海洋测绘第5章 海洋定位技术

1、海洋定位是海洋测绘中最基本的工作。 由于海域辽阔，海上定位可根据离岸距离的远近而采用不同的定位方法,如光学交会定位、无线电测距定位、GPS卫星定位、水声定位以及组合定位等。,第五章 海洋定位技术,5-1 海上定位模型 5-2 海上定位测量坐标转换 5-3 无线电传播及其误差 5-4 地面无线电定位 5-5 无线电指向标差分GPS定位系统 5-6 声学定位 5-7 组合定位,本章主要内容,位置线：位置线是一条直线或曲线，它上面任意点到已知点所构成的量都等于观测值。 位置线分类：直线、圆曲线、偏心圆曲线、双曲线,5-1 海上定位模型,一、位置线,（1）直线（方位角）,（2）圆曲线（距离） ：,5-

2、1 海上定位模型,（3）偏心圆曲线（水平角）：,5-1 海上定位模型,（4）双曲线（距离差） ：,5-1 海上定位模型,二、定位方法,为了确定一个点的水平位置，需要两条位置线进行交会，通过以上4种位置线的相互组合，可构成以下5种定位方法：极坐标法、方位角交会法、后方交会法、距离交会法、双曲线交会法。 （1）极坐标法（直线、圆曲线）：、S,5-1 海上定位模型,i,u,（2）方位角交会（直线、直线）： 1、 2,5-1 海上定位模型,二、定位方法,（3）后方交会（偏心圆曲线、偏心圆曲线）：1、2,5-1 海上定位模型,二、定位方法,（4）距离交会（圆曲线、圆曲线）：S1、S2,5-1 海上定位模

3、型,二、定位方法,（5）双曲线交会（双曲线、双曲线）： S1、 S2,5-1 海上定位模型,二、定位方法,三、海上定位模型,海上定位的数学模型（观测方程）： 观测量和已知点、未知点的坐标的关系。,5-1 海上定位模型,1）方位角和角度观测 （1）方位角：,（2）角度：,1、观测值误差方程,5-1 海上定位模型,三、海上定位模型,2）距离和距离差观测 （1）距离：,（2）距离差：,5-1 海上定位模型,1、观测值误差方程,三、海上定位模型,2、点位坐标解算 构成误差方程式平差解算点位坐标,5-1 海上定位模型,三、海上定位模型,四、海洋定位精度-误差椭圆,5-1 海上定位模型,待定点的误差椭圆,

4、平移（坐标原点不重合，x、y、z） 旋转（坐标方向不平行，x、y、z ） 缩放（坐标尺度不一致， k ）,1、不同空间坐标系间的关系,5-2 海上定位测量坐标转换,5-2 海上定位测量坐标转换,2、布尔沙模型,5-2 海上定位测量坐标转换,通常坐标旋转参数为微小量可作近似处理,一、无线电的传播特性,1、无线电波分类,5-3 无线电传播及其误差,低频、中频、高频信号,1）地面波： （1）测量分量，沿着地球表面传播。 （2）传播距离随着发射功率的增加而增加，随着频率的增大而减少。 2）天 波：干扰分量，由电离层反射产生。,2、地面波、天波,5-3 无线电传播及其误差,一、无线电的传播特性,低 频、

5、中频、高频信号,5-3 无线电传播及其误差,1）直接波：测量信号 2）地面反射波： 干扰分量，由地面反射产生。,甚高频、超高频、特超高频,3、直接波、地面反射波,5-3 无线电传播及其误差,一、无线电的传播特性,甚高频、超高频、特超高频,5-3 无线电传播及其误差,一、无线电定位系统的分类,1）近程：小于300km 2）中程： 300km 1000km 3）远程：大于1000km,5-4 地面无线电定位,1、按基准站作用距离分,2、按定位采用的无线电频率分,1）微波：330GHZ 2）超高频： 3003000MHZ 3）中频： 3003000KHZ 4）低频： 30300KHZ 5）甚低频：

6、1030KHZ,随着频率的降低，无线电波传播的距离加大，但精度随之降低。,一、无线电定位系统的分类,5-4 地面无线电定位,连续波、脉冲波 1）连续波：通过相位比较的方法测量无线电波传播的时间，但存在整波长数不定解问题。 2）脉冲波：直接测量信号传播的时间延迟，但存在抵抗周围噪声能力差，精度低的问题。,3、按发射信号分,一、无线电定位系统的分类,5-4 地面无线电定位,1）单向测距 圆曲线定位系统，定位精度相对较低，但可供无限用户使用。 2）双向测距 圆曲线定位系统，定位精度高，但用户数量少。 3）距离差 双曲线定位系统，定位精度相对较低，但接收机价格低廉，可供无限用户使用。,4、按测量方式分

7、,一、无线电定位系统的分类,5-4 地面无线电定位,二、典型无线电定位系统,1、微波系统,1）工作频率：2GHZ10GHZ 2）特点： （1）采用双向测距，圆曲线定位。 （2）测量信号是直接波。 （3）精度一般为：15m （4）天线小，岸台天线有方向性。 （5）消耗功率低。,5-4 地面无线电定位,3）典型的微波定位系统,5-4 地面无线电定位,1）工作频率：420MHZ450MHZ 2）特点： （1）采用双向测距，圆或双曲线定位。 （2）测量信号是直接波。 （3）精度一般为：15m。 （4）天线小，岸台天线有方向性。,2、超高频系统,二、典型无线电定位系统,5-4 地面无线电定位,3）典型的

8、超高频定位系统,5-4 地面无线电定位,1）工作频率：1.5MHZ5MHZ 2）特点： （1）采用双向测距，也可以双曲线定位和单向测距。 （2）测量信号是地面波 （3）用比相法测量。 （4）用于中程定位，精度比较高。,3、中频系统,二、典型无线电定位系统,5-4 地面无线电定位,3）典型的中频定位系统,5-4 地面无线电定位,1）工作频率：80KHZ150KHZ 2）特点： （1）广泛应用于导航系统。 （2）测量信号是地面波。 （3）定位精度较低。 （4）用于中远程测量。,4、低频系统,5-4 地面无线电定位,二、典型无线电定位系统,3）典型的低频定位系统,5-4 地面无线电定位,1）工作频率

9、：10KHZ20KHZ 2）特点： （1）不适合海洋定位测量，主要应用于导航系统。 （2）定位精度较低。 （3）采用双曲线定位。,5、甚低频系统,5-4 地面无线电定位,二、典型无线电定位系统,三、我国东海无线电定位系统,1、东海测区地理状况,1）地理状况： 北起长江口，东临琉球群岛，南至广东汕头，西为大陆沿海，面积约77万KM2。 2）无线电定位系统： 采用中程、近程相结合的综合定位系统。,5-4 地面无线电定位,美国丘比克西方数据(Cubic)公司生产的一种高精度中程无线电导航定位系统，通过测量地波往返传播的相位变化来测量船台到3-4个岸台的距离进行定位。阿戈系统性能可靠，能为海洋石油勘探

10、、井位调查、海洋水文、近海工程和海洋科学研究等提供精确导航定位。 阿戈系统日间最大作用距离可达650公里，夜间作用距离约为250公里，定位测量精度士5一10米。 系统工作频率为：1600-2000KHZ。,2、东海无线电定位系统子系统,三、我国东海无线电定位系统,5-4 地面无线电定位,1）Argo DM-54型定位系统,美国Maxiran公司生产的一种高精度特高频中近程无线电导航定位系统，是一种重量轻、精度高、具有超视距能力的近海定位系统。 视距定位精度为士2-6米，最远可达250-300公里，但精度随作用距离增加降低为30-40米，相当于超出视距每10公里，误差增加1.5米，并明显地与气候

11、条件有关。 系统工作频率为：420-450MHZ。,2）Maxiran型定位系统,2、东海无线电定位系统子系统,三、我国东海无线电定位系统,5-4 地面无线电定位,美国Motorola公司生产的一种高精度近程测距仪，其设备轻巧、结构可靠、操作简单，可用于近岸港口工程、水文测量、近海地质调查等要求实时高精度定位的工程。 最大作用距离达37海里(实测约50公里)，定位精度士2米(实测可达士1米)。 系统工作频率为：5400-5600MHZ。,3）Falcon 484型微波测距仪,2、东海无线电定位系统子系统,三、我国东海无线电定位系统,5-4 地面无线电定位,启 东 南 汇 浪 岗 鱼 山 北几山

12、 四石霜,1）岸台布置方案（6个）：,3、东海高精度无线电定位系统岸台布置,三、我国东海无线电定位系统,5-4 地面无线电定位,罗兰-A系统发射机,信标差分GPS技术： 利用现有的海用无线电信标台，在其所发射的信号中加一个副载波调制，以发射GPS差分修正信号，提供导航定位服务。,5-5 无线电指向标差分GPS定位系统,我国沿海RBN/DGPS系统台站及技术参数,5-5 无线电指向标差分GPS定位系统,我国沿海RBN/DGPS系统台站及技术参数,5-5 无线电指向标差分GPS定位系统,我国沿海RBN/DGPS系统台站及技术参数,5-5 无线电指向标差分GPS定位系统,利用声波测量基准点与待测点间

13、的距离进而确定待测点位置的系统。,声学定位系统：,基本声学定位系统： 长基线系统、短基线系统、超短基线系统、多普勒声纳系统。,5-6 声学定位,长基线系统：利用埋设在海底的若干个应答器或信号标，采用距离空间交会原理进行定位。基线长度为0.1-6km。 短基线系统：利用安置在船底的一组听音器和埋设在海底的一个信号标或应答器进行定位。基线长度为20-50m。 超短基线系统：与短基线系统基本相同，其区别仅在于船底的水听器阵，以彼此很短的距离布设且装在一个很小的壳体内。基线长度小于10cm。 多普勒声纳系统：利用多普勒效应测定船或水下运载工具的速度，进而确定船或水下运载工具的位置变化。,5-6 声学定

14、位,一、长基线定位系统,1、一个应答器定位,5-6 声学定位,这种方法是以船速、航向误差较小为前提，一般情况下定位精度不高。,一、长基线定位系统,2、两个应答器定位,5-6 声学定位,5-6 声学定位,一、长基线定位系统,3、三个应答器定位,二、多普勒声纳系统,测量航速度：,多普勒效应：,测量频率变化：,5-6 声学定位,空间卫星导航系统+地面无线电导航系统+声学定位系统+,特点： （1）卫星定位：具有全天候作业、连续导航定位、定位精度高的优点。信号能被干扰或丢失，不能水下定位。 （2）地面无线电定位：中短程精度较高但作用范围小，远程作用范围大但精度低。需要基准站，不能进行水下定位 () 声学定位：定位精度较高，可进行水下定位。但需要基准站 ()：能够提供高精度的相对坐标，可进行水下定位。但定位误差随定位时间增大。,5-7 组合定位,重点掌握,位置线的定义及其分类 定位方法-极坐标法、方位角交会法、后方交会法、距离交会法、双曲线交会法 定位模型-建立误差方程、误差方程解算和定位精度评定 坐标系及其变换 无线电传播及其误差 地面波、天波-低频、中频、高频信号 直接波、地面反射波-甚高频、超