导航定位技术及其在海洋资源调查中的应用

总第１６卷１８１期　２０１４年９月　大众科技　Ｐｏｐｕｌａｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ＶＯＩ．１６　ＮＯ．９　Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ　２０１　４　导航定位技术及其在海洋资源调查中的应用　陈维　（广州海洋地质调查局，广东广州５１０７６０）　【摘要】文章根据海洋和陆地环境的不同，系统论述了应用于海洋调查的各类导航定位技术，包括水面导航定位技术和　水下导航定位技术。分析了各类技术的特点，并介绍了组合导航定位技术及其在海洋调查中的应用。　【关键词】ＧＰＳ；ＧＡＰＳ；组合导航系统　【中图分类号】Ｐ７１；ＴＨ７６　【文献标识码】Ａ　【文章编号】ｌＯ｛）８—１１５１（２｛｝１４）０９－｛｝０（｝８－０２　Ｍａｒｉｎｅ　ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｍａｒｉｎｅ　ｒｅｓｏｕｒｃｅ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｆ　ｓｅａ　ａｎｄ　ｌａｎｄ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　，ａｌｌ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｏｃｅａｎ　ｓｕｒｖｅｙ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｓ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｔｈｅ　ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ａｎａｌｙｓｅｓ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ａｌｌ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｎｄ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｉｎ　Ｍａｒｉｎｅ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＧＰＳ；ＧＡＰＳ；ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　１概述　２１世纪是海洋世纪，我国作为海洋大国，进行海洋资源　调查是开发海洋，发展海洋经济的重要途径。其中，海洋测　绘是所有海洋调查工作的基础，而导航定技术是进行所有海　洋调查的基础和重要手段。由于海洋环境的特殊性，其导航　定位技术与陆地相比，具有动态性、不可重复性等特点，使　得定位精度比陆上低、系统也较陆上复杂。根据导航定位条　信号覆盖范围大的陆基系统的定位精度一般较低，导航数据　的更新率也不高；而具有高精度的陆基系统往往只有有限的　覆盖范围。１９７３年美国国防部开始研制第二代卫星导航系　统，即ＧＰＳ，其全称为“导航星授时和测距全球定位系　统”。ＧＰＳ于１９９４年部署完毕，采用高度为２万千米的２４颗卫　星覆盖全球，为用户提供定位信息。相比早期的陆基导航定　位系统，ＧＰＳ能够全天候，全球提供导航信息、且定位精度　高、还可以为用户提供速度和时间等信息。下图为卫星导航　定位示意图。　件的不同，可分为水面导航定位和水下导航定位两种方式。　水面导航定位系统主要使用基于电磁波的卫星无线电定位，　成熟于２０世￣Ｐ，９０年代的ＧＰＳ卫星定位系统具有高精度、全天　候、便捷等特点，使其逐渐取代其他导航定位技术方法，广　泛应用于航空、船舶、海洋石油勘探等领域。由于电磁波在　水中衰减很快，仅仅穿透数米能量就会衰减为０，故基于电　磁波的导航定位技术在水中无能为力。而声波能够在水下传　播几百公里而没有明显的吸收损失，故水下导航定位主要采　用声学系统进行定位和导航。在海洋调查中，不仅需要对调　查船舶进行定位，还需要对水下工作的拖鱼、水下机器人、　取样器等水下目标进行追踪。因此，海洋调查需要综合使用　水面导航定位和水下定位技术。　＝＝　＼一丁、　＼　／　　．兰　３水下导航定位技术　。　’。　。２　早期的水面导航定位系统主要有劳兰（　ＬＯＲＡＮ　）系统和欧　和欧米伽（ＯＭＥＧＡ）系统。它们主要为陆基系统，把整个系统的复　杂性集中在地面导航台上，使机载或船载的用户设备比较简　水下定位技术是进行高精度水下作业的基础和重要手　段，因此在海底地质探测、海洋工程、水下建筑物施工、潜　水员水下作业、水下考古、海洋国防建设等方面具有广泛的　单，并且价格低廉、可靠性高，易于推广应用。但是．导航　【收稿日期】２０１４一（）８—０８　【作者简介】陈维（１９８５～），男，广西人，广州Ｉ海洋地质调查局助理工程师，研究方向为卫星导航和海洋测绘。　８．　用途。在海洋调查中，水下定位系统能够为水下作业的磁力　声拖提供位置数据，也能够动态跟踪水下机器人位置，还能　能器基阵的声波相位差来确定目标方位，通过声波在水中的　传播时间，再用声速剖面修正波束线，确定距离。　将信标绑定在取样器上跟踪其离海底距离。根据声基线的距　离，水下定位系统可分为：长基线（１ｏｎｇ　ｂａｓｅｌｉｎｅ，ＬＢＬ）、　短基线（ｓｈｏｒｔ　ｂａｓｅｌｉｎｅ，ＳＢＬ）和超短基线（ｕｌｔｒａ　ｓｈｏｒｔ　ｂａｓｅ１ｉｎｅ，ＵＢＳＬ），其特点见表ｌ。　表ｉ各类水下定位系统特性　分类　长苓线Ｉ　ＢＬ　一ｉ应咎器　●ｒ　？　图３超短基线定位系统　声基线长度　１００～特点　精度高且不受水深ｌＩ；响．但　设备昂贵安装复杂费事　．应用　石油平台监测、水　下考古打捞萼　海洋工程　海洋地质调查　。★’　６０ｏ０ｍ　系统集成价格低廉．操作简　短基线ＳＢＬ　２０～５０ｍ　单易于安装．但换能嚣需要　在船坞上严格枕准　超短基线ＵＳＢ［　＜ＩＯｃｍ　安裴简单　海洋调查、取样　长基线（ＬＢＬ）定位系统的主要部件包括安装在母船上的　收发器和安装在水下一系列己知固定点的应答器组成，水下　应答器之间的距离构成基线，其长度在百米到几千米之间，　能在宽广的区域内提供高精度的位置。ＬＢＬ系统通过测量收　４组合导航定位技术及其在海洋调查　中的应用　单一的定位与导航系统不能独立胜任海洋定位和导航的　要求。为此，组合导航系统应运而生，它们将单一定位与导　航系统的优点组合在一起，提供了高精度、功能强大的定位　和导航系统。　发器和应答器之间的距离，对目标实施定位。系统最大的优　点是测量过程与水深无关，也无需连接姿态传感器和罗经设　备；其缺点是系统过于复杂，操作繁琐，基阵的投放布设、　回收时间较长，设备昂贵。　鉴于ＧＰＳ导航系统存在卫星信号遮挡、内部电子串绕或　高速运动时会造成失锁等现象，现有不少研究者已将其与其　他导航系统进行结合，如惯性导航系统（ＩＮＳ）、多普勒速度　计（ＤＶＬ）。ＩＮＳ采用航迹推算法，利用加速度计，测得调查船　的加速度，经过积分得到调查船的速度，再经过一次积分就　便可得到调查船的位置。它可提供经度、纬度、速度及水平　器　与方位基准等导航数据和载体姿态的定位与导航数据。它的　应答罄　定位结果虽然不受外界干扰，但随着观测时间的增长，误差　逐渐加大。故ＧＰＳ和ＩＮＳ系统各有所长，组合刚好克服了各自　系统的不足。而在实际海洋调查中，往往需要进行水下作　声学基线———　＼、＋　：　业，因此，我们不光需要水面调查船舶的位置，还需要获得　水下目标的位置。因此目前在海洋调查中，组合导航系统主　要采用ＧＰＳ水面定位系统与声学水下定位系统组合。　圈Ｉ长基线定位系统　短基线（ＳＢＬ）定位系统的主要部件包括固定安装在母船　船底换能器基阵和水下应答器。需要在舰船上安装至少３个　叫　。。。。　　ｆ换能器阵，换能器之间的位置关系为已知，应答器安装在需　要定位的目标上，舰船上的多个换能器测量出到同一个应答　器的距离，从而计算出目标的位置。　ｏ　厂　ｌｌ、Ｉ’　ｔ　ｄ曼　４　ｌ　ｌ蕾　图４　ＧＰＳ与ＧＡＰＳ水下定位系统组成组合导航系统　图４的组合系统中，由ＧＰＳ系统提供准确的船舶位置。同　时，ＧＡＰＳ水下声学定位系统的换能器安装在ＧＰＳ天线下方，　图２短基线定位系统　通过测量ＧＡＰＳ换能器探头相对ＧＰＳ天线的位置而推算出ＧＡＰＳ　换能器的大地坐标。由于船舶在海上会摇晃，ＧＡＰＳ换能器相　对ＧＰＳ天线会发生变化，因此其内部集成姿态传感器用来纠　正ＧＡＰＳ的坐标。ＧＡＰＳ探头通过测量信标应答信号的到达时间　来测量信标相对ＧＡＰＳ探头的距离和方位，从而推算出水下目　标的大地坐标，实现水下目标的定位。　（下转第１１页）　超短基线（ＵＳＢＬ）定位系统中安装在船底的换能器基阵　集成在一个收发器中，换能器基阵的位置已经精确测量，组　成基阵坐标：和ＳＢＬ系统一样，ＵＳＢＬ系统的水下部分仅需要　一个安装在定位目标上的应答器。ＵＳＢＬ系统通过测量到达换　９．．　．．１．３．２探空仪天线焊接不牢　Ｌ波段雷达系统是靠雷达接收探空仪回答器发回的信号　球升速较快，爆炸高度较高，雨雪天，气压较低，气球升速　较慢，爆炸高度较低，所以气球的充气量要根据天气变化适　度把握，阴天或小雨时，气球要比晴天时多充１０％的氢气，　中到大雨时，气球要比晴天时多充２Ｏ％的氢气，充灌氢气净　举力在３０００－－１８５０稳定性较好。　（３）电池组的准备除了上述要求外还应注意以下事项；　一确定气球目标位置的，因回答器的功率小，在工作时需要一　根天线发射信号，如果在装配探空仪时没有检查天线是否焊　接好，有没有虚焊，那么探空仪就会随着气球在空中飘荡，　一旦天线虚焊，或接住不好，雷达就接收不到探测的位置信　号，就会出现信号突然消失的现象。　是电池组应在使用前的１小时拆封，以防受潮并影响其性　１．４信号弱　雷达在探测过程中会出现探测信号变弱，主要是角度跟　踪信号变弱，表现为雷达监测示波器上的４条亮线模糊不　清，顶端不饱和，监测示波器上显示测距回波起伏不定，难　以判定跟踪情况，被迫退出数据处理系统而终止探测。导致　能；二是侵泡时间不宜过长，以免造成电池内部短路；三是　尽量缩短电池在地面的工作时间，电池装配时间也不要过　早，一般施放前１０分钟左右装配为宜，以保证电池在升空后　有充足的能量。　（４）探空仪的准备，分为预先准备和直接准备。探空仪　在出厂前虽然经过严格的检查和校准，但经过长途运输或长　探测信号弱的主要有以下原因：探空拉绳过短、雷达接收机　灵敏度下降、旁瓣抓球。　期存放后，探空仪部分结构和感应元件的性能发生变化，为　确保所使用的探空仪具有较高的精度，在探测实施前必须认　真做好检查准备工作，若发现不合格的仪器必须更换或作报　废处理。　１．５仪器故障　一是探空仪本事故障，主要是探空仪的元件变性不工　作、电池工作不正常等；二是雷达供电或是各雷达分机的电　源出现故障，都会引起雷达停止探测。　３结论　Ｌ波段雷达是我国新一代二次测风雷达，雷达探测系统　使用中碰到的问题，需要在实践中逐步积累，每个探测人员　所碰到的问题各不相同，关键是尽早发现、及时总结，要尽　１．６雷达故障　当雷达出现故障时，尽管有备份板可以互换，但如果时　间间隔超过程序规定的时间，雷达也会终止探测，这是因为　雷达在使用一段时间后，接收机灵敏度下降，导致球放到一　定的高度后，雷达接收信号变弱，雷达无法进行自动跟踪或　者由于雷达天线部分机械光轴和几何光轴不一致，使雷达天　线跟踪不正常。　力做到无人为原因造成数据终止，一定要在前期做到按规范　规定操作步骤准备，使Ｌ波段雷达探测系统正常运行，对提　高探空施放高度质量将取得显著效果。　【参考文献】　【１】　南京大桥机器厂．ＧＦＥ（Ｌ）Ｉ型二次测风雷达原理和维修　［Ｍ】．江苏：南京大桥机器厂，２００３．　【２】　崔炳俭，陈德生，王全周，等．Ｌ波段测风雷达的选址、天线　架设及标定刚．气象与环境科学，２００８，３１（９）：２４２—２４５．　［３］　马良．牛玉质．薛邦贵－Ｌ波段雷达高空气象探测系统的使　用Ⅱ］．气象水文海洋仪器，２０１１，（１８）：１０５．　［４】　中央气象局．高空气象观测手册【Ｍ】．北京：中央气象　局，１９７９．　２提高Ｌ波段雷达探测高度的对策　（１）探测人员要严格按规范操作，要针对雷达的基本操　作程序，逐步进行检查，如对仪器的检查准备和电池的侵　泡、净举力的计算、拉绳的长度等一项都不能少。　（２）在冲灌气球时，除特殊情况外，一般不得用热氢气　冲灌气球，如必须用热氢充灌时应加长充气皮管，并将其侵　入冷水中，使氢气冷却。充气速度不应太快，要均速，充满　一［５　中国化工橡胶株洲研究设计院．５］全国探空气球业务技术交　流会交流文集［ｃ】．湖南：中国化工橡胶株洲研究设计　院．２０１２．　个气球以ｌ５到２０分钟为宜。天气变化对探空气球的升速　有很大的影响，一般来说，晴天时，探空站处于高压区，气　（上接第９页）　５小结　总的来说，由于单一导航定位系统的缺陷，使得其在海　性抗干扰能力更强、定位速度更快、数据输出率更高、体积　更小、重量更轻以及携带方便等方向发展。　洋调查中通常不能单独进行作业。现在更多地使用组合定位　导航系统，它集中了多种单一导航系统的优点，是未来的发　展方向。目前，海洋测绘中常用的组合导航定位系统的精度　２００７：１２—１６．　【参考文献】　【１Ｊ　田坛．水下，￣ａ－ｂ导航技术［Ｍ］．北京：国防工业出版社，　已足够满足相应多道地震勘探、侧扫声呐、海底取样、水下　机器人作业等要求。未来海洋导航定位系统发展的方向应该　是成本更加低廉、使用方法更加简单、定位精度更高、可靠　［２　冯守贞，２】吴永亭，唐秋华．超短基线声学定位原理及其应用　Ⅱ】．海岸工程，２ｏｏ２：１６１—１６３．　［３】ＧＡＰＳ用户手册［Ｍ］．２０１２：２９．