海底大地基準建設技術及其研究進展

劉焱雄，李夢昊，劉 楊，何秀鳳，陳冠旭，張林虎，唐秋華

（1.自然資源部 第一海洋研究所，山東 青島 266061；2.自然資源部 海洋測繪重點實驗室，山東 青島 266061；3.河海大學 地球科學與工程學院，江蘇 南京 211100）

我國是海洋大國，海域面積十分遼闊。認識海洋、經略海洋，探索海洋奧秘、發展海洋經濟、深耕藍色國土，需要建設海底觀測網等基礎設施；海底觀測網已是繼地面/洋面、空間之后，觀測地球系統的第三個平臺[1]。海底大地基準網是海底觀測網的重要組成，是國家大地基準網由陸域向海域的自然延伸[2-3]，也是構建陸?？仗煲惑w化空間基準的國家基礎設施。海洋空間基準是一切海洋活動的前提和基礎，大力發展海洋大地測量技術，加快布設海底大地基準網，滿足國防安全保障和經濟社會發展需求，對推動海洋導航定位技術進步、推進我國海洋強國戰略實施具有重要支撐作用。

海底大地基準網建設是當今世界大國必爭的高技術戰略領域。美國、加拿大、俄羅斯等海洋強國早已開啟海底大地基準網的研究[2,4-6]，日本也建立了海底大地基準網[7-8]。目前，我國僅僅在南海3 000 m 水深的海域開展了海底大地基準網試驗，但尚未大規模布設海底大地基準網[2]。研究海洋大地測量技術，完善自主海底大地基準基礎設施，對支撐我國2035 年前建成國家綜合PNT（Positioning,Navigation and Timing）系統意義重大。

海底大地基準網由若干海底大地基準站組成，需要首先確定這些基準站的準確位置。聯合全球導航衛星系統（Global Navigation Satellite System，GNSS）和水下聲學定位系統（GNSS-聲學或GNSS-A），可實現海底大地基準站的位置標定，可以將全球統一的時空基準傳遞到海底[3]。穩定的海底大地基準站是海底大地基準網的基礎和構成，海底大地基準站建設需要歷經站址勘選、設備布放回收、站址位置標定等流程。鑒于此，本文聚焦海底大地基準建設技術，首先梳理水下聲學導航定位系統及技術背景，然后總結海底大地基準建設的關鍵技術要點，最后探討GNSS-A 定位數據處理方法，并對未來海底大地基準網建設技術及應用進行了展望。

1 水聲導航定位系統及技術

1.1 水下聲學導航定位系統

水下聲學定位系統依據聲學單元的距離分為超短基線系統（＜1 m）、短基線系統（1～50 m）、長基線（100～6 000 m）系統等類型[9]。國外聲學定位系統的研發較為成熟，產品呈現多樣化和系統化。挪威Kongsberg Simrad 公司研發了HiPAP 系列和μPAP 系列水下聲學定位系統，作用距離可達10 000 m，測距精度達到0.02 m[10]；法國iXBlue 公司的GAPS 系列產品集成了慣導設備，定位精度可達到0.2%斜距，Posidonia 超短基線定位系統最大作用距離超過10 000 m[11]；英國Sonardyne 公司研發的水下聲學定位系統，如Fusion 系列、Ranger 系列、Scout 系列以及Marksman 系列等，囊括了長基線、短基線、超短基線定位系統以及組合定位系統[12]。

美國、俄羅斯等國家已開啟新型水下導航系統研發[13]。2015 年,美國國防高級研究計劃局（DARPA）提出構建“深海導航定位系統”，開始研究在海床上安裝聲學信號源，組成類似全球定位系統（GPS）的水下GPS；2016 年，美國在菲律賓海開展海洋聲學深水計劃，驗證水下GPS；俄羅斯也開展了水下導航定位系統研制，并通過低頻、被動接收的水聲定位方式進行水下導航誤差校準。

我國水聲定位技術研究和系統研發起步較晚，目前進入快速發展期。哈爾濱工程大學、中國科學院聲學研究所、西北工業大學和自然資源部第一海洋研究所等單位對水下聲學導航定位技術進行了深入研究[6,9,14]，經過近20 a 的努力，國內具備了全海深高精度聲學導航定位能力。在國家“十一五”“國家高技術研究發展計劃”的支持下，中國測繪科學研究院和中船重工715 研究所研制了“水下GPS 高精度導航定位系統”。哈爾濱工程大學牽頭、自然資源部第一海洋研究所合作研制了“長程超短基線定位系統”，工作水深超過3 700 m，作用距離達到8.6 km，定位精度為0.2%～0.3%斜距，達到國際先進水平，并獲得國家技術發明二等獎。

1.2 GNSS-A 定位技術研究背景及進展

全球導航衛星系統和聲學組合的定位方法（GNSS-A）由美國斯克利普斯海洋研究所（Scripps Institution of Oceanography,SIO）率先提出[4,15]，是一種將海面平臺上的動態GNSS 定位和水下聲學測距（海面平臺與海底聲學信標之間）相組合的技術。通過GNSS-A 定位，可以實現國際橢球參考框架（International Terrestrial Reference Frame，ITRF）下海底信標的位置測定（圖1）。美國Scripps 海洋研究所采用GPS-A（GNSS-A 的早期形式）定位系統同時對3 個海底信標進行聲學測量，24～48 h 連續測量的點位精度達到厘米級，80 h 連續測量的點位誤差則小于1 cm[16-17]。日本東京大學于1987 年首次嘗試在Sagami 灣進行海底定位實驗[18]。在20世紀90 年代中期，日本海上保安廳海洋水文部開始研發GPS-A 定位系統，2000 年在日本南部海槽2 000 m水深的熊野盆地部署了海底大地基準點[19]。目前，日本已采用GNSS-A 定位系統，獲取了許多重要的海底大地測量結果，包括探測地震之間的關系、同震以及震后與地震周期有關的俯沖區變形，和山脊變形邊界附近的板塊運動等[5,20]。近年來，在國家重點研發計劃項目“海洋大地測量基準與海洋導航新技術”的支持下，楊元喜院士帶領國內相關科研團隊，開展了海洋大地基準的技術攻關，采用GNSS-A 進行了海底大地基準站位置標校試驗，并布設了3 000 m 水深的海底大地基準點，實現了分米級精度的海底定位和米級精度的水下聲學導航[2]，取得了系列研究成果。

圖1 GNSS-A 定位原理Fig.1 Schematic of GNSS-A positioning

目前，我國GNSS-A 定位技術方面主要集中于定位模型和算法研究，包括誤差處理、隨機模型和函數模型優化等。為了提高定位效率，Yang 等[21]、Zhao 等[22]研究了利用聲速剖面的先驗信息反演聲速進行定位解算的方法；孫文舟等[23]利用經驗正交函數（Empirical Orthogonal Function，EOF）反演了聲速剖面信息，張林虎等[24]研究了基于分層EOF 函數的區域聲速場模型構建方法。為了提高定位精度，Chen 等[25]針對桿臂矢量垂向偏心誤差與海底基準點高程間的耦合問題，提出了基于樣本搜索法的偏心誤差解算方 法；Chen 等[26]、Chen 等[27]、趙建虎等[28]、曾安敏等[29]分析了圓形航跡的定位優勢。針對聲速結構時空變化，Yang 等[30]結合Fujita 等[31]方法，從定位殘差中擬合聲速長期時域變化項、聲速周期性變化項；劉楊等[32-33]通過構建聲速時變引起的水聲垂向總時延，聯合估計了聲速時域變化和海底大地基準點位置，估計改正的聲速與實測聲速的偏差小于0.13 m/s，提高了海底大地基準點坐標的準確度；Wang 等[34]采用兩步估計法，分別估計了海底大地基準點的位置、系統誤差，以及聲速長周期項誤差。關于隨機模型優化，Zhao 等[35-36]、王薪普等[37]提出了與聲線入射角相關的分段指數隨機模型，馬越原等[38]指出了海洋環境的復雜性影響隨機模型的效果?？紤]函數模型對定位的影響，Li 等[39]、閆鳳池等[40]研究了基于單向、雙向聲學傳播時間的定位觀測方程；鄺英才等[41-42]研究了聯合解算船載換能器與海底大地基準點位置的方法；Xu 等[43]基于GNSS 差分定位思路，提出了水下定位差分觀測方程；Chen 等[26]、孫文舟等[44]研究了附加深度約束的差分定位算法；Xue 等[43]進一步證明了水下定位差分解和非差解的等價性。趙建虎等[45-46]提出了基于絕對標校+相對測量的海底網平差思路，實現海底大地基準網的整體解算。面對復雜海洋環境，為了增加海底大地基準測量的可用性、可靠性、精確性，需要進一步完善定位算法，建立海洋場景的自適應彈性隨機模型、彈性函數模型[30]。

2 海底大地基準建設關鍵技術

海底大地基準站包含水下潛標和海床基兩類。水下潛標基站一般由浮球、觀測設備、纜繩、聲學釋放器、配重等組成[47-48]。隨著潛標離海底高度的增加，可以有效擴大基準站的服務范圍。由于水下潛標隨著海水運動而晃動，潛標通常需要搭載壓力計、姿態傳感器等設備以實時修正其位置，因此這種類型的海底基準站技術難度大、位置精度低。海床基是主要的海底基準站布放方式，具有穩定性好、集成度高等優勢[49]。海床基基站通常包括坐底平臺（包括配重）、聲學釋放器、水下電源、回收浮體，以及搭載的各種傳感器等。常見的淺海海床基基站外觀主要以圓形和多邊形為主，圓形尺寸一般以直徑1～6 m 為主，如加拿大“海王星”海底觀測網（NEPTUNE）使用的海床基直徑約6 m；意大利PROTECOSUB 公司的海床基以圓形結構為主，美國伍茲霍爾海洋研究所研制的海床基則以多邊形結構為主。深海海床基基站通常配備支撐框架，框架中間部分集成有觀測儀器、電池倉等設備，框架支撐腿與腳部配重盤則作為坐底的配重。

穩定的海底大地基準站是海底大地基準網的基礎，“放得穩、測得準、待得久”是海底大地基準站的建設目標?！按镁谩敝饕婕半娫茨芰抗獑栴}，這里暫不討論；本文按照“放得穩”和“測得準”的要求，從海底基準的站址勘選、布放回收、位置標校等關鍵技術，討論海底大地基準建設的研究進展。

2.1 站址勘選

海底大地基準站的站址尤為關鍵。由于海底環境復雜，極易造成基準站失穩，導致海底大地基準網失準，進而影響水下導航定位精度。為此，海底大地基準站的站址選擇一般遵循大范圍（面）→局部區域 →布放點（點）的總原則，需要開展桌面研究和現場勘測等工作，涉及到海底地形、地貌、底質、水文、聲學等觀測技術。由于水深地形、地貌底質、水文環境調查屬于通用技術，這里不再贅述，只介紹相關工作和技術要求。

2.1.1 桌面研究

收集歷史調查資料，包括水深地形地貌、工程地質、水文環境、聲速環境等資料，分析海底地形地貌特征，考慮海底淺表層底質分布及其工程地質特征，了解海底底流和聲學傳播狀況，獲取海底平整度、淺表地層活動性與穩定性，以及水動力特征，同時依據海底大地基準站的外部形態、重量、工作方式與性能指標[2,50]。初步甄選海床自身穩定性較好的局部區域作為海底大地基準站布放海區，保證站址選擇的合理性與科學性。桌面研究主要考慮如下因素。

1）地形坡度

收集水深地形數據，生成海區坡度DEM（Digital Elevation Model）和坡度等值線。以3°和5°為閾值進行劃分，按坡度將海區劃分為小于3°區域、3°～5°區域、大于5°區域。盡量選取坡度小于3°海區。

2）動力地貌類型

選取海區海底地貌應具有地形平坦、起伏小等特征，如深海平原地貌，其底部流場相對穩定，且具有地面平坦或無起伏等特征。

3）表層沉積物承載力

選取海區表層沉積物類型應以粉砂和黏土為主；以粉砂（包含粉質黏土和黏土質粉砂等類型）的承載力滿足地層穩定和承載力條件。

4）地質災害

不管是具有活動能力的破壞性地質災害，還是不具有活動能力的地質災害，都是對海底穩定性造成影響的潛在因素。因此，海區的選擇要避開各種海底地質災害的分布區域，如斷層、滑坡、沖刷槽、海底峽谷、沙波沙丘、麻坑、淺層氣、易液化砂層、軟弱地層等。

5）試驗成本

除了上述從自然環境條件進行布放位置的考慮，同時從交通便利性角度出發，對距離和通航條件進行分析?？紤]試驗成本，確定試驗海區。

2.1.2 現場勘測及定址

現場勘測采用多波束測深系統（Multi-beam Echo Sounder System）、側掃聲吶儀（Sidescan sonar）、淺地層剖面儀（Sub-bottom Profiler）等高分辨聲學探測系統，利用高頻和低頻聲吶，對目標海域進行全覆蓋水深、海底地形地貌測量、工程地質調查和水文環境調查，查明目標海域的詳細環境信息[50]。其中，多波束測深系統從海面換能器發射聲波束條帶，通過水聽器接收海底反射回波,以獲取高精度水深信息、海底地形數據，如德國L-3 ELAC Nautik 公司的SeaBeam 3012 全海深型多波束，發射頻率為12 kHz，測量水深為50～11 000 m[51-52]；多波束測深系統還能獲取海底的反向散射強度數據，用于海底底質分類[53]。側掃聲吶的發射頻率范圍為50～500 kHz，可用于海底地形地貌測量[54]。淺地層剖面儀的發射頻率較低，具有較強的穿透力，能夠有效地穿透海底數十米的地層，通過反射波的走時、振幅、頻率等信息，連續探測水下淺部地層結構、構造和底質等信息[55]。

勘測期間，配合多波束測深、側掃聲吶掃測等需要，采用聲學多普勒流速剖面儀（Acoustic Doppler Current Profiler，ADCP）、重力取樣儀等進行海洋流場測量、底質取樣調查也是重要的勘測內容。海底大地基準站的背景聲速場是站址勘選需要考慮的重要因素，需要開展聲速剖面現場測量。

對現場勘測數據進行精細處理和系統分析，獲得調查區域的水深地形地貌、沉積物類型、工程地質特征、水文環境和聲速環境等成果。根據這些成果，選取海底起伏度、海底坡度、沉積物類型分布、構造穩定性、工程地質力學性質、地層沖淤特征與地層穩定性等作為站址勘選主要評價指標。在遵循選址總原則的基礎上，基準站需布放安全、運行穩定，滿足作業要求，由此確定海底大地基準站站址勘選的5 級標準，其中1 級最優、3 級適宜、5 級最差（表1）。

表1 海底大地基準站站址勘選指標集與評價標準Table 1 Index set and evaluation criteria of station site survey

2.2 布放與回收

海底大地基準站的布放包括直接投放方法、吊裝布放法、ROV（Remote Operated Vehicle）布放法等。直接投放方法針對淺海及簡單水下環境的場景，通常在貼近水面上方將脫鉤打開，利用基準站自重下沉到海底[56]。該方法操作簡單、投放速度快，但受海水動力影響，基準站的實際坐底地點與預期位置容易出現較大偏差。吊裝布放法是在調查船甲板由絞車進行吊裝布放[48,56]（圖2a）；布放時絞車以0.5～1.0 m/s 的速度下放基準站，為避免觸碰海底，基準站距海底約10～20 m 時，由聲學釋放器甲板單元向水下發送釋放指令，命令聲學釋放器脫鉤，基準站自由落體坐底。吊裝布放法容易受到涌浪及海流的共同作用，吊放狀態下基準站的擺動幅度可達十多米，無法實現精準定點布放。ROV 布放法可將海底大地基準站精準布放于預定位置[57]，該方法首先通過ROV 將海底大地基準站運送到近海底位置并懸停，然后操作ROV 移動到目標位置后釋放海底大地基準站。加拿大科學潛水設施的海洋科學遙控操作平臺（Remotely Operated Platform for Ocean Science，ROPOS），采用ROV 布放法，先后實現了加拿大和美國的觀測網設備的精確定位布放。ROV 布放法操作復雜，且需要多種設備同時作業，成本較高。

圖2 海底大地基準站布放示例Fig.2 Example of seafloor geodetic station deployment

海底大地基準站回收主要有2 種方式[48-49]。一種方式是水面甲板單元向海床基聲學釋放器發送釋放指令，海床基釋放器打開，丟掉配重，浮體攜帶儀器上浮海面并打撈回收。另一種方式是利用浮體攜帶的回收繩索將海床基打撈回收，這種方式只適合于淺海，通常，儀器設備回收后可拋棄海床基。

2.3 位置標校

位置標校即獲得海底大地基準站的絕對位置，需要通過GNSS-A 定位系統將陸地的絕對基準傳遞到海底大地基準站。采用海床基方式布放的海底大地基準站，一般需在海床基上搭載一個聲學應答器，應答器的相位中心即為海底大地基準站位置（圖2b）。另外，海底大地基準站也需配備電池以供長期、穩定地運行[58]，也可搭載其他傳感器，如自容式溫鹽深測量儀、壓力傳感器等設備[59]。海底大地基準站在布放時，一般按照組網的方式，通常由3～6 個基準站組成三角形或方形的基準網[60-62]；位置標校時通常采用圓形標校線路，圓形經驗半徑一般采用1.414 倍水深。

2.3.1 GNSS-A 定位系統

GNSS-A 定位系統主要包括GNSS 天線/接收機、水下聲學傳感器、姿態傳感器等[60,63]。位置標校首先通過秒脈沖信號或GPS 時間完成GNSS-A 定位系統的時間同步，然后使用GNSS 測量海面平臺上GNSS 天線的位置，利用GNSS 天線和聲學換能器之間的相對位置，以及海面平臺的姿態（航向、俯仰和橫滾角），確定海面平臺上聲學傳感器的位置，接著基于聲學傳感器發射聲學信號并接收來自海底聲學應答器的反射信號，獲得海面聲學傳感器和海面應答器之間的往返傳播時間(Time of Flight，TOF)，最后，通過最小化TOF觀測值和計算值之間的偏差，估計海底應答器的位置。

GNSS-A 定位系統使用的海面觀測平臺種類較多，主要包括調查船、無人艇、浮標等觀測平臺[64-67]。

1）調查船觀測平臺

調查船觀測平臺根據觀測方式主要包括船舷懸掛方式、船底固定方式兩種[60]。船舷懸掛方式將設備安裝在船舷的一根桿子上，GNSS 天線和姿態傳感器安裝在桿的頂部，聲學換能器安裝在桿的底部。每次采集數據時，連接桿需要單獨安裝；連接聲學換能器的一端放入海水中，為避免干擾、保證觀測質量，需盡量遠離螺旋槳和發動機，遠離船底1 m 以上。為了避免船只螺旋槳引起的噪音和水中負荷過大而導致的桿子變形，要求在船只漂流或低速運行時進行聲學測量[31]。船舷懸掛方式需要花費2～4 d，才能夠獲得足夠多的聲學觀測數據。船底固定方式將設備固定安裝在船上，如聲學傳感器安裝在船底月池內，GNSS 天線安裝在主桅桿頂部。船底固定方式能夠在船只沿預定航跡航行的情況下進行聲學觀測，并且觀測時間可縮短至16～24 h。為了進一步提高觀測頻次、減少觀測時間，開發了多聲測距換能器，可在一個觀測序列中進行多次信號發射和接收[60]。這種新的換能器連續發射聲學信號，一次性接收所有的回波信號，可以在3～4 h 內完成聲學觀測。

調查船觀測平臺能達到厘米級海底定位精度，可以獲取高分辨率、長周期的海底基準站位置變化，但需投入大量資金和人力，且作業期間一旦船體安裝的換能器發生故障，無法及時進入船塢修復，使得長期連續觀測變得困難[68]。由于觀測頻次的不足，調查船觀測平臺難以檢測到海底基準站短期位置變化，需要提高GNSS-A 觀測的時間分辨率，理想解決方案是使用海面無人平臺進行連續觀測，如浮標、海面無人艇等[58,65-66,69]。

2）無人艇觀測平臺

Kido 等[65]測試了使用海面無人艇（Autonomous Surface Vehicle，ASV）搭載的GNSS-A 定位系統，其配備導航和聲學測距系統的ASV，可以獲得與調查船觀測平臺同等質量和精度的結果，有助于降低調查成本、增加GNSS-A 觀測頻次[70-71]。與調查船觀測平臺相比，ASV 動力系統由大型電池提供電力，并由船上的柴油發電機充電，推進器噪音可以忽略不計；且ASV 在定點位置可保持3 m 以內，沿著預定航跡航行的路徑差異小于2 m。因此，ASV 可作為GNSS-A 定位的候選平臺。Sakic 等[72]將GNSS-A 定位系統安裝在美國L3 Harris 公司設計的小型雙體船上，系統主要包括GNSS 天線/接收機，超短基線模塊，并集成慣性系統來校正船體位置；該GNSS-A 定位系統對淺水應答器的定位實現了5 cm 的可重復性。Linuma 等[68]證明了波浪滑翔器（Wave Glider，WG）同樣具備搭載GNSS-A 定位系統的能力。波浪滑翔器可以依靠太陽能電池板產生足夠的電力，實現自動導航、衛星通信和GNSS-A 觀測；該GNSS-A 定位系統的設計目標是進行實時數據處理，目前，仍需完善聲學傳播時間的實時檢測問題[73]。無人艇觀測平臺受海面風浪的影響較大，平臺姿態精密測量、及由此帶來的聲信號傳播與定位的影響也是需要考慮的問題。

3）浮標觀測平臺

錨系浮標作為海面平臺，能利用GNSS-A 定位系統對海底地殼形變進行連續的實時測量[66]。Imano 等[67]驗證了使用浮標進行3 000 m 深度海底定位的準確性，但是由于浮標是錨系的，在黑潮洋流影響下，浮標在半徑4 000 m 的范圍內漂移。Tadokoro 等[58]基于一個直徑為8 m 的大型錨系浮標開發了GNSS-A 定位系統，浮標的漂移范圍在150～200 m 內。該系統的GNSS 天線和衛星通信天線安裝在浮標的頂部，聲學傳感器用一根不銹鋼柱子連接并安裝在水下約1.7 m 處。使用浮標觀測平臺進行了106 d 測試，GNSS-A 定位系統能夠獲得高質量的聲學數據。日本東北大學在2010 年采用小型浮標進行了海上試驗，由于電力供應問題，試驗僅持續了2 d 時間[65]。在此基礎上，日本東北大學改用大型錨系浮標，并在熊野灘進行了2 次實時的GNSS-A 觀測試驗，成功獲取了近10 個月的觀測數據。目前，浮標觀測平臺仍需解決電氣系統問題，以滿足系統運行的電力需求。

2.3.2 數據采集方法

GNSS-A 定位系統的測量值為聲學信號從換能器到應答器的往返傳播時間。聲學信號傳播時間與海水中的聲波傳播速度密切相關，需要利用聲速剖面儀(Sound Velocity Profiler，SVP)、溫鹽深測量儀(Conductivity-Temperature-Depth profiler,CTD)和拋棄式溫鹽深測量儀(Expendable Conductivity-Temperature-Depth profiler,XCTD）等設備采集現場聲速剖面，每隔幾小時進行一次。系統同時收集動態GNSS 數據，船只的姿態由姿態傳感器測量，GNSS 天線和換能器之間的相對位置在船塢通過地面測量確定，用于確定換能器相對于GNSS 天線的坐標。

1）測量策略

GNSS-A 定位系統的測量策略按海面觀測平臺與海底大地基準站的位置關系，可分為靜態測量和動態測量。靜態測量將海面觀測平臺維持在海底大地基準網中心上方連續進行聲學測量，其主要應用代表為美國Scripps 海洋研究所和日本東北大學[17,74]。靜態測量需要事先確定海底大地基準站之間的相對位置和深度，只能獲得海底大地基準網中心的水平位移[4]。在此基礎上，日本海上保安廳、東京大學以及名古屋大學開發了動態測量策略，通過海面平臺按預定航跡圍繞海底大地基準站動態觀測聲學數據，動態測量策略還可以進行垂直方向定位[19]。與GNSS 衛星分布對定位影響類似，空間分布良好的聲學數據可以減少估計基準站的位置偏差。通過航行觀測收集幾何對稱的數據，GNSS-A 定位精度和觀測效率都得到了提高[60,63]。為了提高定位的穩定性，通常假設在整個觀測期海底大地基準網的幾何形狀是恒定的[75-76]。Honson 等采用了兼容的測量策略，同時使用靜態和動態測量模式采集GNSS-A 數據來確定海底大地基準網中心位移[74,77-78]。對于海底大地基準網的標校，也可采用靜態和動態測量策略?？紤]標校效率和精度，可以采用對單個海底大地基準站進行絕對校準，對海底大地基準網（站）進行相對測量，即絕對校準+相對測量策略[45-46,79]。前者實現絕對基準從海面傳遞到海底大地基準站（時間長且受全水深聲速誤差影響），海底大地基準網點之間相對測距（海底等溫層，聲速的影響非常小，相對測量精度高），類似于GNSS 控制網測量方法，采用網平差技術實現整體解算。

2）聲學觀測

GNSS-A 定位的核心是聲學觀測，需要精確測量聲學信號在換能器和應答器之間的往返傳播時間。海面換能器向海底應答器發送聲學信號，海底應答器作為信號轉發射器，接收并返回從海面平臺發出的聲學信號。東京大學開發的GNSS-A 定位系統中，換能器發射2 個雙相調制的聲學信號，分別用于信號識別和測距信號，載波頻率為10 kHz；系統中使用的調制序列碼是8 階、9 階M 序列碼（M-sequence）。名古屋大學開發的GNSS-A 定位系統則采用了5 階M 序列碼[58,60]。如果應答器識別信號，應答器就會記錄下后續的測距信號，并在設定的間隔時間后，應答器將重新編碼的測距信號與新的識別信號一起發送海面。在聲學測距期間，利用M 序列碼的特性，可以通過檢測合成信號和接收的聲學信號之間的互相關函數（Cross-Correlation Function，CCF）峰值，確定精確的信號傳播時間[19,73]。

GNSS-A 測量的聲學信號傳播時間需要轉換為換能器與應答器之間的空間距離?？臻g距離計算值由聲線跟蹤確定，需要海水中的聲速剖面，利用SVP 測量數據，或者利用CTD 測量的溫鹽深數據采用經驗公式轉換為聲速[80]。采用線性或方形方式布設聲速剖面測量站位，聲速剖面測量采用定點SVP 為主、CTD 為輔的方式，適當補充XCTD 測量。調查區內影響聲速的水文條件（溫度、鹽度等）變化較大時，需增加聲速剖面的測量次數，在XCTD 作業時，船速必須降至適當航速。

2.3.3 標校線路設計

空間分布良好的聲學數據可以提高GNSS-A 定位精度。靜態測量策略中，海面觀測平臺保持在海底大地基準網中心上方，觀測平臺與基準站形成一個圓錐形對稱結構；動態測量策略中，海面觀測平臺通常圍繞海底大地基準站沿圓形航跡航行，觀測平臺與基準站形成倒圓錐形對稱結構，圓形航跡被認為是定位精度最高的標校線路[28,81]?？紤]到船舶姿態和海水湍流對聲學測量的影響，海面平臺最大航行速度為6～7 n mile/h[82]。因此，往往需要相對較長的觀測時間，而且很難通過提高船速來減少觀測時間。

為了提高定位精度和效率，趙建虎等[27]利用幾何精因子（Geometric Dilution Of Positioning，GDOP）表示定位精度，通過尋求GDOP 的最小值，給出圓形航跡最佳半徑。如果修正了聲速誤差，航行半徑為海底大地基準站深度的1.414 倍時，定位精度最高；若考慮聲速影響，航行半徑為深度的1.045 倍時，定位精度最高。另外，海面觀測平臺與海底大地基準站形成的幾何結構決定了Fisher 信息量，航行半徑為深度的1.414 倍時，Fisher 準則矩陣表征的定位精度也達到最佳[26]。

由于GNSS-A 定位中平面方向的幾何對稱性，平面定位精度有了很大的提高[81]，但海面觀測平臺與海底大地基準站的高度差幾乎是相同的，導致GNSS-A 定位在垂直方向上存在固有的幾何缺陷，需要增加垂直方向的約束，如海底深度傳感器測量的深度[26,79]。另外，增加一個過頂的十字交叉航跡也可以提高垂直方向定位精度[26]?？紤]聲速空間變化，同時利用多條聲學路徑可以實現高精度的聲學觀測[71]。因此，設計空間對稱的圓形和十字交叉標校線路是合理和科學的（圖3）。

圖3 標校線路設計Fig.3 Design of survey line

3 GNSS-A 數據處理技術

3.1 誤差來源分析

GNSS-A 定位誤差源包括2 類：一類是海面換能器有關的誤差，如GNSS 定位誤差、GNSS 天線與海面換能器相對位置偏差、姿態偏差等；另一類是聲學信號傳播有關的誤差。聲學換能器位置通過GNSS 定位獲取，如Hexagon 公司的VeriPos、NavCom 公司的Starfire、Fugro 集團的OmniSTAR 等實時定位服務，以及后處理精密單點定位（Precise Point Positioning，PPP），前者可提供分米量級的實時導航定位服務，后者則能夠實現厘米級的動態定位精度[83-84]；慣性測量單元的姿態測量精度可達0.01°[72]；GNSS 天線與海面換能器相對位置可通過全站儀精確測定，也可作為待估參數參與定位解算[25]。聲學信號傳播有關的誤差有2 種：一種是傳播時間的量測誤差，一種是聲速誤差。

GNSS-A 定位系統可以精確測量直達波聲學信號傳播時間，時間量測誤差約為3～10 μs，海水中聲學信號若以1 500 m/s 的速度傳播，聲學測距的分辨率優于1.5 cm[43,59,80]。直達波聲學信號經常受到海面反射波的影響，在互相關波形時序中，波峰與直達信號到達時刻存在偏差[64]。反射波表現為多重峰值，若將反射波錯誤識別為直達波，會導致聲學信號傳播時間的量測誤差[58,85]。Honsho 等[86]考慮了聲學信號入射角與互相關波形的關系，提出了一種相位互相關法（Phase-Only Correlation，POC），以減少傳播時間測量的不確定性；Tadokoro 等[58]引入了能量比概念（Energy Ratio，ER）檢測識別直接波。由于Tadokoro 等設計了浮標平臺搭載GNSS-A 定位系統，直接波和海面反射波之間存在1.3～1.8 ms 的時間延遲，即使聲學信號被海面反射污染，也可以有效地分辨出反射波。此外，動態測量策略中海面觀測平臺與海底大地基準站的相對運動會引起聲學信號的多普勒頻移，通常在聲學信號的探測與識別過程中需移除多普勒效應影響[63,87]。

聲速誤差是GNSS-A 定位的主要誤差，來源于沿聲學信號傳播路徑的海洋聲速結構（Sound Speed Structure，SSS）的時空變化。海洋聲速主要與海水溫度、鹽度和靜壓力有關[88]。海表面混合層的存在改變了層內的溫度和鹽度分布，而溫度和鹽度主要影響上層海洋的聲速值，隨著深度增加，海水混合作用減弱，溫度和鹽度分布趨于穩定，壓力隨著深度的增加而增加，聲速也呈單向增加趨勢。因此，從海表面到海底的SSS 主要呈垂向分層[89]，SSS 的時空變化主要體現在海洋上層。此外，SSS 具有混合的時空異質性，聲速的時間、空間變化尺度均有所不同[61,90]。相比聲學信號傳播時間，海洋聲速變化具有更大的空間和時間尺度，難以實現聲速的連續測量以表征聲速時空變化，而且聲速測量準確度通常是相對的，由于聲速測量設備的校準誤差，可能每秒會出現幾米的偏差，一個恒定的聲速偏差也可作為未知參數參與定位解算[89]?；趯崪y聲速數據，使用經驗正交函數反演的聲速存在時空分辨率不足等問題[23]。聲學信號傳播時間包含了聲學信號路徑的聲速變化信息[89]，因此，在GNSS-A 定位中，可以同時估計聲速的變化和海底大地基準站的位置[31,77,89]。

3.2 參數估計方法

結合GNSS 和聲學的觀測數據可以估計海底大地基準站的位置。理想情況下，如果海底大地基準站位置的估計值與真實值一致，那么計算出的兩個單程傳播時間之和應該等于觀測的往返傳播時間；當海底大地基準站位置的估計值與真實值有偏差時，計算的傳播時間與觀測時間也存在偏差。海底大地基準站位置最優估計的過程，是使傳播時間測量值和計算之間的時間偏差（Observation Minus Computed，OMC）平方和最小的過程[31,87,91]，即

3.2.1 解算策略

GNSS-A 定位用于獲取海底大地基準站的位置，其參數估計策略分為整體解和歷元解兩類。整體解算方法通過長期觀測的GNSS-A 測量數據來完成定位解算[31,76-77]，24 h 的觀測數據可獲得±1.5 cm 的定位精度，3～4 d 的觀測數據可獲得亞厘米級定位精度[5]。歷元解算則利用1 組聲學觀測數據完成定位解算[61]，由于海洋聲速結構的時空變化，歷元解算存在幾十厘米的定位誤差[91-92]。通常利用靜態測量策略的觀測數據進行定位解算，即在海底大地基準網的中心上方采集GNSS-A 數據，其定位精度隨距離海底大地基準網中心越遠會逐漸下降[64,67,71]?；诤Ｑ舐曀俳Y構具有垂向分層特征假設，利用對稱分布的長時間聲學觀測數據，可以削弱聲速時域變化對海底大地基準站位置估計的影響，提高海底大地基準網中心的水平方向位置精度，但是靜態測量策略無法獲取精確的垂直方向位置[31,87]。因此，靜態測量策略需要額外的觀測，如壓力傳感器觀測的深度信息，以增加垂直方向的約束。將聲學信號到達方向和聲學信號傳播時間觀測數據同時納入最優化反演，可以提高定位解算精度[72]。動態測量策略按預定航跡動態采集GNSS-A 數據，可以獲得海底大地基準站的水平和垂直方向位置。部分學者通過GNSS-A 動態測量策略的觀測數據估計單個海底大地基準站的位置[32-33,77,87]，進而確定海底大地基準網幾何形狀。在假設海底大地基準網幾何形狀是恒定的情況下，約束基準網的幾何形狀，然后根據靜態測量策略的觀測數據，可精確估計基準網的中心位置[4,75,77,91]。對于海底大地基準網的絕對校準+相對測量策略，可以采用網平差技術實現整體解算。受海底大地基準網的網形結構影響，海底大地基準站的垂線解精度不高，甚至出現解算不穩定問題，因此同樣需要引入外部約束，如壓力傳感器測量的深度/深度差[45-46]。

3.2.2 聲速誤差估計

參數估計策略受到海洋聲速結構時域變化的影響。在聲速結構具有垂向分層特征的基礎上，Fujita 等[31]、Ikuta 等[87]提出了同時估計海底大地基準站的位置和聲速時域變化的方法，前者利用定位殘差提取多項式擬合的聲速時域變化，迭代修正位置參數，后者則基于B 樣條函數參數化表示平均聲速時域變化，聯合位置參數迭代計算；進一步地，GNSS 定位中“天頂對流層延遲”（Zenith Total Delay，ZTD）[93]的概念被引入，Kido 等[89]、Honsho 等[77]提出了用“垂向總延遲”（Nadir Total Delay，NTD）表示平均聲速時域變化，聯合解算NTD 和位置參數的方法。

實際海洋聲速結構同時存在時間和空間變化。Yasuda 等[94]假設1 000 m 以淺水層的聲速結構受黑潮的影響向一個方向傾斜，構建了包含聲速時域及其水平梯度變化的模型；Yokota 等[95]從直接估計的聲速時域變化中提取了淺水層的聲速水平梯度變化，但與海底大地基準站位置有關的深水層梯度變化無法用聲速時變模型表示，結合Fujita 等[31]的方法從定位殘差中可以提取這部分聲速變化；Honsho 等[78]在NTD 的基礎上，考慮了更為普遍的方向性聲速梯度（Direction NTD Gradient），主要與海底大地基準站位置有關。Tomita 等[61]、Watanabe 等[96]分別測試了靜態、動態測量策略的海底大地基準站位置、聲速時域變化和聲速水平梯度參數聯合估計方法。

海洋聲速結構還具有混合的時空異質性，包括短周期（短波長）的異質性以及長周期（長波長）的異質性。通過空間對稱分布的長時間GNSS-A 數據，整體解算策略可以成功消除聲速結構的長周期異質性[78]。而受到聲速結構的短周期異質性影響，歷元解算策略的定位結果較差[74]。劉楊等[32-33]指出定位的聲速殘余誤差主要來自海流、內波等引起的聲速水平梯度變化，通過聯合估計聲速垂向結構和聲速水平梯度的時域變化，降低了聲速殘余誤差，提高了海底大地基準站坐標精度。目前仍缺乏深入的海流、內波引起聲速變化物理機制探究，需要進一步了解其時空特征（如時間、空間范圍）[71,90]。除了更密集頻繁的船載GNSS-A 定位，結合多個觀測平臺的協同觀測方式，可以更加有效地建立短周期異質性模型[60-61,90]。

3.3 精度評定方法

GNSS-A 定位結果精度評價通過比較不同解算結果的可重復性，如考慮不同策略觀測之間的重復性[63,97]。Sato 等[63]對比了不同觀測策略的定位結果，動態觀測策略的重復性約為2 cm，比靜態觀測策略平均降低了30%。GNSS-A 定位精度也可以通過對斜距殘差的統計分析間接描述[98]。而Chen 等[59]設計了1 套海底聲學應答器系統（Seafloor Acoustic Transponder System，SATS）來直接評估GNSS-A 定位的準確性。SATS 有3 個應答器和1 個姿態傳感器，可以提供應答器基線的真實長度和真實姿態信息，以確保對GNSS-A 定位評估的可靠性和有效性。使用GNSS-A 定位數據估計SATS 上3 個應答器的位置，并計算基線長度和姿態角，通過比較真實基線和姿態與計算結果，可以直接評估GNSS-A 海底定位的準確性。Chen 等[59]還進行了敏感性分析，以研究GNSS-A 定位結果對聲速變化的穩健性。在聲速偏差很大的情況下會嚴重惡化GNSS-A 定位的質量，敏感性分析同樣可以證實GNSS 和聲學測量是可靠的。

4 應用及展望

4.1 海底大地基準建設技術主要應用

海底大地基準建設技術除滿足水下潛航器導航定位需求外，目前主要應用于海底精密工程測量、海底形變監測。近幾十年來，陸地大地測量手段，如合成孔徑雷達（InSAR）和全球定位系統（GNSS），提供了近地空間、海洋表面高時空分辨率的定位和監測能力[5,99-100]。然而，InSAR 或GNSS 無法適用于水下、海底場景。采用GNSS 和聲學測距的海底定位技術可以應用于海底精密工程測量，包括大型海洋平臺安裝和穩定性監測、海底大型沉管隧道對接等。監測海底地殼形變對于掌握全球地質構造運動至關重要，自20 世紀80 年代提出聲學方法監測海底形變的概念以來[4]，基于GNSS-A 定位技術已實現了在全球參考框架內對海底點的精確測量[5]，海底水平構造運動監測的分辨率達到了厘米級[17]，并成功應用于揭示大洋構造板塊的運動和變形、俯沖帶和其他板塊的地震過程，以及海底火山和擴張中心的變形[101-102]。

基于海底大地基準測量技術的海底形變監測應用在日本取得了較好的發展[8]。日本水文和海洋局(Hydrographic and Oceanographic Department,Japan Coast Guard)已經在日本太平洋一側的海底部署了15 個以上的海底大地基準站，用以檢測和監測由大洋板塊俯沖引起的海底地殼形變[31]。2011 年日本東北9.0 級(Mw)地震后，日本開發了一種新型的海底大地基準站，可以在5 000 m 以深的海底工作，其聲學通信范圍大于15 km[65]。2012 年沿日本海溝建造了20 個新的GNSS-A 海底大地基準站，大部分站點位于海溝軸線兩側，深度大于5 000 m。

4.2 海底大地基準網建設展望

海底大地基準網是新型海洋觀測平臺。雖然以GNSS-A 為代表的海底大地測量技術已取得了顯著的進步，海底大地基準網的建設工作仍然任重道遠，面對新一代國家綜合PNT 系統的建設需求和水下導航定位實時應用需求，需要進一步開展海底大地測量技術的海洋聲速誤差處理、時間同步及標校方法等方面的技術研究，也需要在分級組網和立體觀測方面開展應用研究。

4.2.1 技術層面

1）聲速誤差處理

GNSS-A 定位精度受聲速時空變化影響，需要精細化處理聲速。通過海洋環境信息構建區域/全球海洋聲速場模型，采用同步觀測方式反演聲速誤差、生成并播發聲速誤差改正產品，提高水下導航定位精度。

2）時間同步

海底大地基準網的空間基準可統一至國際橢球參考框架，但是在時間基準統一方面差距巨大，需要重點解決海底大地基站間的時間同步以及水下用戶與基準網之間的時間同步，海底大地基準網的時間基準統一方法將是建設海洋綜合PNT 的難點和關鍵。

3）標校方式

調查船沿預定航跡航行標校海底大地基準站位置觀測時間長、觀測頻次低，且耗費大量人力物力，需要進一步優化GNSS-A 定位方法。一方面可發展多種觀測手段，如聯合船舶、浮標、無人艇、水下滑翔器等平臺，優化觀測航跡及觀測采樣頻率，實現快速實時標校；另一方面可借助立體組網優勢，綜合多源信息，提高GNSS-A 位置標校的效率、精度，增加海底大地基準測量技術的可用性、可靠性、精確性。

4.2.2 應用層面

1）分級布設

考慮到我國海底大地基準網建設的需要和巨大的經費需求，需進一步探索海底大地基準網的分級布設方法。由于海底大地基準網使用率低且不易長期保存，在布設海底大地基準站時，應采用“分級布設”原則，先在大范圍內布設首級網，然后在建成區域或急需提供水下導航定位服務區域布設次級網。這樣既能達到合理布網、滿足急需急用的目的，又能方便大地基準網的擴展和加密?？紤]不同用戶的應用需求，在布設海底大地基準站時，還應采用“低頻引導，高頻定位”原則，通過在海底大地基站搭載低頻信號聲吶設備提供遠距離位置引導服務，布設高頻信號聲吶設備提供近距離高精度導航定位服務。

2）立體組網

面向大范圍、高精度、多領域的海洋觀測需求，需進一步發展海底大地基準組網和服務方式，也需要綜合海底觀測網和海底大地基準網的統一建設問題。通過構建海面、水下、海底一體化立體觀測網絡，進一步優化網型設計、布放回收、位置標校等方法，擴大服務范圍、提高定位精度；同時，支持多傳感器協同作業，實現大范圍、多領域的海洋觀測。