何良 海洋地球物理

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1、海洋地球物理导航06005105何良摘要：海洋地球物理的海底探测技术在2O世纪里的迅猛发展推动了地球科学的进展。高精度的导航定位技术是实现海底高精度探测的基础。高精度的导航定住包括水面船只和水下探测系统的精确定住。现代水面船只定位依赖以全球卫星定位技术为主的导航定位系统；水下定住系统主要发展有超短基线定位系统(USBL)、短基线定住系统(SBL)和长基线定位系统(LBL)等。，近数十年快速发展起来的海底声学探测技术有多波束测深技术、声纳侧扫技术和浅层剞面测量技术等，这些技术已经在当代海底科学研究、海底资源勘查、海洋工程和海洋开发等方面发挥出极其重要的作用。一导航定位技术

2、海底探测技术的进步与更新换代，为高精度的海底探测提供了重要的技术保证，而高精度的导航定位则是实现海底高精度探测的基础。要实现高精度的导航定位，不仅需对水面船只进行精确定位，还要实现水下探测系统的精确定位，对深海海底探测系统定位的精度要求将会越来越高。对于我们水面船只导航定位当前主要依靠卫星导航定位系统。其中包括全球定位系统(GPS)、全球导航卫星系统(GLONASS和将于2008年实现的伽利略系统(Galileo)(Ack—roydeta1．，1994)。而伽利略系统(Galileo)与GPS，GLONASS相比，Galileo系统有较大的优越性：①覆盖范围更大，可实现

3、GPS，GLONASS无法定位的高纬度定位。②定位精度更高，定位精度优于1m，Galileo系统可提供3种信号——免费信号、交费加密信号、满足更高要求的加密信号即使免费信号的精度也可达到6m。③Galileo系统的最大特点在于它是民用系统，而GPS和GLONASS都是军用系统。我国将与欧盟15个国家以平等地位参与此项合作。双星系统(GPS／GLONASS组合系统)它与单独的GPS和GLONASS系统相比，在系统的空中卫星有效性、定位精度和系统的整体性方面都有所突破。水下定位系统主要测定水下探测系统相对水面母船的位置，如侧扫声纳系统、海底照相系统、海底摄像系统等拖体系统，

4、水下机器人(ROV，AUV)，海底箱式取样器、多管取样器、电视抓斗、潜钻、热液保真采样器，及海底土工原位测试仪等等。水下定位系统主要有超短基线定位系统(USBL)、短基线定位系统(SBL)、长基线定位系统(LBL)，及超短基线定位系统与长基线定位系统组合系统(SSBL／LBL)，短基线定位系统目前已很少使用(Milne，1983)。【1】虽然这些技术都相对成熟但是常用的船位推测法、惯性导航系统都存在定位误差随时间积累的特性。因此，必须定期地用外部信息对其进行校准。提出采用多波束声纳实时获取海底地形再与海底地形数据库的地形数据进行相关匹配，并通过小波快速迭代求精匹配算法，

5、得到当前潜艇位置信息，将其作为参考点对惯性导航系统误差进行修正，才使导航精度明显提高【2】因此发展多波束声纳进行海底测深十分必要。二声纳测深技术1.旁侧声呐(Side—ScanSonar)旁侧声呐是1960年代研制出来的应用于海洋环境中目标物探测的1项新技术。其基本原理是用声呐的电声脉冲不断地向海底发射声波信号并接收回波信号，记录声信号从发射到接收的走时和反射脉冲强度，并在记录纸上形成海底二维平面图【3】在保测深密度和精度的前提下，提高系统的分辨率，改善系统的成像质量，进而达到取代侧扫声纳。2.多波束声纳测深原理多波束声纳测深系统也称为声纳阵列测深系统，它能以很高的分辨

6、率同时测定多个位置的水深，达到精密测定一定条带范围内海底地形的目的。它是一种窄波束测深系统，随着换能器设计结构的不断改进和信号处理技术的进一步完善，现有系统的扇面开角扩大到150~，波束增至120个。实现了真正意义上的全覆盖式测量根据测量。同时为了保证中央波束和边缘波束分辨率的一致，一些厂家将等角和等面积发射模式应用于新型的多波束系统，使得中央波束脚印面积同边缘波束相近，测点间距基本一致，保证了成图质量。一个完整的多波束系统除拥有结构复杂的多阵列发射接收换能器和用于信号控制与处理的电子单元外，还应该配备高精度的运动传感器、定位系统、声速断面和计算机软、硬件及相应的显示设

7、备。因此，现代多波束测深产品实际上已经发展成为由声学系统、波束空间位置传感器子系统以及数据采集与处理系统组成的综合系统。【4】多波束测深技术具有精度高、测量范围广、测量速度快等优点，得到海洋测绘界的认可，促进了多波束测深技术的迅速发展【5】3.多波束外业测量的实施多波束为全覆盖、高精度的扫海设备，影响这两个重要技术指标的主要因素包括天气海况、船速控制、测线布设、声速测量、水位控制、参数设置等，其中天气海况、船速控制、测线布设等主要是保证全覆盖测量要求；声速测量、参数设置等主要影响测量精度，【6】当然，每一个因素之间不是独立的，而是相互影响