[科普中国]-海洋大地测量

简介

领海是国家主权的重要组成部分,国家空间基准和位置服务应该覆盖陆地和海洋。1海洋大地测量主要包括在海洋范围内布设大地控制网、海面和水下定位、测定海面地形和海洋大地水准面等。海洋大地测量为船舰精密导航、海洋资源开发、海洋划界、海面和海底各项工程设计和施工，以及研究海底地壳动态和潮汐变化等提供各种数据。

海底控制网的建立海底控制网是各种海洋测量和航海定位工作的基础。2海底控制网中的控制点是安置在海底的一些声应答器，它们的三维位置是以统一的大地基准为参考，利用声学测距技术测定的。当以海底控制网为依据测定一点的位置时,必须由这点至少向3个已知点测量距离。因此，海底控制网要以阵列的形式来布设，每一阵列至少有3个应答器T1、T2、T3（图1）。测定海底控制点U 的方法是借助于海面上的测量，建立已知点同海底控制点之间的联系。已知点可以是陆地上的大地控制点，也可以是空间控制点──已知位置的人造卫星。从海面测量船上，用声学方法根据声波经历的时间测量至海底控制点的距离，同时用电磁波测距技术（测量距离），或用摄影测量方法(测量方向)，或用多普勒技术（测量距离差）测定相对于（陆地上的、卫星上的）已知点的位置。

海面定位岸海域的定位可用常规陆地大地测量方法和电磁波测距技术解决。较远海域的定位需要利用人造卫星、声呐(声学导航和测距系统)和各种无线电定位系统，其中卫星技术对于海面定位有重要意义。它的优点是可以全天候作业，作用范围不受限制。利用声呐技术进行海面定位，是以海底控制网为依据，由海面船舰向其中一个阵列的各控制点测距，确定船舰的位置。

水下定位定水下运载体的位置，主要采用船载惯性导航系统。它是利用质量的惯性来测量运载体的加速度，然后由电子计算机对它进行两次时间积分，求得运载体的位置。这种方法的主要问题是会产生系统的漂移,因此每隔一定时间,需要利用其他定位方法进行订正。

海面地形测定平均海面不是一个重力等位面，它相对于一个与之接近的等位面(大地水准面)的起伏称为海面地形。也有人把海面地形定义为海面相对于大地水准面的高，这里有瞬间海面地形和似平静海面地形之分。瞬间地面地形消除了海面随时间的一些变化之后，得到似平静海面地形。

测定近岸海域的海面地形，可采用大地水准测量法，即在沿岸设置若干个验潮站测定当地平均海面。以某一站的平均海面作为高程起算的重力等位面(大地水准面)，再以精密水准测量联测其他各站的平均海面高程。若平均海面是一个等位面，则联测的高程都为零。实际上它们并不为零，所出现的差值就是海面地形。

测定深海域的海面地形，可以采用海洋水准测量法。这种方法是把大洋深处（1000～4000米）的等压面看成是一个等位面，通过测定海水分层的温度、密度，再利用基本的流体静力方程，计算出平均海面相对于这个等位面的力高。

海洋大地水准面的测定理论上来说，如果有了充分的重力测量数据，就可以利用斯托克斯积分公式求定大地水准面至地球椭球面的差距，从许多个点上的这种差距便可得出大地水准面的形状。实际上，已有的重力数据不能满足斯托克斯公式全球积分的要求，特别是海洋上的重力测量还有很多空白。因此，测定海洋大地水准面最有效的手段是卫星雷达测高技术, 其原理如图2。卫星上的雷达测高仪向海面发射脉冲波，返回信号用快速反应仪器监测,从得出的信号时间延迟,可以推算由测高仪至瞬间海面的垂直距离ΔH。由于散射,雷达波束在海面上的射迹是一个圆。“测地卫星”3号(Geos－3)的雷达波束在海面上的射迹的直径约为 3000米。ΔH是由这个圆内所有反射波加以平均后求得的，从而消除了海面短波长特征（海浪）的影响。已知卫星轨道参数，可以算出卫星对地球椭球面的高H。H -ΔH=Nm是瞬间海面对于椭球面的高。如果ΔH 中加入海面随时间的变化的改正，则Nm为似平静海面对于椭球面的高。如果采用大地水准测量或海洋水准测量得到海面地形ΔN，则由Nm减去ΔN，就得出大地水准面至椭球面的差距N。