海洋定位导航技术及发展

海洋定位导航技术及发展研 10.5 班杨磊 2010010533山东科技大学关键词：GPS导航定位海洋摘要：海洋定位导航含水上、水下2部分。本文介绍其发展，概述其传统和现代方法，探讨 其未来的发展趋势。引言：海洋定位导航关系重大，涉及到我国的海岛主权与海洋经济发展等国家大计。只有海 洋导航与定位搞好了，我们的海军才可以精确的执行军事任务，震慑日本、越南与我国有海 洋纠纷的国家，我们的海洋经济才能走上科学发展道路。海洋定位与导航技术在古代就已经出现。随着指南针的发明，星象规律的发现，郑和的率领 的舰队七下西洋，在波涛汹涌的大海中没有一次走失，向世界展示了我国的强大航海力量， 其功劳在于海洋定位与导航的技术（牵星术）。近代历史上丧国辱权的不平等条约无一不是 从海洋战场的失败开始的，八国联军入侵从海上开的火；日本人发动了甲午战争，北洋舰队 的全军覆没，丧失黄海海权。中国的国际地位则一落千丈，财富大量流出，国势颓微。海洋是国家的门户，保不住就等于自家大门没有锁，海洋定位导航技术就是这把锁的钥匙之一。1、水上水上定位导航技术从几千年前的天文定位技术、罗盘等，到21世纪的GPS空间测量技术， 精度得到了极大的提高。我国古代，很早就将天文定位技术应用在航海中。东晋僧人法显在访问印度乘船回国时 曾记述：“大海弥漫无边，不识东西，唯望日、月、星宿而进”。宋、元时期，天文定位技 术有很大发展，使用量天尺；到了明代，采用观测恒星高度来确定地理纬度的方法，叫做“牵 星术”，所用的测量工具，叫做牵星板。根据牵星板测定的垂向高度和牵绳的长度，即可换 算出北极星高度角，它近似等于该地的地理纬度。郑和下西洋，在航行中就是采用“往返牵星为记”来导航的。郑和七下西洋，是世界航海史上的伟大创举。上万人的船队远航，与大海波涛、明岛暗 礁及变化万千的恶劣气候搏斗，必须能准确地测定船舶的地理位置、航向和海深等。他们使 用“牵星术”做到了。令人觉得遗憾的是，郑和下西洋，不仅未能使中国称霸海上，也未能带来可观的经济利 益，反而“国库耗空”。到清代，更“片板不得下海”，闭关锁国，遂至近代海权没落，同 时亦丧失了与欧洲交流工业革命的机会。李清航海使用的是“六分仪”，工具更先进一些。它是一种可手持的光学仪器，用以测 角和观察天体高度，由分度弧、指示臂、测微轮、动镜、定镜和望远镜等部件组成。其结构 简单，操作轻便。阿拉伯人在15世纪前后数百年间，使用过拉线板。欧洲15世纪使用过星盘和四分仪， 16世纪使用过十字杆，1718世纪使用过反测器。英国J.哈德利于1 7 3 0发明的 双反射八分仪，后来为了便于观测月距，刻度弧加长到了60度，称为六分仪。现代，刻度 弧改为圆周的五分之一，仍按习惯称六分仪。要使用六分仪准确导航，也不是一件简单的事。观测天体高度时，观测者把视线通过定镜透明部分对着水天线作基准，再转动指标杆使 天体影像经两镜反射垂直与水天线重合，在刻度弧上直接读出观测角。由于水天线并非真地 平，在水天线上的天体高度角，须经蒙气差、眼高差、视差等一系列修正求得天体真高度。 用天文方法确定船位的准确性，很大程度取决于天体高度观测的准确性，而观测的准确性又 很大程度取决于水天线的清晰度和观测者的熟练程度。20世纪美国发明了 GPS，造福了全世界。GPS的定位导航原理与技术大家比较清楚，而 海洋定位导航技术的GPS应用也和陆地上无实质差异。GPS具有全天性、实时性等优点，导 航精度高，定位准确，逐步代替了其他地面定位技术，占据了主要地位。同时结合INS （惯 性导航）、DVL （多普勒速度计）等导航系统，海洋水上定位导航则相对完善。目前在海上工作的定位方法主要采用DGPS或RTK的方式，其中DGPS定位精度可达到亚 米级,RTK定位精度可达到厘米级。2、水下水下定位于导航则使用声学系统，这是由于海水中电磁波衰减剧烈。现有的水下定位技术， 按照是否需要设置声基阵，可分为水声定位技术和激光声遥感技术两大类（孙树民等， 2006）0水声定位技术需要设置声基阵，是目前应用最广泛的一种水下定位技术。根据声基线的距离， 声学系统主要分为超短基线定位系统（USBL/SSBL）、短基线定位系统（SBL）和长基线定位系 统（LBL）（阳凡林 等，2005） o超短基线(SS BL /US BL) 10m短基线(S BL)20 50m长基线(LBL)1006000m表1:水声定位技术分类此外，水声定位系统还和其他一些定位系统结合起来，形成组合定位系统。组合定位系 统是将单一定位系统的优点组合在一起，从而使定位系统的精度更高、功能更强大，通常应 用最多的是与GPS的组合，还有与ROV的组合。激光声遥感技术是一种新的水下定位技术,不需要设置声基阵。激光声遥感技术根据收方 式的不同可分为两类：“激光-声-声”和“激光-声-激光”遥感技术。2.1超短基线定位系统图1：超短基线定位示意图超短基线定位系统的优点是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。超短基线定位系统的缺点是需要做大量的校准工作。超短基线定位系统的定位精度 也同短基线定位系统一样，随着水的深度和工作距离的增加而降低。法国Oceano Technol ogy公司生产的posidonia6000型短基线定位系统最大作用距 离为8000m，定位精度为作用距离的015%110%，1997年开始装备在法国IFREMER 水下机器人和深拖系统以及德国GEOMAR深拖系统，其主要优点是对常规的水听器 阵的结构进行了改造，并采用调频声学信号。而Si mrd公司研制的H IPAR500型系统 的换能器为241个换能器单元组成球形阵，测量精度优于作用距离的012% ,工作水深 达到4000m。新近推出的H IPAR700型系统是在H IPAR500的基础上开发的长程声学定位系统，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0115%。（孙树 民等，2006）2.2短基线定位系统图：2短基线定位示意图短基线定位系统的优点是系统的构成简单，便于操作，不需要组建水下基线阵，测 距精度高，换能器体积小，安装简单。短基线定位系统的缺点是深水测量要达到高的精 度，基线长度一般要大于40m;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，需要做大量的校准工作;另外，短基线定位系统的定位精度与水的深度和 工作距离关系极大，水越深、工作距离越长定位精度越低。澳大利亚Nautr onix公司生产的NASD rill RS925型短基线定位系统采用ADS信号，此种信号的抗干扰能力特别强，在传输距离和测量精度方面具有更优的性能，即便 是在环境噪声较大且深水区作业的情况下同样能取得良好的定位效果，因为系统的这 个特点，该产品已经与多套动力定位系统组成联合系统应用于深海调查和生产项目。NASD rill RS925系统的水听器是由多个换能器单元组成的组合阵，波束的指向性和信 噪比更佳，系统定位数据更新率高NASD rill RS925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215m的定位精度。（孙树民等，2006）2.3长基线定位系统图：3长基线定位示意图长基线定位系统的优点是定位精度与水深无关，在较大的范围内可以达到较高的 相对定位精度，定位数据更新率高，换能器非常小，易于安装。长基线定位系统的缺点是系统复杂，操作繁琐;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;需要详细对海底声基阵校推测量。目前在国际市场上性能较好的长基线定位系统有美国Sonardyne公司的Fusi on系 列的长基线定位系统，该系列产品可用于水下仪器设备的连续跟踪定位，也可应用于复 杂的深海工程建设项目、矿石开采、海难救援等。挪威Si mrad公司的HPR408S型 长基线定位系统具有自动校准功能的异频收发阵，使得整个系统在超过3000m的作用 范围内可以达到几厘米的定位精度。HPR408S型长基线定位系统因其高精度、高可靠 性、数据更新率高（定位数据更新时间在2 s左右）的特点，已经被广泛应用于水下机 器人、深拖系统等水下设备的导航定位。（孙树民等，2006）2.4激光声遥感技术激光声遥感技术是利用激光在水中产生声波并在空中接收被水下目标反射或散射 的声波来感知水下目标的技术。它是20世纪80年代才出现的新技术，是激光技术同声 学、电子学相结合发展起来的新边缘科学。由于它利用红外脉冲激光与自由水表面相互 作用产生的专用脉冲作为水下声源,又在空中利用传感器接受水下目标反射或散射的声 信号,为航空遥感水下目标提供了一条新的技术途径。按照接收方式的不同又可将激光 声遥感技术分为两类:“激光-声-声”和“激光-声-激光”遥感技术。“激光-声-声”遥 感技术的接收是声波，此声波是由激光产生的，然后被水下目标反射或散射并穿过水和空 气的界面在空气中继续传播而最终被接收器所接收;“激光-声-激光”遥感技术的接收器 接收的则是光，此光是由另外一束较弱激光打在被水下目标声波扰动了的水面上而返回 的载有水下目标声信号信息的光波。由于在远距离传播方面还没有发现别的物理场在水 中比声波更好，所以无论是哪一类，在水中都是利用声波。1980年，G . D. Hi ckma及其同事率先进行了激光声遥感技术的可行性实验研究，他 们在美国马里兰州布赖顿大坝水库的浮动码头上，用能量5J的CO?激光器，从空中射向 水面在水中产生声波，并用放在空中的微音器接收水底的反射波,测出的水深达20m。同 时，放在水底的一枚型号为MK - 84的水雷也从水底回波中区别出来，表明这些回波具有 不同的频率特性,因此有可能利用反射波频谱分析作为水底沉积物硬度和类型的某种量 度。在国内，李荣福等从1986年就开始了激光声遥感技术研究,1989年发表了激光声原 理实验报告,1990年报告了用单个微音器探测海深达17m和探测水下几米深物体的实验 结果。随后又专门研制了一套激光声遥感系统,它包括:单脉冲能量100J的TEACO2激 光器及其导光聚焦系统、八元线列接收声阵和高速数字多波束接收机。利用这套设备在 海上实验中,探测到了水下30m深处直径为0.7m的标准反射体和58m深的海底。激光声遥感技术作为一种新的技术手段，发射机和接收机均可装载在直升机上，与舰 载水声探测设备相比，具有机动灵活快速的优点，对舰船有危险或不能到达的地方，机载 激光声设备仍能进行探测。激光产生的声脉动基本上是无方向性声源,它可以覆盖广阔 的水域。2.5 GPS水下导航定位法国于1995年开始研究将GPS用于水下导航。1995-1996年期间完成了原型样机。 包括4个装有GPS的智能浮标，一个区域无线电网络，一个遥控站和载体电子装置。 1996-1997年进行了试验，试验水域深10-300 m,效果良好。在2千米的距离精度达到 3m。法国科学家分析了现有的水声定位系统，认为长基线定位系统的应答器校准起来费 时费力，而且精度不高。短基线定位系统需要船的支持，对大多数军用目的来说不合适。 基于这些考虑他们要研究新型系统。新型系统研究中遵循的原则是要立足于成熟技术。GPS是成熟技术，装有GPS的浮 标很易被精确定位。采用扩谱信号在水下通讯也是成熟技术，它不但用于传输指令，而且 这种信号用于测量时延也有好的精度。法国的海洋GPS原型样机工作时，用三个智能浮标，每个浮标上装有GPS和水声换能 器。浮标位置很快就可确定，浮标与水下载体之间用低波特率的扩谱信号进行通讯和定 位。这种新型的由电磁波和声波通讯链联合组成的定位新技术很快就显示它的优越性。 不久美国就把法国的有关人员请到美国，发挥美国Woods Hole海洋研究所和西北大学 在水声通讯方面的优势和法 国在水下定位技术方面的优势，联合工作，准备尽快向市 场推出高性能的海洋产品。法国的原型样机中水声传输速率低应该提高它的速率，不但传输指令，还要传输数 据和图像等。原型样机中一般要用三个浮标，如浮标土装上超短基线定位系统，则一个 浮标就可以达到目的，优点甚多。海洋GPS还是一个新事物，它有良好的发展前景和广阔的市场。目前在海上工作的定位方法主要采用DGPS或RTK的方式，其中DGPS定位精度可达 到亚米级,RTK定位精度可达到厘米级。在海洋调查过程中，船舶沿设计好的测线行驶，而水里的拖鱼（侧扫声纳、浅地层剖 面仪或磁力仪）由于采用拖曳式或舷挂式，它与GPS定位天线之间有一定的方位和距离 偏差，因此在记录图像上的水下目标与其实际位置存在一定的差异。当拖鱼采用舷挂式时，拖鱼与天线的方位和距离偏差是固定的；当拖鱼采用拖曳式 时，又分LAY BACK方式和超短基线两种,LAY BACK方式中拖鱼与天线的方位和距离偏 差受船速、航向、流速和流向的影响很大，而超短基线设备可以实时传送拖鱼与天线的 方位和距离偏差给导航计算机，是当前水下目标定位的一种较好的方法。3、总结与展望随着人类对海洋的进一步开发，水下定位技术将会向着适用范围更广、精度更高、 更简单的方向发展。激光声遥感技术具有机动灵活、覆盖水域广的特点，尤其是一些舰 船难以达到的地方其优势更加突出，但精度相对较低。而水声定位系统已经开发出了具 有很高精度的技术,所以将激光声遥感技术同水声定位技术联合起来构成新的水下定位 技术是今后的一个发展方向。可以预见，在不久的将来在较大范围的海域内搜索水下目 标时，将会利用机载激光声遥感技术，在确定了水下目标的大致范围后再利用船载水声 定位技术对其进行精确定位。参考文献：阳凡林，康志忠,独知行，等.海洋导航定位技术及其应用与展望J.海洋测 绘，2006,26(1):71-74.孙树民，李悦.浅谈水下定位技术的发展J.广东造船，2006,4:19-24.