[科普中国]-海上定位

海上定位是在海洋中的船舶上应用各种测量仪器来测定船舶所在位置的方法。包括天文定位、船用六分仪、无线电定位、卫星定位及惯性导航系统等定位方法。1

简介海上定位是利用仪器设备测定船舶在海洋上的位置并引导船舶航行的过程。又称导航。定位的方法主要有推算航法、GPS定位系统光学仪器测定法、声呐法、无线电定位及卫星导航全球定位系统(GPS)等。海洋地质调查中，主要使用的定位系统为卫星导航系统。用仪器测定的位置称实测位置，用航迹和测程仪计算求得的位置称推测位置，对推测位置进行风压流、海流、潮流校正求得的位置则称推定位置。测定的位置(定位)应标定在海图或作业图上。1

海上定位的方法传统的海洋测量主要是在沿岸海域进行，沿岸海域在天气较好、风浪较小的时候测量通常使用光学仪器，利用陆地目标定位，这与陆地测量定位有些相似，不过天气不好，测量船摇摆不定，因而海洋测量精度要比陆地测量定位精度低很多，目前采用主要手段：无线电定位的方法、电磁波测距的方法、无线电定位、光学定位。其中无线电定位方法被广泛应用。这些定位系统定位距离都比较远，但精度一般都比较低，由于在中远海底海底地形比较平坦，精度略低不会影响测量成果的使用，基本满足使用需求。但现代海洋发展事业已远远超出海上交通运输，对海洋的资源调查勘测、海洋工程建设、海洋科学研究等，需要更精确的测量成果，因此研制了水声定位和卫星定位，使得所需成果更为精确。

其中现今广泛利用高精度中短程无线电波的传播特性测定目标的位置、速度和其它特性。无线电定位是除了无线电导航之外的无线电测定。就是利用无线电波的传播特性测定目标的位置、速度和其它特性。是通过直接或间接测定无线电信号在已知位置的固定点（岸台）与船之间传播过程中的时间、相位差、振幅或频率的变化，确定距离、距离差、方位等定位参数，进而用位置线确定待定点位置（如船位）的测量技术利方法。所用定位系统，按确定距离或距离差等定位参数的原理，分为：

①脉冲式无线电定位系统，是根据无线电信号传播时间与传播距离成正比原理，测量船台发射脉冲信号和岸台回答脉冲信号所经历时间间隔，求取距离或距离差；

②相位式无线电定位系统，是根据无线电信号传播中的相位变化与传播距离成正比原理，通过测量两连续信号的相位差求取距离或距离差；

③脉冲一相位式无线电定位系统。工作方式有多种，按位置线确定方式分为：双距离定位、双曲线定位、双方位定位、极坐标定位等。

卫星定位是通过空间卫星的瞬间位置确定地面位置的方法，并在此基础上发展为现在的GPS定位系统，由空间卫星部分、地面监控部分、用户设备部分组成，从覆盖范围、信号可靠性、数据内容、准确性、以及多用性指标来看，优先于传统的卫星系统。成为当代定位热点。全球卫星定位系统GPS是今年以来开发的最具有开创意义的高新技术之一，其全球性、全能性、全天侯性的导航定位、定时、测速优势必然会在诸多领域中得到越来越广泛的应用。这是一个由覆盖全球的24颗卫星组成的卫星系统。这个系统可以保证在任意时刻，地球上任意一点都可以同时观测到4颗卫星，以保证卫星可以采集到该观测点的经纬度和高度，以便实现导航、定位、授时等功能。这项技术可以用来引导飞机、船舶、车辆以及个人，安全、准确地沿着选定的路线，准时到达目的地。主要是为船舶，汽车，飞机等运动物体进行定位导航。例如：船舶远洋导航和进港引水、飞机航路引导、水下地形测量等，GPS除了用于导航、定位、测量外，由于GPS系统的空间卫星上载有的精确时钟可以发布时间和频率信息，因此，以空间卫星上的精确时钟为基础，在地面监测站的监控下，传送精确时间和频率是GPS的另一重要应用，应用该功能可进行精确时间或频率的控制，可为许多工程实验服务。并且由其组成的GPS控制网具有 ：卫控制点之间不需要通视、精度高、适用于海岛联测的优势。并将此技术延伸到水下测量--水下GPS系统，该系统不但可用于从水上（海面、沿岸陆地或飞机上）对水下目标跟踪监视和动态定位，并率先利用GPS技术实现了水下设备导航、水下目标瞬时水深监测、水下授时、水下工程测量控制和工程结构放样等功能。

相对于无线电波信号来说，声波信号可以在水下传播的较远的距离，因此声波发射设备可以作为信号标进行导航。在水底设置若干声标——海底控制点，利用一定的方法测定这些水下声标的相对位置；当一个待定船位的测量船，通过发射设备向水中发射声脉冲询问信号时，水下声标接收该信号并发回应答信号，应答信号被测量船接收并经计算机处理后，可得到测量船的定位结果。目前在水下进行定位和导航最常用的方法就是声学方法。由水下声发射器及接收器相互作用,可以构成声学定位系统。按接收基阵或应答器阵的基线长度,可分为长基线、短基线和超短基线三种声学定位系统。根据不同的定位要求,可以利用不同的定位系统。声学定位技术是对已知目标在一个特定的时间和空间中进行定位的技术。随着电子计算机微处理技术的发展和应用,它可以实时、快速、连续自动地显示出所需要的位置信息。声学定位同时可以解决水深测量，也是重要的发展方向。2

海上定位模型(1)位置线

定义：是一条直线或曲线，它上面的任意一点到已知点所构成的量都等于观测值，每个观测值在平面上都确定了一条位置线。

分类：直线、圆曲线、偏心圆曲线、双曲线。

因此为了确定一点的水平位置，可通过这四条位置线的相互组合，构成极坐标法、方位角交会法、后方交会法、距离交会法、双曲线交会法等定位方式。

(2) 海上定位模型就是把各种观测值和未知点的坐标联系起来，运用公式来确定各种测量和点的平面坐标的关系。运用泰勒级数展开的方法进行线性化，除此之外对于长距离定位，计算在参考椭球上进行，所有的观测值都归化到计算参考面上（投影平面或参考椭球面）。并且通过三种方法：误差椭圆、误差四边形、均方误差圆来进行海上定位的精度评定。2

海上定位测量坐标转换测量的基本任务就是确定物体在空间的位置，而对位置的描述都是建立在某一特定的空间框架之上，即建立参考椭球面和相应的坐标系统。由于采用的参考椭球面及定位方法不同，同一地点在不同坐标系中的坐标值也不相同。在海洋定位测量计算中，由于海洋定位分为绝对定位和相对定位，因此经常遇到不同坐标系之间的转换。

坐标系转换就是在相同参考基准下不同坐标表达形式之间的转换；基准转换是指在不同的参考基准（包括参考椭球的参数以及参考椭球在空间的定位定向等）之间的转换。此二者在处理海洋定位中经常进行相应转换。2

本词条内容贡献者为:

屈明 - 副研究员 - 西南大学