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海洋时空基准网的进展与趋势

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资料介绍

全球时空基准网是获取地球时空信息的基础设施,它包括地基时空基准网、空间时空基准网和海洋时空基准网3个部分,其中海洋时空基准网的建设尚属起步阶段.先就海洋时空基准网的概念及内涵进行了分析,并从海洋定位导航基准、高精度海洋水平及垂直定位基准等角度介绍并分析了其发展现状及未来趋势.海洋时空基准网的主要构建方式是综合运用GNSS(Global Navigation Satellite System)卫星定位、水下声学定位以及压力传感器等技术将全球统一的时空基准传递到海洋表层、内部和底部.它的建设在我国还属于空白,故需结合国情、配合国家战略规划大力推进;指出当前全球和各国海洋环境监测的需求普遍甚旺,而现有海洋环境监测网多为局域网络,未与时空基准网融合,故海洋环境缓变或快变的时空位置不清楚或不精确,因此,将海洋时空基准网与海洋环境监测网融合起来建设,实现效益、效率和功能的互补提升,显得尤为重要和紧迫.在此基础上还认为,融合后的海洋时空基准网与环境监测网加上通信和数据交换功能,以实现海洋环境精准监测并进行海洋信息传输的目的,进而逐渐推进以形成具有时空位置属性的全球性海洋环境感知认知网络,即为海洋物联网.进一步探讨设想:将海洋物联网与海底通信光缆链接起来,同时通过海面浮标观测舱与通信卫星链接起来,就构成了有时空位置属性的海洋互联网.最后认为,我国应加快建立以中国周边海域为主的精密动态海洋时空基准和环境监测网,并通过国际合作开展全球性海洋时空基准与环境监测网的布设.

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V01．44 No．1

Jan．2019

第44卷第1期

2019年1月

武汉大学学报· 信息科学版

Geomatics and Information Science of Wuhan_University

DOI：10．13203／j．whugis20180340

文章编号：167l一8860(2019)01一0017—21

海洋时空基准网的进展与趋势

刘经南1’2’3

陈冠旭1’3“

赵建虎3 高柯夫1’2

刘焱雄3“

武汉大学卫星导航定位技术研究中心，湖北武汉，430079

2地球空间信息技术协同创新中心。湖北武汉，430079

3武汉大学测绘学院，湖北武汉，430079

国家海洋局第一海洋研究所，山东青岛，266061

摘

要：全球时空基准网是获取地球时空信息的基础设施，它包括地基时空基准网、空间时空基准网和海洋时

空基准网3个部分，其中海洋时空基准网的建设尚属起步阶段。先就海洋时空基准网的概念及内涵进行了分

析，并从海洋定位导航基准、高精度海洋水平及垂直定位基准等角度介绍并分析了其发展现状及未来趋势。

Satellite

海洋时空基准网的主要构建方式是综合运用GNSS(Global

System)卫星定位、水下声学

Navigation

定位以及压力传感器等技术将全球统一的时空基准传递到海洋表层、内部和底部。它的建设在我国还属于空

白，故需结合国情、配合国家战略规划大力推进；指出当前全球和各国海洋环境监测的需求普遍甚旺，而现有

海洋环境监测网多为局域网络，未与时空基准网融合，故海洋环境缓变或快变的时空位置不清楚或不精确，因

此，将海洋时空基准网与海洋环境监测网融合起来建设，实现效益、效率和功能的互补提升，显得尤为重要和

紧迫。在此基础上还认为，融合后的海洋时空基准网与环境监测网加上通信和数据交换功能，以实现海洋环境

精准监测并进行海洋信息传输的目的，进而逐渐推进以形成具有时空位置属性的全球性海洋环境感知认知网

络，即为海洋物联网。进一步探讨设想：将海洋物联网与海底通信光缆链接起来，同时通过海面浮标观测舱与通

信卫星链接起来，就构成了有时空位置属性的海洋互联网。最后认为，我国应加快建立以中国周边海域为主的

精密动态海洋时空基准和环境监测网，并通过国际合作开展全球性海洋时空基准与环境监测网的布设。

关键词：全球时空基准网；海洋时空基准网；GNSS；海洋环境监测网；海洋物联网；海洋互联网

中图分类号：P229．2

文献标志码：A

21世纪是海洋的世纪。海洋贮藏着丰厚的自

考框架与地球坐标系的位置、尺度和方向基准

“钉”在一起，是获取时空信息的基础设施。当前，

然资源，也同时是影响全球环境和气候变化的主要

动力因素。精准地感知海洋动态和开发利用海洋

资源已成为人类文明持续发展的关键。中国共产

党第十九次全国代表大会报告明确提出加快“建设

海洋强国”的战略。这一战略在实施中面临技术局

限性和环境复杂性的严峻挑战，如海洋资源、事件、

目标等信息发生的环境状态实时或快速感知的能

力不足，以及相应资源、事件、目标发生的准确时间

和位置的获取能力不足等，对于这些挑战我们需从

基础设施做起。

Sate-

可以由全球导航卫星系统(Global Navigation

^lliteSystem，GNSS)作为基础来实现。全球时空

基准网包括地基时空基准网、空间时空基准网和

海洋时空基准网。目前，构成GNSS主体部分的

地基和空间时空基准网络已基本成形，并已在陆

地和近地空间提供定位、导航、授时服务多年，而

同时能提供海面、水下和海底定位与导航授时服

务的海洋时空基准网建设尚属起步阶段。由于全

球导航卫星系统的信号载体(电磁波)在水中衰减

严重L1]，而声波、蓝绿激光和超低频电磁波等在水

下环境中传播各具特点或性能甚优[2]，故现阶段

海洋时空基准围绕声学定位技术为主并辅以其他

时空是一切自然和人类活动的载体，时间和

位置信息也是一切表征事物属性的物理空间状态

和演化过程的标识；全球性时空基准网将时空参

收稿日期：2018—09—08

项目资助：国家重点研发计划(2016YFB0501703)；武汉市应用基础研究计划(2017010201010112)；中国工程院重大咨询研究项目(2018一

ZD-02—07)；国家重大研发计划(2016YFB0501800)；中国工程院重点咨询研究项目(2017-XZ一13)。

第一作者：刘经南，教授，博士生导师，中国工程院院士，主要研究方向为大地测量理论及应用、大地测量坐标体系理论、导航位置服务和

GNSS技术应用。jnliu@whu．edu．cn

通讯作者：高柯夫，博士。gao@whu．edu．cn

万方数据

2019年1月

武汉大学学报· 信息科学版

确坐标及其随时间变化的信息。

手段进行建设。目前，采用水下三维导航定位方

法建立了若干局域的海洋大地基准，但该类基准

目前还无法满足高精度的定位导航需求[3]。由

此，大地测量学家提出基于声学测距建立高精度

水平定位基准以及基于压力计建立高精度垂直定

位基准，通过组合空间卫星定位技术、水下声学定

位技术和压力传感器技术等[4]，将全球统一的时

空基准传递到海洋内部，能满足地球科学的研究

需要和海洋时空基准建设和海洋观测的需求。未

来，还将引人新型激光技术和量子技术等来提升

海洋时空基准网的定位导航授时的性能。

海洋时空基准站由海面漂浮、海面下一定深

度被动或主动移动的观测舱和相对固定于海床上

的观测舱组成。在海洋表面布设按一定空间距离

分布的浮标式观测舱或岛礁式工作站，舱内的

GNSS接收机观测中国的北斗(BeiDou

Naviga—

tion Satellite

System，BDS)、美国的全球定位系

统(Global Positioning System，GPS)、俄罗斯的

GLONASS以及欧盟的伽利略(Galileo)等系统的

导航卫星，并进行实时动态定位，以分米级甚至厘

米级精度确定载体的四维时空位置。舱内向水下

安置具有测距功能和数据通信传输功能的多种声

呐，依需求或者还有激光和超低频等，对水中和海

底同类性质的观测舱进行声学／激光测距与有线／

无线通信，感知这些观测舱在地球大地坐标系下

的坐标及其移动速度。这些观测舱或悬浮于海洋

水体的不同深度处，或按适当分布和按探测任务

要求相对固定于海底，组成水下声学定位与通信

网络系统，构成或局域、或广域或全球的海洋时空

基准网络。图1为海洋时空基准网的全局概览，

包括移动式和固定式海洋基准站、定位系统、授时

系统、电能供给系统、通信系统、岸上中心台站及

岛礁中继站等组成部分。

海洋环境监测网n]是为针对特定海洋环境监

测需求建立的另一种海洋观测感知网络。通常其

一种形式是有多种传感器负载的有缆观测舱与光

纤通信联网布设的海底局域监测网络，另外一种是

利用装备有多种或特定海态传感器、分散布设于水

面或水下一定深度的无缆浮标来动态感知广域海

洋环境的网络。目前，由于是局域的、分散的或实

验性的等原因，海洋环境监测网对时空位置的精度

需求不高，一般尚未与海洋时空基准网联合布设。

随着海洋环境监测的广域化、全球化、联网化和任

务的精细化，为提升资源利用效率和满足经济和社

会发展的精准需求，融合海洋时空基准网与环境监

测网，建设一体化的海洋时空基准与环境监测网，

使水面水下各种感知设备在统一时空框架内感知

环境并联网协同作业，肯定将会成为一种趋势。

围绕海洋时空基准网的建设问题，本文首先

阐明了海洋时空基准网的内涵，分析了国内外海

洋导航定位及授时方法的发展现状；然后，针对海

洋时空基准网应用，梳理了海洋环境监测网的国

内外发展现状，阐述了其与海洋时空基准网融合

建设的必要性，并剖析了融合网络与Internet互

联形成的海洋互联网的建设结构与关键问题；最

后，论述了海洋时空基准网的核心基础设施地位，

并展望了与该领域相关的研究方向。

这一海面、水下和海底立体网络与陆基和岛

基所建的北斗／GNSS地基增强系统同步观测、统

一数据处理，实现海洋陆地时空基准网联合组网，

使海陆时空基准统一维护，构成陆海空天一体化

的时空基准网络。这一海洋时空位置基准同时也

作为信号源为水面、水下和海底其他目标提供定

位导航授时信号，反过来也可通过感知和分析所

接受的多种声音信号来探测跟踪水面、水下和海

底的合作性或非合作性目标，提取海洋与海底事

件时空位置信息。

海洋时空基准网的定位系统主要围绕声学测

距和压力计等技术进行工作，可实现导航定位和

大地测量功能。在海洋声速场不够精确时，其授

时系统尚无精确的解决方案。利用海面GNSS

接收机、水下原子钟以及海底光电缆等设备进行

授时为水下时间同步提供了新思路。电源供给系

统包括用于浮标和潜标的电源自给系统以及用于

海底观测舱的电缆供给系统。通信系统包括用于

浮标与潜标的无线通信系统(声学、蓝绿光和超低

频电磁波)以及用于海底观测舱的光缆通信系统。

岸上中心台站和岛礁中继站负责数据管理、呈现、

分析以及电源配送和各站点观测状态的监控，并

连接陆基GNSS观测站。

海洋时空基准网及其构建方法

1．1

海洋时空基准网的定义、内涵与布设

海洋时空基准网由布设在海洋表面、水体中

以及海洋底部的时空基准站(也称参考站)组成，

以海洋表面基准站装备的高精度GNSS卫星动

态定位结果为基准，对水下和海底基准站展开声

学定位和时间传递，同时进行海洋重力测量、磁力

测量和惯性导航，并将结果与GNSS陆地大地控

制网融合，提供海洋基准站在地球坐标系中的精

万方数据

第44卷第1期

刘经南等：海洋时空基准网的进展与趋势

图1 海洋时空基准网的全局概览图

Global Overview of Marine

Frame Network

Fig．1

Space—Time

海洋时空基准站可加载多种传感器设备，包

括导航卫星信号接收机、声学、惯性、原子钟等时

空位置传感器，重力仪、磁力仪和地震仪等大地测

量和地球物理传感器，温盐压仪、流速计和压力计

等水文传感器以及海洋通信设备[6]。众多类型传

感器支撑的海洋时空基准网能为海域划界及权

益维护等主权问题，位置服务、海洋资源开发和

信息共享等工程问题，目标探测、识别及跟踪等

军事问题，海洋时空基准的维护、大洋板块运动、

地球重磁场建模、海洋生态环境变化等科学问题

提供时空信息解决方案。故海洋时空基准网可承

担位置与海洋要素等信息的收集、传播和共享的

责任，形成海洋环境监测网和海洋物联网／互联网

的雏形。

以监测海底板块与水体等环境的动态变化，完善

海洋乃至地球系统的模型；承担环境监测和设备

互联的部分任务，支撑信息传播和共享等服务。

故海洋时空基准网是海洋定位导航、海洋环境监

测网以及海洋互联网／物联网的共性基础设施，既

为海洋环境地理空间信息大数据智能感知网络的

时空基准，也是陆海空天全球时空基准建立和维

护的重要组成部分。

海洋时空基准网海底部分的建设流程见

图2。首先进行基准点布设，基于海面设备的

GNSS动态定位结果进行基准传递，获得海底基

准点的位置信息[71；根据海底基准点之间的测量

结果进行基准网的校正和平差[8。9]，得到每个站点

的精确位置，最后进行组网观测。其中涉及的关

键技术包括卫星与声学联合定位技术、海陆控制

网数据的联合处理、多源数据处理与融合、时空基

准维护及更新等。

完备的海洋时空基准网既可为水面及水下的

各类人造设备提供时空信息，进行立体定位导航，

执行预定的航行任务或进行时空位置标注；也可

嘲

组叫观测

图2海洋时空基准网海底部分的建设流程

TheConstruction Process of Seafloor Parts of Marine

Frame Network

Space-Time

Fig．2

万方数据

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