中国学科发展战略-海洋大地测量基准与水下导航9787030720238

总序

 前言

 引言

 第一章 战略支撑地位、意义与作用

 第一节 维护国家海洋权益和国家安全的重要基础设施

 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

 第三节 海洋资源开发和海洋环境监测的重要支撑条件

 第四节 数字海洋、透明海洋和智慧海洋的核心要素

 第五节 海洋科学及地球科学问题研究的基础平台

 第二章 国内外发展现状及趋势分析

 第一节 发达国家海底空间基准技术发展现状

 一、海底大地测量基准与海底观测网络

 二、声学定位系统与声学导航定位技术

 三、水下自航定位技术

 四、综合PNT体系与海洋PNT技术

 第二节 我国海洋大地测量基准与导航技术现状

 一、我国海洋大地测量基准发展现状

 二、我国海洋水下定位装备发展现状

 三、我国综合PNT体系与海洋综合PNT体系发展现状

 第三节 我国海洋PNT近期新技术进展

 一、海底大地测量基准理论研究

 二、我国少有海底大地测量基准试验网建成

 三、海洋PNT技术装备研发与工程化应用

 第四节 问题、差距与机遇

 一、问题与差距

 二、机遇与挑战

 第三章 海底大地测量基准建设难点问题及发展途径

 第一节 海底大地测量基准建设难点问题

 一、基础设施建设与维护成本

 二、海底大地控制网勘选

 三、海底空间基准维护

 四、多源海洋大地测量观测融合

 第二节 海底大地测量基准建设的基本准则

 第三节 海底大地测量基准发展途径

 一、多学科、多领域融合发展

 二、急用先建，分步实施

 三、军民融合，共建共用

 四、从理论到应用全链条攻关

 第四章 海洋PNT体系建设难点及发展途径

 第一节 海洋PNT体系建设难点

 一、水下PNT信息源建设

 二、海洋弹性PNT终端小型化

 三、用户端多源PNT信息弹性融合

 四、海洋PNT服务网络构建

 第二节 海洋PNT体系发展的基本准则

 第三节 海洋PNT体系发展途径

 一、纳入国家综合PNT体系建设框架

 二、发挥我国北斗及声学导航技术优势

 三、加大高新PNT技术储备与微PNT传感器研发

 四、坚持弹性PNT发展路线

 第五章 海洋大地测量基准体系及其关键技术

 第一节 海洋大地测量基准理论

 第二节 海洋大地测量基准构建技术体系框架

 第三节 海底大地测量基准建设关键技术

 一、海底大地控制网布测与定位方法

 二、海洋大地测量基准模型优化

 三、海洋大地测量基准与陆地测量基准的无缝连接策略

 四、海洋大地测量基准的维持与更新策略

 第四节 海底基准信标装备研制关键技术

 一、装备研制原则

 二、浅海基准方舱设计

 三、深海基准方舱设计

 四、海底多信标方舱设计

 五、海底多传感器方舱设计

 六、海底基准方舱制造工艺

 第五节 海底空间基准试验网构建

 一、试验网设计的目标和内容

 二、海底空间基准试验网设计

 三、试验区选取与实施

 四、观测试验与数据处理和分析

 五、主要试验结论

 第六章 海洋导航技术体系及其关键技术

 第一节 海面及水下导航技术框架

 第二节 水下声呐导航定位技术

 一、水下声呐导航定位技术装备

 二、主动式声呐定位技术

 三、被动式声呐定位技术

 四、海洋声速场构建与海洋环境误差修正技术

 第三节 惯性导航定位技术

 第四节 INS/重力匹配导航技术

 一、重力匹配导航关键技术

 ……

第一章战略支撑地位、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）。　　第一节 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。