关于海上导航定位介绍

[拼音]：haishang daohang dingwei

[外文]：navigation and positioning at the sea

在海洋上进行地质地球物理测量，都要求观测船沿一定的航向或测线航行，同时要求及时地确定观测船或观测点所在的位置，称为海上导航定位。任何海上导航定位设备所确定的位置都有一定的精度范围，从而，海洋地质和地球物理测量必须选择适合于测量比例尺要求的导航定位设备作为技术保证。

海上导航定位有多种技术途径。古老的海上定位方法是利用六分仪观测天体或陆地标志来推算船位，称为天文定位或地物定位。这些方法所测定的船位误差往往超过1海里，不能保证海洋地质和地球物理测量的要求。现代的海上导航定位主要有无线电定位、卫星导航定位和综合卫星导航定位。

利用电磁波沿直线传播和被障碍物反射的特性来确定物体位置的一种测量方法。海洋地质地球物理测量广泛使用无线电导航定位系统，并要求它具有较高的精度、良好的重复性和尽可能宽广的控制范围，为观测点位提供准确的经纬度数据。

无线电导航定位系统要求有已知精确经纬度的岸台及其设备，作为测定船位的基础。通常岸台发射无线电波，而观测船上的船台接收无线电波，并精确地测定其到达时间。由于无线电波在空气中的传播速度接近于常数，并且是可以测定的，所以，根据无线电波传播时间和速度的乘积，可以求得观测船对发射岸台的位置线，即观测船的可能位置。两条位置线的交点就是所要测定的船位。海上无线电导航定位系统大体上可以分为两类：

（1）圆系统。由观测船向设置在地理位置已知的岸台发射无线电信号，岸台在接收到信号之后立即发出相同频率的信号。这样，船台在接收到信号之后，就可以根据信号往返的时间和无线电波的传播速度，精确地测定观测船到岸台之间的距离。此时，观测船的位置处于以岸台为圆心，以岸台到观测船的距离为半径的圆弧状位置线上。有两个岸台，就可以获得两条圆弧状位置线。位置线的交点，即船位。这种无线电定位系统称为圆系统，或测距系统（见图）。

（2）双曲线系统。两个分别设置于已知地理坐标的岸台发射连续无线电波时，电波在空中相互干涉，其相同相位差的轨迹为一族以两个岸台为焦点的双曲线。设置于观测船上的船台接收到某个相位时，即能知道观测船所在的双曲线位置线。这样，两个岸台可以组成两族相交的双曲线，船台同时接收到分别表示两族双曲线的相位，则能根据两条位置线确定船位。如果两个岸台同时发射脉冲信号，则船台接收到两个脉冲信号的时间差所给出的位置线仍在一条双曲线上。于是，至少有3个脉冲信号岸台才能够给出两条双曲线位置线的交点，即船位。无论是连续无线电波的相位差法，还是脉冲无线电信号的时间差法，都是通过双曲线位置线进行导航定位的，从而，统称为双曲线定位系统。这种方法适用于远程和中程定位。

无线电定位系统不受气象条件的限制，能够在短时间内精确定位，但受岸台发射功率的影响，只能在岸外一定距离内保持精度。这种系统工作时，一般都需要从已知起始点出发，并在工作过程中不丢失巷格（相位差为零的两条相邻双曲线间的区域称作巷），但无线电波容易受天电干扰，在日出日落时容易丢失巷格，产生错误。无线电定位系统的覆盖区昼夜之间有很大差异，夜间一般要缩小控制范围约1/3。至于定位精度，由于两族双曲线所组成的巷格网既不正交，又不均匀，以致在覆盖范围内也有不同的精度。此外，在岸台连线之间夹角是120°时，可获得良好的精度，而此条件显然受岸线几何形状的影响，不像圆系统那样，没有此种限制。无线电定位系统的控制范围与定位精度之间成反比关系，为了扩大控制范围而又保持一定的精度，通常采取多个岸台组成台链的方式，常见的无线电导航定位系统及其功能如下页表所示。

1957年开始利用人造地球卫星进行导航定位。目前有5～6个子午卫星围绕地球运转。子午卫星运行轨道在经线平面内为圆形，距离地面高度约1075公里，运行速度为7公里/秒，绕地球一周的时间约108分钟。几个卫星轨道之间的夹角约45°，状如鸟笼，大体上对地球表面作均匀覆盖。

观测船上的卫星接收机具有与卫星发射机频率严格同步的参考振荡器，并用高信噪比的锁相放大器来接收信号。在卫星从出现到消失的18分钟内，接收机将接收到多个相位差。两个相邻相位差之差能够确定一个在地球表面呈双曲线状的位置线。所有位置线的交点，即所要求的船位。

子午卫星信号经过电离层时产生折射，而后到达地球表面。这样，卫星定位将因电离层折射而出现误差。为了消除此项误差，通常采用两个频率来接收卫星信号，通过电子计算机来求出电离层折射的校正值。大量资料统计表明，卫星导航定位的均方根误差为±100米。而接收多次卫星通过的数据可以提高导航定位的精度。

卫星导航定位是全球覆盖的，即不受地球上任何地域的限制，而摆脱了无线电定位岸台设置和控制范围的问题。卫星导航定位还是全天候的，即不受天气、风浪等条件的影响，而在一天24小时内提供精确的位置资料。但是，它必须根据卫星出现的时间来定位。且船只的速度误差对定位精度的影响较大。

为了发挥卫星导航定位系统的长处，弥补其不足，从1967年以来，在海洋地球物理测量中广泛采用综合卫星导航定位系统，即以卫星导航系统作为基础，利用电子计算机将卫星接收机、多普勒声呐、陀螺罗经和无线电定位系统联结起来。在卫星出现时，接收卫星信号进行定位；在没有卫星出现时，用多普勒声呐追踪海底，求取观测船相对于海底运动的速度数据，用陀螺罗经提供航向数据，再由电子计算机实时地进行计算。连同卫星数据校正并内插，其精度可达±100米。在大洋地区，由于海水深度超过200米，多普勒声呐难于追踪海底，可以使用卫星导航与某种无线电定位台链(如在太平洋地区的劳兰C系统)相结合，互相补充。此时精度一般约为几百米。

海洋地球物理测量目前广泛采用综合卫星导航定位系统，但在近海油气勘探中，由于测量要求的精度在几米或几十米的范围内，所以，通常综合使用无线电定位系统和卫星导航定位系统来保证精度要求。美国已建立了全球覆盖和全天候的高精度“导航星” (GPS)定位系统，由18个卫星组成，其P码的精度达15米左右，C/A码达 100米左右（供民用），它将代替远程无线电定位系统。

参考书目

1. 刘光鼎编著：《海洋地球物理勘探》，地质出版社，北京，1978。
2. R.麦奎林、D.A.阿达斯著，葛瑞卿、艾万铸译:《大陆架开发地质学》，海洋出版社，北京，1983。(R.McQuillin，D.A.Ardus，Exploring the Geology of Shelf Seas，Graham & Trotman，London，1977.