来源：《测绘学报》2017年46卷1期
作者：杨元喜, 徐天河, 薛树强
摘要：领海是国家主权的重要组成部分，国家空间基准和位置服务应该覆盖陆地和海洋。以2000国家大地坐标系和2000国家重力基准为代表，我国已在陆地建成了较为完善的大地测量基准。然而，现有国家空间基准和重力基准未能有效覆盖海洋，海洋大地测量基准和海洋导航技术已严重滞后于国家社会经济发展新形势和国防战略需求。本文主要论述了我国海洋大地测量基准与海洋导航技术的研究现状，梳理了我国海洋大地测量基准所涉及的关键技术，分析了近期及未来我国自主发展海洋大地测量基准与海洋导航技术的主要方向。
关键词： 海洋测绘 大地测量 基准 水下导航 定位
海洋是人类可持续发展的重要空间，是资源勘探和开发的主要区域。我国是一个海洋大国，拥有300多万平方千米海域。“经略海洋”首先需要维护海洋权益，确保领海安全，其次是发展海洋经济、保护航海运输畅通、建设海上丝绸之路，最后还需要加强海洋科学研究，预防并减少海洋灾害影响等。无论是海洋权益维护、海洋经济发展还是海洋科学研究，都需要高精度、高可靠的海洋大地测量基准和海洋导航技术手段的支持;海洋大地测量基准也是海岛礁资源环境信息、海战场环境信息的基本参考框架，是谋划、决策、规划和实施一切国家海洋战略的重要基础。
21世纪以来，美国、加拿大、日本等发达国家通过布测技术先进的海底大地控制网，不断完善海洋大地测量基础设施，有效提升了海洋科学和海洋地质等地球科学的研究水平和地质灾害的监测能力;同时，其海洋导航定位技术也得到不断革新，显著提升了各种海洋活动的支持和保障力度。特别是近些年来美国提出建立海床声学信号源，组成类似GPS的水下全球定位系统，使其水下潜器无需浮出水面就可获得精确定位信息。
海洋大地测量基准构建技术虽然发展较晚，但发展却十分迅速。早在20世纪80年代末就有学者提出建设海底大地控制网的构想，目前已有少数发达国家具备相对成熟的技术条件。海洋定位一般采用GNSS与声学定位相结合的技术方法，通过海面和海底控制网联测实现海洋大地测量基准与海洋无缝导航，该技术已成为海洋测绘与导航领域的研究热点和前沿方向。
自20世纪70年代以来，利用卫星测高技术确定平均海面高、大地水准面以及海洋重力场一直是大地测量热点研究问题。基于高精度、高分辨率潮汐模型和垂直参考面模型建立陆海高程基准转换关系，是陆海高程基准统一技术的主要发展趋势，而将验潮站和测高卫星轨迹上的调和常数同化于潮波动力学模式是构建高精度潮汐模型的基本途径。在此基础上，也有学者研究采用潮汐模型附加残余验潮站水位实现瞬时水位推算。目前，美国、加拿大等发达国家在海洋垂直基准构建方面取得了许多重要进展，这对我国发展海洋大地测量基准技术体系具有一定的借鉴意义。
水下导航定位和位置服务系统是海洋活动、海洋安全、搜救执法、海洋资源环境调查、综合管理、海上生产生活及灾害防治的重要支撑条件。与海面及陆地导航定位不同，水下导航定位及位置服务信号要求具有穿透水体的能力。近几年，海面/水下定位装备推陈出新，呈现出设备组合化、功能集成化、体制宽带化的发展趋势，多传感器水上、水下无缝导航定位已成为其热点研究方向。目前应用最广泛的水下声学导航定位系统主要有长基线定位系统(long baseline, LBL)、短基线定位系统(short baseline, SBL)与超短基线定位系统(ultra-short baseline, USBL)等。在国外，上述系统已经日趋成熟并实现了商业化，在我国也占有一定市场。
为减弱部分水下定位系统误差和空间相关性误差影响，有学者提出水下差分定位技术，并得到了发展。水下差分导航定位原理是基于海底声波应答装置到海面测量装置之间的距离，采用单差及双差差分技术，进而精确计算海底应答器的三维坐标。差分水下定位技术提出以来，已被国内外广泛关注。
20世纪90年代，美国鲍尔航空航天实验室成功研制了水下潜器和潜艇导航的重力仪/重力梯度仪，重力梯度仪分辨率为1厄缶(10-9 m/s2)，系统导航定位精度可达到62 m/8 h;洛克希德-马丁公司也开发成功了通用重力匹配导航模板，能够实现潜艇14天精确导航。随着水下声呐、惯导和重力匹配导航技术的不断发展和完善，水下多传感器组合导航技术已成为国内外导航技术领域的未来发展方向。
1 我国海洋大地测量基准研究进展
国内有学者自20世纪90年代就尝试讨论海岛控制网的水下传递方法，提出基于船载GNSS定位技术，结合声呐定位技术实现海底控制点的定位与定向。我国在短基线水下定位系统(SBL)和长基线水下定位系统(LBL)研制方面都取得重要成果，并发展了基于单差定位原理的差分水下定位技术。此外，还针对水下控制网基准传递方法开展了相关研究，提出了通过改进海面GNSS浮标/AUV控制图形，以及采用控制网无约束平差和约束平差模型，研究水下控制网布测方案和高精度数据处理方法，以期改善水下基准点的坐标传递精度和水下控制网精度。进一步系统研究海洋大地测量基准理论体系，发展海面-海底控制网高精度数据处理模型与算法，是研究并实现陆海一致的高精度海底大地控制网的关键环节。
近20年来，我国海洋大地水准面和海洋潮汐等海洋模型精度不断提高。在中国近海及领海海域构建了2′×2′的重力异常数值模型，模型精度达到3~5 mGal; 确定了全球海域2′×2′平均海平面高模型序列，精度优于4 cm; 研究了近60年全球海平面变化特征，量化了海平面变化趋势及其主要贡献因素，反演并构建了全球海底地形数值模型; 建立了15′×15′全球海洋潮汐模型。我国在“十二五”期间还综合多源重力场资料研制了我国全海域大地水准面模型。
海洋垂直基准研究一直受到国内学者的重视。初步探讨了我国海平面系统偏差及高程基准偏差，研究了全球高程基准统一以及高程基准统一问题。在“十二五”期间，我国依托科技部重点项目“海岛(礁)测绘关键技术研究与示范应用”，研究了海洋无缝垂直基准构建技术，探索了海洋垂直基准的传递方法。据不完全统计，我国目前拥有70多个海洋长期验潮站，这些站点在确定我国多年平均海面、深度基准面，以及研究海港的潮汐变化规律等发挥了重要作用。联合多代卫星测高资料以及长期验潮站资料建立了我国区域精密海潮模型;此外，还综合利用沿海及海岛礁卫星定位基准站和长期验潮站并置观测资料，建立了我国高程基准与深度基准转换模型。然而，我国垂直基准模型精度还有待提高，无缝垂直基准的动态实现与维护方法也有待研究。
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