第26卷第1期2006年1月 海 洋 测 绘
HY DROGRAPH I C S URVEYI N G AND CHARTI N G
Vol 126,No 11Jan 1,2006收稿日期:2005208202；修回日期:2005210213
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(S D040212)。作者简介：阳凡林(19742)，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。 阳凡林
1,2
，康志忠2，独知行2，赵建虎3，吴自银
1
(11国家海洋局第二海洋研究所，浙江杭州 310012;
21山东科技大学地球信息科学与工程学院，山东青岛 266510;31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
中图分类号:P22811 文献标识码:B 文章编号:167123044(2006)0120071204
1 引 言
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。下面从这两方面入手，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
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(I N S )[1]
、多
普勒速度计(DVL )[2～3]
。I N S 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干扰，但随着观测时间的增长，误差逐渐加大。故GPS 和I N S 系统各有所长，组合刚好克服
了各自系统的不足[3]
。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GPS RTK 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I N S 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[2]
。
3 水下定位与导航技术
化学镀镍磷合金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(US BL /SS BL )、短基线定位系统(S BL )和长基线定
海 洋 测 绘第26卷
位系统(LBL)。
US BL/SS BL通常由3个及以上互相垂直相距
约2c m的单元组成船上水听器基阵，通过测量信号
到达接收单元间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1～2m。S BL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[3]。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[4]。由于US BL设备的简
便性，现在已逐渐代替了其他两种系统[5]。
表1声学定位系统特点
名 称声基线
长度
优 点缺 点
US BL/SS BL<10c m 低成本、操作简便;
基于船只的定位系
统不需在海底布置
应答器；只需一个
换能器；测距精
度高。
安装校准难;
精度依赖外围
设备；最低限
的多余测
量值。
S BL20m～50m 低成本、操作简便;
基于船只的定位系
统不需在海底布置
应答器；距离测量
精度高；有多余测
量值，测量精度提
高；换能器体积小,
安装简单。
安装校准难;
安装后的严格
校准难以达
到；精度依赖
外围设备。
LBL100m～6k m 定位精度很高；多
余观测值增加，测
量精度提高；换能
器小，易于安装。
系统复杂，操
作繁琐；声基
阵数量巨大,
费用昂贵；需
要长时间布设
熔炼焊剂
和收回海底声
基阵；需要对
声基阵详细
校准。
凭借US BL，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[7～8]，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[9～12]。Johns on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定位和导航[13]。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[14]。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[15]，但它的条件须是浅海，深海中光波无法穿透。B ishop等人使用重力场数据来改善I N S导航的累积误差[16]，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[17]，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I N S(水上也叫I M U)、DVL、US BL、S BL、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;
I N S具有累积误差;DVL、US BL、S BL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US BL的组合[17～24]
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US BL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
27
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[23,25,26]，在海洋测绘领域使用广泛。
(2)LBL与I N S的组合[27]
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I N S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实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I N S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I N S的系统漂移，提高系统的精度。再配合I N S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与电罗经的组合[2]
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I HO (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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