海洋导航定位技术及其应用与展望
第２６卷第１期２００６年１月
海洋测绘
ＶｏＬ２６．Ｎｏ
１
ＨＹＤＲｏＧＲＡＰⅢＣ
ＳＵＲＶＥＹＩＮＧＡＮＤＣＨＡＲＴＩＮＧＪａｎ．．２００６
海洋导航定位技术及其应用与展望
阳凡林１１２，康志忠２，独知行２，赵建虎３，吴自银１
（１．国家海洋局第二海洋研究所，浙江杭州３１００１２；
２．山东科技大学地球信息科学与工程学院，山东青岛２６６５１０；３．武汉大学测绘学院，湖北武汉４３００７９）
摘要：根据水上和水下环境的区别，系统论述了各种海洋定位导航技术及组合定位导航技术，比较了它们的优
缺点和适用范围，介绍了它们的应用现状及展望。
关键词：海洋测量定位；卫星导航；惯性导航；组合导航中围分类号：Ｐ２２８
１
文献标识码：Ｂ文章编号：１６７１－３０４４（２００６）０１—００７１—０４
１引言
动态时等会造成失锁，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）”１、多普勒速度计（ＤＶＬ）”。１。ＩＮＳ采用的航迹推算法，它利用加速度计，测得测船加速度，经过积分得到测船速度，再经过一次积分就可得到测船位置。它是可提供经度、纬度、速度及水平与方位基准等导航数据和载体姿态的定位与导航系统。它的定位结果虽然不受外界于扰，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＿“。鉴于ＧＰＳ定位输出频率不太高，有时无法满足高速率连续定位的要求，出现了将低频率的反映换能器瞬时起伏的ＧＰＳＲＴＫ观测值和高频率的运动传感器单元（ＭＲＵ）的观测值融合的新技术，由ＲＴＫ观测值控制ＭＲＵ观测值误差的积累，由传感器观测值表达所需的高频数据，可得到精确的载体在瞬时水面的起伏。除了ＧＰＳ和ＩＮＳ技术外，还有其他辅助定位和导航技术。如电罗经可准确测得测船方位，ＤＶＬ可测得测船速度，通过它们组合也对测船定位和导航，成本较低，但精度
稍差［“。
３水下定位与导航技术
随着陆上定位与导航技术的飞速发展，海洋定位与导航技术也相应得到了长足的发展，精度越来越高，应用越来越广泛。由于海洋环境的特殊性，其定位和导航与陆上相比，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。根据定位和导航条件的不同，可分为水上和水下两种方式。对于船载的测深成像等系统，为了将最终信息转换到地理坐标系中，必须获得测深成像瞬间的测船姿态和位置；对于在水下作为载体的拖鱼，同样也需采用高精度定位以获得海底三维信息。能否接收空中电磁波信号（如ＧＰＳ信号）是这两种方式的根本区别。下面从这两方面人手，详细论述海洋定位和导航的特点、技术和综合应用。２水上定位与导航技术
水上定位与导航技术是指在海面上进行的定位和导航。由于可与电磁波进行通讯，基本可照搬陆上动态定位与导航模式。早期定位使用六分仪和经纬仪进行，随着无线电技术的发展，逐渐使用无线电定位系统，如罗兰Ｃ等，主要有圆曲线和双曲线两种。随着卫星的升空，逐渐采用了卫星定位与导航技术，以ＧＰＳ／ＤＧＰＳ技术为代表，它的高精度、全天候、便捷等特点，使其逐渐取代了其他地面定位技术，占据了主导地位。目前，我国沿海已建立无线信标差分系统，全面覆盖了我国沿海地区，可达到米级精度。
鉴于ＧＰＳ因卫星信号遮挡、内部电子串绕或高
收稿日期：２００５—０８—０２；修回日期：２００５・１０—１３
电磁波在水中衰减很快，仅仅穿透数米就会丢失所有能量，故传统的陆上定位和导航技术在水中无能为力。而声波能传播几百公里而没有明显的吸收损失，故水下主要采用声学系统进行定位和导航。它们是从２０世纪７０年代开始发展起来的。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
基金项目：国家自然科学基金资助项目（４０５０６０２３）；“基础地理信息与数字化技术”山东省重点开放实验室资助项目（ＳＤＣ４０２１２）。作者简介：阳凡林（１９７４一），男，湖北荆州人，博士，副教授，主要从事海洋测绘、ＧＰＳ理论与应用及其数据处理等研究。
万方数据
海洋测绘
第２６卷
位系统（ＬＢＬ）。
ＵＳＢＬ／ＳＳＢＬ通常由３个及以上互相垂直相距约２ｃｍ的单元组成船上水听器基阵，通过测量信号到达接收单元问的相位差和目标到接收阵之间的斜距进行定位，定位精度约为１～２１ｎ。ＳＢＬ通过布设声信标，在测船下方安置４个相距较远并精确知道其相对位置的水听器，由测出声信标到水听器的往返距离和时间差或相位差进行定位，定位精度约为５ｍ，目前很少使用。ＬＢＬ通过在海底布设３个以上相距较远并已知位置的声信标，根据测船换能器计算的声信标到测船的距离进行定位，精度约为２ｍ…。由于距离由声波传播的时间与声速计算得到，受声速影响较大，为提高声学定位系统的精度，特别是ＬＢＬ，需准确了解测区的声速结构。声学定位系统的具体特点见表１”１。由于ＵＳＢＬ设备的简便性，现在已逐渐代替了其他两种系统吲。
表１声学定位系统特点名称
声基线长度
优
点
缺
点
低成本、操作简便；安装校准难；基于船只的定位系精度依赖外围ＵＳＢＬ／ＳＳＢＬ＜１０ｃｍ
统不需在海底布置设备；晟低限
应答器；只需一个的多余测
换能器；测距精量值。
度高。
低成本、操作简便；安装校准难；
基于船只的定位系安装后的严格统不需在海底布置校准难以达ＳＢＬ２０ｍ一５０ｍ
应答器；距离测量到；精度依赖精度高；有多余测外围设备。
量值，测量精度提高；换能器体积小，安装简单。
定位精度很高；多系统复杂，操余观测值增加，测作繁琐；声基量精度提高；换能阵数量巨大，器小，易于安装。费用昂贵；需
ＬＢＬ
１００ｍ～６ｋｍ
要长时间布设
和收回海底声基阵；需要对声基阵详细校准。
凭借ＵＳＢＬ，就可通过与海面测船（母船）联系（分为有缆和无缆两种），对侧扫声纳、水下机器人等水下载体进行实时定位，并根据母船由ＧＰＳ技术确定的精确位置将成果转换到高精度地理坐标框架下，才可能实现声纳图像的镶嵌。
可见，声学定位系统优点很明显，但缺点也存在。在某些特定环境下，也可采取其他定位和导航方法。Ｇｕｏ等人使用电子扫描声纳得到的连续帧图
万
方数据像重建海底环境，估计载体状态和位置，使载体自动定位和导航，躲避障碍物。““，该方法不需预知海底三维模型。也有不少研究者使用瞬时水深与预知的海底三维模型进行配准，对ＡＵＶ（自动水下机器人）进行定位和导航”“…。Ｊｏｈｎｓｏｎ等人使用稀疏的水深数据配合侧扫声纳图像进行海底三维重建，仍然
使用地形匹配跟踪技术进行ＡＵＶ定位和导艏”ｊ。
由于地形匹配数据不是那么敏感以及噪声的影响，
使得该方法定位精度比ＧＰＳ技术、声学定位技术要低一些，通常为几十米以上。Ｒｕｉｚ等人以侧扫声纳影像辅助进行ＡＵＶ定位和导航ｏｔ４
５。Ｇｒａｃｉａｓ等人在浅海直接使用光学影像来重建海底３Ｄ模型定位、导航ＡＵＶ，比之声学图像精度要高。”１，但它的条件须是浅海，深海中光波无法穿透。Ｂｉｓｈｏｐ等人使用重力场数据来改善ＩＮＳ导航的累积误差“６，不失为ＡＵＶ定位、导航的新思路。磁力技术也在ＡＵＶ等水下载体定位和导航技术中得到了应用。通过对水下定点磁标进行三维磁探测，可获得载体当前位置与磁标点的相对位置，从而获得载体的绝对位置，它为水下载体的定位提供一种有效途径ｍ一，缺点是需预先建立磁标点。
４组合导航系统及其应用
对单一的定位与导航系统，按定位方式可分为绝对定位和相对定位系统。前者可直接确定载体的位置，主要有无线电定位系统、卫星定位系统、ＬＢＬ、磁力技术系统和地形、影像匹配跟踪系统等；后者仅确定与起始点的相对位置，或仅确定方位，主要包括
ＩＮＳ（水上也叫ＩＭＵ）、ＤＶＬ、ＵＳＢＬ、Ｓ１３Ｌ、电罗经等系
统。无线电定位系统距离较远时误差较大，且作用距离有限；卫星定位系统不能直接用于水下；ＬＢＬ需先建声基阵，预知声速剖面；磁力技术需先建磁标点；地形、影像匹配跟踪系统需预知海底３Ｄ地形；ＩＮＳ具有累积误差；ＤＶＬ、ＵＳＢＬ、ＳＢＬ和电罗经不能单独定位。由此可见，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。目前的应用主要有下面几种组合形式：
（１）ＧＰＳ与声学定位系统的组合，更多是与ＵＳＢＬ的组合”…“
通过安置在母船的ＧＰＳ系统提供精确的位置，由姿态传感器或直接由多台ＧＰＳ测定母船姿态，再通过ＵＳＢＬ测定拖鱼与母船的多条基线的距离，从而得到拖鱼的精确位置。该组合系统可对水下载体
第１期
阳凡林，等海洋导航定位技术及其应用与展望
进行精确的定位和导航，如再结合使用卡尔曼滤波技术，精度将进一步提高陶。２５‘２”，在海洋测绘领域使用广泛。
（２）ＬＢＬ与ＩＮＳ的组合‘２“
在水上或水下载体上安置声应答器，即可测得载体应答器与ＬＢＬ系统的应答器之间的距离，从而计算得到载体位置。配合ＩＮＳ可提高载体定位时数据输出频率，提高定位点密度。该组合可对水下载体进行吏时高精度定位和导航，缺点是需预先布设浩大的声基阵，且需精确了解载体至声基阵的声速结构，否则距离测量精度较低，影响定位精度。在范围不大的海区内，应用比较广泛。
（３）ＤＶＬ、电罗经与ＩＮＳ的组合２
ＤＶＬ提供载体运动的速度，Ｃｏｍｐａｓｓ提供准确的方位，以此来控制ＩＮＳ的系统漂移，提高系统的精度。再配合ＩＮＳ提供的与初始点（已知点）的位置偏差，即可得到载体的位置。尽管精度比前两种稍
低，但价格便宜些，使用方便。
（４）仅ＤＶＬ与电岁经的组合’“
可通过ＤＶＬ确定载体速度，加上Ｃｏｍｐａｓｓ提供方位，再加上起始点的已知坐标和载体运行的时间，就可确定载体的平面位置，成本低廉，使用简便，但精度较差，仅适用于定位精度要求不高的场合。
５总结与展望
总的来说，由于单一定位与导航系统的缺陷，使得其通常不能单独进行定位导航，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定位与导航系统的精度已足够满足相应的ＩＨＯ（国际海道组织）的要求。就目前来说，在水面上定位时通常使用组合方式（１）；当无法接收卫星信号时，可使用组合方式（２）、（３）、（４）等，但相应存在一些缺点。未来海洋定位和导航系统发展的方向应该是成本低廉、使用方便简单、精度高、可靠性强、定位速度快、数据输出率高、体积小、重量轻、携带方便的定位导航系统。
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Ｋｅｙ
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ｐｒｏｆｉｌｅｒ；ａｖｅｒａｇｅ
ｓｏｕｎｄ
ｖｅｌｏｃｉｔｙ；ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｏｆｓｏｕｎｄｖｅｌｏｃｉｔｙｄａｔａ
万方数据
海洋导航定位技术及其应用与展望
作者：作者单位：
阳凡林， 康志忠， 独知行， 赵建虎， 吴自银， YANG Fan-lin， KANG Zhi-zhong， DUZhi-xing， ZHAO Jian-hu， WU Zi-yin
阳凡林,YANG Fan-lin(国家海洋局,第二海洋研究所,浙江,杭州,310012;山东科技大学,地球信息科学与工程学院,山东,青岛,266510)， 康志忠,独知行,KANG Zhi-zhong,DU Zhi-xing(山东科技大学,地球信息科学与工程学院,山东,青岛,266510)， 赵建虎,ZHAO Jian-hu(武汉大学,测绘学院,湖北,武汉,430079)， 吴自银,WU Zi-yin(国家海洋局,第二海洋研究所,浙江,杭州,310012)
海洋测绘
HYDROGRAPHIC SURVEYING AND CHARTING2006,26(1)7次
刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
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