[科普中國]-海洋測量定位

現(xiàn)狀

隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)建設(shè)進(jìn)程的推進(jìn)，更多學(xué)者關(guān)注其定位精度。陸亞峰等在“北斗偽距單點(diǎn)定位與差分定位結(jié)果精度分析”一文中，研究了北斗偽距單點(diǎn)定位、偽距差分定位的基本原理和數(shù)學(xué)模型，根據(jù)自編程序，利用同濟(jì)大學(xué)TJA站8天的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算及分析。結(jié)果顯示，北斗偽距單點(diǎn)定位的精度平面方向方向優(yōu)于3. 5m，高程方向優(yōu)于8m，滿足普通導(dǎo)航定位的需求。北斗差分定位的精度較偽距單點(diǎn)定位精度有了較大提高，其精度平面方向優(yōu)于lm，高程方向優(yōu)于1. 5m，能滿足較高精度的需求。程義軍等在“長期GPS精密星歷分析與軌道參數(shù)的函數(shù)逼近”一文中，研究了基于精密星歷計(jì)算軌道參數(shù)的方法，設(shè)計(jì)了一種利用正弦函數(shù)逼近衛(wèi)星軌道參數(shù)的方法，從而將軌道參數(shù)表示成正弦信號(hào)的組合，既可以準(zhǔn)確反映軌道參數(shù)包括的主要周期項(xiàng)，也可以建立起長時(shí)間段內(nèi)GPS衛(wèi)星軌道的解析模型，同時(shí)有助于加深對(duì)衛(wèi)星運(yùn)行規(guī)律的認(rèn)識(shí)，并優(yōu)化改進(jìn)現(xiàn)行攝動(dòng)力模型，以提高衛(wèi)星定軌精度。吳澤民等在“三種GLASS模糊度解算方法成功率比較”一文中，研究了在航模型下模糊度求解和常用的模糊度估計(jì)方法。用取整法、引導(dǎo)取整法和整數(shù)最小二乘法對(duì)靜態(tài)模型和在航模型求得的模糊度浮點(diǎn)解進(jìn)行固定，比較了兩種模型下模糊度成功固定需要的觀測時(shí)間。結(jié)果表明，在航模型下模糊度固定需要的初始化時(shí)間遠(yuǎn)高于靜態(tài)模型。因此，在有條件進(jìn)行靜態(tài)模糊度固定初始化的情況下推薦進(jìn)行靜態(tài)初始化，用靜態(tài)模型求解。劉偉平等在“導(dǎo)航衛(wèi)星觀測量精度評(píng)定法研究”一文中，給出了一種導(dǎo)航衛(wèi)星觀測量精度評(píng)定方法，結(jié)合GPS偽距與相位平滑偽距觀測量對(duì)方法進(jìn)行了一定的驗(yàn)證，算例所得結(jié)論與GPS觀測量實(shí)際精度取得了較好的一致性。1

運(yùn)行條件傳統(tǒng)的海道測量主要是在沿岸海域進(jìn)行。沿岸海域在天氣較好、風(fēng)浪較小的時(shí)候測量，通常使用光學(xué)儀器，利用陸地目標(biāo)定位。這與陸地測量定位有些相似，只不過天氣再好，測量船也是搖擺不定的，因而海洋測量定位精度要比陸地測量定位精度低得多?，F(xiàn)代微波測距、激光測距等先進(jìn)儀器的使用，對(duì)海洋測量定位精度的提高十分有利。隨著航海、海洋開發(fā)事業(yè)逐步向遠(yuǎn)海發(fā)展，海道測量也由沿岸逐步向遠(yuǎn)海發(fā)展。使用光學(xué)儀器和陸標(biāo)進(jìn)行定位已不能滿足要求。為此，研制出了多種無線電定位儀器，近程的如無線電指向標(biāo)、無線電測向儀、高精度近程無線電定位系統(tǒng)等；中遠(yuǎn)程的如羅蘭C、臺(tái)卡、奧米加、阿爾法等雙曲線無線電定位系統(tǒng)。這些定位系統(tǒng)定位距離都比較遠(yuǎn)，但精度一般都比較低。由于中遠(yuǎn)海海底地形都比較平坦，精度略低不會(huì)影響測量成果的使用，因此仍能滿足航海等的需要。

發(fā)展但是，現(xiàn)代海洋開發(fā)事業(yè)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出交通運(yùn)輸，對(duì)海洋的資源調(diào)查勘測、海洋工程建設(shè)、海洋科學(xué)的研究等，需要更精確的測量成果。為此，現(xiàn)在已研制了水聲定位系統(tǒng)和衛(wèi)星定位系統(tǒng)，尤其是已將全球定位系統(tǒng)（GPS）引入海洋測量中?，F(xiàn)在利用GPS進(jìn)行海洋測量定位的精度已可達(dá)到米級(jí)，并且還在進(jìn)一步研究提高。

在海洋的測量中關(guān)于GPS技術(shù)的運(yùn)用
GPS測量技術(shù)在海洋探索的測量事業(yè)當(dāng)中得到了廣泛的使用，能否將這項(xiàng)事業(yè)貫徹進(jìn)去，能否靈活進(jìn)行運(yùn)用關(guān)系著對(duì)于能否促進(jìn)海洋事業(yè)的發(fā)展起到重要的作用。關(guān)于GPS技術(shù)的具體運(yùn)用有很多需要注意的事項(xiàng)，具體有以下四個(gè)方面：

第一，需要的海洋測量的過程中考慮安全問題，在對(duì)海洋的探索過程中，安全問題是最重要的問題，如果沒有很好的安全保障是無法對(duì)工作進(jìn)行開展的，所以海洋測量事業(yè)首先需要注意的問題就是海洋測量的安全問題。

第二，需要注意對(duì)于GPS技術(shù)的數(shù)量操作，對(duì)于掌握這門技術(shù)的工作人員，需要對(duì)工作進(jìn)行綜合的把握，將不熟悉的事項(xiàng)進(jìn)行一一了解，在工作當(dāng)中能夠靈活運(yùn)用。只有嫻熟的工作技能才能夠在工作當(dāng)中將這一技術(shù)進(jìn)行貫徹，熟練的技術(shù)是海洋測量的重要內(nèi)容。

第三，在海洋測量的過程中，需要運(yùn)用對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行靈活掌握，只有熟練的計(jì)算機(jī)技術(shù)才能夠?qū)⒐ぷ髀鋵?shí)下去，所以工作流程和工作的方法是海洋測量中非常重要的內(nèi)容。在具體的工作當(dāng)中需要將所有的工作內(nèi)容非常熟悉的掌握只有數(shù)量的工作方式才能夠促進(jìn)工作高效有序完成，促進(jìn)工作的進(jìn)一步發(fā)展。2

水聲定位技術(shù)在海洋測量的應(yīng)用在海洋油氣開采作業(yè)的應(yīng)用
深海海洋石油開采分為移動(dòng)平臺(tái)鉆井、海底管線與海底開采平臺(tái)安放施工、系統(tǒng)開采油氣作業(yè)、停比開采封井四個(gè)階段。海底管線與開采平臺(tái)系統(tǒng)安放施工主要包含三類作業(yè)：
管線鋪放、水下結(jié)構(gòu)物的沉放、跨接管長度的測量與安裝。深水區(qū)域的管線測量一般使用水面支持船搭載USBL對(duì)沿管線行進(jìn)的ROV實(shí)時(shí)定位。通過定位系統(tǒng)對(duì)ROV載應(yīng)答器定位測繪管線的實(shí)際水平位置與走向，據(jù)此調(diào)節(jié)鋪管船的航向，減小實(shí)際管線與設(shè)計(jì)偏差。
管線鋪設(shè)完成后需要獲取管端基盤的大地絕對(duì)位置，在作業(yè)中將使用LBL定位系統(tǒng)。水下結(jié)構(gòu)物的安放包括管匯基盤、管匯與水下分配基盤等的安放作業(yè)。作業(yè)中首先沉放3種水下結(jié)構(gòu)物的底座，隨后在聲學(xué)定位系統(tǒng)的引導(dǎo)下完成頂層結(jié)構(gòu)與底座的對(duì)接，作業(yè)中使用了LBL定位系統(tǒng)。作業(yè)中通過水下基陣對(duì)安裝在水下結(jié)構(gòu)物的應(yīng)答器進(jìn)行聲學(xué)定位，據(jù)此測量安裝過程中結(jié)構(gòu)物的大地絕對(duì)位置以及方位角。為避免管線鋪設(shè)以及水下結(jié)構(gòu)安裝產(chǎn)生的誤差，水下結(jié)構(gòu)物之問通過測量兩者接口之問實(shí)際距離后選用匹配的跨接管完成銜接。

在海底礦產(chǎn)資源開采的應(yīng)用
深海礦藏開采系統(tǒng)則需要定位系統(tǒng)提供處于深水工作單元的位置與狀態(tài)信息。深海錳結(jié)核開采系統(tǒng)主要由集礦、揚(yáng)礦、水面采礦船和測控動(dòng)力四個(gè)子系統(tǒng)組成。水聲定位導(dǎo)航設(shè)備屬于測控系統(tǒng)的一部分。水聲定位導(dǎo)航設(shè)備主要用于測量集礦機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。要求水聲定位設(shè)備能夠準(zhǔn)確測量集礦機(jī)運(yùn)動(dòng)方向、運(yùn)行速度、運(yùn)行軌跡、沉浮及偏轉(zhuǎn)情況，為水面監(jiān)控人員判斷集礦機(jī)是否沿既定路線行進(jìn)采集提供信息。熱液礦床開采系統(tǒng)與錳結(jié)核類似。美國采用在采礦船卜拖一根數(shù)千米長的鋼管柱，然后利用真空抽吸裝置和細(xì)礦管將軟泥礦吸到采礦船上的方式采集。水面仍需要通過水聲定位系統(tǒng)對(duì)深水礦石采集設(shè)備進(jìn)行位置的監(jiān)視、跟蹤與控制。

在深?？臻g站的應(yīng)用
鑒于深海資源開采需要合適于深海條件的特殊開采手段，深?？諉栒镜母拍顟?yīng)運(yùn)而生?？諉栒灸転樯詈Ｄ茉吹目碧脚c開采技術(shù)研究提供有效的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可作為水下作業(yè)與控制中心攜帶相應(yīng)的作業(yè)模塊，實(shí)施深海資源的試驗(yàn)性開采工程作業(yè)。美國正在醞釀世界上第一個(gè)深海生活一工作實(shí)驗(yàn)室一海洋大氣海底綜合研究基地。而法國2009年也提出了自己的新型海洋空問站一海洋科學(xué)考察船。
由于深海環(huán)境惡劣，空問站的日常維護(hù)、物資運(yùn)輸、科學(xué)考察等工作都需要ROV，AUV等無人或載人潛器代替人力的直接參與。這就要求空問站能夠?qū)ζ涓綄俚母髦粷撈鞯奈恢眠M(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過水聲定位系統(tǒng)對(duì)各只潛器進(jìn)行同時(shí)的定位，使得監(jiān)控中心與潛器自身都能夠有效實(shí)施導(dǎo)航；通過高速率的水聲通信系統(tǒng)完成空問站一潛器、潛器一潛器之問的信息交互，實(shí)現(xiàn)空問站工作區(qū)域的數(shù)據(jù)共享與一體化。3