海底大地基准网建设及其关键技术

来源：中国科学地球科学

杨元喜院士亲自撰文，全面梳理海底大地基准网建设的主要技术问题。研制了能够置放在3000m以下海床的深海海底方舱，提出了适用于水下定位导航的海底大地基准网建设准则和用于地壳运动监测的整体网型设计准则。该研究填补了国内海底大地基准网建设空白。

海底大地基准网是国家大地基准网的重要组成部分，是海洋大地测量、海洋测绘和水下导航定位的基础，是海洋活动尤其是水下航行的重要参考基准。海底大地控制网也是海洋权益维护、海洋资源勘探、海洋环境监测的重要基础设施，同样也是海洋科学研究的重要支撑。尽管中国陆地大地基准网建设相对完善，并长期复测，具备厘米级精度，但是海底大地基准网建设尚属空白，与我国广阔的海洋国土和日益活跃的海洋活动极不相称。

海底大地基准建设涉及海底基准信标方舱研制、海底大地网型设计、勘选布放、观测维护、观测模型构建、数据处理等环节。受海洋环境影响和海上施工条件制约，海底大地基准网建设难度大，技术装备要求高，建设周期相对较长，而且，海底大地基准网观测与维护困难。海底大地网观测不得不采用海面与海底协同观测量模式，于是会涉及不同类型的观测模型，涉及海洋多源观测数据融合处理方法。

杨元喜院士主持的十三五重点研发计划项目喜得硕果，近日该团队以“海底大地基准网建设及其关键技术”为题，在《中国科学：地球科学》发表文章，全面梳理海底大地基准网建设的主要技术问题，并探索其技术途径。还研制了能够置放在3000米以下海床的深海海底方舱。该装置不仅具备抗压、防腐，还具备防拖拽、防溢流和长期驻留工作能力。为了提高声纳信号检测能力，海底基准信标频段选择尽量低频、宽带，并选用了跳频编码方式。

文章提出了适用于水下定位导航的海底大地基准网建设准则和用于地壳运动监测的整体网型设计准则，以及海底大地基准网的分类分级布控策略。海底基准点位勘选的基本准则为海底地形平缓、地质稳定性好、无松散淤积底质。为了适应自带惯性导航装备的水下载体导航定位，则以水下载体导航容差布局接力型海底大地网，即在惯性导航累计误差超限边缘区域布设接力型海底大地基准网。如果用于海底地壳运动监测，则海底基准网的网型设计必须顾及海底板块构造，每一块体都应该有相对独立的海底大地基准网。为了提高海底大地基准网的应用效能，设计了海底对称网型。

为了减弱海洋环境系统误差对海底基准点观测的影响，文章还设计了海面控制网对称观测构型，并采用圆形差分观测和交叉十字（或井字型）非差分观测相结合的方式解算海底基准点坐标，其中差分观测用以减弱水平分量系统误差影响，而非差分观测用以弥补差分观测在高程分量的信息损失。

由于海底定位采用海面全球卫星定位系统（GNSS）与水下声纳定位相结合的方式，文章提出事先测定GNSS天线相位中心到换能器的偏差改正（归心改正）矢量，并将其作为具有先验信息的待估参数与海底控制点坐标进行联合解算，一方面可以避免出现不适定观测方程，又能提高偏差参数的解算精度。

水下高精度定位必须考虑时变声速场影响和声线折射效应。海洋声速误差影响改正采用观测改正与模型参数补偿相结合的方式，并以模型补偿为主削弱声线误差对海底定位的影响。

利用文章提到的基本设计，研究团队分别进行了浅海和深海定位试验，在浅海充分验证海底方舱性能的基础上，建立了3000米水深的长期海底基准点，该基准点初步定位结果内符合精度优于5厘米。

图4  海底方舱布放现场

图5  文章截图

文章信息：[点击下方“阅读原文”可获取全文] 

中文版: 杨元喜, 刘焱雄, 孙大军, 徐天河, 薛树强, 韩云峰, 曾安敏. 2020. 海底大地基准网建设及其关键技术. 中国科学: 地球科学, doi:10.1360/SSTe-2019-0242

英文版: Yang Y, Liu Y, Sun D, Xu T, Xue S, Han Y, Zeng A. 2020. Seafloor geodetic network establishment and key technologies. Science China Earth Sciences.