《海洋测绘技术》课件 第2章 海上测量定位技术

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45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482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523.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