海底大地基准点圆走航模式定位模型及分析

圆走航模式是确定海底大地基准点位置的常用测量模式。本文对圆走航模式的定位效能进行了系统分析。首先分析了顾及声速剖面变化规律的声学测距非差定位模型和削弱系统误差影响的历元间差分定位模型,然后分析了圆走航模式下非差、单差定位模型的定位效能,包括位置参数的可估性,不同分量位置精度的最佳测量半径、所达到的理论精度,以及测距误差对定位参数的影响等。理论分析发现,在标准圆走航模式下,为确保基准位置不同分量精度应有不同的最佳测量半径,前后历元差分定位模型对高程分量不可估。模拟数据及实测算例均发现,圆走航模式下差分定位模型虽然削弱了测距系统误差的影响,但同时也降低了设计矩阵几何观测强度,甚至会造成观测模型病态化,导致差分模型深度信息估计精度明显削弱。

海底大地基准建设技术及其研究进展

海底大地基准网将是新一代国家综合PNT(Positioning, Navigation and Timing)系统建设的重要组成,也是未来海洋立体观测系统的基础设施。联合全球卫星导航定位系统和声学测距的GNSS-声学定位技术可用于高精度水下定位,直接服务于海底大地基准网建设。本文聚焦海底大地基准建设技术,简要梳理了国内外水下声学导航定位技术及系统背景,分析总结了海底大地基准建设的站址勘选及布放技术要点,在讨论GNSS-声学观测平台和数据采集技术基础上,重点探讨了GNSS-声学定位的数据处理方法研究进展,最后简单介绍了GNSS-声学的当前主要应用并展望了未来海底大地基准建设的技术需求和应用问题。

走向深海,发展自立自强的海底大地测量基准

海洋是重要的经济通道和安全屏障,需要建立实时、快速感知海洋环境变化的海底基准网。海底大地测量基准在海洋资源勘探、海洋科学研究和保障海洋安全方面具有巨大优势和重要作用。通过回顾国内外海底大地测量基准构建的发展情况,分析和讨论了构建海底大地测量基准的主建思路和关键科学问题。阐述自主发展和构建海底重力基准的意义,并分析构建基准网需要重点突破的关键技术。在量子精密测量技术不断突破的基础上,提出利用量子测量技术改变现有观测技术缺陷的思考,有望加快建设海底大地测量基准网,为水下复杂环境提供陆海连续、安全可靠和高精度的时空服务。

海洋大地基准点位置标定误差影响因素分析

针对海洋大地基准点位置标定的各项误差影响因素难以直接线性化为数学模型的问题,该文基于我国首个深海海底大地基准点的标校试验数据(水深3 000 m),利用公式推导结合数值方法定量分析了主要误差因素对海底定位精度的影响。声速误差对海底定位精度的影响很大,其中影响约为0.3 m的声速短周期时变误差难以消除;航迹几何结构对称性会对定位结果精度造成分米级影响;测船位置的系统偏差对海底定位结果具有等量级的影响(小于0.2 m);测船姿态的系统偏差在5°以内时影响小于0.4 m;观测值时标误差在0.5 s以内时影响为厘米级;时延测量值系统偏差小于0.1 ms时仅在垂向造成0.11 m的影响。为实现准确度优于2 m的海底绝对定位目标,测船航迹结构应保持对称,声速剖面精度应优于0.1 m/s,测船位置精度应优于0.1 m,时延观测值精度应优于0.1 ms,并对姿态测量安装角、杆臂矢量偏心值和观测数据时标偏差进行严格标定。

GNSS‑声学海底定位的声速误差处理方法综述

全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)⁃声学海底定位是面向海底俯冲带板块形变监测需求提出的一种定位技术,也是建设海洋时空基准网的一种重要技术,有着广阔的应用前景。虽然目前GNSS⁃声学海底定位技术的研究成果还不能满足海洋时空基准网的建设需求,但其数据处理方法尤其是声速误差精细处理方法,对海洋时空基准网海底部分(海底大地基准)的建设具有重要借鉴意义。介绍了GNSS⁃声学海底定位技术的起源,并将其分为静态测量和动态测量两类,同时将声速误差处理方法作为该技术的发展脉络进行梳理,提炼了该技术的3个发展阶段:仅假设海洋声速垂向分层、考虑声速的时域变化、考虑声速的水平梯度。对于仅假设海洋声速垂向分层的阶段,国外学者采用几何结构对称的方式来削弱声速误差的影响;国内学者则主要对声速以外误差源(杆臂矢量误差、时标偏差、姿态角误差等)进行了研究,并用优化随机模型的方式削弱系统误差对定位的影响。对于考虑声速时域变化的阶段,国外学者利用拟合方法(多项式拟合或三次样条拟合)结合参数平滑约束来解算声速的时域变化量,提高定位的稳定性;国内学者基于此细化了参数拟合的方法(考虑参数长周期项的变化特征),并创新性地提出了水下差分定位算法。对于考虑声速水平梯度的阶段,国内外学者在GNSS⁃声学海底定位中解算了声速水平梯度参数,提高了水平方向定位的稳定性,并利用海洋数值模型验证了结果的可靠性。展望了将GNSS⁃声学海底定位高精度数据处理方法应用于海底大地基准建设的前景,并引入了小时空尺度声速层析的概念(基于海洋时空基准网的声速误差处理方法),以期解决数值预报模型不能提供小时空尺度产品的问题,进而为水下潜器提供更高精度的声速误差改正服务。