[科普中國]-海洋大地測量

簡介

領海是國家主權的重要組成部分,國家空間基準和位置服務應該覆蓋陸地和海洋。1海洋大地測量主要包括在海洋范圍內布設大地控制網、海面和水下定位、測定海面地形和海洋大地水準面等。海洋大地測量為船艦精密導航、海洋資源開發(fā)、海洋劃界、海面和海底各項工程設計和施工，以及研究海底地殼動態(tài)和潮汐變化等提供各種數據。

海底控制網的建立海底控制網是各種海洋測量和航海定位工作的基礎。2海底控制網中的控制點是安置在海底的一些聲應答器，它們的三維位置是以統(tǒng)一的大地基準為參考，利用聲學測距技術測定的。當以海底控制網為依據測定一點的位置時,必須由這點至少向3個已知點測量距離。因此，海底控制網要以陣列的形式來布設，每一陣列至少有3個應答器T1、T2、T3（圖1）。測定海底控制點U 的方法是借助于海面上的測量，建立已知點同海底控制點之間的聯系。已知點可以是陸地上的大地控制點，也可以是空間控制點──已知位置的人造衛(wèi)星。從海面測量船上，用聲學方法根據聲波經歷的時間測量至海底控制點的距離，同時用電磁波測距技術（測量距離），或用攝影測量方法(測量方向)，或用多普勒技術（測量距離差）測定相對于（陸地上的、衛(wèi)星上的）已知點的位置。

海面定位岸海域的定位可用常規(guī)陸地大地測量方法和電磁波測距技術解決。較遠海域的定位需要利用人造衛(wèi)星、聲吶(聲學導航和測距系統(tǒng))和各種無線電定位系統(tǒng)，其中衛(wèi)星技術對于海面定位有重要意義。它的優(yōu)點是可以全天候作業(yè)，作用范圍不受限制。利用聲吶技術進行海面定位，是以海底控制網為依據，由海面船艦向其中一個陣列的各控制點測距，確定船艦的位置。

水下定位定水下運載體的位置，主要采用船載慣性導航系統(tǒng)。它是利用質量的慣性來測量運載體的加速度，然后由電子計算機對它進行兩次時間積分，求得運載體的位置。這種方法的主要問題是會產生系統(tǒng)的漂移,因此每隔一定時間,需要利用其他定位方法進行訂正。

海面地形測定平均海面不是一個重力等位面，它相對于一個與之接近的等位面(大地水準面)的起伏稱為海面地形。也有人把海面地形定義為海面相對于大地水準面的高，這里有瞬間海面地形和似平靜海面地形之分。瞬間地面地形消除了海面隨時間的一些變化之后，得到似平靜海面地形。

測定近岸海域的海面地形，可采用大地水準測量法，即在沿岸設置若干個驗潮站測定當地平均海面。以某一站的平均海面作為高程起算的重力等位面(大地水準面)，再以精密水準測量聯測其他各站的平均海面高程。若平均海面是一個等位面，則聯測的高程都為零。實際上它們并不為零，所出現的差值就是海面地形。

測定深海域的海面地形，可以采用海洋水準測量法。這種方法是把大洋深處（1000～4000米）的等壓面看成是一個等位面，通過測定海水分層的溫度、密度，再利用基本的流體靜力方程，計算出平均海面相對于這個等位面的力高。

海洋大地水準面的測定理論上來說，如果有了充分的重力測量數據，就可以利用斯托克斯積分公式求定大地水準面至地球橢球面的差距，從許多個點上的這種差距便可得出大地水準面的形狀。實際上，已有的重力數據不能滿足斯托克斯公式全球積分的要求，特別是海洋上的重力測量還有很多空白。因此，測定海洋大地水準面最有效的手段是衛(wèi)星雷達測高技術, 其原理如圖2。衛(wèi)星上的雷達測高儀向海面發(fā)射脈沖波，返回信號用快速反應儀器監(jiān)測,從得出的信號時間延遲,可以推算由測高儀至瞬間海面的垂直距離ΔH。由于散射,雷達波束在海面上的射跡是一個圓。“測地衛(wèi)星”3號(Geos－3)的雷達波束在海面上的射跡的直徑約為 3000米。ΔH是由這個圓內所有反射波加以平均后求得的，從而消除了海面短波長特征（海浪）的影響。已知衛(wèi)星軌道參數，可以算出衛(wèi)星對地球橢球面的高H。H -ΔH=Nm是瞬間海面對于橢球面的高。如果ΔH 中加入海面隨時間的變化的改正，則Nm為似平靜海面對于橢球面的高。如果采用大地水準測量或海洋水準測量得到海面地形ΔN，則由Nm減去ΔN，就得出大地水準面至橢球面的差距N。