测量5km左右的海底基 线。2010年，SIO的Blu

19、m等于加利福尼亚的圣巴巴拉海盆 利用间接测距的思想进行了海底坡面稳定性的评估。应答器 基准阵列中的1个应答器悬浮于离海底 510m处，间接测 量跨越倾斜粗糙海底的基线，试验以2.5cm的精度测量了长约1km的斜坡基线。直接测距法和间接测距法都只适合于小区域的海底水 平定位，针对较大的区域需用到 GNSS/声学定位技术。GNSS/ 声学定位技术组合水面卫星定位技术和水下声学定位技术，确定海底基准站的水平位置，该思路由美国SIO的Spiess于1985年提出，并于19941996年在胡安德富卡板块边缘首 次实施。该定位技术将数个应答器布放于海底一个半径为平 均水深的圆上，在科考船底部安装声学换能器

20、，并分别于船 的主桅杆以及船尾左右舷处 12m高的金属架顶端安装 GNSS 接收机天线。利用光学设备测量 GNSS天线与换能器间的相对位置， 实现毫米级精度位置传递。作业期间利用动力控位技术将科 考船控制在海底应答器基准阵列的中心轴线附近，完成对应 答器阵列中心虚拟基准站厘米级的定位，所需测量时间与海 况、海水的性质、水深以及应答器类型等相关，一般需24h以上。目前美国在胡安德富卡板块内布设了或计划布设大量 此种类型的基准站。SIO的GNSS/声学定位技术提出后，日本海上保卫厅的 海洋水文部（JHOD）于1995年开始进行研究，而后东京大学、 东北大学、名古屋大学、京都大学及工业科学研究所等众

21、多 日本科研机构也纷纷开展了相关研究，取得了一系列很好的 成果。经过20多年的大力发展，目前日本已经成为GNSS/声学定位技术的主要实施国。2000年，JHOD在日本南海海槽的熊野盆地进行了日本的第一次GNSS/声学定位试验。不同于SIO的GNSS/声学定位技术，该试验将GNSS天线、姿 态传感器以及换能器集成到一个杆子上，固定于科考船尾部，即杆系系统。作业期间，科考船在应答器阵列上方自由 漂游，以避免螺旋桨对声学测量的影响及航行时的额外水压 导致观测杆变形的情况，但该工作模式的航迹不可控，效率 低下，且观测过程需人工不断调整设备。2006年，Fujita等引入线性反演法并估计声速剖面的时间变

22、化，使该技术水平 测量结果的可重复度达到 cm级。2008年3月，JHOD将其GNSS/声学定位技术的海面部 分由杆系系统改为类似于 SIO的船固系统，如图12(b)所示。 新系统的GNSS天线、姿态传感器及换能器分别固定于船体 中央部位，使科考船可在不干扰 GNSS/声学定位系统的条件 下按预定轨迹航行，极大地提高了观测数据的几何结构。美 国SIO的GNSS/声学定位技术将科考船控制在应答器阵列的 中心轴线附近，可获得高精度水平定位结果；而日本 JHOD 的GNSS/声学定位技术控制科考船沿预定轨迹航行，不仅能进行水平位置测量， 理论上还可进行垂直位置的测量。图13为日本GNSS/声学定位测

23、量时科考船的航迹图，试验结果表明，通过1624h的测量，海底基准站的水平定位精度可达 2cm。20062011年，Yokota等基于新旧两种技术手段检测 了日本海沟的6个海底基准站，结果说明不同地方的板块耦 合率不同。基于新技术，2015年，Watanabe等成功测量了菲 律宾海板块外模相海槽处非火山区域的俯冲速度。GNSS/声学基准站为海底应答器阵列，由3个、4个或者6个应答器组成，布设尺寸随深度的增加而变大，且假定 测站内应答器的位置相对固定。2011年日本东北大地震后，日本政府加大了深海海沟附近大地测量的力度，于2012年沿日本海沟新布设了 86个海底应答器，共20个GNSS/声学 基准

24、站，大部分位于水深 5000m处，分布如图14所示；沿 日本南海海槽也增加了 8个GNSS/声学基准站，总数目达到 15个，分布如图15所示。2012年开始，日本东北大学的研 究团队对日本海沟的GNSS/声学基准站进行了共计5次测量，由于时间跨度仅有 1.5a，参数估计误差为10cm左右（大 于大部分基准站的大地形变量 ），只有少部分基准站明显地探 测到了与地震相关的位移。2016年，JHOD学者分析南海海槽15个GNSS/声学基准站的数据，更新了该地区的滑动亏 损速率模型。四、海洋高精度垂直定位方法综述海洋中水深每增加10m，压强约增加1个大气压，故常 将压力计测量值换算为水深值，作为待测点的高程信息。目 前主流的压力计在海面和海底均可测得毫米级精度的高程 形变信息，所以可用压力计在海底建立固定的垂直基准，即 海底压力记录仪法（BPRs）。2014年，日本的 Takahashi等设 计了基于该方法的监测系统，能以优于5mm的分辨率测得海啸和海底板块土 8m内的垂直变化。2016年，意大利的lannaccone等在意大利北部海域基于该方法进行了海底垂直 位移的监测，试验中布放了4个浮标系统，它们各自连接一个海底压力计垂直基准