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，１７～１８世纪使用过反测器。英国Ｊ．哈德利于１７３０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）。

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）。

超短基线( SS BL /US BL) < 10m

短基线( S BL) 20～50m

长基线(LBL）100～6000m

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