《海洋测绘技术》课件全套 史合印 第1-8章 海洋测绘概述 -海域测绘

海洋测绘技术是高职工程测量专业的一门专业课程，是海洋测绘技术能力培养的专业课，本课程引入《海道测量规范》、《海洋工程地形测量规范》、《宗海图编绘技术规程》、《海洋调查规范》（海洋水文观测）、《海岸带地形图编绘规范》、《海底地形图编绘技规范》等技术规范（程），本课程主要是让学生学习海洋测绘的内容、水文要素概念、深度基准、回声测深原理等基本知识，掌握水深测量的测线布设、测深仪（多波束）安装、数据处理，深度基准归算、海图编绘等技能说课本课程的架构：1、海洋测绘概述2、海上测绘技术3、海洋水文要素观测4、水深测量5、海图编绘6、海底地貌测量7、海洋工程测量8、海籍测绘说课第一章海洋测绘概述海洋与海洋测绘海洋海洋概述世界海洋新格局中国近海概况我国海洋开发的历史及现代海洋开发的现状

海洋测绘涵义、地位及作用特点及精度要求海洋测量与其它学科的关系海洋测绘任务、内容及技术要求海洋测量的发展及现状二十一世纪建设海洋强国的内涵及其对测绘保障的需求

海洋是地球表面包围大陆和岛屿的广大连续的含盐水域。由作为海洋主体的海水水体、溶解和悬浮其中的物质、生活于其中的海洋生物、邻近海面上空的大气、围绕海洋周缘的海岸和海底等部分组成的统一体。但通常人们所称的海洋，仅是指作为海洋主体的广大连续水体。海洋的中心部分称为“洋”，边缘部分称为“海”。1.1海洋

海洋面积占地球总面积的71%，海洋是人类的生命摇篮、现代社会的交通要道，也是地球上的资源宝库。地球表面海陆分布极不平衡：地球表面总面积=5×108km2

海洋面积=3.61×108km2

比例=70.8%

陆地面积=1.49×108km2

比例=29.2%

海陆面积之比=2.5：1南北半球海洋和陆地占全球面积的比例见下表。海洋比例%陆地比例%北半球60.7（42.1）39.3（66.1）南半球80.9（57.9）19.1（33.9）1）括号内数字为南、北半球的海洋和陆地分别占其总面积的比例

2）无论如何划分地球，任一半球海洋比例均大于陆地比例

3）海洋是相通的，而陆地则是相互分离的地球上的海陆分布海洋的分布特征海洋面积是陆地面积的2.5倍；海水体积是地球体积的1/800；海洋平均深度是地球半径的1/1600；北半球海洋面积占60.7%，南半球占80.9%；北半球45-70°N之间，陆地面积大于海洋面积；南半球只有80°S以南为大陆，其余绝大部分为洋；北半球以北冰洋位为中心，大陆环形分布，南半球以南极洲为中心，海洋环形展布。海洋的中心部分称为“洋”边缘部分称为“海”。海洋中心主体叫洋，边缘附属部分称海海洋海洋海的面积小得多，只占海洋总面积的11%；海的水深平均较浅，平均水深一般小于3000米，有的甚至只有几十米深海受大洋流系和潮汐的支配；海与陆地接边，受大陆影响大，海洋要素随季节变化大，海水透明度较差。海底地壳为陆壳性质；大洋的面积大；约占海洋总面积的89％，大洋深度大，平均水深一般都在3000米以上，大洋有独立的洋流和潮汐系统，大洋离陆地较远，受陆地影响小，水温、盐度等要素比较稳定，海水的透明度大；洋底地壳为洋壳性质；海的分类海边缘海：一边以大陆为界，一边以岛屿、半岛为界与大洋分开。陆间海：界于大陆之间，有海峡与外海或大洋相连。内陆海：深入大陆内部的海，海洋状况受大陆影响。边缘海陆间海与内陆海全球四大洋太平洋大西洋印度洋北冰洋四大洋及其分布四大洋的分布图与海洋相关的概念海湾海湾是指洋或海延伸进入大陆部分的水域。其深度逐渐减小。海湾中海水的性质与其相近的洋或海中水的状况相似。由于海湾不断变窄、变浅，因此容易发生最大的潮汐。海峡海峡是指海洋中相邻海区之间宽度较窄的水道。海峡地区海洋状况的最大特点是潮流速度很大。海峡有深有浅、有宽有窄，它们是连接洋与洋、洋与海、海与海的咽喉。

海岸:是陆地与海洋相互作用、相互交界的地带。海岸可分为海、陆之间现今正在相互作用着的现代海岸，和过去曾经相互作用过的古代海岸两种。海岸，海岸带，海岸线海岸带海陆交互的地带，其外界应在15—20米等深浅一带，这里既是波浪、潮流对海底作用有明显影响的范围，也是人们活动频繁的区域。海岸带的内界，海岸部分为特大潮汐（包括风暴潮）影响的范围。河口部分则为盐水入侵的上界。海岸线：近似于平均大潮、高潮的痕迹所形成的水陆分界线。海岸线可根据海岸植物的边线、土壤、植物的颜色、湿度、硬度以及流木、水草、贝壳等冲积物来确定。在地图上，人们为了明显起见，把海洋和陆地用一条界线截然分开，并亦把这条海水和陆地相交的界线称之为“海岸线”。

海洋概貌海底两个主要组成部分图大陆与大洋连接的边缘地带。大陆周围被海水淹没的浅水地带，是大陆向海洋底的自然延伸。陆架外缘陡倾的全球性巨大斜坡，其下限为坡度突然变小的地方从大陆坡下界向大洋底缓慢倾斜的地带。海洋地形通常分为海岸带、大陆边缘和大洋底三个部分。

海岸带海岸：海滩：水下岸坡：高潮线以上狭窄的陆上地带，大部分时间里裸露于海水面之上，仅在特大风暴潮时才被淹没，故又称为潮上带。高低潮之间的地带，高潮时被水淹没，低潮时露出水面，故又称为潮间带。低潮线以下直到波浪作用所能到达的海底部分，又称为潮下带。大陆边缘是大陆与大洋连接的边缘地带也是是大陆与大洋之间的过渡带，通常由大陆架、大陆坡、大陆隆及海沟等组成。大陆边缘海沟深度通常大于6000米，多数海沟分布在太平洋四周海沟：大陆边缘底部狭长的海底陷落带。大洋底是大陆边缘之间的大洋全部部分，由大洋中脊和大洋盆地构成。大洋底大洋中脊大洋中脊：是贯穿世界四大洋、成因相同、特征相似的巨大海底山脉系列。大洋盆地：大洋中脊和大陆边缘之间的宽广洋底。海洋资源以及与人类生存和发展的关系海水是一种密度比空气大得多，且有较大热容量、流动性和反射率很低的物质、因此地球上的海洋，实际上起到了巨大的太阳能“吸收器”、“分配器”和地理外壳的“调节器”的作用。海洋中储存了丰富的海洋能、矿物资源和生物资源。比高出海平面的陆地的体积大14倍的海水，它控制着自然界的水循环，对地球上的生态环境产生绝对的影响。

海洋潮汐发电

海潮的涨落、潮流和由风引起的波浪中都蕴藏着巨大的能量。海洋能指海水中包含的矿物资源、海底表面沉积的矿物资源和海底各种地质构造中埋藏的矿物资源的总称。海洋矿物资源海底石油的储藏量可能和陆上石油的储藏量相等，且近年来在增加。除石油之外，值得注意的是在大洋底广泛蕴藏着锰结核矿，其埋藏量大于陆上的埋藏量若干数量级，况且其埋藏量还逐年在增长。元素名埋藏量（吨）与陆地埋藏量之（倍）结核生长量（吨/年）Mn358

101240001.3

104Fe207

101241.4

104Co5.2

101250000.36

104Ni14.7

101215000.102

104Cu7.9

10121500.105

104海底锰结核矿蕴藏量

海洋生物资源海洋中有大量的鱼类和海藻类植物可供人类食用，而水产生物资源的一大特点是即使进行高效率的捕获，也不致于导致资源的枯竭，因为鱼种是一种自新生的资源。海藻类植物的繁殖速度也是相当快的，它们也可以为人类提供数量可观的食品。综上所述，海洋的存在对人类的生存产生着巨大的影响，尤其是随着世界人口不断的增长，陆上资源日渐枯竭，因此人类必须到大陆以外寻求新的资源来源。

世界海洋新格局随着人类文明、科学技术的发展，人们逐渐认识到在海洋中储藏着无数的海洋生物资源、海洋矿产资源和海洋中可被利用的各种能源。一些沿海国家纷纷提出扩大领海范围的要求。即使—些内陆国家也提出了海洋资源的共有问题，鉴于上述情况，有关海洋法的制订工作，就成为当今世界上一项严重的政治任务。自第二次世界大战以来，经历了将近30年的时间，终于在1982年11月由联合国组织有关国家和组织，起草的《海洋法公约》已在牙买加蒙得哥湾开放签字，自此，世界海洋的新格局已经形成。内海：亦称内水，指领海基线以内的水域。领海：为沿海国的主权及于其陆地领土及其内水以外邻接的一带海域，在群岛国情形下则及于群岛水域以外邻接的一带海域。毗连区：为一种毗连国家领海并在领海外一定宽度的、供沿海国行使关于海关、财政、卫生和移民等方面管制权的一个特定区域。大陆专属经济区：为领海以外并邻接领海，介于领海与公海之间，具有特定法律制度的国家管辖水域。公海：指沿海国内水、领海、专属经济区和群岛国的群岛水域以外不受任何国家主权管辖和支配的全部海域。国际海底区域：国家管辖海域范围以外的海底、洋底及其底土。大陆架：指沿海国陆地向海的自然延伸部分，又称陆架、陆棚、大陆棚。我国海洋开发的现状在世界航运界，不单有万吨级的远洋海轮，现在已发展到具有几十万吨甚至上百万吨级的超级远洋海轮。深潜的潜艇研制成功并投入使用。深水钻探的能力和提取海底石油的能力在迅速的提高。已有精确定位的技术。海底电视、水下相机、多波束技术和高精度测深侧扫声纳技术的发展和应用这些新技术，极大的促进了我国海洋勘测和调查事业的发展。谢谢！

一切海洋活动，无论是经济、军事或科学研究，像海上交通、海洋地质调查和资源开发、海洋工程建设、海洋疆界勘定、海洋环境保护、海底地壳和板块运动研究等，都需要海洋测绘提供不同种类的海洋地理信息要素、数据和基础图件。因此，可以说，海洋测绘在人类开发和利用海洋活动中扮演着“先头兵”的角色，是一项基础而非常重要的工作。1．2

海洋测绘海洋测绘是海洋测量和海图绘制的总称，其任务是对海洋及其邻近陆地和江河湖泊进行测量和调查，获取海洋基础地理信息，编制各种涉海工程图、海图和航海资料，为航海、国防建设、海洋开发和海洋研究服务。海洋大地测量、水深测量海洋工程测量海底地形测量障碍物探测水文要素调查海洋重力测量海洋磁力测量海域使用测量海洋专题测量和海区资料调查各种海图、海图集、海洋资料的编制和出版，海洋地理信息的分析、处理及应用。海洋测绘的主要内容有：海洋测绘的现状水深测量(单波束，模拟记录，人工量取，手工定位，人工绘图—数字式测深，自动导航定位，数据采集，内外业处理一体）。多波束，侧扫声纳，浅地层剖面仪。定位(双曲线，光学，人工—卫星定位，GPS，GLONASS，双星，GALLIO）。海岸地形测量(平板测量，平板+全站仪，RTK/DGPS，航空摄影方法）。重力测量、控制测量1.实现了从模拟测绘到数字化自动化测量作业模式的根本变化海洋测绘的现状

2.水深测量方式实现了由点到面的飞跃

回声测深（20世纪30年代，测杆测锤—50年代，回声测深仪—90年代，多波束测深系统）。遥感测深（SAR，可见光）

机载激光测深（1968年美国，1976年加拿大，1980年瑞典，1972年澳大利亚，1996年华中科技大学，2002年上海光机所）。海洋测绘的现状3.从单一要素测量发展到综合性测量,测量要素越来越多样化

20世纪70年代以前(测深)。

80年代以后(水深、重力、侧扫声纳)。近年来（双频测深仪，淤泥质海港适航航道）目前(中远海测量船，综合调查船，水深、重力、磁力、侧扫声纳、浅地层剖面仪、水文气象设备)。传统（船载，速度慢、效率低、耗费大）。80年代以后（航空摄影测量，机载激光测深；卫星遥感测图、海洋遥感、气象遥感、卫星测高，）。目前（船载测量，卫星遥感，航空摄影测量，机载激光测量）。海洋测绘的现状建国以来，尤其是80年代以后，成绩斐然，理论成果与应用研究成果大量出现。专著日多，论文俱增。主要体现有：水位改正方法、声速改正方法、基准面建立与传递、异常数据定位与剔除、重力场研究、多波束数据处理、侧扫声纳数据处理、等等。海洋测绘的现状4.基础理论与应用研究迅速发展综合测量船的出现—实时、规范。水深测量、GPS验潮。海洋重力测量实时处理系统。海洋磁力测量。海岸地形测量海洋测绘的现状5.信息获取趋向实时化、规范化

数字重力模型分为格网模型、球谐模型、质点模型。

20世纪90年代初，沿海与太平洋西北部5′ⅹ5′

格网。目前全球海洋2′ⅹ2′格网。球谐模型：20、22、50、180、360、720、1440、1880。质点模型：虚拟分布于Bjerhammar球上的扰动质点类等效地代替地球的实际异常场源。海洋测绘的现状6.海洋重力场数字型信息产品趋于多样化7.测量设备向智能化、数字化方向发展，测量搭载平台向多功能、大型化、综合型发展。海洋测绘的现状

数字式深海智能化测深仪、验潮仪、声速仪、中远海测量船，海洋综合调查船。

8海图生产完成了由手工绘制向机助制图的转化传统的海图制图完全由手工作业完成，随着机助制图技术的不断完善，已在很大程度上提高了机械化的水平。目前，扫瞄技术、模式识别技术和栅/矢变换的一系列先进技术进一步推动了海图生产的自动化步伐。

海洋测绘的现状

9海洋测绘数据库已经建成海洋测绘第一期数据库经过多年的建设已经完成。共建成1：15万到1：100万比例尺海图数据库7个，此外还有航海通告数据库、航标数据库、海域地名数据库、控制点数据库等。发行500多套数字海图。目前，海洋测绘数据库第二期工程已经开展，主要是应用国际S-57格式，对一期数据库进行更新完善，建立专题数据库。海洋测绘的现状海洋测绘的特点（1）海洋测量中三维坐标（X、Y、H）须同步测定，即平面位置和深度同步测定（2）海洋测量中作业距离较大，海洋无线电测距一般必须采用低频电磁波，水下测量采用声波作为信号源（3）海洋测深受潮汐、海流和温度的影响，必须考虑这些因素对测量结果的改正（4）海洋测量在不断运动着的海水面上进行，具有动态性，必须考虑四维性（5）海洋测量无法进行重复观测，为了提高测量精度，必须采用多套不同的仪器系统进行测量，从而产生同步多余性（6）采用的垂直基准不同（7）海洋测量观测条件比较复杂，观测精度相对较低海洋测绘与其他学科的关系科学性任务一是为研究地球形状提供更多的数据资料。二是为研究海底地质的构造运动提供必要的资料。三是为海洋环境研究工作提供测绘保障。1海洋测绘的任务和分类2、实用性任务关于海洋测量的实用性任务，主要指的是对各种不同的海洋开发工程，提供它们所需要的海洋测量服务工作。主要包括：海洋自然资源的勘探和离岸工程；航运、救援与航道；近岸工程；渔业捕捞；其它海底工程。海洋测绘的任务和分类海洋测绘任务科学性任务实用性任务海洋磁力测量海洋重力测量海水面测定海洋控制测量海洋定位测量海洋测深海底地形勘测海洋制图研究地球形状研究海底地质构造运动海洋环境研究的测绘保障海上划界其他海底工程渔业捕捞近岸工程航运救援航道自然资源勘探和离岸工程物理海洋测量几何海洋测量海洋测绘的任务和分类根据不同的工作内容，可将海洋测量分成如下8种：海洋重力测量；海洋磁力测量；大地控制与海底控制测量；定位；测深；海底地形勘测和制图等。海洋测绘的任务和分类海洋重力测量海洋重力测量的目的在于研究地球的形状和内部构造、勘测海洋矿产资源和保证远程导弹发射提供海洋重力数据。海洋重力测量可分为：海底重力测量；航海重力测量；卫星重力测量。（1）海洋重力测量重力测量即在海上测量重力加速度的工作。海洋重力测量的目的在于研究地球的形状和内部构造、勘测海洋矿产资源和保证远程导弹发射提供海洋重力数据。海洋测绘的任务和分类（2）海洋磁力测量海洋磁力测量是测定海上地磁要素的工作，是研究地球物理现象、海洋资源勘探以及海底宏观地质构造的有力手段之一。。海底磁力测量的主要目的在于寻找与石油、天然气有关的地质构造和研究海底的大地构造。海水面的测定海水面的测定包括海面形态的测定和平均海水面的确定。前者对海洋测量和海洋科学的研究有着重要意义，而后者却对大地测量有着重要的意义。大地控制和海底控制测量大地控制测量与以往所用的理论和原理相同，而海底控制点的布设一般使用3个或4个一组的应答器通过声学测距的办法来建立海底控制。定位精确地确定海洋表面，海水中和海底各种标志的位置称为海洋定位。在海洋中对航行中的船舶的定位主要采用GPS卫星定位的方法。测深在船体上进行海底地形测量，主要问题是如何测出水体的深度。目前根据海水的物理特性，一般采用以船上发射声波，使其传递到海底再反射回来，在船上接收，以获得测量成果。海底地形地貌及地质测量海底地形测量是测量海底起伏形态和地物的工作。特点是测量内容多，精度要求高，显示海底地物、地貌详细。海底地质探测是对海底表面及浅层沉积物性质进行的测量。海底地形测量及地貌、底质探测海底地形测量是测量海底欺负形态和地物的工作，是陆地地形测量在海域的延伸。海底地质探测是对海底表面及浅层沉积物性质进行的测量海图编制海图是以海洋及其毗邻的陆地为描绘对象的地图，其描绘对象的主体是海洋，海图的主要要素为海岸、海底地貌、航行障碍物、助航标志、水文及各种界线。海洋地理信息系统（MGIS）MGIS的研究对象包括海底、水体、海表面及大气及沿海人类活动5个层面。一般GIS处理分析的对象大都是空间状态或有限时刻的空间状态的比较；MGIS则主要强调对时空过程的分析和处理，这是MGIS区别于一般GIS的最大特点。1.海洋强国的内涵及意义21世纪是海洋世纪，把我国建设称为世界级的海洋强国是新世纪我国海洋中长期发展规划的总目标，是时代赋予我们的历史使命。21世纪建设海洋强国的内涵及其对测绘保障的需要2.海洋强国战略的主要任务

海洋强国战略的主要任务可概括为发展海洋经济，全面建设小康社会和建立强大的国防、保卫海疆和维护国家海洋权益。海洋强国的战略任务包括：海洋经济区域建设、发展海洋产业和海洋技术研究、加强海上力量建设、维护国家海洋权益和利益等。21世纪建设海洋强国的内涵及其对测绘保障的需要3.海洋强国战略的测绘保障测绘范围——根据海洋强国战略的要求，测绘范围必须由近岸向公海延伸，覆盖中国近海全部海域。——其中包括中国内海、领海、专属经济区和大陆架，以及公海的特定海域。测量技术方法——为满足海洋强国战略的客观要求，必须GPS、RS、LIDAR（机载激光测深）、MES（舰载多波束）、GIS为一体动态探测集成技术以及仿生技术。全球卫星定位技术、遥感技术、机载激光测深技术、船载多波束技术、地理信息系统，均为跨世纪先进技术，具有准确、快速、直观、经济等特点。谢谢！概述GNSS简介GPS绝对定位GPS静态相对定位局域差分GPS（LDGPS）定位广域差分GPS（WADGPS）定位本

节

内

容第二章海上测量定位技术2.1概述

海洋定位测量是海洋测量的一个重要分支。在海洋测量工程中无论测量某一几何量或物理量，如水深、重力、磁力等，都必须固定在某一种坐标系统相应的格网中。海洋定位是海洋测绘和海洋工程的基础。海洋定位手段：天文定位光学定位陆基无线电定位空基无线电定位水声定位天文定位

天文定位是一套独立的定位系统，借助于天文观测，确定海洋上船只的航向以及经纬度，从而实现导航和定位。通常采用的方法有：

①观测太阳法确定船只经纬度②观测等高距恒星法确定天文经纬度③观测北极星定向法

光学定位光学定位只能用于沿岸和港口测量，一般使用光学经纬仪进行前方交会，求出船位，也可使用六分仪在船上进行后方交会测量。随着电子经纬仪和高精度红外激光测距仪的发展，全站仪按方位—距离极坐标法可为近岸动态目标实现快速跟踪定位。由于其自动化程度高，使用方便、灵活，在当前沿岸、港口、水上测量中的使用日益增多。

陆基无线电定位陆基无线电定位即传统意义上的无线电定位。无线电定位通过在岸上控制点处安置无线电收发机（岸台），在载体上设置无线电收发、测距、控制、显示单元，测量无线电波在船台和岸台间的传播时间或相位差，利用电波的传播速度，求得船台至岸台的距离或船台至两岸台的距离差，进而计算船位，无线电定位多采用圆—圆定位或双曲线定位方式。按作用距离分为：①远程定位系统，作用距离>1000公里②中程定位系统，作用距离<1000公里③近程定位系统，作用距离<300公里空基无线电定位空基无线电定位即卫星定位，为目前海上定位的主要手段，如全球定位系统GPS、我国的北斗双星定位系统以及欧洲和我国目前合作开发的伽利略定位系统。

声学定位水下声学技术可以解决海洋测量许多问题，如水深测量，观测海面波浪和海流，探测水下地形地貌，海底底质和浅层地质结构，也可用于导航定位和水下通讯等。用水下声标作为海底控制点，精确联测其坐标，可直接为船泊、潜艇及各种海洋工程导航、定位。

以上各种定位系统都有各自的局限性，把几种定位系统组合起来，能达到取长补短，减小外界影响，提高定位精度的目的。再采用卡尔曼滤波数据处理方法，使得组合导航系统无论在定位精度、可靠性、连续性和实时性等方面都远比单一系统更有优越性。

一、工作原理及系统组成工作原理卫星定位系统是利用在空间飞行的卫星不断向地面广播发送某种频率并加载了某些特殊定位信息的无线电信号来实现定位测量的定位系统。系统组成空间运行的卫星：发送某种时间信号、测距信号和卫星的瞬时坐标位置信号。地面控制部分：精确测定卫星的轨道坐标、时钟差异，确定系统运行状态，并向卫星注入新的卫星轨道坐标，进行必要的卫星轨道纠正等。用户部分：接收卫星广播发送的多种信号并进行处理计算确定用户的最终位置。2.2卫星导航定位系统

二、全球卫星定位系统定义具有全球导航定位能力的卫星定位导航系统称为全球卫星导航系统，英文全称为GlobalNavigationSatelliteSystem，简称为GNSS。

实际系统美国的全球卫星定位系统（GPS）俄罗斯的全球卫星导航系统GLONASS因经济问题，星座中卫星缺失太多，暂时不能连续实时定位。正在发展研究的有欧盟的GALILEO系统中国北斗卫星导航广域增强系统实现中国及其周边海域的区域定位导航系统。2.2卫星导航定位系统

二、全球卫星定位系统1、GPS全球定位系统拥有者美国发展简史全球卫星定位系统（GPS）计划自1973年起步，1978年首次发射卫星，1994年完成24颗中高度圆轨道（MEO）卫星组网，共历时16年、耗资120亿美元。至今，已先后发展了三代卫星。系统组成空间部分控制部分用户部分

2.2卫星导航定位系统

二、全球卫星定位系统1、GPS全球定位系统

工作原理由于卫星的位置精确可知，在GPS观测中，我们可得到卫星到接收机的距离，利用三维坐标中的距离公式，利用3颗卫星，就可以组成3个方程式，解出观测点的位置(X,Y,Z)。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差，实际上有4个未知数，X、Y、Z和钟差，因而需要引入第4颗卫星，形成4个方程式进行求解，从而得到观测点的经纬度和高程。事实上，接收机往往可以锁住4颗以上的卫星，这时，接收机可按卫星的星座分布分成若干组，每组4颗，然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位，从而提高精度。2.2卫星导航定位系统

二、全球卫星定位系统1、GPS全球定位系统

应用2.2卫星导航定位系统1991年海湾战争期间开始显露出的巨大战术价值也令其他国家感到吃惊美军在伊拉克战场上所使用的GPS12

二、全球卫星定位系统1、GPS全球定位系统

应用2.2卫星导航定位系统

二、全球卫星定位系统2、GLONASS全球定位系统拥有者俄罗斯发展简史由前苏联从80年代初开始建设的与美国GPS系统相类似的卫星定位系统，现在由俄罗斯空间局管理。GLONASS的整体结构类似于GPS系统，其主要不同之处在于星座设计和信号载波频率和卫星识别方法的设计不同。

系统组成卫星星座地面监测控制站用户设备2.2卫星导航定位系统用于发射“格洛纳斯”系统卫星的俄“质子”火箭被运往发射点

二、全球卫星定位系统2、GLONASS全球定位系统该系统由24颗卫星组成，首颗卫星于1984年发射，苏联解体后曾一度处于停顿状态。直至1998年，俄再度开始对“格洛纳斯”进行更新升级。定位精度最高将可以达到1米，能让现役武器在不用花大价钱的情况下把威力提高一个等级。最让美方担心的是，“格洛纳斯”能提高战略导弹的打击精度。在导弹飞行过程中，“格洛纳斯”系统可不间断地进行路线精确测算和数据修正，将导弹的命中误差大大缩小。俄罗斯军事专家亚历山大·戈尔茨因此把“格洛纳斯”系统称为“除核武器之外，前苏联留给俄罗斯最珍贵的遗产”。2.2卫星导航定位系统

二、全球卫星定位系统2、GLONASS全球定位系统2.2卫星导航定位系统在俄罗斯首都莫斯科，俄总理普京的爱犬“科尼”被佩戴上装有全球卫星导航装置的项圈。

二、全球卫星定位系统2、GLONASS全球定位系统2.2卫星导航定位系统GLONASS既可以提供独立的导航服务，又可与GPS结合。将GLONASS组合到GPS中构成GNSS，主要有三方面的优势：

有效性

GPS需要捕获至少4颗卫星才能提供纬度、经度和高度定位数据。但如果在靠近高山、建筑物、树木和其它遮挡物时，GPS可见星的数目可能低于4颗或者3颗甚至更少，导致GPS接收机不能给出用户位置。将GLONASS与GPS组合，则有48颗卫星提供给用户，从而大大提高导航系统的有效性。

完整性完整性即导航系统在定位数据出错时给用户提供报警信息。更高的要求是能够隔离故障，提供修正后的定位结果。普通的完整性算法要求可见性数目至少为5颗，如若需要隔离故障则需要6颗以上的可见星。在GNSS中，用户能得到比单独GPS高出一倍的概率来实现完整性算法。

精度GNSS的定位精度比单独的GPS高出5~10倍。

二、全球卫星定位系统3、伽利略（GALILEO）全球定位系统拥有者欧盟发展简史GALILEO系统是欧洲自主的、独立的全球多模式卫星定位导航系统，提供高精度、高可靠性的定位服务，同时它实现完全非军方控制、管理，计划将于2008年完成。可与美国的GPS和俄罗斯的GLONASS兼容，但比后两者更安全、更准确。2012年10月，伽利略全球卫星导航系统第二批两颗卫星成功发射升空，太空中已有的4颗正式的伽利略系统工作卫星。

系统组成GALILEO系统由30颗卫星组成，其中27颗工作星，3颗备份星。卫星分布在3个中地球轨道（MEO）上，轨道高度为23616千米，轨道倾角56度。每个轨道上部署9颗工作星和1颗备份星。2.2卫星导航定位系统

二、全球卫星定位系统3、伽利略（GALILEO）全球定位系统2.2卫星导航定位系统从设计目标来看，“伽利略”的定位精度优于GPS。如果说GPS只能找到街道，“伽利略”则可找到车库门。“伽利略”为地面用户提供3种信号：免费使用的信号、加密且需交费使用的信号、加密且需满足更高要求的信号。其精度依次提高，最高精度比GPS高10倍，即使是免费使用的信号精度也达到6米。

二、全球卫星定位系统4、“北斗”卫星定位系统

2.2卫星导航定位系统北斗卫星导航定位系统是我国自主建立的全天候、全天时提供卫星导航信息的区域导航系统。目前已成功发射33颗，15颗北斗二号卫星和18颗北斗三号卫星。该系统具有星间链路和自主导航功能，预计于2020年完成全球系统组建任务。

该系统主要由空间卫星、地面中心站和用户终端三部分组成。具有快速定位、双向通信和精密授时三大功能。覆盖范围为北纬5°～55°,东经70°～145°(中国全境及亚洲大部分地区)。

二、全球卫星定位系统4、“北斗”卫星定位系统

2.2卫星导航定位系统

2011年12月27日起，开始向中国及周边地区提供连续的导航定位和授时服务。北斗已经宣布在2017年底前向全球正式提供服务，民用服务与GPS一样免费。优势

短信服务和导航结合，增加了通讯功能；精度与GPS相当，而在增强区域也就是亚太地区，甚至会超过GPS；向全世界提供的服务都是免费的，在提供无源定位导航和授时等服务时，用户数量没有限制，且与GPS兼容应用二、全球卫星定位系统2.2卫星导航定位系统2.3GPS绝对定位原理基本原理：绝对定位是以地球质心为参考点，确定接收机天线在WGS-84坐标系中的绝对位置。由于定位作业仅需一台接收机工作，因此又称为单点定位。以GPS卫星和用户接收机天线之间的距离观测量为基准，根据已知的卫星瞬时坐标，来确定用户接收天线所对应的位置。绝对定位方法的实质是空间距离后方交会。如图

图6-2GPS绝对定位原理

GPS绝对定位根据用户接收机天线所处的状态不同，又可分为动态绝对定位和静态绝对定位。动态绝对定位：用户接收设备安置在运动的载体上，确定载体瞬时绝对位置的定位方法，称为动态绝对定位。静态绝对定位：用户接收设备安置在静止的载体上，确定载体瞬时绝对位置的定位方法，称为静止绝对定位。2.4GPS静态相对定位原理将接收机安置在基线的端点上，其位置静止不动，同步观测相同的4颗以上GPS卫星，确定基线两个端点在协议地球坐标系中的相对位置，这种定位模式称为相对定位。根据接收机的数目的不同可分为：两站、多站GPS相对定位。如图(6-3)、(6-4)

图6-3GPS静态相对定位（两站）图6-4GPS静态相对定位（多站）静态相对定位采用载波相位观测量为基本观测量，利用载波相位进行测量，就其本身来讲，测量精度可达0.5～2.0mm，但是，GPS测量受到多种误差的影响，如卫星轨道误差、卫星钟差、接收机钟差以及电离层和对流层的折射误差的影响。因此在GPS相对定位中，通常采用单差双差三差的组合方式来有效地消除或减弱误差影响。2.5局域差分GPS（LDGPS）定位原理局域差分GPS按照基准站的不同，又可分为：单站差分多站差分按信息的发送方式又可分为：伪距差分相位差分位置差分单站差分单基准站差分GPS是根据一个基准站所提供的差分改正信息对用户站进行改正的差分GPS系统。该系统由基准站、无线电数据通信链、用户站三部分组成。单站差分GPS系统的优点是结构和算法都较为简单。但是该方法的前提是要求用户站误差和基准站误差具有较强的相关性，因此，定位精度将随着用户站与基准站之间的距离增加而迅速降低。

多站差分

在一个较大的区域布设多个基准站，以构成基准站网，其中常包含一个或数个监控站，位于该区域中的用户根据多个基准站所提供的改正信息经平差计算后求得用户站定位改正数，这种差分GPS定位系统称为具有多个基准站的局部区域差分GPS系统。DGPS技术实时差分实时差分GPS技术原理：在测区附近已知位置点设建立无线电台和GPS接收机需测坐标点设立GPS接收机和无线电接收机定位卫星产生的定位误差基本一样改正值修正精度更高的位置信息单基站技术实例：导航信标台作用距离：300km定位精度：1-5m工作频率：283.5-325.0kHz覆盖范围：我国大陆沿岸海域播发数据：RTCMSC-104使用方式：免费使用区域差分GPS提供改正量主要有以下两种方法：

(1)各基准站以标准化的格式发射各自改正信息，而用户接收机接收各基准站的改正量，并取其加权平均，作为用户站的改正数。其中改正数的权，可根据用户站与基准站的相对位置来确定。

(2)根据各基准站的分布，预先在网中构成以用户站与基准站的相对位置为函数的改正数的加权平均值模型，并将其统一发送给用户。2.6广域差分GPS（WADGPS）

定位原理

广域差分GPS定位是针对局域差分GPS定位中存在的间题，将观测误差按误差的不同来源划分成星历误差、卫星钟差及大气折射误差来进行改正，以提高差分定位的精度和可靠性。广域差分GPS定位的基本思想是在一个相当大的区域中用相对较少的基准站组成差分GPS网，各基准站将求得的距离改正数发送给数据处理中心，由数据处理中心统一处理，将各种GPS观测误差源加以区分，然后再传送给用户。这种系统称为广域差分GPS系统。图6-8广域差分GPS的系统组成WADGPS的工作流程WADGPS系统一般有一个主控制站、若干个GPS卫星跟踪站（又称基准站或参考站）、一个差分信号播发站、若干个监测站、相应的数据通讯网络和若干个用户站组成。系统的工作流程可以分为五个步骤：

(1)在已知精确地心坐标的若干个GPS卫星跟踪站上，跟踪接收GPS卫星的广播星历、伪距和载波相位信息等；

(2)跟踪站所获得的这些信息，通过数据通讯网络全部传输到主控站；

(3)在主控站计算出相对于广播星历的卫星轨道误差改正、卫星钟差改正及电离层时间延迟改正。

(4)将这些改正通过信号播发站（数据通讯网络）传输到用户站。

(5)用户站利用这些改正值来改正它们所接收到的GPS信息，进行C/A码伪距单点定位以改善用户站的GPS导航定位精度。与一般的差分GPS相比，广域差分GPS具有如下特点:主站、监测站与用户站的站间距离从100公里增加到200公里，定位精度不会出现明显的下降，即定位精度与用户和基准站（监测站）之间的距离无关。在大区域内建立广域差分GPS网比区域GPS网需要的监测站数量少，投资小。例如，在美国大陆的任意地方要达到5m的差分定位精度，使用区域差分GPS方式需要建立500个基准站，而使用广域差分GPS方式的监测站个数将不超过15个。广域差分GPS具有较均匀的精度分布，在其覆盖范围内任意地区定位精度大致相当，而且定位精度较局域差分GPS系统高。广域差分GPS覆盖区域可以扩展到区域差分GPS不易发挥作用的地域，如海洋、沙漠、森林等。广域差分GPS系统使用的硬件设备及通信工具昂贵，软件技术复杂，运行和维持费用较局域差分GPS高得多。美国联邦航空局（FAA）在广域差分GPS的基础上，提出利用地球同步卫星（GEO），采用L1波段转发差分GPS修正信号，同时发射调制在L1上的C／A码伪距的思想，称之为广域增强GPS系统（WAAS）。图6-9广域增强GPS系统（WAAS）感谢聆听声学定位系统组成声学定位系统的分类声学定位系统的原理声学定位的改正海洋声学声呐及其工作方式海洋声速的确定本

节

内

容第二章海上测量定位技术声学定位系统组成:

船台设备：发射、接收设备

水下设备：声学应答器基阵

基阵——固设于海底的位置已准确测定的一组应答器阵列

一、声学定位系统组成§2-3水下声学定位系统水声定位系统通常采用的方式：测距定位方式

测向定位方式测距定位方式：水声测距定位原理如图6-10所示。它由船台发射机通过安置于船底的换能器M向水下应答器P（位置已知）发射声脉冲信号（询问信号），应答器接收该信号后即发回一应答声脉冲信号，船台接收机记录发射询问信号和接收应答信号的时间间隔，通过下式即可算出船至水下应答器之间的距离：图6-10水声测距定位原理

（6-84）由于应答器的深度Z已知，于是，船台至应答器之间的水平距离D可按下式求出：

（6-85）

测向定位方式

：

测向方式的工作原理如图6-11所示。船台上除安置换能器以外，还在船的两侧各安置一个水听器，即a和b。P为水下应答器。设PM方向与水听器a，b连线之间的夹角为θ，a，b之间距离为d，且aM=bM=d/2。设△t和△t’分别为a和b相位超前和滞后的时延，那么由图6-11可写出a和b接收信号的相位分别为：图6-11测向方式的工作原理(6-86)于是水听器a和b的相位差为：

(6-87)水声定位系统主要指可用于局部区域精确定位与导航的系统。

水声定位系统都有多个基元（接收器或应答器），这些基元间的连线成为基线。

根据声学定位系统定位基线的长度，传统上我们将定位系统分为3种类型:

1.长基线定位系统(LongBaseLine)、

2.短基线定位系统(ShortBaseLine)、

3.超短基线定位系统(UltraShortBaseLine)，

定位系统的划分依据见表。二、声学定位系统的分类§2-3水下声学定位系统1.长基线定位系统

长基线定位系统(LBL)需要在海底布设3个以上的基点，以一定的几何图形组成海底定位基线阵，工作船(或被测目标)一般位于基线阵之内，通过测量应答器与基点之间的相对位置来确定应答器的坐标。工作方式有声学应答式、电触发式两种。优点是定位精度与水深无关，在较大的范围上可以达到较高的相对定位精度，定位数据更新率高§2-3水下声学定位系统114特点：利用海底应答器阵来确定载体的位置----相对于海底应答器阵的相对坐标。组成结构及原理（工作过程）应用水下施工海底电缆铺设海上石油勘探水下载体定位方面有广泛的应用。还可与GPS一起，完成水下机器人的高精度绝对定位。长基线、短基线和超短基线系统的区别基线：是以应答器构成的，通常应答器的应答距离为10～20公里基线安装的位置：海底定位方法：长基线利用海底应答器阵来确定载体的位置记录询问时刻和各应答器应答信号到达时刻位置坐标：定位的坐标是海底应答器阵的相对坐标应答器的频率：各个应答器的回答频率不同定位目标、使用条件：确知应答器阵的绝对地理位置1.长基线定位系统1.长基线定位系统优点：定位精度高，且定位精度与水深无关，换能器小易于安装。缺点：系统复杂、操作繁琐，需要安装数量巨大的声基阵、费用昂贵；需要长时间布设和收回海底声基阵，深水使用时，数据更新率低。

再者，虽然长基线定位系统的定位精度是独立于水深的，但是却与工作频率密切相关，若要获得更高的定位精度，目前典型的做法是发展高频(HighFrequency)或超高频(ExtraHighFrequency)的长基线定位系统，但是由于高频信号在水中衰减很快，因此作用范围很有限，一般很难超过1000m。

另外对水声定位系统来说长距离的信号传输也是一个很难回避的问题，传统的水声数据传输方式有多频键控(MFSK)和多相键控(MPSK)两种，MFSK调制方法性能适中，具有一定的抗多途能力，MFSK方式可以提高信息传输速率，但在传输距离和环境适应性方而性能不足，近来利用水声扩频技术传输受到国内外的广泛重视，己经出现了扩频技术的水声MODEM产品，其性能有较明显的提高，表现在传输距离增加、误码率降低，且对使用环境具有较好的宽容性。§2-3水下声学定位系统1172短基线系统（SBL）系统组成被定位的船或潜器上至少有3个水听器。间距在5～20米的量级。水面船上面装有问答机一个同步信标（或应答器）置于海底工作原理问答机接收来自信标（或应答器）发出的信号，根据信号到达各基元的时间，求得斜距，据此可计算水面船相对于信标（或应答器）的位置。2.短基线定位系统优点是系统组成简单，便于操作，不需要组建水下基线阵，测距精度高缺点是需要在船底布置3个以上的发射接收器，要求具有良好的几何图形，这就对船只提出了更高的要求，在深水区为了达到更好的定位精度需要加大船底基线的长度，整个系统需要做大量的校准工作，绝对定位精度主要依赖于VRU，Gyro，DGPS等外围传感器。§2-3水下声学定位系统2.短基线定位系统

澳大利亚Nautrouix公司生产的NASDrillRS925型短基线定位系统抗干扰能力特别强，在传输距离和测量精度方而具有更优的性能，该产品己经与多套动力定位系统组成联合系统应用于深海测量和生产项目。NASDrillRS925系统能够在全海深范围工作，在工作范围3500m以内可以达到优于2.5m的定位精度。§2-3水下声学定位系统1213.超短基线定位系统

组成结构：发射换能器和几个水听器可以组成一个直径只有几厘米～几十厘米的水听器基阵，称为声头。声头可以安装在船体的底部，也可以悬挂于小型水面船的一侧。

超短基线系统定位解算方式非同步信标方式

应答器方式响应器方式带有深度的应答器/响应器方式

3.超短基线定位系统超短基线定位系统(USBL)与短基线定位系统一样，定位基线是布置在船底的，只是它的基线长度更短些，基点是集中做在一个阵列上的，同样是通过测时、测相技术来确定应答器的空间位置，工作方式有3种:声学应答式、电触发式、pinger模式(应答器与接收器通过同步钟方式控制进行工作)。系统也需配有VRU，Gyro，参考定位系统。整个系统的构成简单，操作方便，不需要组建水下基线阵，测距精度高系统的主要缺点同样是需要做大量的校准工作，绝对定位精度主要依赖于外围传感器VRU，Gyro，DGPS等。§2-3水下声学定位系统3.超短基线定位系统法国OceanoTechnology公司生产的posidonia6000型超短基线定位系统最大作用距离8000m，定位精度为作用距离的0.5%-1.0%，从1997年开始己经开始装备在法国IFREMER的水下机器人和深拖系统Simrad公司研制的HIYAR500型系统测量精度优于作用距离的0.2%，工作水深达到4000m，新近推出的HIYA8700型系统理论推算最大作用距离为8000m,最大工作水深为6000m，定位精度为作用距离的0.5%。§2-3水下声学定位系统

四、联合声学定位系统§2-3水下声学定位系统为了解决水下仪器导航定位的问题，国外一些研究人员己经尝试研制出了一些联合式的声学定位系统，主要是3种声学定位系统的不同组合，例如L/USBL,L/SBL,S/USBL,L/SBL/USBL等等我国的DGPS定位系统DGPS水下定位系统的浮标目前我国已经研发了水下DGPS高精度定位系统用于水下定位，该设备首次利用全球定位技术（GPS）解决水下设备导航问题和水下设备实时三维定位问题。五

水声定位的几项改正水下声学定位系统的精确定位需要进行如下几种改正：船姿态改正水听器基阵偏移改正声线曲率改正§2-3水下声学定位系统

在各种水下辐射形式中，以声波在海水中的传播为最佳。海洋传递声音的性能比大气好得多，且在海洋中声波的衰减远小于无线电波的衰减。水声的这些特性使它成为海洋工程的重要工具，作为通讯、导航、探测和监测手段，水声技术被广泛地用于海洋开发和军事方面。§2-4海洋声学一、

海洋声速

海水中的声速随着温度、盐度和压力的增加而增加，是压力P（bar）或深度Z（米）的线性函数，是温度T（℃）、盐度S的非线性函数。海水中的声速可以用声速剖面来描述。声速剖面亦称“声速垂直分布”，反映的是声速沿深度的变化规律。声速随深度的相对变化率，即单位深度内声速的相对变化量，称之为声速梯度，单位为1/秒。声速梯度可表达为：海水温度变化1℃，海水声速变化约为原来的0.35％(约5m/s)；盐度每增加l‰，声速约增加1.14m／s；深度每增加100米，声速约增加1.75m／s。其中以水温变化对声速的影响为最大。

海水中声速在垂直方向的变化可分为三个水层：表层（0~150m）、中间层（~1500m）、深水层（1500m~）。表层和深水层温度分布较均匀，由于压力影响，声速随深度而增加；中间层中的声速由于温度迅速降低而减小。深海声速垂直分布图：

波束在海水中的折射特性，可通过Snell法则很好的反映。Snell法则为：式中

i和

i+1是声速为Ci和Ci+1相邻介质层界面处波束的入射角和折射角，p为Snell常数。二、声波在海水中的传播特性

入射角

0时，波束在界面处发生折射，若经历的水柱中有N+1个不同介质层，则产生N次折射，波束的实际传播路径为一个连续折线，即声线。

Snell法则不但解释了波束在水中的传播特性，还给出了求解声线路径的算法。声波在海水中传播时，会在介质常数不同的两个水层界面处产生反射、折射和某种程度的反向散射。其中折射现象起因于海水是非均匀介质，这也是导致波束声线弯曲和传播速度发生改变的根本原因。折射后的声线是向声速减小的方向弯曲。声线的弯曲程度和方向与声速在垂直方向的变化相互联系，声速变化越大，弯曲越显著。此外，声波的传播速度在温水区要比冷水区快，且向冷水区（即声速较低的水区）弯曲。因此，若温度随深度增加，声线向海面弯曲，反之则向海底弯曲。正常情况下，声线弯曲成圆弧状。海面反射：声波由海水射向海面时，在海水与空气界面上所产生的反射，称为海面反射。海底反射：声波由海水射向海底时，在海水与海底的界面上所产生的反射，称为海底反射。海水中声波强度减弱的主要因素可归纳为如下三个方面：几何衰减：由于海水温度、盐度、压力等分布不均匀，因此有声速梯度存在，再加上海面、海底的影响，引起声线弯曲。散射衰减：声波在海水中传播时，由于海面、海底的不平整性、海水介质温度不均匀而产生散射，使部分声能离开原来的前进方向，向其它方向发射出去，使声波传播方向上能量减少，声强度减弱。海水对声波的吸收：由于声波在海水介质中传播时要引起海水内部发生一些变化，如海水温度的变化，在传播过程中，相邻的海水介质要发生相对运动，有一部分声能要用来克服因海水介质相对运动而产生的摩擦力，消耗于海水中，使声强度减弱。三、

声道

当声波在海洋中传播时，若有一部分声能在海中某一水层内而不逸出该水层，则称此为声道，亦称声波道。

沿深度方向声速极小处，声源发出的声线将向上和向下弯曲返回极值区，而保留在该水层上下两个声速相等的深度之间传播。四、

海洋噪声

海洋是不平静的，存在着各种各样的噪声。就水声学研究范畴而言，水中噪声分为环境噪声和舰艇噪声两大类。海洋环境噪声包括：①海洋动力噪声，如风吹在海面上引起的噪声，流过海底的海流、碎浪及降雨引起的声响；②生物噪声。

在海洋测量中，海洋环境噪声是指由海洋中大量的各种各样的噪声源发出的声波构成的，它是声纳设备的一种背景干扰。环境噪声级NL是度量环境噪声强弱的量。

声纳是利用水下声信息进行探测、识别、定位、导航和通讯的系统。按照工作方式分为主动声纳和被动声纳两种。主动声纳信息的流程为：发射系统发射携带一定信息的声信号（发射信号），在海水中传播时如遇到障碍物（潜艇、水雷、鱼雷、冰山、暗礁，统称声纳目标），产生回声信号；在某一方向上的回声信号传到接收基阵，并将其转换为电信号，经处理器处理后送到判决器，根据预先确定的原则进行判决，最后显示判决结果。如下图所示：§2-5声纳及其工作方式

被动声纳（噪音声纳站）信息的流程为：被动声纳通过接收被探测目标（声源部分）如鱼雷、潜艇等的辐射噪声，来实现水下目标探测。

主、被动声纳工作信息流程的基本组成包括声信号传播介质（海水）、被探测目标和声纳设备。影响声纳设备工作的因素，即声纳参数，主要包括：声源级SL、发射指向性指数DIT

、声功率Pa、传播损失TL、目标强度TS、海洋环境噪声级NL、等效平面波混响级RL、接收指向性指数DI以及检测阈DT。声纳参数的定义声源级SL：是用来描述主动声纳所发射的声信号的强弱（反应发射器辐射声功率大小）的参数。若I为发射器声轴方向上离声源声中心1米处的声强，I0

为参考强，I0=0.67×10-18W/m2，则SL的定义为：DIT的含义：是在相同距离上，指向性发射器声轴上声级高出无指向性发射器辐射声场声级的分贝数。

DIT可定义为：式中，ID为指向性发射器在声轴上测得的声强度；IND为无指向性发射器辐射的声强度。无指向性声源辐射声功率Pa与声源级SL的关系：有指向性声源辐射声功率与声源级的关系：传播损失TL定量描述声波传播一定距离后声强度的衰减变化，它定义为：式中，I1是离声源声中心1米处的声强度；Ir离声源声中心r米处的声强度。

目标强度TS定量描述目标反射本领的大小，它定义为：式中，Ii是目标处入射声波的强度；Ir离目标声中心1米处的回波强度。环境噪声级NL是度量环境噪声强弱的量，其定义为：接收换能器的接收指向性指数DI定义为：即：式中：b（

，

）是归一化的声束图函数，

，

是空间方位角。代表无指向性水听器产生的均方电压，代表指向性水听器产生的均方电压。根据以上参数，我们可以给出声纳方程。声纳方程是在综合考虑水声所特有的各种现象和效应对声纳设备的设计和应用所产生影响的关系式。它将海水介质、声纳目标和声纳设备的作用联系在一起。主动声纳方程：被动声纳方程为：海洋中的声速可以通过直接法和间接法获得。1、声速的直接测定凡通过测量声速在某一固定距离上传播的时间或相位(一般采用声速测量仪测量声速），从而直接计算海水声速的方法均属直接声速测量。声速测量仪依据的原理有：脉冲时间法、干涉法、相位法脉冲循环法等。一、

海洋声速的确定§2-6海洋声速的确定脉冲时间法：在海水介质中放设一组发射和接收换能器（机械能与电能相互转换的设备），在它们之间的距离S已知的情况下，测出声脉冲的传播时间t，即可求得声速C=L/t。干涉法声速测量：基于被测海水介质中连续干涉声波效应引起的驻波声场。其中两个相邻波峰或波谷之间的距离即为一个声波波长。在发射换能器固定的情况下，移动接收换能器记下最大输出（波峰）时的距离即为波长或波长的整数倍，为减少实际测量的误差，常常进行若干次测量后取平均。

相位法测量：根据固定距离范围内测量声波的相位变化来确定声速。2、间接声速测量根据测得的温、盐度和压力数据，用特定的计算公式确定水声速的方法称为间接声速测量。目前，已有较多描述温度、盐度和深度（或静压力）与海水中声速间关系的经验公式。下面给出7种比较常用的声速经验公式.1.DellGrosso公式。利用该公式进行声速计算，具有简洁方便等特点，但应用范围太小。2.W.D.Wilson精确公式。实践表明，温度、压力和盐度分别在-4

C<T<30

C,1kg/cm2<P<1000kg/cm2

和0ppt<S<37ppt范围时，可获得精度优于0.3m/s的声速，比较适合我国海区。3.W.D.Wilson简化公式。4.Leroy（1969）给出的经验公式5.Mackenzie根据前人研究，于1981提出了特定条件下的声速公式（E式）6.Chen-Millero-Li经验公式。适用范围：温度T（

C）：0

C<T<40

C、压力P（bars）：0<P<1000、盐度S（ppt）：0<S<40。

7.EM分层简化公式海水温度海水盐度海水密度海水透明度、水色潮汐及潮汐观测海洋波动类型及其影响海流的类别及其特点ADCP及流速、流向测量本

章

内

容

第三章海洋水文观测发生在海洋中的许多自然现象和过程往往与海水的物理性质密切相关。人类要认识和开发海洋，首先必须对海洋进行全面深入地观测和调查，掌握其物理性质。在海洋调查中，观测海洋水文气象方面的环境参数更有其重要的意义。2026/9/15150分类：在江河、湖泊中观测的主要内容有:测量水深、水位、流向、流速、流量、冰情、水的比重、含沙量、水色、透明度、水的化学成分等，并对上述资料进行分析和整理，为研究河床、海岸的变迁、河流径流规律、水文预报、水利计算和水上建筑物的设计施工提供资料。在海域中主要观测温度、盐度、密度、潮汐、海流、波浪、水色、透明度以及气象等要素，为编辑出版航海图、海洋水文气象预报、海洋工程的设计与建设以及海洋科学研究提供资料。海洋水文观测是海洋调查中重要的作业内容。水文要素观测的分类3．1．1海洋水温及其分布温度是海洋的基本物理要素之一，很多海洋现象乃至地球现象都与海水温度有关。在海洋声学测量中，温度是计算声速的首要因素。3．1海水温度及其测量海洋温度的基本分布情况：随着纬度增高，温度不规则地逐渐下降；等温线大体呈带状分布，在寒暖流交汇处，等温线密集，温度梯度最大。南纬北纬温度（℃）温度（℃）纬度（°）3020100-103020100-1060402004060203．1．2海水温度观测方法表层水温观测方法直接测量方法常用仪器：海水表面温度表、电测表面温度计及其他的测温仪器。用水桶提取海水，再用精密温度计测定水温。卫星上通常利用红外辐射温度计测定海洋水温；在海洋浮标上一般装有自记测温仪器，记录所在位置的温度。深层水温观测主要采用的仪器：常规的颠倒温度计、深度温度计、自容式温盐深自记仪器（如CTD）、电子温深仪（EBT）、投弃式温深仪（XBT）等。实际测量中，温度是以国际温标为依据，国际符号为T（热力学温度）或t

（摄氏温度℃）；一般以摄氏温度表示。3．2．1盐度的定义

以化学方法为基础的盐度定义：为在一千克海水中，所有碳酸盐转化为氧化物，溴、碘一氯置换，而且有机物全部氧化后所含所有固体物质的总克数。（单位是克／千克，符号S‰，又称绝对盐度）。根据海水组成恒定性原理，常用氯度来测定盐度。盐度与氯度的经验关系式为：3．2盐度及其测量363534333236353433326040200406020盐度‰盐度‰纬度°1969年电导盐度定义和盐度测定方法：电导盐度的定义：长1立方米海水的电导。盐度计算公式为：R15为一个标准大气压和15℃恒温水的条件下，海水样品与盐度为35‰的标准海水的电导率比值，称为相对电导率或电导比。如果样品的电导率Rt是在任意温度t℃下测定的，则需进行温度订正，订正公式为：在重新定义盐度的同时，提出了盐度与氯度新关系公式：1978年实用盐度标度：选定一种浓度为精确值的氯化钾（KCl）溶液，用海水水样相对于KCl溶液的电导比来确定盐度值。（规定KCl溶液的浓度精确值为32.4356‰）测定方法：K15是在一个标准大气压下，15°C时水样的电导率C（S，15，0）与同温同压下标准KCl溶液电导率C（32.4356，15，0）之比值，即实用盐度公式适用范围为2≤S≤42。3．2．2盐度的测定方法1、光学测定盐度法原理：光的折射性，利用不同盐度、不同温度的海水折射率不一样测定海水盐度。。1967年Rusby发表的折射率差值和盐度关系式：式中S为盐度，t为温度（℃），△n=nt-n

35

：光的波长

=5462．27米。目前使用的仪器有：通用的阿贝折射仪、多棱镜差式折射仪、现场折射仪等。2、比重测定盐度法方法：根据国际海水状态方程，当测得海水的密度、温度和深度时，就可以反算出海水盐度。主要工具：比重计。该方法一般只适用于室内，在精度要求不高的场合可直接用该法测定，如制盐场和渔业系统。3、声学测定盐度法方法：根据声速与海水盐度、温度和压力的关系，利用声速仪测得声速、并测出海水温度和深度来反算盐度。常用的经验公式为：综合多方面因素，电导率测定盐度法为主要测定方法。海水的密度定义：单位体积海水的质量，单位是千克／米3符号ρ。3．3海水密度及其测量赤道地区海水密度低，向两极则逐渐增大。表层海水密度的水平分布受海流的影响较大，有海流的地方，密度的水平差异比较大。3．3．1海水密度的特点及其分布一切影响温度和盐度的因子都会影响到海水的密度。海水的密度随地理位置、海洋深度都有复杂的分布，并随时间而变化。在海面，密度的分布和变化仅取决于温度和盐度。在盐度变化较小的海区，海水的密度主要决定于温度状况。在温度变化较小的海区，则主要决定于盐度的状况。3．3．2海水密度的测定1、海洋表层密度的测定Knudsen（1902）发现在一大气压下，温度为0℃海水密度σ0为盐度的函数。关系式：2、海洋表层以下密度的测定方法：一般采用数值计算的方法求得不同深度的海水密度。则实用海洋表层以下密度为：海水状态方程：公式适应范围：盐度0～42，温度2~40℃，压强0~100Mpa。密度单位kg／m3

，温度t单位为℃，压强P单位Mpa。国际作出的新定义为：光线在水中传播一定距离后，其光能强度与原来光能强度之比。海水透明度：在海洋学上，是指用直径为30cm的白色圆盘，将其垂直沉入海水中，直至刚看不见的深度，单位为米。这一深度称相对透明度。且有：透明度T=e-cz

，c为衰减系数，z为光在海水中的传播距离。观测仪器：透明度仪、光度计等。3．4海水透明度、水色观测水色：《海洋调查规范》中规定，透明度盘位于透明度值一半的水层时，透明度盘上方所呈现的海水颜色称为水色。水色观测方法：观测完透明度后，将透明度盘提升到透明度值一半的水层，根据透明度盘上方所呈现的海水颜色，在水色计中找出与之相似的色级号码，即为该次观测的水色。海发光：夜间海面上出现的生物发光现象称海发光。海发光类型可分为火花型、弥散型、闪光型。3．5．1潮汐3．5．1．1潮汐现象

海洋潮汐：海水受到月球和太阳的吸引力作用，产生一种规律性的升降运动，这种海面升降现象叫做海洋潮汐。潮汐潮：海水白天的涨落现象。汐：海水夜间的涨落现象。产生潮汐现象的主要原因：地球上各点距离月球和太阳的相对位置不同。3．5潮汐及潮汐观测某地潮汐变化曲线两个相邻高潮或两个相邻低潮之间的时间间隔两个相邻的高潮和低潮的水位高度差在海面升降的每一个周期中，海面上涨到不能再升高时的潮汐月球经过某地的子午线圈时刻。从某一基准面量至海面的高度海面下降到不能再下降时的潮汐涨潮：海面从低潮上升到高潮的过程中，海面逐渐上升的现象。落潮：自高潮至低潮的过程中，海面逐渐下落的现象。平潮：当海面达到高潮时，在一段时间内海面暂时停止上升的现象。停潮：当海面达到低潮时候，在一段时间内海面暂时停止下降的现象。3．5．1．2潮汐日不等现象与潮汐类型

1、日不等现象日不等现象：通过长时间的水位观测，可以从其记录曲线上看出，每日的潮差是不等的，这种现象成为潮汐日不等现象。产生原因：太阳、月球、地球之间的相对位置的不同。大（小）潮：潮差最大（小）这一天的潮汐。大潮差：大潮时的潮差。月相（朔、望、