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中国学科发展战略(海洋大地测量基准与水下导航)/学术引领系列/国家科学思想库

作者：中国科学院

出版社：科学出版社出版时间：2022-06-01

开本： 16开 页数： 160

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内容简介
目录
节选

中国学科发展战略(海洋大地测量基准与水下导航)/学术引领系列/国家科学思想库版权信息

ISBN：9787030720238
条形码：9787030720238 ; 978-7-03-072023-8
装帧：一般胶版纸
册数：暂无
重量：暂无
所属分类：
自然科学
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测绘学

中国学科发展战略(海洋大地测量基准与水下导航)/学术引领系列/国家科学思想库内容简介

我国海洋大地测量与导航学科及技术发展滞后，海底大地测量基准空白，水下导航定位手段匮乏，难以有效支撑我国日益活跃的海洋活动，更无法保障我国海洋强国建设，这与我国海洋经济建设和海防建设目标极不相配。本书论述了海洋大地测量基准与水下导航在海洋权益、国家安全、海洋经济及海洋科学研究等方面的战略支撑地位，在分析国内外相关科技领域发展现状和趋势的基础上，提出了我国海洋大地测量基准及海洋定位、导航和授时（PNT）体系建设的发展途径，梳理了海洋大地测量基准与水下导航技术领域的难点问题、关键技术及发展方向，给出了学科发展建议。本书可供国家综合PNT体系建设、海洋科技以及大地测量与导航学科的政策制定、发展规划、科学研究及技术研发等相关人员阅读。

中国学科发展战略(海洋大地测量基准与水下导航)/学术引领系列/国家科学思想库目录

目录
总序　i
前言　vii
引言　ix
**章　战略支撑地位、意义与作用　1
**节　维护国家海洋权益和国家安全的重要基础设施　1
第二节　国家蓝色海洋经济、“21世纪海上丝绸之路”的基础支撑　3
第三节　海洋资源开发和海洋环境监测的重要支撑条件　4
第四节　数字海洋、透明海洋和智慧海洋的核心要素　5
第五节　海洋科学及地球科学问题研究的基础平台　6
第二章　国内外发展现状及趋势分析　9
**节　发达国家海底空间基准技术发展现状　9
一、海底大地测量基准与海底观测网络　9
二、声学定位系统与声学导航定位技术　13
三、水下自主导航定位技术　15
四、综合PNT体系与海洋PNT技术　17
第二节　我国海洋大地测量基准与导航技术现状　18
一、我国海洋大地测量基准发展现状　18
二、我国海洋水下定位装备发展现状　19
三、我国综合PNT体系与海洋综合PNT体系发展现状　21
第三节　我国海洋PNT*新技术进展　22
一、海底大地测量基准理论研究　23
二、我国首*海底大地测量基准试验网建成　23
三、海洋PNT技术装备研发与工程化应用　24
第四节　问题、差距与机遇　26
一、问题与差距　26
二、机遇与挑战　28
第三章　海底大地测量基准建设难点问题及发展途径　31
**节　海底大地测量基准建设难点问题　31
一、基础设施建设与维护成本　31
二、海底大地控制网勘选　32
三、海底空间基准维护　32
四、多源海洋大地测量观测融合　33
第二节　海底大地测量基准建设的基本准则　33
第三节　海底大地测量基准发展途径　35
一、多学科、多领域融合发展　35
二、急用先建，分步实施　35
三、军民融合，共建共用　36
四、从理论到应用全链条攻关　37
第四章　海洋PNT体系建设难点及发展途径　39
**节　海洋PNT体系建设难点　39
一、水下PNT信息源建设　39
二、海洋弹性PNT终端小型化　40
三、用户端多源PNT信息弹性融合　41
四、海洋PNT服务网络构建　41
第二节　海洋PNT体系发展的基本准则　41
第三节　海洋PNT体系发展途径　43
一、纳入国家综合PNT体系建设框架　43
二、发挥我国北斗及声学导航技术优势　43
三、加大高新PNT技术储备与微PNT传感器研发　45
四、坚持弹性PNT发展路线　45
第五章　海洋大地测量基准体系及其关键技术　47
**节　海洋大地测量基准理论　47
第二节　海洋大地测量基准构建技术体系框架　48
第三节　海底大地测量基准建设关键技术　50
一、海底大地控制网布测与定位方法　50
二、海洋大地测量基准模型优化　56
三、海洋大地测量基准与陆地测量基准的无缝连接策略　65
四、海洋大地测量基准的维持与更新策略　69
第四节　海底基准信标装备研制关键技术　72
一、装备研制原则　72
二、浅海基准方舱设计　74
三、深海基准方舱设计　77
四、海底多信标方舱设计　77
五、海底多传感器方舱设计　79
六、海底基准方舱制造工艺　80
第五节　海底空间基准试验网构建　83
一、试验网设计的目标和内容　84
二、海底空间基准试验网设计　85
三、试验区选取与实施　87
四、观测试验与数据处理和分析　89
五、主要试验结论　96
第六章　海洋导航技术体系及其关键技术　98
**节　海面及水下导航技术框架　98
第二节　水下声呐导航定位技术　101
一、水下声呐导航定位技术装备　101
二、主动式声呐定位技术　102
三、被动式声呐定位技术　103
四、海洋声速场构建与海洋环境误差修正技术　104
第三节　惯性导航定位技术　105
第四节　INS/重力匹配导航技术　107
一、重力匹配导航关键技术　107
二、重力场适配区选取方法　107
三、高精度重力匹配图构建技术　109
四、高精度实时重力测量技术　111
五、重力匹配算法研究　112
第五节　海洋综合PNT装备与多源PNT信息融合技术　113
一、海洋综合PNT装备　113
二、海洋多源PNT信息融合技术　113
第六节　极地海洋大地测量基准与极地海洋导航发展方向　118
一、极地海洋大地测量基准构建策略　118
二、极地海洋导航发展方向　118
第七章　我国海洋大地基准体系发展方向　120
**节 “十三五”海洋大地基准建设成果概述　120
第二节　海洋大地测量基准建设主要发展方向　122
一、构建近海大地测量海底大地控制网络　122
二、陆海垂直基准归一化建设　122
三、动态海底监测大地基准体系及其数据反演　123
四、应急海洋基准网络建设及实时或准实时数据处理理论与技术　124
五、陆海空天立体大地测量数据采集体系及其装备核心技术　125
六、多源海洋观测数据的弹性融合理论与软件平台建设　125
第八章　我国海洋水下导航定位体系发展方向　128
**节　国家海洋水下导航定位体系建设概况　128
第二节　国家海洋PNT体系建设主要发展方向　129
一、国家“水下北斗系统”基础设施建设　129
二、多机理PNT与匹配场信息资源建设　131
三、海洋PNT核心元器件国产化　132
四、深海长航时PNT终端弹性化与智能化　132
五、弹性化PNT融合理论与算法　133
六、极区PNT体系建设　134　
第九章　我国海洋大地测量和海洋PNT学科建设　136
**节　海洋大地测量学科发展概况　136
第二节　海洋PNT学科发展概况　138
第三节　海洋大地测量与海洋PNT人才培养　139
第四节　国际学术交流与技术合作　140
一、加强基础研究领域的学术交流与合作　141
二、加强与世界知名海洋研究机构的合作　143
三、加强政府间双边和多边合作　144
参考文献　146
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中国学科发展战略(海洋大地测量基准与水下导航)/学术引领系列/国家科学思想库节选

**章战略支撑地位、意义与作用海洋大地控制网是国家大地基准网的重要组成部分，是海洋大地测量、海洋测绘和水下导航定位的基础，是海洋活动尤其是水下航行的重要参考基准（杨元喜等，2017；杨元喜等，2020）；海洋大地控制网也是海洋权益维护、海洋资源勘探、海洋环境监测的重要基础设施，还是海洋科学研究的重要支撑。海洋大地控制网需尽可能覆盖海面、水中和海底。美国、日本等少数发达国家早已开展了海底大地控制网建设研究（Mochizuki et al.，2003；Favali and Beranzoli，2006；Matsumoto et al.，2008a），相比之下，我国海底大地控制网建设起步较晚，缺少自主可控的海底基准信标装置，水下导航定位技术单一，难以有效满足海洋勘探、海洋经济开发、海洋科考、海洋环境监测、海洋权益维护等各种海洋活动的需要（杨元喜等，2017）。 **节维护国家海洋权益和国家安全的重要基础设施随着国家利益边界的不断拓展，国家安全概念已经超出了传统的领土、领空范畴，不断向深空、深海、两极甚至全球和网络空间拓展与延伸。海洋权益与陆地权益、空间权益一样是国家利益的核心内容之一，维护海洋权益首先要有陆海统一的大地基准的保障。我国国家安全与海洋权益维护形势严峻，周边安全环境复杂，国家主权和海洋权益正面临巨大挑战（姜丽丽，2006）。我国部分岛礁被侵占、海洋资源被掠夺，海域划界矛盾突出。敌对势力拉拢域内和域外国家（地区）不断在各种场合强调所谓“航行安全”，实质是制造事端，进行挑衅，给我国海洋安全及海洋权益维护带来极大挑战。海洋安全是国家安全的*前沿阵地，国家安全保障离不开海洋大地基准支撑和海洋导航定位保障。《中国海洋发展报告（2019）》指出，中国的海洋安全形势正发生复杂而深刻的变化，海洋安全是中国当前国家安全的重点方向，关系到国家的主权与安全，更关系到国家的未来发展（自然资源部海洋发展战略研究所课题组，2019）。我国海洋安全面临严峻挑战，尤其是南海安全不断面临严重威胁。南海是我国海洋安全的重要屏障（于营，2012），但是，近年来我国南海重要区域、重要岛礁、重要海洋探测装置和重要设施经常遭到敌方从空中、水面到水下多层次、多手段侦察、滋扰与入侵，海洋安全和海洋权益面临巨大威胁，海洋资源勘探存在巨大安全隐患。无论是海洋权益维护还是海洋安全保障，都必须有海洋大地测量基准与水下导航定位能力。维护海洋权益首先必须扩大海洋活动空间，提高海洋水上和水下安全航行能力。此外，维护海洋安全和海洋权益不得不大力强化我国的海防能力，海防能力的提升首先要有海底大地测量基准与水下PNT基础保障能力的提升，如此才能确保水下载体航行，特别是隐蔽航行安全。然而，我国陆海空间基准未形成统一体系，海底基准基础设施几乎空白，水下导航技术手段单一，严重影响我国海洋权益的维护和各种海上活动的开展（杨元喜等，2017）。在国家科技实力和经济实力不断增强以及相关技术储备不断丰富与完善的情况下，建立和发展陆海一体的空间基准体系，发展水下导航定位新手段已迫在眉睫。建立海洋大地控制网，类似于北斗导航卫星星座，可为水下潜器提供导航定位服务（杨元喜等，2020），从而有效提高其隐蔽性和生存能力，也可为我国海上力量提供水下隐蔽定位信息支援，保障舰船航行安全，提升其有效遂行使命的能力。当前，我国水下航行器隐蔽导航主要依靠惯性导航系统（inertial navigation system，INS）（张福斌，2002；张世童等，2020）。水下导航尤其是长航时水下惯性导航累积误差严重，我国目前使用的水下静电惯性导航系统的导航精度大约为0.5nmile/2d，而美国使用的水下静电惯性导航系统的导航精度大约为2nmile/30d。为了标校水下惯性导航的累积误差，水下潜器不得不上浮水面，或放出一次性GNSS浮标进行标校，或借助陆基导航（长波导航台）系统进行位置校准，这大大降低了其自主导航隐蔽性和生存能力。地球物理场匹配导航也是解决水下潜器惯性导航累积误差的重要手段，但水下潜器匹配导航定位所需的水下地形地貌信息、重力场信息和磁场信息，*终也离不开陆海统一的海洋大地测量基准支撑。海洋大地测量基准与陆地基准的统一是陆海空联合作战的重要基础，有利于形成全球精确打击的战略能力，有利于全面提升海战场环境综合保障能力，以满足遂行应急救援、远洋护航、重要海上通道控制等多样化海洋安全保障需要。建立分布合理的陆海统一的海洋大地控制网，有利于改变目前单一的海洋导航定位模式，有利于准确快速获取海战场环境时空信息和导航定位信息，有利于提高信息化协同作战和精确打击保障能力。第二节国家蓝色海洋经济、“21世纪海上丝绸之路”的基础支撑海洋经济是我国经济发展潜在的、可持续的、重要的领域。作为国民经济建设的重要战略发展方向，海洋经济对我国国民经济的贡献稳步增长。根据《2019年中国海洋经济统计公报》，2019年全国海洋生产总值89415亿元，比上年增长6.2%，海洋生产总值占国内生产总值的比重为9.0%，占沿海地区生产总值的比重为17.1%（自然资源部，2019）。我国每年进口的原油90%以上也需要通过海洋运输（吴刚和魏一鸣，2009）。我国社会经济发展对海洋资源的开发利用、运输通道的安全保障、海洋权益的维护拓展的重要性和依存度日益突出。为了快速推进我国海洋经济发展，稳健实施全球经济布局，实施国家海洋大地基准与海底导航定位基础设施建设已成为当前大地测量的优先发展任务。共建“21世纪海上丝绸之路”有助于中国与海上丝绸之路沿线国家在航运、能源、贸易、科技、生态等领域开展全方位合作，有利于扩展我国经济发展战略空间，支撑我国经济持续稳定发展，同时对促进区域繁荣、推动全球经济发展具有重要意义。“21世纪海上丝绸之路”建设首先要有时空基准统一地理空间信息的保障，要有海洋导航定位技术和装备的支持，因此，大力发展海洋大地测量基准与导航技术已成为国家空间基准服务国民经济建设的新任务和新使命。我国部分管辖海域和重点关注大洋区域的海洋大地测量基准基础设施远不能满足“21世纪海上丝绸之路”的需求，尤其是海底大地测量基准设施极其薄弱，因此需要尽快开展“21世纪海上丝绸之路”大地基准建设，为“21世纪海上丝绸之路”建设提供导航定位服务能力。加强海底大地控制网建设，提供全球统一、陆海一体、精准可靠的空间基准，无疑是提升海洋观测能力*基础、*核心的环节，将直接服务于“21世纪海上丝绸之路”，为其提供精确的时空基准保障。第三节海洋资源开发和海洋环境监测的重要支撑条件海洋资源开发是我国资源供给的重要途径。我国拥有300多万平方公里海洋领土、18000km大陆海岸线和16000km海岛岸线（魏国旗，1991），我国东海、南海都蕴藏着丰富的石油、天然气等矿产资源，海岸带区域自然资源丰富，对于我国社会经济可持续发展具有极其重要的意义（杨金森，2005）。海洋渔业需要海洋位置服务。我国拥有浅海滩涂面积2亿亩，大陆架渔场42亿亩，目前拥有海水养殖面积3000万亩，海藻、虾类养殖已位居全球**。1998～2004年，山东省青岛市崂山区每年的海洋捕捞产量稳定在6万t以上，但随着近海资源匮乏，捕捞产量下降，如2005年为5.4万t（青岛市崂山区志编纂委员会，2008）。因此，海洋经济需要向更绿色、更健康的可持续方向发展（陈国生和叶向东，2009）。海洋所孕育的“蓝色粮仓”将在很大程度上解决我国“人增地减”的矛盾（韩立民和李大海，2015）。海洋养殖，尤其是智能化、无人化养殖（以下简称海洋牧场）需要海洋大地基准与海洋PNT的强有力保障，否则无人值守的海洋牧场建设将不可能实现。此外，公海和深海蕴藏着人类可持续发展所需的大量矿产资源，这将成为世界各国抢占生存和发展空间的制高点。我国海洋资源开发正在走向深海和公海，需要深海高精度导航定位技术提供支撑和保障，海洋资源勘探更离不开高精度定位与导航技术的支撑。我们知道，海洋是我国资源勘探开发的重要领域，探索和查明蕴藏在海洋中的自然资源，摸清其富集过程和特征，必须首先进行海洋资源调查、勘探，其后才能有计划地实施开采。海洋资源勘探离不开位置服务，也离不开海洋导航，尤其是海底钻探，更需要水下高精度定位技术的支持。 2021年12月，国务院批复《“十四五”海洋经济发展规划》指出，更好统筹发展和安全，优化海洋经济空间布局，加快构建现代海洋产业体系，着力提升海洋科技自主创新能力，协调推进海洋资源保护与开发，维护和拓展国家海洋权益，畅通陆海连接，增强海上实力，走依海富国、以海强国、人海和谐、合作共赢的发展道路，加快建设中国特色海洋强国。海洋环境监测、海洋环境保护是国家“绿水青山”战略实施的重要组成部分，也是国家承诺的“2035年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和”的重要“碳中和”承载区域。海洋环境监测离不开定位信息和位置服务，也离不开导航定位和授时技术。2021年3月，《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》提出，打造可持续海洋生态环境，探索建立沿海、流域、海域协同一体的综合治理体系。这些年来，我国在大力提倡开发利用海洋的同时，面临着巨大的海洋生态环境污染治理压力。2014年，长江、黄河、珠江等七大流域环境监测结果表明，水质同比均出现下降状态，多数河口生态系统海水呈现富营养化，港湾、潮滩和湿地等环境污染严重，许多地区赤潮不断（李尚勇，2015）。海底大地控制网作为海洋立体监测系统的基础组成部分有必要尽早提到重要日程。国家海洋大地测量基准可为海洋资源调查、勘探、开发提供坚实的基础，提高国家海洋资源开发能力，促进海洋经济高质量发展。例如，海底大地控制网可为海底工程施工提供控制，为石油钻井平台的定位或复位、海底管道的敷设、水下探测器的安置或回收等提供高精度定位（杨凡，2017）。国家海底大地控制网建设还可为海洋经济建设提供测绘保障，为我国社会经济可持续发展做出贡献。水下导航定位可广泛应用于包括海洋资源勘察与开发、海底地形地貌勘测以及深海探测等领域。此外，国家海洋环境监测需要集成高精度导航、定位和授时技术，为各类海洋环境参数提供准确可靠的空间位置和时间信息，特别是在海洋潮汐、水文观测等方面，不仅需要在我国沿海实现观测资料的陆海统一，还需要在全球范围内确保观测数据的时空基准统一。第四节数字海洋、透明海洋和智慧海洋的核心要素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”，这一战略实施需要有数字海洋、透明海洋、智慧海洋的支撑，形成海洋资源、事件、目标等相关位置和时间的快速感知能力。数字海洋是海洋全信息的数字化，是透明海洋的前提条件，更是智慧海洋的基础和核心。数字海洋建设首先必须构建立体式观测网络，从空间、海面、水下甚至海底获取各类海洋环境信息，包括海洋几何信息、物理信息、化学信息、生态信息等，这些信息的共同特征是都必须有位置属性；数字海洋还必须有网络信息，否则各个区域的各类海洋信息将成为“信息孤岛”，构不成整体的海洋信息平台，而各类海洋信息必须有高精度时间和空间框架的支持，否则这些信息将成为杂乱无章的信息。透明海洋是数字海洋的升华。透明海洋需要数字海洋的支撑，没有足够密度、足够分辨率的海洋综合数据支撑，海洋不可能透明化。建立透明海洋必须有足够的海洋感知信息支持，无论哪类感知信息，都必须有时间和空间属性，因此大地基准信息、导航定位信息及时间信息就成为透明海洋的基础。智慧海洋是数字海洋、透明海洋的升华，也是智慧地球的重要组成部分。智慧海洋不仅需要海量的、高空间分辨率和高时间分辨率的海洋信息的支持，还需要将海洋大数据与专家知识相结合，形成海洋知识图谱，将新一代信息技术与海洋环境、海洋装备、人类活动和管理科学深度融合，实现互联互通、智能化挖

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